Ζωγράφος Bubble Wrap: 8 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Στο πλαίσιο του μαθήματός μας "Mechatronics 1 - MECA -Y403" Master 1 στο ULB, μας ζητήθηκε να σχεδιάσουμε ένα ρομπότ που εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία και να δημιουργήσουμε μια ιστοσελίδα που συνοψίζει τον σχεδιασμό του ρομπότ, ξεκινώντας με την επιλογή υλικών, μοντελοποίηση, υλοποίηση και κώδικας που επιτρέπει σε όλο το σύστημα να λειτουργεί. Όλη η ομάδα επέλεξε ομόφωνα να υλοποιήσει το ρομπότ "Bubble Wrap Painter".

Το "Bubble Wrap Painter" είναι μια συσκευή ικανή να εγχέσει χρώμα σε μερικές φυσαλίδες του περιτυλίγματος φυσαλίδων από ένα ρυθμιστή τάσης που παρέχεται από τον υπολογιστή. Αρχικά, το ρομπότ έπρεπε να είναι σε θέση να εγχύσει το υγρό σε ένα δισδιάστατο επίπεδο για να δημιουργήσει ένα σχέδιο σημείου. Ωστόσο, για οικονομικούς και πρακτικούς λόγους, η ομάδα αποσύρθηκε για να κάνει έγχυση χρώματος σε μονοδιάστατη τροχιά. Το ρομπότ λειτουργεί ως εξής: ένα σύστημα βιδών σκουληκιών χρησιμοποιείται για να πιέσει το έμβολο μιας σύριγγας που αρχικά ήταν γεμάτο με χρώμα. Η σύριγγα συνδέεται με έναν εύκαμπτο σωλήνα πολυπροπυλενίου που επιτρέπει τη βαφή να μεταφερθεί σε ένα μεταλλικό άκρο προσαρτημένο στην κινητή μονάδα. Αυτή η ενότητα είναι σε θέση να ολισθήσει κατά μήκος ενός οριζόντιου άξονα, πάλι μέσω ενός συστήματος σκουληκιών. Το άκρο, από την άλλη πλευρά, είναι προσαρτημένο σε έναν γραμμικό ηλεκτρομαγνήτη ο οποίος είναι επίσης προσαρτημένος στην κινητή μονάδα. Ο ηλεκτρομαγνήτης χρησιμοποιείται για να τρυπήσει το περιτύλιγμα φυσαλίδων στερεωμένο σε κάθετη πλάκα. Μόλις η φούσκα τρυπηθεί, το χρώμα εγχέεται σε αυτό και ούτω καθεξής.

Βήμα 1: Περιγραφή εξαρτημάτων και εργαλείων

ΑΓΟΡΑ

2 σύνδεσμοι δέσμης 5mm έως 6mm

1 σύριγγα των 10 ml (μήκος 7, 5 cm)

1 σωλήνας από εύκαμπτο πολυπροπυλένιο με διάμετρο 4mm

1 βελόνα με το καπάκι ασφαλείας του

Γκουάς αραιωμένο με νερό

2 ράβδοι με σπείρωμα: διάμετρος 6mm και μήκος 18, 5cm

2 λείες ράβδοι διαμέτρου 8 mm και μήκους 21 cm

2 λείες ράβδοι διαμέτρου 8 mm και μήκους 10 cm

Χαρτί περιτυλίγματος με φυσαλίδες αέρα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΙΔΗ

1 σανίδα ψωμιού

1 arduino

1 βηματικό μοτέρ

1 stepper μοτέρ RS PRO Hybrid, Permanent Magnet Stepper Motor 1.8 °, 0.22Nm, 2.8 V, 1.33 A, 4 Wires

2 μικροδιακόπτες V-156-1C25

1 ηλεκτρομαγνήτης ZYE1-0530

Παροχή ηλεκτρικού ρεύματος

2 συνδετήρες μπανάνας

45 καλώδια βραχυκυκλωτήρων

6 αγώγιμα καλώδια

Δίοδος 1N4007

Τρανζίστορ IRF5402

3 αντιστάσεις 4, 7 kohm

2 προγράμματα οδήγησης DRV8825

1 διακόπτης κουμπιού

ΒΙΔΑ, ΚΑΡΥΔΙΑ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΕΙΣ

42 βίδες Μ3 μήκους 16 mm

4 βίδες Μ3 μήκους 10 mm

4 βίδες Μ4 μήκους 16 mm

2 βίδες Μ2, 5 μήκους 16 mm

52 αντίστοιχα καρύδια

2 χάλυβα απλό πλυντήριο M3

ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ

Μηχανή κοπής λέιζερ

3D εκτυπωτής (Ultimaker 2 ή Prusa)

