Otvírák a nalévač piva: 7 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

U tohoto projektu bylo požadováno vymyslet vynález nebo systém, který již byl vynalezen, ale vyžadoval určitá vylepšení. Jak někteří možná vědí, Belgie je pro své pivo velmi oblíbená. V tomto projektu je vynálezem, který potřeboval určitá vylepšení, kombinovaný systém, který by mohl začít otevřením piva a poté nalít pivo do vhodné sklenice zvolené zákazníkem. Tento vynález není příliš známý, protože by ho mohl snáze udělat ručně „zdravý“člověk než stroj, ale stále je velmi zajímavý pro jinou kategorii lidí. Dnes to bohužel někteří z nás nejsou schopni udělat. Přesněji řečeno, lidé s vážným problémem s paží nebo svaly, starší lidé nebo lidé s onemocněním, jako je Parkinson, A. L. S. atd., To nejsou schopni udělat. Díky tomuto mechanismu budou moci sami vypít dobře podávané pivo, aniž by museli čekat, až jim někdo přijde pomoci s těmito dvěma úkoly.

Náš systém je také věnován jednoduchému spotřebiteli, který si chce vychutnat pivo sám se svými přáteli a užít si belgické znalosti. Dobře servírovat pivo není pro každého a naše praxe je skutečně mezinárodně známá a s potěšením ji sdílíme s celým světem.

Zásoby:

Hlavní komponenty:

• Arduino UNO (20,00 eur)
• Krok dolů Převodník napětí: LM2596 (3,00 EUR)
• 10 2kolíkových svorkovnic (celkem 6,50 EUR)
• 2kolíkový vypínač SPST ON/Off (0,40 EUR)
• Kondenzátor 47 mikro Farad (0,40 EUR)
• Dřevo: MDF 3 mm a 6 mm
• PLA-plast
• Vlákno pro 3D tisk
• 40 šroubů a matic: M4 (0,19 EUR za kus)
• Lineární pohon-Nema 17: 17LS19-1684E-300G (37,02 EUR)
• Hybridní krokový motor Sanyo Denki (58,02 EUR)
• 2 krokové ovladače: DRV8825 (4,95 EUR za kus)
• Tlačítko 2 (po 1,00 EUR)
• 3 mikrospínače (každý 2,25 EUR)
• 5 kuličkových ložisek ABEC-9 (0,75 euro za kus)

Software a hardware:

• Inventor od společnosti Autodesk (soubory CAD)
• 3D tiskárna
• Laserová řezačka
• Napájení 24 voltů

Krok 1: Dřevěná konstrukce

Dřevěná konstrukce

Ke konfiguraci robota se používá vnější konstrukce zajišťující tuhost a robustnost robota. Za prvé, otevírací mechanismus je zcela obklopen touto strukturou, aby bylo možné přidat ložisko na vrchol axisto, aby byl mechanismus stabilní. Kromě toho je ve spodní části věže rovina pro montáž krokového motoru. Po stranách věže byly vytvořeny otvory, které brání otáčení otvíráku, takže jde dolů přímo do kapsle, aby otevřel láhev. V bočních rovinách jsou také otvory pro připevnění držáku, který blokuje otvírák, aby zcela spadl. Za druhé, za věží otevíracího mechanismu je uspořádána další rovina pro montáž motoru a převodu licího mechanismu.

Ve spodní části držáku skla je upravena rovina pro podporu skla, když padá. Je to nutné, protože sklo bylo nadzvednuto, aby vytvořil ideální prostor mezi horní částí láhve a horní částí sklenice. V této rovině byl vytvořen otvor pro umístění mikrospínače jako koncového efektoru. V dřevěných rovinách byly také vytvořeny otvory, aby bylo čisté zapojení senzorů a motorů. Kromě toho byly ve spodní rovině dřevěné konstrukce vytvořeny některé otvory, aby se vyrovnala výška lahví v otevíracím mechanismu a poskytlo několik prostorů pro boční dřevěné kusy licího mechanismu, jakož i prostor pro šrouby na dně držáku lahve v licím mechanismu.

Puzzle mechanismus

Na obrázky této fáze byl přidán příklad způsobu montáže. Poskytuje pohled na mechanismus skládačky a poskytnuté otvory pro vzájemné sestavování letadel.

