(Automatische) Messung der Filamentdicke

So die Aufbereitung der Schattengeometrie ist fertig. Sieht gut aus. Ein möglicher Fehler hebt sich selbst auf und der andere ist durch den Abstand der Lampe zur Sensorfläche/Filament gut kleinkriegbar.

Aber von vorne:

Wenn man die Dicke des Filaments durch Längenmessung des Schattens bestimmen will, den das Filament auf eine Sensorzeile wirft, dann können zwei verschiedene Bewegungen des Filaments zu Fehlern führen.

Einmal wenn das Filament sich auf der Achse Lampe, Filament, Sensor zur Lampe bewegt (in der Zeichnung unten die x Richtung). Und einmal wenn es zur Seite ausbricht (die y Richtung).

Für die Überlegungen habe ich folgende Vereinfachungen angenommen. Die Lampe ist punktförmig (bei genügend Abstand L2 und einer kleinen Blende vor der Lampe ist es glaube ich ok). Das Filament habe ich als "Flach" angenommen (Ebenfalls ok wenn das Verhältnis L2/L1 nahe 1 liegt).

Als Zeichnung sieht das so aus:



Die Formel sind mit Herleitung:



Das Ergebnis steht im PDF.

Das spannende ist, das sich ein "Fehler" aufhebt und nur die Verschiebung auf der x-Achse relevant bleibt als Fehler. Der ist aber gut kleinhaltbar.

Also jsturm die Theorie sprich für die Schattenmessung

Die Baugrösse des Messapparats dürfte so bei einem Kästchen von ca. 5x5x2 cm liegen und das Gewicht sollte auch recht klein sein (LED und Sensor wiegen wenig).

Man kann in den Apparat auch gleich ein "Staubwischer" einbauen, der das Filament vom Staub befreit. Damit der nicht in den Druckkopf gerät und Verunreinigungen einträgt.

So nun auf zum Sensor aussuchen ...

Wow,

sage ich nur dazu. Also Jungs, folgendes kann ich nur zur der Schattenmessung aus persönlicher Erfahrung sagen. Egal wie euphorisch diese ganze Geschichte hier auch diskutiert wird.
1. Eine Schattenmessung mit der Kamera gestaltet sich als sehr, sehr, sehr, schwierig. Die Software dafür muss erst mal wissen wann ein Schatten ein Schatten ist. Es gibt hier viele Grautöne, und das ist die Kunst bei der Kamera Geschichte. Wo ist der Übergang von schwarz und weiß, und wo ist das Teil bzw. der reale Wert bzw. der Durchmesser des Filaments. Nicht so einfach und schon gar nicht mit den "Hausmittelchen" zu machen. Wir vermessen bei uns im Geschäft mit dem Weißlichtinterferometer Verfahren Teile mit einer Genauigkeit von 0,005mm. Wobei die Auflösung der Kamera bei 0,001mm liegt. Vor allem liegt die Frequenz bei 500 MHz. Siehe 3D-Shape. Ein wenig zu teuer denke ich. Diese Systeme bewegen sich in einem Bereich zwischen 50-80 tsd. €
2. Wir haben auch eine "Schattenmessung" von Objekten wo wir Bohrungen und auch Oberflächenfehler "vermessen" eher prüfen. Aber diese Verfahren erreichen auch keine Messgenauigkeit von 0,01mm.

Bitte bedenkt dass eine Messgenauigkeit von 0,01mm eine Messauflösung von 0,001 benötigt. So was nennt man dann Messmittelfähigkeit. Ein Messschieber mit einer Auflösung von 0,01mm kann rein theoretisch zwar auf 0,01mm messen, praktisch eher nicht?!?!?! Aufgrund der Messunsicherheit und anderen Fehlerquellen wird er eigentlich nur bis 0,1mm zugelassen.

Systeme von Keyence, CCD Laser haben eine Wiederholgenauigkeit von 0,005mm. Diese wären aufgrund des Aufbaus dafür geeignet. Aufgrund des Preises fallen diese aber auch wieder raus. Hier bewegen wir uns in einem Preissegment von ca. 15 tsd. €.