Κατσαβίδι

Βήμα 2: Αρχεία CAD

ΚΟΠΗ LASER με πάχος 3 mm

-πλάκες στήριξης

-υποστήριξη για την ανύψωση του διακόπτη

-κινούμενη υποστήριξη για τη βελόνα

-θήκη για φυσαλίδες

-4 υποστήριξη ανύψωσης

3D ΕΚΤΥΠΩΣΗ

-υποστήριξη για τον κινητήρα

-υποστηρίξτε τη ράβδο με σπείρωμα

-αντλία σύριγγας

-υποστήριξη για τη βελόνα

-υποστήριξη για τη σύριγγα

Βήμα 3: Συναρμολόγηση

Αρχικά, σχεδιάσαμε μια ξύλινη βάση αποτελούμενη από 3 διαφορετικά στοιχεία: μια κάτω πλάκα, μια κάθετη πλάκα και μια τριγωνική πλάκα για να συγκρατούν τα πάντα μαζί.

Μπορείτε να δείτε στην εικόνα ότι οι διαφορετικές πλάκες έχουν επαναλαμβανόμενα μοτίβα σχήματος Τ. Αυτά τα μοτίβα χρησιμοποιούνται για να στερεώσουν το συγκρότημα και να επιτρέψουν στη βάση να είναι στιβαρή. Οι δύο διακόπτες τοποθετούνται στο έμβολο και στη μονάδα κινητού. Αυτό επιτρέπει να δοθεί αντίστοιχα μια αναφορά για τη μέγιστη επέκταση του εμβόλου και μια αναφορά στην ακροδεξιά θέση της μονάδας κινητού.

Επιπλέον, οι βηματικοί κινητήρες στερεώνονται με τέσσερις βίδες σε ένα στήριγμα που δημιουργήθηκε με έναν εκτυπωτή 3D. Σε αυτό το στήριγμα, δύο κάθετες οπές επιτρέπουν τη στερέωση στην κατακόρυφη πλάκα. Οι ράβδοι με σπείρωμα που συνδέονται με τους δύο άξονες περιστροφής των κινητήρων καθώς και οι τέσσερις λείες ράβδοι συγκρατούνται από πρόσθετα στηρίγματα που βρίσκονται στον αντίποδα των κινητήρων. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται συνδετήρες για τη στερέωση της ράβδου με σπείρωμα στον άξονα περιστροφής των βηματικών κινητήρων.

Η σύριγγα στερεώνεται επίσης με ένα στήριγμα που βιδώνεται στην οριζόντια πλάκα. Το έμβολο του μπορεί να πιεστεί μέσω ενός τραπεζοειδούς κομματιού που περνάει κατά μήκος της ράβδου με σπείρωμα καθώς περιστρέφεται. Αυτό το τμήμα έχει μια τρύπα στο εσωτερικό του, η οποία είναι εξοπλισμένη με ένα παξιμάδι. Αυτό το παξιμάδι επιτρέπει την κίνηση του τραπεζοειδούς τμήματος.

Ο σωλήνας συνδέεται με τη σύριγγα απλά συνδέοντάς την στο άκρο της σύριγγας. Το άλλο άκρο του σωλήνα είναι κολλημένο στο δαχτυλίδι ενός μικρού λευκού κομματιού PLA. Το μεταλλικό άκρο που ήταν αρχικά μέρος της σύριγγας έχει επίσης συνδεθεί στο άκρο του σωλήνα. Προσθέσαμε το καπάκι της σύριγγας στη βελόνα για να γεμίσει καλύτερα η διάμετρος του λευκού κομματιού. Το καπάκι έχει μια τρύπα στο άκρο που επιτρέπει στο άκρο της βελόνας να περάσει. Αυτό το μικρό λευκό μέρος βιδώνεται με δύο βίδες στην ολισθαίνουσα πλάκα της κινητής μονάδας.

