Dynamische Z-Achsen Kalibrierung mit HF

Hallo, ich bin neu hier und habe meinen 3D-Drucker einfach mal interessehalber angeschafft, um mir für meine privaten HF-Projekte Gehäuse drucken zu können. Daher auch ein billiger Geeetech Prusa i3 Bausatz für 150 Euro. Eins vorweg... er druckt überraschend sauber und reicht für meine bescheidenen Zwecke völlig aus.
Die Kiste steht und fällt mit der korrekten Kalibrierung der Z-Achse. Mal abgesehen von den Temperaturen und der verwendeten Druckbett Oberfläche.
Als Ingenieur für Hochfrequenztechnik habe ich mir überlegt, wie man die Z-Achse sauber kalibrieren kann, auch wenn der Untergrund nicht 100% eben ist und das ohne 1000e von Euros dafür ausgeben zu müssen.
Idee: Abstand Nozzle zu Druckbett sehr genau dynamisch messen mit Streu-Parametern (S11-Phase).
Realisierung: Kleine, mechanisch massive Antenne (kann ein simples Stück Draht sein) in unmittelbarer Nähe der Nozzle anbringen und Reflexionsphase eines eingespeisten HF Signals messen (Die Nozzle selbst könnte die Antenne sein).
Je höher die Frequenz , desto genauer die Auflösung.
Druckbett muss elektrisch leitend sein, z.B. mit einer selbstklebenden, gebürtsteten Metallfolie für den Möbelbau (qm unter 10 Euro), damit das Filament gut darauf haftet.
HF Signal einspeisen, mit HF Detektor (gibts für unter 20 Euro aus China) Betrag und Phase messen.
Ein 24Bit ADC Board (20 Euro) konvertiert die Spannung vom HF Detektor sehr genau in digitale Werte und ein Raspberry Pi (20 Euro) wertet diese aus.
Interessant hierbei ist der Phasenanteil der reflektierten Welle, nicht der Betrag.
Der Raspberry Pi verfügt über eine frei programmierbare PWM I/O, mit der man sehr hohe Frequenzen erzeugen kann.
Ein kleines steilflankiges Bandpass Filter hintendran geschaltet, liefert ein kohärentes HF Signal bis zu 1 GHz und mehr.
Auswertung: Wenn Nozzle das Druckbett erreicht |r| = 1 (Kurzschluss), Phase 0° bzw. 180°
Dazwischen differiert die Phase , welche proportional zum Abstand der Antenne (Nozzle) zum Druckbett ist. Meine Tests mit 500MHz zeigen, das es am Network Analyzer sehr gut abbildbar ist (höhere Frequenzen kann mein bescheidener alter HP4195A nicht).
So ergeben sich während der Bewegung der anderen Achsen permanente Offsets der Z-Achse, welche durch geschickte Firmware Programmierung ausgeglichen werden können. Die erste Schicht wird völlig plan unabhängig vom Z-Achsen Endschalter, dessen mechanische Toleranz um ein mehrfaches höher sein dürfte.
Entscheidend ist immer die allererste Lage (1st Layer). Hier wird der Offset für jeden einzelnen Punkt der folgenden Layer festegelegt, da sich die Ungenauigkeit der Z-Achse in der Regel fortpflanzt.
Sie ist durch die Unebenheit des Druckbetts bedingt (selbst die Glasplatte ist nicht 100% eben, wie ich bereits nachgemessen habe).
Nun brauche ich als Anfänger jemand, der sich mit der Firmware auskennt und dies implementieren kann. Die Hardware und Doku setze ich zeitnah in einem Github Projekt um, falls Interesse besteht.

Viele Grüße,
Stefan

Interessanter Ansatz mal etwas anderes. Wo liegt hier der Vorteil gegenüber den doch deutlich günstigeren und auch zuverlässigen Induktiven Näherungsschaltern? Ich frage mich was dir konkret an der Firmware noch fehlt Repetier etc. haben doch diverse Autoleveling Funktionen integriert? Wobei ich eine sich ständig bewegende Z-Achse bei einem i3 auch nicht so für das Wahre halte.

Grüße

Wirklich interessanter Ansatz.

Kannst du mal beschreiben wie Groß der "" Schaltabstand "" ist und wie genau du in Millimetern auflöst.

Warum setzt du das Raspberry nicht zwischen Arduino und Z-Motor Treiber. Du gibts die SchrittSignale im Normalfall 1:1 an den Treiber weiter. Sollte Korrigiert werden müssen, sendest du entsprechende Signale an den Treiber weiter. So bleibt die Firmware unverändert und interessierte Laute könnten es Plug and Play einbauen ohne das man die Firmware neu flashen muss.

Grüße

@Uebe: Das ist eine sehr gute Idee. Das werde ich mir anschauen.
Auflösungstechnisch sieht das Ganze so aus: Bei einer Frequenz von 1GHz ergibt sich eine Wellenlänge von round about 300mm. Bei einer möglichen Gesamtphase von 360° resultiert ca. 0,8mm pro Grad Phase. Da die Welle hin und zurück marschiert, teilen wir das nochmal durch 2.
Daraus folgt 0,4mm pro Grad. Wenn das System vernünftig kalibriert ist, sollte man 0,2° nachweisen können, d.h. 0,4mm / 5 sollte die maximale Genauigkeit sein. 0,08mm ist hier die Auflösungsgrenze. Mehr wird bei 1GHz nicht möglich sein.
Erhöht man allerdings die Frequenz, so ist hier natürlich noch einiges zu erreichen. Die Frage ist, ob man das überhaupt braucht. Der HF Detektor könnte bis etwa 3GHz zuverlässig messen.
Problematischer sehe ich eher die Digitalisierung der ermittelten Betrags- und Phasenwerte. Mit dem 24Bit ADC Board von Waveshare löst man zwar mit der 24 Bit Wandlung unheimlich hoch auf, jedoch schafft das Teil nur 30000 Samples/s.
Bei einer Druckgeschwindigkeit von 60mm/s bekommt man 500 Messwerte pro mm , d.h. alle 2 Mikrometer gibt's einen aktuellen Messwert. Der muss natürlich schnell verarbeitet werden, um den Stepper zu korrigieren.
Dies sollte aber kein großes Problem darstellen. Ich denke das funktioniert. Ein weiterer negativer Aspekt ist der verwendete AD8302 Detektor, welcher nur insgesamt Phasenverschiebungen von -90....90° messen kann. Spielt aber für uns keine Rolle, da wir eher mit sehr kleinen Phasenverschiebungen zu tun haben.
Viel schlimmer ist sein Eigenrauschen. Gerade bei Detektoren von Analog Devices kommt es häufig vor, dass die Detektoren flickern (Popcorn Noise). Dies sollte man vorher mal messen. Ggfs. muss man hier selektieren. Ich werde dieses Wochenende mal ein Paar Tests machen und dann berichten, ob es brauchbar funktioniert.