Die Idee mit der Messuhr bzw. Messtaster halte ich für sehr gut. Wobei das System robust und einfach in der Bedienung sein muss. Hier würde ich aber dann auch einen Messtaster von Mahr, Serie Millimar P2000 vorschlagen. Inwieweit dass mit einem Arduino kommunizieren kann, keine Ahnung, müsste abgeklärt werden. Wenn das dann nicht geht, eine Digitale Messuhr mit 0,001mm Auflösung und Anschluss für den Arduino. Das geht dann bestimmt.

Gruß
Mirco

Na gut. Das was du beschreibst ist die Profi Variante. 500 MHz als 500.000.000 Messungen die Sekunde sind vielleicht etwas über das Ziel hinausgeschossen, dass das wirklich teuer wird ist klar. Selbst die 2kHz des Keyence, CCD Laser sind doch schon viel zu schnell. Alle paar Sekunden eine Messung ist sicherlich schon besser als gar keine Messung. Vor allem dürfte der Vortrieb am Filament gar nicht so schnell sein Jemand der wie du Ferrari baut, kann sich kaum vorstellen das ein Model T von Ford von einem Hufschmied repariert (und mit Ersatzteilen bestückt) werden kann (eventuell)

Das ganze soll ja auch keine Industriequalität darstellen. Für die Schattengrenze sollte ein einfacher Schwellwert ausreichen. Die Sensorzeile liefert ja erstmal eine Reihe von Messwerten je einen für jedes Pixel, deren Anordnung ist durch die Hardware fix. Es ist eine eigene feste Beleuchtung (LED mit Gleichstrom betrieben, also gleichmässiger Lichtfluss). Die Auswertung sollte so sein: Pixel für Pixel warten bis der Schwellwert überschritten wird. Dann anfangen zu zählen. Wenn der Schwellwert wieder unterschritten wird, dann aufhören zu zählen. Den Wert mit der Pixelbreite multiplizieren und das was da rauskommt ist die Schattenlänge. Nun das ganze mit dem per Messschieber (bei der Kalibrierung) ermittelten Wert verrechnen. Und "fertig". Es geht hier nur um die Vermessung einer Dimension. Es müssen keine Tausendstel sein. Und zumindest die Lage des Schattens auf dem Sensor ist egal (der Sensor hat äquidistante Pixel und die Geometrie ist für uns). Natürlich gibt es Abweichungen auf Grund von Ausdehnungen des Materials durch Wärme etc. Aber von einer Messung zur nächsten sollten die Differenzen zur Steuerung des Vortriebes ausreichen.

Und wenn nicht, dann ist mit dem vorgeschlagenen Material ein Wert von ca. 40 Euro verbraten worden (Gehäusedruck, LED, Sensor, Arduino-Clone all inclusive). O.k. meine Arbeitszeit ist deutlich teurer (Dipl. Ing. in der Software Entwicklung). Aber es ist nun mal mein Hobby, macht Spass und "lernt mich was". Sollte es wieder erwarten doch klappen (man weiss ja nie) kann das dann auch jeder nachbauen

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 25.08.13 15:39.

Eigentlich geht es doch nur dadrum, die hier (evtl. verbessert ) nachzubauen -> [www.thingiverse.com]
Das so was funktioniert, hat er ja schon beschrieben.
Ich bin leider kein Elektroniker und kann selber keine Platinen herstellen und ätzen

Also mein Ford T-Modell würde dann genau so einfach und effektiv mit einem TSL1401CL (auf die schnelle gefunden) und einer lichtquelle die relativ schmal ist funktionieren. Da brauchst dann auch keinen arduino dazwischen hängen, ein analoger eingang müsste noch zu finden sein, habe aber jetzt im detail nicht nachgeschaut. Keine kamera und auch keine optik, klein fein und als low cost vielleicht auch zu gebrauchen. Müsste ausreichen, und wäre auch als permanente messung machbar.

