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Revision: Elektronik

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mariuste edited this page Jul 10, 2026 · 23 revisions

Hier wird die Aenderung der Elektronik des Laser Cutters dokumentiert.

Zweck

Diese Seite beschreibt die geplante neue Elektronik des Lasercutters als Arbeitsgrundlage für den kompletten Umbau.

Ausgangslage

Ausgangslage ist ein modifizierter lasersur:

Lasersaur_alt

Es wird im wesentlichen fast die ganze elektronik getauscht. Daher sollte als aller erstes ein sauberes Schaltbild von der neuen laser elektronik erstellt werden.

Als Ausgangspunkt kann ein typisches Schaltbild des neuen Controllers Ruida 6442 verwendet werden:

Ruida_example

Änderungen

X-Schrittmotor + Treiber + Versorgungsspannung

Für eine deutlich schnelle Gravier Operation brauchen wir ein spürbares Upgrade der X-Achsen Kinematik. Wir bleiben bei der open loop, gehen aber auf eine höhere Spannung (48V), mehr Strom (3A) und geringere Induktivität:

  • Alt: ST4118M1206-A NEMA 17 39.6 Ncm 1.8 °/step 0.85 A
  • Neu: ST4118L3004-A | NEMA 17 | 42 mm*48.5mm | 50 Ncm | 1.8 °/step | 3.0 A | 1.03 mH | € 33,50

Für den Treiber: Hier braucht es genug Spannungsreserve, es bietet sich an der DM860T

Für die Y-Achse behalten wir den aktuellen Vexta PKP266D28A2, aber upgraden den Treiber auch auf den DM860T und 48V

Switches

die Türschalter werden beibehalten. Es gibt je zwei von NO und zwei NC an der Türe. des weiteren Endschalter für die beiden Achsen getauscht von NC auf NO

Steuerung / Peripherie (ESP32-System)

Das System besteht aus drei ESP32-Einheiten auf einem gemeinsamen RS485 Multidrop-Bus. Alle Einheiten werden mit PlatformIO entwickelt und unterstützen OTA-Updates. Die Toolchain ist identisch mit dem restlichen Öko-System.

① Master: Waveshare ESP32-S3-ETH-8DI-8RO (Schaltschrank)

  • ESP32-S3, Ethernet, isoliertes RS485, 8 DI (24V), 8 RO (Relais 10A)
  • DIN-Rail-montiert, Versorgung 24V
  • Sammelt Daten von HMI-Slave und Filterturm-Slave
  • Bestimmt Display-Inhalt (remote an HMI-Slave)
  • Schaltet Leistungsschütze (Kompressor, Ventilation, Chiller) über Relaisausgänge
  • Steuert Signalampel (4 Farben)
  • Laser-Freigabelogik: RFID OK + Druck OK + Chiller OK → Safety-Relais schließt → DRPROC-Kette komplett → Ruida freigegeben
  • Nachlaufzeit für Peripherie nach Laser-Ende

I/O-Belegung:

Ausgang Funktion
RO1 Spule ABB-Schütz Kompressor (24V)
RO2 Spule ABB-Schütz Ventilation (24V)
RO3 Spule ABB-Schütz Chiller (24V)
RO4 Safety-Relais (in DRPROC-Kette)
RO5–8 Reserve
Eingang Funktion
DI1 Chiller-OK (parallel zur WP-Kette, informativ)
DI2 Türstatus (informativ)
DI3 Durchflusssensor (informativ)
DI4 Regensensor
DI5–8 Reserve

| RS485 (Modbus RTU) | Waveshare 4-Ch DC Monitor (SKU 33931): Temperatursensor Eingang + Ausgang (analog, Röhren Compartment) |

② Slave HMI: Waveshare ESP32-S3-RS485-CAN (HMI-Compartment)

  • ESP32-S3, 7–36V DC Eingang (direkt von 24V-Rail), isoliertes RS485 onboard
  • Liest RFID-Reader lokal, sendet Auth-Token per RS485 an Master
  • Display: Thin Client — zeigt ausschließlich was der Master schickt
  • Steuert HMI-LEDs und liest Buttons per Kommando vom Master
  • Treibt Signalampel (4 Farben) direkt per GPIO — Kommandos kommen vom Master via RS485
  • Kabelverbindung Schaltschrank → HMI: RS485 + 24V + Sicherheitsleitungen
GPIO (HMI-Slave) Funktion
GPIO /TBD/ Signalampel rot
GPIO /TBD/ Signalampel gelb
GPIO /TBD/ Signalampel grün
GPIO /TBD/ Signalampel blau

⚠️ Konflikt Signalampel: Diese Seite treibt die Ampel über HMI-Slave-GPIO; die I-O-Matrix führt sie an Master RO5–8. Entscheidung offen — siehe Verdrahtungsplan §5.