Krok 2: Mechanismus otevírání

Tento model se skládá z jednoho otvíráku na lahve (což také dělá otvírák na konzervy pro horní zaoblenou část), jedné obrovské lichoběžníkové kovové lišty, jednoho držáku otvíráku (dřevěná deska se 2 malými závěsy, kterými prochází malá kovová lišta), jednoho chapadla pro otvírák na lahve a jeden kuličkový šroub. Na kovové tyči (spojené s motorem) je držák otvírače nad kuličkovým šroubem. Díky otáčení kovové tyče, vytvořené motorem, může kuličkový šroub jít nahoru a dolů a řídit s nimi pohyb držáku otvíráku s připojeným otvírákem. Malá kovová tyč zaklíněná mezi 4 sloupky zabraňuje otáčení držáku otvíráku. Na obou koncích malého pruhu jsou umístěny dva „blokátory“. Tímto způsobem se malá lišta nemůže pohybovat vodorovně. Na začátku je otvírák držen přilepený k lahvi. Otvírák jde nahoru a klouže po lahvi (díky její zaoblené části), dokud není otvor otvíráku zaseknutý plechovkou lahve. V tomto okamžiku otvírák otvírák k otevření lahve.

1. Velký závěs (1 kus)
2. Dřevěná deska (1 kus)
3. Blokátor malých tyčí (2 kusy)
4. Malá kovová tyč (1 kus)
5. Malý závěs (2 kusy)
6. Otvírák (1 kus)
7. Ložisko (1 kus)
8. Blokovač otvíračů (1 kus)
9. Motor + lichoběžníková tyč + kuličkový šroub (1 kus)

Krok 3: Mechanismus vyvážení

Systém vyvážení nalévání

Tento systém se skládá ze systému vyvážení, který má na každé straně systém držáku lahví a systém držáku skla. A uprostřed je montážní systém, který jej připevní k ose.

1. Držák lahví

Konstrukce držáku na láhev se skládá z 5 velkých desek, které jsou připevněny k bokům vyvažovacího systému s logickou konfigurací, a ve spodní části je také šestá deska, připevněná šrouby M3 pro držení medvěda Jupilera, takže není nechoď přes koryto. Sestavení k bočním dřevěným deskám také pomáhá s konfigurací šroub plus matice, 4 pro každou dřevěnou desku (2 na každé straně).

Je zde také implementován držák hrdla láhve k uchopení horní části láhve, tento kus je připevněn k systému sestavování os, vysvětleno později.

Kromě toho je v sestavě implementováno 10 3D tištěných válců, které dodávají konstrukci tuhost. Šrouby, které procházejí těmito válci, jsou M4 a s příslušnými maticemi.

Nakonec jsme implementovali dva spínací senzory pro detekci láhve, která je uvnitř držáku, abychom k tomu použili držák 3D tištěného těla, který je připevněn k dřevěným deskám pod ním a nad ním.

2. Držák na sklo

Konstrukci držáku skla tvoří 2 dřevěné desky připevněné stejným způsobem jako desky držáku lahví. K dispozici je také 5 3D tištěných válců, které zvyšují tuhost. Na podporu dna skla Jupiler je poloviční válec, kde se sklo opírá. Toto jsem připevnil přes 3 ramena, která se montují pomocí šroubů M4.

Na podporu horních částí brýlí jsou implementovány dva kusy, jeden pro horní část skla, takže při otáčení vyvažovacího systému nespadne a druhý drží boční část skla.

3. Systém montáže os

Byl vyžadován systém pro připevnění vyvažovacího systému k rotující ose. Použili jsme konfiguraci, kde jsou podélné tyče (celkem 4) přitlačeny k sobě pomocí šroubů a matic M4. A skrz tyto pruhy je 10 3D tištěných kusů, které mají o něco větší průměr osy. Pro zvýšení přilnavosti jsou mezi osou a 3D tištěnými dílky dva podélné gumové pásy.

4. Vyvažte dřevěné desky

Existují 2 boční dřevěné desky, které v sobě drží všechny držáky a jsou připevněny k ose prostřednictvím osového systému vysvětleného výše.