Η κινητή μονάδα αποτελείται από ένα σύνολο ξύλινων τμημάτων που στερεώνονται με τον ίδιο τρόπο όπως οι πλάκες που αποτελούν τη βάση. Η μονάδα σχηματίζει ένα κουτί με τρεις οπές για να δέχεται τις δύο λείες ράβδους και τη ράβδο με σπείρωμα. Μέσα σε αυτό το κουτί υπάρχουν δύο παξιμάδια που επιτρέπουν τη μετακίνηση της μονάδας. Η επάνω πλάκα της μονάδας ολισθαίνει κατά μήκος δύο λείων ράβδων. Στο εσωτερικό κέντρο της μονάδας εκεί, μια σταθερή πλάκα συγκρατεί τον γραμμικό ηλεκτρομαγνήτη. Αυτό επιτρέπει στην ολισθαίνουσα πλάκα να κάνει γραμμικές κινήσεις μπρος -πίσω.

Υπάρχουν δύο ξύλινες αγκύλες που επιτρέπουν σε δύο διάτρητες γλώσσες να στερεώνονται απευθείας στην κατακόρυφη πλάκα χρησιμοποιώντας ροδέλες φραγμένες από τις βίδες. Αυτές οι δύο γλωττίδες σφηνώνουν μια λωρίδα περιτυλίγματος φυσαλίδων στο κέντρο τους. Το χαρτί φυσαλίδων εδώ περιέχει επτά φυσαλίδες που αντιστοιχούν στα 7 bit που κωδικοποιούνται από τον υπολογιστή.

Στην άλλη πλευρά της κάθετης πλάκας βρίσκονται το PCB και το arduino. Το PCB είναι κολλημένο στην οριζόντια πλάκα μέσω ενός συστήματος συγκόλλησης που υπάρχει αρχικά και το arduino βιδώνεται στην κάτω πλάκα. Επιπλέον, υπάρχει ένα διαχωριστικό αντίστασης συνδεδεμένο με το PCB το οποίο βιδώνεται στο ξύλινο τριγωνικό τμήμα. (ΕΙΚΟΝΑ: πίσω μέρος του συστήματος)

*Κάθε μία από τις βίδες που αποτελούν μέρος του συστήματος παγιώνεται με κατάλληλα μπουλόνια.

Βήμα 4: Ηλεκτρονικά και αισθητήρες

Πρέπει να γνωρίζουμε τη θέση του άνω βηματικού κινητήρα όταν ο ζωγράφος περιτυλίγματος φυσαλίδων αρχίζει να φτάνει στις ακριβείς θέσεις των φυσαλίδων. Αυτός είναι ο στόχος του πρώτου διακόπτη. Κάθε φορά που η συσκευή τραβάει μια γραμμή, ο κινητήρας περιστρέφεται έως ότου ο διακόπτης αλλάξει κατάσταση.

Χρειαζόμαστε έναν άλλο διακόπτη για να γνωρίζουμε πότε το βήμα που πιέζει τη σύριγγα έχει φτάσει στο τέλος του εμβόλου. Ο δεύτερος διακόπτης χρησιμοποιείται για να σταματήσει το σύστημα όταν η σύριγγα είναι άδεια. Ένας τρίτος προαιρετικός διακόπτης μπορεί να συνεχίσει το βάψιμο όταν έχει γεμίσει η σύριγγα. Αυτοί οι διακόπτες χρησιμοποιούν χαμηλές τάσεις και μπορούν να παρέχονται απευθείας από το arduino. Οι δύο βηματικοί κινητήρες και ο μαγνήτης χρειάζονται περισσότερη ισχύ και παρέχονται από μια γεννήτρια ισχύος που παρέχει 12V και 1A. Δύο οδηγοί stepper μοτέρ DRV8825 μετατρέπουν τα σήματα από το arduino σε ρεύμα για τους κινητήρες. Αυτά τα προγράμματα οδήγησης πρέπει να βαθμονομηθούν. Η βαθμονόμηση πραγματοποιείται κάνοντας ένα σκαλοπάτι να περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα και ρυθμίζοντας τη βίδα του οδηγού έως ότου η ροπή είναι επαρκής για να κινεί ομαλά τη βελόνα και το στήριγμα. Το τελευταίο στοιχείο είναι ο ηλεκτρομαγνήτης. Μία αντίσταση έλξης χρησιμοποιείται για επαναφορά του mosfet όταν δεν αποστέλλεται ρεύμα από το arduino. Για την προστασία των άλλων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, προστίθεται επίσης μια δίοδος flyback στον ηλεκτρομαγνήτη. Το Mosfet αλλάζει μαγνήτη μεταξύ υψηλών και χαμηλών καταστάσεων.