Offener Punkt – API-Migration: Der HMI-ESP prüft RFID-Zugangsberechtigung gegen die easyVerwaltung-API (WiFi/Ethernet). Legacy-API muss umgestellt werden.

③ Slave Filterturm: Waveshare ESP32-S3-RS485-CAN

  • ESP32-S3, 7–36V DC Eingang, isoliertes RS485 onboard — gleiche Hardware wie HMI-Slave
  • Liest I2C-Drucksensoren lokal im Filterturm
  • Sendet Druckwerte per RS485 an Master
  • Druckwerte sind informativ — kein Safety-Signal (Lasern bei abweichendem Druck möglich)

Leistungsschütze: ABB ESB20-20N-01

  • 2-polig (L und N werden geschaltet — keine heiße Leitung im Aus-Zustand)
  • 20A / 230V AC, Spule 24V AC/DC
  • Gesteuert durch Waveshare-Relaisausgänge (Spulenstrom ~100mA — Waveshare-Relais werden nicht direkt mit 230V belastet)
  • DIN-Rail-montiert, 3 Stück (Kompressor, Ventilation, Chiller)

Klemmensystem: WAGO Push-in (werkzeugfrei)

Alle Klemmen Push-in Cage Clamp — kein Schraubenzieher. Alle Litzen mit Aderendhülsen (Voraussetzung für werkzeugfreies Stecken bei Litze).

Farbkonvention

Farbe WAGO-Artikel Verwendung
Schwarz 280-111 L — 230V Phase (exklusiv)
Blau 280-104 N — 230V Neutral (exklusiv)
Grün-Gelb 280-107 PE (gesetzlich vorgeschrieben)
Rot 280-108 24V+
Grau 280-101 24V GND / 0V
Gelb 280-110 Signalleitungen (Endschalter, Lampen, Sensoren)
Orange 280-135 RS485
— 281-Serie (4mm²) 230V / 48V Leistungsleitungen

Schwarz und Blau sind ausschließlich für 230V reserviert — sofortige visuelle Erkennung von Netzspannung.

Beschriftung (Klemmennummern)

Aufsteckmarker WAGO 283-Serie passen auf die 280-Serie. Beschriftung mit handelsüblichem Etikettendrucker (z.B. Brother P-Touch, Brady BMP21). Empfohlenes Schema: X[Gruppe]:[Nummer] — z.B. X1:1, X1:2, X2:1 …

Kabelbeschriftung

HellermannTyton HGDC-Fahnen (Clip-on Kabelmarkierer):

  • Plastikfahne clippt direkt ans Kabel — kein Werkzeug, nachträglich tauschbar
  • Bedruckt mit demselben Etikettendrucker wie die Klemmenmarker (Brother P-Touch / Brady BMP21)
  • Für alle Kabelquerschnitte im Schaltschrank geeignet
  • Empfohlenes Beschriftungsschema: Gleiche Nummer wie die Zielklemme — z.B. Kabel an X1:3 trägt Markierung X1:3 an beiden Enden

Laser Control

Der Ruida Controller empfiehlt für CO2 röhren die analoge steuern statt der PWM Steuerung. Daher wird hier die Steuerung etwas angepasst. Es wird auch eine safety loop an dem WP implementiert

Pin (Ruida) Signal Name Laser-PSU Extern / Sicherheit Beschreibung
CN5-1 GND GND Masse-Schiene Gemeinsame Masse für alle Komponenten
CN5-2 L-ON1 TL - Laser-Aktivierung
CN5-3 LPWM1 - - PWM-Signal (optional)
CN5-4 WP1 - Türschalter / Deckel Ruida: [überwacht Gehäuse-Sicherheit]
CN5-5 L-AN1 IN - Analoge Leistung (0-5V)
    WP Wasserkühlung / Chiller PSU überwacht direkt den Durchfluss
    TH - unbenutzt
    5V - Hilfsspannung