@Mirco Nicht das du mich falsch verstehst, Dein Input ist mir sehr willkommen. Es geht mir eigentlich erstmal um das Experiment. Und das kostengünstig. Meine Erwartungen sind da nicht sehr hoch gesteckt aber wohl schon etwas optimistischer als bei dir .

Gruss Matthias

@Mirco: Ja das ist der Chip den das Thingeverse benutzt (glaube ich). Der hat mir aber tatsächlich doch zu grosse Pixel (und ist relativ teuer). Es gibt ja etliche Zeilensensoren in CCD und CMOS und auch mit kleineren Pixeln (hatte welche mit 7.6 µm bzw. ca. 12 µm gefunden) für kleiner 20 Euro. Aber da suche ich noch.

P.s.: was macht dein Velleman? Ich warte schon gespannt auf die nächsten Teile deines Berichtes.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 25.08.13 18:18.

@Mathias
Ok wenn es Dir auf das experiment ankommt dann musst Du bei der Kamera folgende Dinge beachten damit es nicht gleich in die Hose geht. Fremdlichteinwirkung so gering wie möglich halten, reflektionsarmes Material verwenden, am besten eine Strobolampe einbauen (vielleicht geht das dann auch mit power leds) und pro stoboschuss eine aufnahme mit kurzer belichtungszeit machen, diese dann bei einer oder zwei zeilen auswerten. Du konntest dann auch mehrere zeilen nehmen und den durchschnitt bilden. Wäre dann ein wenig genauer. Den größten und den kleinsten wert ausblenden, den rest verwerten. So könnte ich mir das vorstellen. Allerdings benötigst dann noch einen wandler (macht dann arduino) der das kamerasignal in analoge werte an die hauptplatine weiter reicht auf das dann repetier zugreifen kann und die ganze schoße verarbeitet. Mit einem zeilensensor ist das viel einfacher, aber das willst du ja nicht Programmerer sind schon komische leute spaß.
@mstolt
Ja, das ist so ne sache, das material wäre alles schon hier, allerdings macht der h-belt so viel spaß dass ich gar keinen bock mehr auf den velleman habe>< mache aber diese woche weiter, und werde endlich ein paar updates posten. Außerdem habe ich meiner frau versprochen dass ich einen drucker wieder verkaufe. Der 3. ist gerade im bau/konstruktion. Wird ein schönes konzept mit alugussteilen und linearführungen. Die x/y achsen bekommen aber stärkere motoren. Tisch nur z-achse. Nach langem hin und her scheint für mich das als optimum. Aber nur für mich.

Gruß
Mirco

Da hast du mich falsch verstanden. Ich will schon den Zeilensensor. Einen Chip direkt beleuchten, ohne weitere Optik. Das Filament eng am Sensor geführt. in einem Kasten (gegen das Fremdlicht. Der Lichtschacht beleuchtet von einer getakteten LED (damit die CCD/CMOS im Chip nicht überladen. Das Signal vom Chip würde ich auf einem Arduino vorverarbeiten. Weil es ja nur eine Ziele ist sollte der mit den ca. 1000 Werten (Pixel) auch zurecht kommen. Die Übertragung an den Steuerrechner würde ich allerdings eher nicht analog machen, sondern als Datenpaket über I2C oder SPI erledigen. Warum sollte ich die zwei zusätzlichen Fehler der D/A und dann wieder A/D Wandlung einbauen? Ansonsten stimme ich deinen Ausführungen für eine Kamera zu. Und das Umfeld voll zu. Danke für die Bestätigung meiner Gedanken.

Allso:

* Zeilensensor ials One-Chip CCD oder CMOS Variante mit einem Pixelabstand von ca. 10 mykrometer
* Verarbeitung der Pixel zu einem Wert durch eingenen Rechner
* ausspielen/übertragen des Wertes über digitale Verbindung I2C, SPI oder RS232 (mal sehen was da ist)
* Auskleidung der Messkammer mit schwarzem Tonpapier (gegen Reflexion und als Frendlichtschutz (je nachdem, ob die 2mm schwarzem PLA blickdicht sind oder nicht)
* Der Sensor liegt in einem kurzen Schatz hinter dem Filament, damit er nicht so schnell durch Staub vermutzt.
* am Eingang der Filamentführung gibt es einer Wischer gegen Staub (und Fremdlicht).
* die Filament Führung sollte ein Ausbrechen des Filaments hin zur LED möglichst verhindern/klein halten.