Přenos

Vyvažovací systém vysvětlil relé na pohyb osy, jedná se o kovovou tyč o průměru 8 mm, která je namontována v konstrukci pomocí 3 ložisek a odpovídajících držáků ložisek.

Aby se dosáhlo dostatečného točivého momentu k provedení rotačního pohybu lití, používá se řemenový převod. Pro malou kovovou kladku byla použita kladka s průměrem stoupání 12,8 mm. Velká kladka byla 3D vytištěna, aby dosáhla požadovaného poměru. Stejně jako kovová kladka byla k kladce poskytnuta další část, aby bylo možné ji připevnit k ose otáčení. Aby bylo možné na řemen působit napětím, je na pohyblivém napínacím aplikátoru použito vnější ložisko, které uvnitř pásu vytváří různá napětí.

Krok 4: Elektronika a kód Arduino

U elektronických součástek se doporučuje znovu se podívat na seznam požadavků a zjistit, jaká by měla být kinematika tohoto systému. Prvním požadavkem, který naše systémy mají, je svislý pohyb otvíráku. Dalším požadavkem je síla, kterou je třeba vyvinout na paži, aby se odstranil uzávěr lahve. Tato síla je kolem 14 N. Pro nalévací část jsou výpočty řešeny prostřednictvím Matlabu a výsledkem je maximální točivý moment 1,7 Nm. Posledním požadavkem, který byl zaznamenán, je uživatelská přívětivost systému. Proto pro spuštění mechanismu přijde vhod použití spouštěcího tlačítka. V této kapitole budou vybrány a vysvětleny jednotlivé části. Na konci kapitoly bude také představen celý design prkénka.

Otevírací mechanismus

Na začátku je k otevření láhve piva zapotřebí otevírací systém. Jak již bylo řečeno v úvodu této kapitoly, krouticí moment potřebný k odpojení uzávěru lahve od láhve je 1, 4 Nm. Síla, která bude působit na rameno otvíráku, je 14 N, pokud je rameno kolem 10 cm. Tato síla je vytvářena třecí silou, která vzniká otáčením závitu maticí. Tím, že držíte matici zaseknutou v jejím rotačním pohybu, jediný způsob, jakým se nyní může matice pohybovat, je nahoru a dolů. K tomu je zapotřebí točivý moment, aby se zajistilo, že se matice může pohybovat nahoru a dolů, a spolu s tím musí také vycházet síla 14 N. Tento točivý moment lze vypočítat podle níže uvedeného vzorce. Tento vzorec popisuje požadovaný točivý moment pro pohyb předmětu nahoru a dolů s určitým množstvím točivého momentu. Potřebný točivý moment je 1,4 Nm. To musí být požadavek na minimální točivý moment motoru. Dalším krokem je vyhledat, jaký typ motoru by byl v této situaci nejvhodnější. Otvírák otáčí velkým množstvím otáček a při pohledu na potřebný točivý moment je dobré zvolit servomotor. Výhodou servomotoru je, že má vysoký točivý moment a mírné otáčky. Problém je v tom, že servomotor má určitý rozsah, méně než celou otáčku. Řešením by bylo, že by servomotor mohl být 'hacknut', což by mělo za následek, že servomotor má plné otočení o 360 ° a také se stále otáčí. Nyní, když je servomotor „hacknut“, je téměř nemožné tyto akce vrátit zpět a znovu jej uvést do normálu. Výsledkem je, že servomotor nelze později znovu použít v jiných projektech. Lepším řešením je, že volba bude lepší pro krokový motor. Tyto druhy motorů nemusí být motory s největším točivým momentem, ale na rozdíl od stejnosměrného motoru se točí kontrolovaně. Problém, který zde nacházíme, je poměr ceny a točivého momentu. Tento problém lze vyřešit pomocí převodovky. Tímto řešením se sníží rychlost otáčení závitu, ale točivý moment bude vyšší s ohledem na převodové poměry. Další výhodou použití krokového motoru v tomto projektu je, že krokový motor lze později znovu použít pro jiné projekty příštích let. Nevýhodou krokového motoru s převodovkou je výsledná rychlost, která není tak vysoká. Mějte na paměti, že systém vyžaduje lineární pohon, ve kterém se tomu vyhýbá mechanismus matice a závitu, který jej také zpomalí. Volba proto přešla na krokový motor bez převodovky a okamžitě spojený závitem s hladkou maticí.