Komponenten / Systemübersicht

Systemdiagramm

Systemdiagramm

Geräteliste nach Compartments

Empfohlene Schnellreferenzen: Verdrahtungsplan · I/O-Matrix

Maschine

Schaltschrank

Infrastruktur & Einspeisung
Gerät Rolle/Kommentar
Hauptschalter Drehgriff, Netzfreischaltung (exponiert, grün)
230V A Versorgt Laser PSU, Ruida
230V B Versorgt SPS, Kompressor, Chiller
Steuerung
Gerät Rolle/Kommentar
Ruida RDC644G/S Haupt-CNC-Controller
WP 10k Pull-Down Signalstabilisierung WP1
Optische Barriere SPS liest Endstops & Sensoren galvanisch getrennt
Leistung & Versorgung
Gerät Rolle/Kommentar
Hauptschütz Schaltet Hauptlast; gesteuert durch Schlüssel + AN/AUS + E-Stop
PSU 48V Versorgung Schrittmotor-Treiber
PSU 24V A Versorgung Ruida
PSU 24V B Versorgung SPS, HMI Panel
Laser PSU Versorgung und Ansteuerung der CO2-Röhre
LV-Relais Schaltet 230V B für Netzteile
Flow-Relais Freigabe nach Schlüssel
Laser Switch Schaltet Laser PSU + Warnleuchte
Warnleuchte Laser aktiv Signal
Relais Kompressor Schaltet Air-Assist Kompressor
Relais Ventilation Schaltet Abluftlüfter
Relais Chiller Schaltet Chiller
Water-Flow-Relais Wasserfluss-Interlock in WP-Kette
Waveshare ESP32-S3-ETH-8DI-8RO Master-Controller, RS485-Bus, Relais I/O
Waveshare 4-Ch DC Monitor (SKU 33931) 16-bit Analog-Erfassung, Modbus RTU → Master RS485
ABB ESB20-20N-01 (3×) Leistungsschütz 2-polig, 20A, 24V Spule
Laser Pullup 10k Pull-Up auf Laser-PSU WP/IN
Externe Anschlüsse
Gerät Rolle/Kommentar
Chiller 230V 230V Ausgang zum Chiller
Chiller Alarm Signal-Eingang Chiller-Alarm in WP-Kette
Ventilation 230V 230V Ausgang zum Lüfter
Kompressor 230V 230V Ausgang zum Kompressor
Ventil 24V Steuerausgang Air-Assist Ventil
AFTS Filterturm Sensor Interface (4-20mA o.ä., /TBD/)
Motorantriebe
Gerät Rolle/Kommentar
DM860T X Schrittmotor-Treiber X-Achse, 48V/3A
DM860T Y Schrittmotor-Treiber Y-Achse, 48V

HMI Panel

Exposed (außen zugänglich)
Gerät Rolle/Kommentar
Signalampel Statusanzeige rot / gelb / grün / blau, gesteuert vom HMI-Slave
Ruida LCD Ruida Touchscreen
LCD HMI Panel Erweitertes Display
Schlüsselschalter Hauptfreigabe
AN/AUS Schalter Laser ein/ausschalten
E-Stop Sofortabschaltung
Kühlung aktivieren Startet Chiller
COM SPS OK (rot/grün) SPS kommuniziert
Wasser OK (rot/grün) Kühlwasser in Ordnung
Durchfluss OK (rot/grün) Wasserfluss vorhanden
Druck OK (rot/gelb/grün) Luftdruck in Ordnung
Türen OK (gelb/grün) Alle Türen geschlossen
Endstop X (gelb/grün) X-Achse referenziert
Endstop Y (gelb/grün) Y-Achse referenziert
LASER BEREIT (gelb/grün) Alle Freigaben aktiv
Inside (intern)
Gerät Rolle/Kommentar
RFID Reader Zugangskontrolle (lokal am HMI-ESP)
Waveshare ESP32-S3-RS485-CAN Slave HMI: RFID, LEDs, Display, Buttons, RS485 zu Master

Röhren Compartment

Gerät Rolle/Kommentar
Laserröhre CO2-Glasröhre, 80-100W
Spiegel 1 Erster Umlenkspiegel
Durchflusssensor Kühlwasser-Durchfluss
Wanne / Regensensor Leck-Erkennung unter der Röhre
Temperatursensor Eingang Kühlwasser-Temperatur vor Röhre (= Chiller-Ausgang), analog → Schaltschrank
Temperatursensor Ausgang Kühlwasser-Temperatur nach Röhre (= Chiller-Eingang), analog → Schaltschrank