Bis später
Matthias

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 26.08.13 03:37.

Das ist die eine Hälfte des bisherigen Gehäuses. Hinten ist der Platz für die LED, davor die "Blende" und der "Strahlenschacht". Es fehlt die Filamentführung und die Sensorkammer.



Bislang besteht das Gehäuse aus drei Teilen (zum Drucken). Von unten nach oben: Die Basis in der alles verbaut wird, dem Einsatz zum Halten der LED. Und dem Deckel.



Das ganze ist konstruiert in OpenSCAD (schön mit Parametern). Die Kabelkanäle (Stromversorgung der LED) sind auch im Gehäuse eingebaut (dafür druckt man so was ja )
Es fehlen die Details wie Papierhalterung in der Kammer für die Auskleidung Wülste rund um den Deckel gegen Lichteinfall. Verschraubung des Deckels. Und natürtlich die Filamentführung und die Sensor/Elektronik Kammer.

Ich werde mal sehen ob ich mit den 6 I/O des Digispark hinkomme als Controller. Der wäre schön klein und günstig (9 Dollar) und ich hab noch 10 rumliegen


CU
Matthias

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 26.08.13 05:35.

"ich hab noch 10 rumliegen" -> ich melde mich mal für 1 Exemplar an
Achim

Mal sehen ob es klappt Das war ein Kickstarterprojekt: mittlerweile gibt es die auch hier: [digistump.com]

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 26.08.13 07:20.

Und wie wäre es einfach analog?
Filament deckt LDR teilweise ab, Widerstandsänderung wird gemessen und in Dicke umgerechnet, Fertig.
Im schlimmsten Fall braucht man dazu 1 LED, 1 LDR, 1OpAmp und ein paar Widerstände.


Tschö, Richard

Hi Richard,
leider auch jede Menge Datentabellen für die verschiedenen Werte bei z.B. Nylon, weissen Filament, roten Filament, gelben, ......

Du siehst was ich meine. Unterschiedliches Filament deckt/reflektiert unterschiedlich (und das auch noch in Abhängigkeit des Lichtes das man draufwirft). Damit dürfte der Messwert nicht so einfach auf eine Dicke abbildbar sein.

Bei der Schattenmessung kommt es nur auf den Schwellwert an, der kann heuristisch bestimmt werden (denke ich).

Zudem hast du das Problem das die Linearität des LDR dich ärgern wird (bei dem Zeilensensor ist die Linearität durch die Geometrie gegeben und fix).

Dann kommt auch noch der Digitalisierungsfehler dazu.

Über alles habe ich das Gefühl das es zu ungenau/unreproduzierbar wird.

Gruss Matthias

P.s.: Ich vergass die Referenz-Stromquelle für den LDR und die Temperaturschwankungen der Kennkurve des LDR zu erwähnen...

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 27.08.13 08:23.

Moin mal wieder!

Ich stell mich einfach mal doof. Das kann ich von Haus aus sehr gut.

Also ich stell mir vor das das filament auf einer flachen ebene aufliegt. Jetzt nehme ich meine Lichtquelle und strahle das filament an. Mein Sensor hinter dem filament kann sehr einfach sein. Braucht nur ein licht da oder licht nicht da ausgeben.

Ist das filament zu dick hab ich Schatten ist es okay hab ich licht. Wenn ich noch einen zweiten Sensor für zu dünn benutzen wollte mache ich es mir unnötig schwer.

Digitale Ausgabe, einfach auszulesen. Keine rechnerei ber dafür auch keine exakte Messung. Für die Einstellung eines gewisen vorschubs für den exttuder sollte das reichen. Zumindest um zwischen zwei werten hin und her zu schalten. Quick and dirty sag ich dazu. Ob das reicht ist eine andere Sache. Aber mir gehts in erster Linie darum es einfach zu halten. Zum zwoten preiswert und drittens einen Erfolg am Objekt zu erkennen.