Pro tento projekt je dobrým krokovým motorem pro aplikaci Nema 17 s točivým momentem 44 Ncm a cenou 32 eur. Tento krokový motor je, jak již bylo řečeno, kombinován se závitem a maticí. K ovládání krokového motoru se používá H-můstek nebo ovladač krokového motoru. H-můstek má výhody přijímání dvou signálů z konzoly Arduino a pomocí externího zdroje stejnosměrného napětí může H-můstek transformovat nízkonapěťové signály na vyšší napětí 24 V pro napájení krokového motoru. Z tohoto důvodu lze krokový motor snadno ovládat pomocí Arduina prostřednictvím programování. Program najdete v příloze. Dva signály přicházející z Arduina jsou dva digitální signály, jeden je zodpovědný za směr otáčení a druhý je signál PWM, který určuje rychlost. Ovladač použitý v tomto projektu pro nalévací mechanismus a otevírací mechanismus je `` ovladač držadla DRV8825 '', který je schopen převést signály PWM z Arduina na napětí od 8,2 V do 45 V a stojí přibližně 5 EUR za kus. Další myšlenka, kterou je třeba mít na paměti, je místo otvíráku s odkazem na otevření lahve. Pro zjednodušení programovací části je držák lahví vyroben tak, že oba typy otvorů pro lahve piva jsou ve stejné výšce. Z tohoto důvodu lze nyní otvírač a nepřímý krokový motor, který je připojen přes závit, naprogramovat pro obě lahve na stejnou výšku. Tímto způsobem zde není senzor pro detekci výšky láhve nutný.

Nalévací mechanismus

Jak již bylo uvedeno v úvodu této kapitoly, požadovaný točivý moment potřebný k naklonění vyvažovacího systému je 1,7 Nm. Točivý moment se vypočítá pomocí Matlabu nastavením vzorce pro rovnováhu točivého momentu v závislosti na proměnném úhlu, ve kterém se sklo a láhev otáčejí. To se provádí tak, aby bylo možné vypočítat maximální točivý moment. Pro motor v této aplikaci by byl lepší typ servomotor. Důvodem je vysoký poměr točivého momentu k ceně. Jak bylo řečeno v předchozím odstavci otevíracího mechanismu, servomotor má určitý rozsah, ve kterém se může otáčet. Drobným problémem, který lze vyřešit, je rychlost otáčení. Rychlost otáčení servomotoru je vyšší, než je potřeba. Prvním řešením tohoto problému je přidání převodovky, u které dojde ke zlepšení točivého momentu a snížení rychlosti. Problém, který s tímto řešením přichází, je ten, že kvůli převodovce se snižuje i rozsah servomotoru. Toto snížení má za následek, že vyvažovací systém nebude schopen otáčet o 135 °. To by bylo možné vyřešit opětovným „hacknutím“servomotoru, ale to by vedlo k nevratnosti servomotoru, což je již vysvětleno v předchozím odstavci „Otevírací mechanismus“. Druhé řešení pro jeho vysokou rychlost otáčení spočívá spíše v práci servomotoru. Servomotor je napájen napětím 9 V a je řízen konzolou Arduino prostřednictvím signálu PWM. Tento signál PWM dává signál s tím, jaký má být požadovaný úhel servomotoru. Drobnými kroky při změně úhlu lze snížit rychlost otáčení servomotoru. Jakkoli se toto řešení jeví jako slibné, krokový motor s převodovkou nebo řemenovým převodem dokáže totéž. Zde musí být točivý moment pocházející z krokového motoru vyšší, zatímco rychlost musí být snížena. K tomu se používá aplikace řemenového převodu, protože u tohoto typu převodu neexistuje vůle. Tato převodovka má tu výhodu, že je pružná s ohledem na převodovku, kde mohou být obě osy umístěny tam, kde si to kdo přeje, pokud je řemen napnut. Toto napětí je nutné pro úchop na obou řemenicích, aby převodovka neztratila energii uklouznutím na řemenicích. Poměr přenosu byl zvolen s určitou rezervou, aby se zrušily neúmyslné problémy, které nebyly vzaty v úvahu. Na hřídeli krokového motoru byla vybrána kladka s průměrem stoupání 12,8 mm. Aby byla realizována rezerva pro točivý moment, byla zvolena řemenice s průměrem stoupání 61,35 mm. To má za následek snížení otáček o 1/4,8 a tedy zvýšení točivého momentu o 2,4 Nm. Tyto výsledky byly dosaženy bez ohledu na účinnost přenosu, protože nebyly známy všechny specifikace pásu t2.5. Aby byl zajištěn lepší přenos, je přidána externí kladka, která zvyšuje kontaktní úhel s nejmenší kladkou a zvyšuje napětí uvnitř řemene.