Βήμα 5: Κώδικας Python

Για την επικοινωνία μεταξύ υπολογιστή και arduino χρησιμοποιώντας python, βασιστήκαμε στους κωδικούς που παρέχονται σε αυτό το φόρουμ:

Για τον έλεγχο του βηματικού κινητήρα, αυτός ο ιστότοπος ήταν πολύ χρήσιμος: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ Και για να κατανοήσετε τα βασικά του arduino, ήταν επίσης το «βιβλίο έργων arduino» πολύ χρήσιμο. Υπάρχουν δύο μέρη του κώδικα: το πρώτο είναι ένας κώδικας python που μετατρέπει ένα γράμμα στον δυαδικό κώδικα ascii και το στέλνει κομμάτι προς bit στο arduino, και το δεύτερο είναι ένας κώδικας arduino που φτυάρι στις αντίστοιχες φυσαλίδες. Το παρακάτω διάγραμμα ροής εξηγεί την αρχή του κώδικα arduino:

Βήμα 6: Βίντεο

Το έργο εργασίας!

Βήμα 7: Βελτιώσεις

Το έργο μπορεί να βελτιωθεί με διάφορους τρόπους. Πρώτον, ο αριθμός των φυσαλίδων σε μια γραμμή μπορεί εύκολα να αυξηθεί. Αυτό μπορεί να γίνει λαμβάνοντας μεγαλύτερους δυαδικούς κώδικες, γράφοντας δύο γράμματα στην καταχώριση αντί για ένα για παράδειγμα. Ο κωδικός ASCII θα είναι στη συνέχεια δύο φορές μεγαλύτερος.

Η πιο σημαντική βελτίωση θα ήταν να μπορέσουμε να γεμίσουμε τις φυσαλίδες όχι μόνο κατά τον άξονα x αλλά και κατά τον άξονα y. Η πλήρωση φυσαλίδων θα γινόταν επομένως σε 2D αντί για 1D. Ο ευκολότερος τρόπος για να γίνει αυτό είναι να αλλάξετε το ύψος του χαρτιού φυσαλίδων, αντί να σηκώσετε και να κατεβάσετε τον κινητήρα. Αυτό θα σήμαινε να μην κρεμάτε την άκρη της θήκης χαρτιού φυσαλίδων στην πλάκα αλλά σε ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο στήριγμα. Αυτό το στήριγμα θα συνδέεται με μια ράβδο με σπείρωμα, η ίδια θα συνδέεται με ένα βηματικό μοτέρ.

Βήμα 8: Αντιμετωπίστηκαν προβλήματα

Το κύριο πρόβλημα που έπρεπε να αντιμετωπίσουμε είναι ο ηλεκτρομαγνήτης. Πράγματι, για να αποφύγουμε να έχουμε έναν δυσκίνητο και βαρύ τρίτο κινητήρα, ο ηλεκτρομαγνήτης φαινόταν να είναι ο τέλειος συμβιβασμός. Μετά από κάποιες δοκιμές, η ακαμψία αποδείχτηκε συνεχώς πολύ χαμηλή. Έπρεπε λοιπόν να προστεθεί και ένα δεύτερο ελατήριο. Επιπλέον, μπορεί να μετακινήσει μόνο πολύ ελαφριά φορτία. Η διάταξη των διαφόρων στοιχείων έπρεπε να αναθεωρηθεί.

Η αντλία σύριγγας ήταν επίσης πρόβλημα. Πρώτον, έπρεπε να μοντελοποιηθεί ένα μέρος που θα μπορούσε να συνδεθεί με την ατέλειωτη ράβδο και να πιέσει το έμβολο ταυτόχρονα. Δεύτερον, η κατανομή της τάσης ήταν σημαντική προκειμένου να αποφευχθεί το σπάσιμο του τμήματος. Επιπλέον, οι 2 βηματικοί κινητήρες δεν είναι ίδιοι: δεν έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά, αυτό που μας ανάγκασε να προσθέσουμε ένα διαχωριστή τάσης. Έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε βαφή νερού (αραιωμένη γκουάς στην περίπτωσή μας), επειδή ένα πολύ παχύ χρώμα δεν θα περάσει στη βελόνα και θα προκαλέσει υπερβολική απώλεια πίεσης στο σωλήνα.