Böse Gedanken meines Hirns schlagen vor das Signal direkt am Motor des extruders zu nutzen. Dann braucht man nichts an der Software ändern.

Nachteile: ungenau, benötigt evtl Software Änderung, nur zwei werte, benötigt ständige Kalibrierung von hand.

Mfg magicworx

Moin, Moin

doof stellen hilft ja manchmal
Also das ganze hier brodelt auch in meinem hinterkopf. Einfaches beispiel, gestern gedruckt, filament von 1,6-1,8mm alles dabei, änderungen innerhalb von ca. 300 mm länge. Allein bei den üblichen "modellen" kein schönes drucken bei 0,1mm "schichtdicke".

Also, ich denke einfach dass eine genauigkeit von min. +/- 0,03mm schon wichtig ist. Außerdem eine messung auf 5mm notwenig.
Die Software muss dann noch den Abstand düse/messung beachten und muss das direkt verarbeiten können, d.h. wenn ich vom pc drucke dann muss die messung und die regelung nicht über den pc erfolgen sondern über die firmware. Bezüglich des lichtes, hier wäre ein IR bereich sinnvoller, und bezüglich des "schlitzes" 2 IR LED´s über reflektor auf den sensor. Ob es jetzt so einen sensor gibt. Keine ahnung, mit sicherheit, leider nicht so günstig könnte ich mir vorstellen, außer der kann schon irgendeinen IR bereich.

So das wäre es jetzt von meiner seite.

Hoffe ich habe mich jetzt auch ein wenig doof gestellt

Gruß
Mirco

@Mirco:
Also CCD haben ihr Empfindlichkeitsmaximum in der Regel im nahen Infrarot (weil die langwelligen Photonen tiefer in das Material eindringen und mehr Elektronen freisetzen können und CCD eine "dickere" aktive Schicht haben als CMOS. Es gibt die dazu passenden LEDs (rote oder gar infrarote).

Die Pixelgrösse der Sensoren auf die ich aus bin liegt bei 8µm oder 14µm. Damit kommt man in die Nähe deiner gewünschten 60µm. Nur bei bunten Filamenten die dauernd die Farbe wechseln wird es schwierig, wegen der Kalibrierung.

Die Nachsteuerung des Filamentvortriebs muss auf dem Drucker (Firmware) erfolgen und ja natürlich mit der Strecke von der Messstelle bis zum Druckkopf als Parameter. Es sollte möglich sein die Software der Firmware entsprechend anzupassen.

Die Messfrequenz der CCD (auslesen und verarbeiten und weiter schicken an den Firmware Rechner) dürfte deutlich höher liegen als notwendig. Ich denke man kann da locker einige Messungen pro Sekunde machen. Das dürfte eher den Firmware Rechner nerven, so dass man sich da zurück halten muss. Selbst bei einer grossen Sensorzeile mit 2048 Pixeln ist das kein Problem.

Was den Preis angeht liegen die Chips zwischen 4 Dollar und 30 Dollar. Ich bin noch auf der Suche nach Projekten die erfolgreich mit Arduino Software CCDs ausgelesen haben. Ich möchte deshalb die Arduinos benutzen, weil das Aufsetzen einer Entwicklungsumgebung für z.B. Atmel nicht so einfach ist und ich das Projekt gerne für andere nachbaubar halten möchte. Deshalb auch z.B. kein Chip in SMD Bauweise, sondern ein old fashioned DIL Gehäuse mit Beinchen zum Löten für Laien.

Das mit den 2 LED und den Reflektoren verstehe ich so gar nicht. Weder was du dir davon versprichst, noch wie es aussehen soll?

Gruss aus Hamburg
Matthias

Hallo,

das problem wird auch die ausleuchtung sein. Ich würde das filament durch den strahlenkanal nicht direkt ausleuchten. Eher indirekt z.B. durch 2 LED´s und über eine reflektionsfläche die dann das licht durch den spalt und kanal auf das filament "jagt". Dürfte besser sein als direkt.