Ostatní elektronické součástky

Dalšími částmi přítomnými v tomto designu jsou tři mikrospínače a dvě spouštěcí tlačítka. Poslední dvě tlačítka hovoří sama za sebe a budou použita k zahájení procesu otevírání piva, zatímco druhé spustí nalévací mechanismus. Po spuštění systému nalévání nebude toto tlačítko užitečné až do konce. Na konci procesu lze tlačítko znovu stisknout a tím se zajistí, že licí část může být uvedena zpět do původního stavu. Tři mikrospínače se používají jako senzory pro detekci dvou druhů lahví piva a na druhé straně skleněné láhve, když nalévací systém dosáhne konečné polohy. Zde použitá tlačítka stojí přibližně 1 euro za kus a mikrospínače po 2,95 eura.

K napájení je Arduino potřeba externího napájecího zdroje. Proto se používá regulátor napětí. Jedná se o krokový spínací regulátor LM2596, který umožňuje převádět napětí z 24 V na 7,5 V. Tento 7,5 V bude použit k napájení Arduina, takže v tomto procesu nebude použit žádný počítač. Byl zkontrolován také datový list pro proud, který je poskytován nebo může být poskytován. Maximální proud je 3 A.

Design pro elektroniku

V této části bude postaráno o nastavení elektroniky. Zde je na obrázku na prkénku znázorněno rozložení nebo design. Nejlepší způsob, jak začít, je přejít z napájecího zdroje přítomného v pravém dolním rohu a přejít na Arduino a subsystémy. Jak je vidět na obrázku, první věcí, která je na cestě mezi napájecím zdrojem a prkénkem, je ruční spínač, k němuž lze cokoli okamžitě připojit pouhým pohybem spínače. Poté je umístěn kondenzátor 47 mikro Farad. Tento kondenzátor není povinný kvůli použití napájecího zdroje a jeho charakteristice okamžitě poskytnout požadovaný proud, což u jiných napájecích modelů někdy neplatí. Vlevo od kondenzátorů jsou umístěny dva ovladače LM2596 (ne stejné vizuály, ale stejné nastavení) pro ovládání krokového motoru. Poslední věc, která je připojena k obvodu 24 V, je regulátor napětí. To je na tomto obrázku znázorněno tmavě modrým čtvercem. Jeho vstupy jsou uzemnění a 24 V, jeho výstupy jsou 7,5 V a uzemnění, které je spojeno se zemí 24 V vstupu. Výstup nebo 7,5 V z regulátoru napětí je pak spojen s Vin z konzoly Arduino. Arduino je poté napájeno a schopné dodávat napětí 5 V. Toto napětí 5 V je odesláno do 3 mikrospínačů reprezentovaných tlačítky na levé straně. Ty mají stejné nastavení jako tlačítka, z nichž dvě jsou umístěna uprostřed. V případě, že je tlačítko nebo spínač stisknuto, napětí 5 V je odesláno do konzoly Arduino. V případě, že senzory nebo tlačítka nejsou stlačeny v zemi a vstup Arduino je navzájem propojen, což by představovalo nízkou vstupní hodnotu. Posledním subsystémem jsou dva krokové ovladače. Ty jsou spojeny s vysokonapěťovým obvodem 24 V, ale musí být také spojeny s 5 V Arduina. Na obrázku prkénka je také vidět modrý a zelený vodič, modré vodiče jsou pro signál PWM, který reguluje a nastavuje rychlost stepního motoru. Zelené vodiče nastavují směr otáčení krokového motoru.