Laser Compartment

Türsensoren
Gerät Rolle/Kommentar
DOOR1 (NO) Türkontakt, WP-Kette
DOOR2 (NO) Türkontakt, WP-Kette
DOOR3 (NC) Türkontakt, DRPROC-Kette
DOOR4 (NC) Türkontakt, DRPROC-Kette
Fest montiert
Gerät Rolle/Kommentar
Stepper Y (PKP266D28A2) Y-Achsen Antrieb, fest am Rahmen
Endschalter Y (NO) Y-Referenzpunkt, fest am Rahmen
Bewegliche Y-Achse
Gerät Rolle/Kommentar
Stepper X (ST4118L3004-A) X-Achsen Antrieb, auf Y-Gantry
Endschalter X (NO) X-Referenzpunkt, auf Y-Gantry
Spiegel 2 Umlenkspiegel, auf Y-Achse
Beweglicher X-Kopf
Gerät Rolle/Kommentar
Spiegel 3 Umlenkspiegel, auf X-Kopf
Linse Fokussiert Laserstrahl auf Werkstück

Extern

Luft & Filterturm

Gerät Rolle/Kommentar
Filterturm Abluft-Filteranlage
Lüfter Ventilation Abluft
Kompressor Air-Assist Druckluft
Ventil Air-Assist Ventil, 24V gesteuert von Ruida
Chiller Wasserkühlung CO2-Röhre
Waveshare ESP32-S3-RS485-CAN Slave Filterturm: I2C Drucksensoren → RS485
Drucksensor 1 Filterturm Kanal 1, I2C
Drucksensor 2 Filterturm Kanal 2, I2C

Anschlüsse und Verdrahtung

Signalketten

Atomare Ketten von Quelle bis Last, nach Funktion gruppiert.

Bewegungsachsen

230V_B -> HSC -> LVR -> PSU 48V -> DM860T_X -> Stepper_X
230V_B -> HSC -> LVR -> PSU 48V -> DM860T_Y -> Stepper_Y

Ruida (AXISX) -> DM860T_X -> Stepper_X
Ruida (AXISY) -> DM860T_Y -> Stepper_Y

Ruida (CN4) <- Endschalter_X
Ruida (CN4) <- Endschalter_Y

Bedienpanel / HMI

Ruida (HMI) -> Ruida LCD

RS485 Multidrop-Bus:
  Waveshare ESP32-S3-ETH-8DI-8RO (Master, Schaltschrank)
    <-> Waveshare ESP32-S3-RS485-CAN (Slave HMI, HMI-Compartment)
    <-> Waveshare ESP32-S3-RS485-CAN (Slave Filterturm)

RFID Reader --(lokal)--> ESP32-S3 HMI --(RS485)--> Master
Master --> ESP32-S3 HMI: Display-Inhalt, LED-Kommandos
Kühlung-Taster --> ESP32-S3 HMI --(RS485)--> Master --> ABB ESB20-20N-01 (Chiller/Ventilation/Kompressor)
Master: RFID OK + Druck OK + Chiller OK --> Safety-Relais --> DRPROC-Kette --> Ruida

Filterturm Sensorik

Drucksensor 1 (I2C, lokal) --> ESP32-S3 Sub-Board Filterturm --(RS485)--> Master
Drucksensor 2 (I2C, lokal) --> ESP32-S3 Sub-Board Filterturm --(RS485)--> Master

Temperatursensorik (Röhren Compartment)

Temp-Sensor Eingang (analog) --+
                               +--(Analogkabel, Röhren Compartment → Schaltschrank)--> Waveshare 4-Ch DC Monitor (SKU 33931) --(RS485 Modbus RTU)--> Master
Temp-Sensor Ausgang (analog) --+

Einspeisung und Freigabe

230V_A -> Schlüsselschalter -> Flow_Relais -> AN/AUS_Schalter -> Laser_Switch -> Laser PSU
                                                                               -> Warnleuchte
230V_B -> HSC -> LVR -> PSU 48V
                      -> PSU 24V A -> Ruida
                      -> PSU 24V B -> Master (ESP32-S3)
                                    -> HMI Panel

Laser-Steuerung

Ruida (CN5-L-ON1)  -> Laser PSU (TL)
Ruida (CN5-L-AN1)  -> Laser PSU (IN)
Ruida (CN5-WP1)    <- Water_Flow_Relais (NC2)

Safety – WP-Kette (Laser PSU)

Laser PSU (WP) -> DOOR1 (NO) -> DOOR2 (NO) -> Water_Flow_Relais (COM1/NO1) -> Chiller_Alarm (COM/NC) -> Laser PSU (GND)

Safety – DRPROC-Kette (Ruida)

Ruida (CN2-DRPROC) -> E-Stop (NC) -> DOOR3 (NC) -> DOOR4 (NC) -> Ruida (CN2-GND)

Luft und Filterturm

230V_B -> HSC -> Relais Kompressor  -> AKOMP -> Kompressor
230V_B -> HSC -> Relais Ventilation -> AVENT -> Lüfter (Filterturm)
230V_B -> HSC -> Relais Chiller     -> ACH   -> Chiller
PSU 24V A -> Master (ESP32-S3) -> AAIRV -> Ventil (Air-Assist)

Redesign-Verbindungen → ausgelagert

Die detaillierte geräteweise Verdrahtung (Klemmen, „Verbunden mit") ist in den Verdrahtungsplan migriert — als klemmen-zentrierter Klemmenplan mit eindeutigen Klemmennummern, Farben und Kabel-Labels. Diese Seite behält Zweck, Komponentenwahl, Systemübersicht und die erklärenden Signalketten oben. Verbindliche Verdrahtungsquelle ist der Verdrahtungsplan; offene Verdrahtungspunkte werden dort in §5 (Konflikte & offene Entscheidungen) geführt.

Offene Punkte

  • PE-Führung aller Geräte vollständig dokumentieren
  • Hauptschütz: genaue Spulensteuerung (Schlüssel + AN/AUS + E-Stop) verdrahten
  • LVR und Flow_Relais Spulenversorgung klären
  • LED Kathoden: gemeinsame GND-Leitung oder Einzelwiderstaende klären
  • ESP Pinout nachtragen
  • Luftkomponenten (Ventiltyp, Schlauchdimensionen, Lüfterdaten) konkretisieren
  • WP1 Fail-Safe Logik mit Ruida-Parametern final prüfen
  • Optische Barriere: genaue I/O-Zuordnung zu Master (ESP32-S3) und Sensoren
  • PSU 24V A vs. PSU 24V B: genaue Lastverteilung dokumentieren
  • Signalampel GPIO-Pinout: freie GPIO-Pins auf HMI-Slave (Waveshare ESP32-S3-RS485-CAN) für 4 Farben bestätigen
  • Sensorauswahl offen – Temperatursensoren: Sensortyp für Waveshare DC Monitor wählen (Spannungsausgang 0–10V oder 4–20mA); Messbereich und Versorgungsspannung des Moduls prüfen (Datenblatt SKU 33931)
  • Sensorauswahl offen – Durchflusssensor: konkretes Modell wählen (digitaler Ausgang, 24V-kompatibel für Master ESP DI3); Water_Flow_Relais Spulensteuerung bei neuem Sensor klären
  • Sensorauswahl offen – Regensensor: konkretes Modell wählen (digitaler Ausgang für Master ESP DI4)
  • Temperatursensoren: Kabelführung Röhren Compartment → Schaltschrank planen (Analogleitung + Versorgung zum DC Monitor)
  • AHMI Kabel: genaue Leitungsanzahl und Steckverbinder festlegen (RS485 + 24V + Sicherheitsleitungen)
  • ESP Top RFID-Interface: Protokoll und Pinout (SPI / UART) klären
  • AFTS Kabel: Leitungsanzahl und Steckverbinder festlegen (RS485 + 24V)
  • Drucksensoren Filterturm: konkreten I2C-Sensortyp auswählen (Differenzdruck, Messbereich definieren)
  • ESP Top API-Migration: Aktuell Legacy-API für RFID-Zugangsberechtigung — auf easyVerwaltung-API umstellen

Teststatus

  • Gesamtverdrahtung: in Arbeit
  • Safety-Kette: in Arbeit
  • Laserfreigabe: offen
  • Achsenverdrahtung: weitgehend beschrieben, Abnahme offen
  • HMI / Peripherie: offene Versorgung und I/O-Zuordnung vorhanden

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