Im bezug auf den IR bereich. Kuststoffe allgemein das IR licht absorbieren? Ich denke schon.

Arduino, hier würde ich den nano nehmen, hat schon usb usw. und passt auf ein DIL sockel. Ob die leistung ausreicht, weiß ich jetzt nicht. Falls sie groß genug ist kann man sich überlegen ob man es für einen dualbetrieb verwenden kann.

Gruß
Mirco

Mirko, meinst du das wir eine sehr homogene Beleuchtung brauchen? Das dürfte nicht das Problem werden, da die LEDs bei dem Abstand und der Fläche ausreichend homogen sein sollten, um 10mm gleichmässig auszuleuchten. Ausserdem interessiert uns ja auch nicht der absolute Wert, sondern nur ein Schatten-Ja/Nein-Wert pro Pixel. So ein bisschen Vignettierung am Rand stört uns da weniger.

Für die Bestimmung des Schwellwertes würde ich bei der Kalibrierung eine Messung durchführen, die 10 (oder so) niedrigsten Werte wegwerfen und und 10 höchsten ebenso und dann aus der Differenz den Schwellwert berechnen (max-min)/2 alle Pixel die drüber liegen sind Licht alle drunter sind Schatten. Das dann mit dem Messwert (Messschieber/Messuhr) abgleichen und los gehts.

Es muss pro Filamentsorte einmal kalibriert werden. Da geht wohl kein Weg dran vorbei.

CU
Matthias

2-mal bearbeitet. Zuletzt am 29.08.13 04:55.

Ich würde vermutlich einen Linien-laser anstelle der Leds nehmen

Der dürfte aber über 50 Euro liegen

na dann schau mal hier z.B. [secure.picotronic.de]
Und hier noch der Händler meines vertrauens [www.insaneware.de]

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 29.08.13 06:17.

Das sieht in der Tat spannend aus. Ich probiere zwar erstmal eine normale LED (CCD sind sehr empfindlich gegen "Überbelichtung") aber für andere Projekte sehr spannend. Danke.

Mit den normalen LEDs kann ich die Lichtstärke einfach über ein Poti steuern und die Baugrösse ist sehr viel kleiner in der Länge der Diode. Ausserdem ist keine Laserkennzeichnung und besondere Vorsicht beim Handling mit dem Licht notwendig. Wegen der flächigen Abstrahlung muss die LED auch nicht nennenswert auf den Sensor ausgerichtet sein. Der Linien-Laser muss schon genau die Sensorlinie treffen.
Das sind echte Vorteile für die LED.

Mit den LEDs kann man auch einfach Pulslicht zum Messen benutzen. Ich weiss nicht ob die Linien-Laser einem ein dauerndes An- und Abschalten übel nehmen (einige male pro Sekunde). LEDs sind da völlig entspannt.

Gerade ist ein Paket mit Testobjekten angekommen (4 Sorten Filament, PLA (schwarz und weiss), ABS (rot), Nylon (durchsichtig)) und der Drucker Bausatz Ich werd dann mal ans zusammenbauen gehen...

Doch nicht der Velleman?!?!?!

Doch es ist der Velleman. Mal sehen ob es klappt... Deine Z-Achsen Modifikation ist schon eingeplant.

Hi,

würde es nicht reichen das Filament mit einer HD Kamera zu fotografieren und dann vom Foto per Pixelauszählung den Durchmesser zu bestimmen?

Viele Grüße
Joachim

Der Zeilensensor ist nichts anderes als eine Kamera (ohne besondere Optik, Blende, etc.) sozusagen nur der Sensor der Kamera mit der "entarteten" Auflösung von einer Zeile mit 2048 Pixeln.
Damit wollen wir ein "Photo" schiessen und die Pixel auszählen.

Hi,

ok, habe ich jetzt verstanden.

Ich habe mir das hier eben bestellt:

[cgi.ebay.de]

Dann müsste es ja recht einfach sein die Pixel auszuzählen und die Flowrate (im Host) abhängig von der Schwankung zu beeinflussen.

Viele Grüße
Joachim