Na druhém obrázku je obrázek s krokovým ovladačem a zapojení ovladačů krokového motoru. Zde je vidět, že existují tři připojení M0, M1 a M2 nejsou propojeny. Ty rozhodují o tom, jak by měly být podniknuty všechny kroky. Díky tomu, že je právě teď nastaven, jsou všechny tři se zemí spojeny vnitřním odporem 100 kilo Ohm. Umístěním všech tří vstupů na nízkou úroveň vytvoříte úplný krok s každým PWM pulsem. Nastavení všech připojení na High každý PWM-puls bude mít za následek 1/32 kroku. V tomto projektu je zvolena úplná konfigurace kroku, u budoucích projektů to může být užitečné v případě snížení rychlosti.

Krok 5: Testování systému

Posledním krokem je otestovat mechanismy a zjistit, zda skutečně fungují. Proto je externí napájecí napětí připojeno k vysokonapěťovému obvodu stroje, zatímco jsou připojeny i uzemnění. Jak je vidět na prvních dvou videích, zdá se, že oba krokové motory fungují, ale jakmile je vše navzájem propojeno ve struktuře někde v našem obvodu, zdá se, že došlo ke zkratu. Kvůli špatnému výběru designu, který má malý prostor mezi rovinami, je ladicí část velmi obtížná. Při pohledu na třetí video byly také nějaké problémy s rychlostí motoru. Řešením bylo zvýšit zpoždění v programu, ale jakmile je zpoždění příliš velké, zdá se, že krokový motor vibruje.

Krok 6: Tipy a triky

Pro tuto část chceme uzavřít některé body, které jsme se naučili při vytváření tohoto projektu. Zde budou vysvětleny tipy a triky, jak zahájit výrobu a jak řešit drobné problémy. Od montáže až po vytvoření celého návrhu na desce plošných spojů.

Tipy a triky:

Shromáždění:

• U 3D tisku lze pomocí funkce živého nastavení na 3D tiskárnách Prusa upravit vzdálenost mezi tryskou a tiskovým ložem.
• Jak je vidět na našem projektu, pokusili jsme se najít strukturu s co největším množstvím dřeva, protože jsou nejrychlejší pomocí laserové řezačky. V případě rozbitých částí je lze snadno vyměnit.
• S 3D tiskem se snažte, aby váš objekt byl co nejmenší a přitom měl mechanické vlastnosti, které potřebuje. V případě neúspěšného tisku nebudete mít tolik času při opětovném tisku.

Elektronika:

• Před zahájením projektu začněte vyhledáváním všech datových listů každé komponenty. Na začátku to bude nějakou dobu trvat, ale dlouhodobě to bude stát za to.
• Při výrobě DPS se ujistěte, že máte schéma DPS s celým obvodem. Pomohlo by schéma prkénka, ale transformace mezi oběma může být někdy trochu obtížnější.
• Práce s elektronikou může někdy začít snadno a sama se vyvíjet poměrně rychle. Zkuste proto použít na desce plošných spojů nějakou barvu, přičemž každá barva odpovídá určitému významu. Tímto způsobem se v případě problému toto řešení snadněji vyřeší
• Pracujte na dostatečně velké desce plošných spojů, abyste zabránili křížení vodičů a měli přehled o obvodu, což může snížit možnost zkratu.
• V případě problémů s obvodem nebo zkratem na desce plošných spojů zkuste ladit vše v jeho nejjednodušší podobě. Tímto způsobem může být váš problém nebo problémy vyřešen snadněji.
• Náš poslední tip je pracovat na čistém stole, naše skupina měla po celém stole krátké dráty, které v našem horním napěťovém obvodu vytvořily zkrat. Jeden z těchto malých drátů byl příčinou a zlomil jeden z krokových ovladačů.

Krok 7: Dostupné zdroje

Všechny soubory CAD, kód Arduino a videa z tohoto projektu najdete v následujícím odkazu na dropbox:

Kromě toho stojí za to zkontrolovat také následující zdroje:

- OpenSCAD: Parametrická kladka - spousta profilů zubů pomocí dolftarts - Thingiverse

- Grabcad: Je to skvělá komunita pro sdílení cadfiles s jinými lidmi: GrabCAD: Design Community, CAD Library, 3D Printing Software

-Jak ovládat krokový motor pomocí krokového ovladače: