Bubble Wrap Painter: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

V rámci našeho kurzu „Mechatronics 1 - MECA -Y403“Master 1 na ULB jsme byli požádáni, abychom navrhli robota plnícího konkrétní funkci a vytvořili webové stránky shrnující design robota, počínaje výběrem materiálů, modelování, realizace a kód umožňující fungování celého systému. Celá skupina jednomyslně zvolila realizaci robota „Bubble Wrap Painter“.

„Bubble Wrap Painter“je zařízení schopné vstřikovat barvu do některých bublin bublinkové fólie z ovládání napětí dodávaného počítačem. Zpočátku musel být robot schopen vstřikovat kapalinu ve 2D rovině, aby vytvořil bodový výkres. Z ekonomických a praktických důvodů se však skupina stáhla, aby vstřikovala barvu na trajektorii 1D. Robot funguje následovně: systém šnekových šroubů se používá ke stlačování pístu stříkačky původně naplněné barvou. Stříkačka je připojena k pružné polypropylenové trubičce, která umožňuje vedení barvy na kovový hrot připevněný k mobilnímu modulu. Tento modul je schopen klouzat po vodorovné ose, opět pomocí šnekového systému. Špička je na druhé straně připevněna k lineárnímu elektromagnetu, který je také připojen k mobilnímu modulu. Elektromagnet se používá k píchnutí bublinkové fólie upevněné na svislé desce. Jakmile je bublina propíchnuta, vstříkne se do ní barva a tak dále.

Krok 1: Popis součástí a nástrojů

NÁKUP

2 paprskové spojky 5 mm až 6 mm

1 injekční stříkačka o objemu 10 ml (7, 5 cm dlouhá)

1 trubka z pružného polypropylenu o průměru 4 mm

1 jehla s bezpečnostní čepičkou

Kvaš zředěný vodou

2 závitové tyče: průměr 6 mm a 18, 5 cm dlouhé

2 hladké tyče o průměru 8 mm a délce 21 cm

2 hladké tyče o průměru 8 mm a délce 10 cm

Bublinková folie

ELEKTRONIKA

1 prkénko

1 arduino

1 krokový motor

1 krokový motor RS PRO Hybrid, krokový motor s permanentním magnetem 1,8 °, 0,22 Nm, 2,8 V, 1,33 A, 4 dráty

2 mikrospínač V-156-1C25

1 elektromagnet ZYE1-0530

Zdroj napájení

2 banánové konektory

45 propojovacích vodičů

6 vodivých kabelů

Dioda 1N4007

Tranzistor IRF5402

3 odpory 4, 7 kohm

2 ovladače DRV8825

1 tlačítkový spínač

ŠROUB, OŘECHY A FIXACE

42 šroubů M3 o délce 16 mm

4 šroub M3 o délce 10 mm

4 šrouby M4 o délce 16 mm

2 šrouby M2, 5 16 mm dlouhé

52 odpovídajících matic

2 ocelová hladká podložka M3

POUŽITÉ NÁSTROJE

Laserový řezací stroj

3D tiskárna (Ultimaker 2 nebo Prusa)

Šroubovák

Krok 2: Soubory CAD

LASEROVÉ ŘEZÁNÍ o tloušťce 3 mm

-podpůrné desky

-podpora pro zvednutí spínače

-podpora pohybu jehly

-držák na bubliny

-4 podpora zesílení

3D TISK

-podpora motoru

-podepřete závitovou tyč

-stříkačkové čerpadlo

-podpora jehly

-podpora pro stříkačku

Krok 3: Sestavení

Nejprve jsme navrhli dřevěnou základnu složenou ze 3 různých prvků: spodní deska, svislá deska a trojúhelníková deska, aby vše drželo pohromadě.

Na obrázku vidíte, že různé desky mají opakované vzory ve tvaru T. Tyto vzory se používají k fixaci sestavy a umožňují, aby byla základna robustní. Dva spínače jsou umístěny na pístu a na mobilním modulu. To umožňuje poskytnout respektive referenci o maximálním roztažení pístu a referenci o krajní pravé poloze mobilního modulu.

Kromě toho jsou krokové motory připevněny čtyřmi šrouby k nosiči vytvořenému pomocí 3D tiskárny. Na této podpěře umožňují dva kolmé otvory fixaci na svislou desku. Závitové tyče spojené se dvěma osami otáčení motorů a také se čtyřmi hladkými tyčemi jsou drženy přídavnými podpěrami umístěnými na protipodu motorů. Kromě toho se konektory používají k upevnění závitové tyče k ose otáčení krokových motorů.

Stříkačka je také upevněna držákem, který je našroubován na vodorovnou destičku. Jeho píst lze stlačit pomocí lichoběžníkového kusu, který běží při otáčení závitové tyče. Tato část má ve svém vnitřku otvor, který je opatřen maticí. Tato matice umožňuje pohyb lichoběžníkové části.

Zkumavka je připojena ke stříkačce jednoduchým zasunutím na konec stříkačky. Druhý konec trubice je zaseknutý v prstenci malého bílého kousku PLA. Kovový hrot, který byl původně součástí stříkačky, byl také zacvaknutý na konec tuby. Do jehly jsme přidali víčko stříkačky, aby lépe vyplňovalo průměr bílého kusu. Čepice má na konci otvor, který umožňuje špičce jehly projít. Tato malá bílá část je přišroubována dvěma šrouby na posuvnou desku mobilního modulu.

Mobilní modul se skládá ze sady dřevěných částí upevněných stejným způsobem jako desky tvořící základnu. Modul tvoří krabici se třemi otvory pro uložení dvou hladkých tyčí a závitové tyče. Uvnitř tohoto boxu jsou dvě matice, které umožňují pohyb modulu. Horní deska modulu klouže po dvou hladkých tyčích. Ve vnitřním středu modulu drží pevná deska lineární elektromagnet. To umožňuje posuvné desce provádět lineární pohyby tam a zpět.

Existují dvě dřevěné konzoly, které umožňují připevnění dvou děrovaných jazyků přímo na svislou desku pomocí podložek zablokovaných šrouby. Tyto dvě záložky ve svém středu zaklínují proužek bublinkové fólie. Bublinový papír zde obsahuje sedm bublin odpovídajících 7 bitům zakódovaným počítačem.

Na druhé straně svislé desky jsou PCB a arduino. Deska plošných spojů je přilepena k vodorovné desce pomocí původně přítomného lepicího systému a arduino je přišroubováno ke spodní desce. Kromě toho je k desce plošných spojů připojen odporový dělič, který je přišroubován k dřevěné trojúhelníkové části. (OBRÁZEK: zadní část systému)

*Každý ze šroubů, které jsou součástí systému, je upevněn vhodnými šrouby.

Krok 4: Elektronika a senzory

Potřebujeme znát polohu horního krokového motoru, když se malíř bublinkových fólií spustí, aby dosáhl přesných poloh bublin. To je cílem prvního přepínače. Pokaždé, když zařízení nakreslí čáru, motor se otáčí, dokud přepínač nezmění stav.

Potřebujeme další spínač, abychom věděli, kdy stepper tlačící na stříkačku dosáhl konce pístu. Druhý spínač slouží k zastavení systému, když je stříkačka prázdná. Třetí volitelný přepínač může pokračovat v malování, když je injekční stříkačka naplněna. Tyto spínače používají nízké napětí a mohou být přímo dodávány arduinem. Dva krokové motory a magnet potřebují více energie a jsou napájeny generátorem napájení s napětím 12 V a 1 A. Dva ovladače krokových motorů DRV8825 transformují signály z arduina na proud pro motory. Tyto ovladače je třeba zkalibrovat. Kalibrace se provádí tak, že se jeden krokovač otáčí konstantní rychlostí a seřizuje šroub řidiče, dokud není točivý moment dostatečný k plynulému pohybu jehly a opory. Posledním prvkem je elektromagnet. Jeden stahovací odpor se používá k resetování mosfetu, když arduino neposílá žádný proud. K ochraně ostatních částí elektroniky je k elektromagnetu přidána také dioda flyback. Mosfet přepíná magnet mezi vysokými a nízkými stavy.

Krok 5: Python kód

Pro komunikaci mezi počítačem a arduino pomocí pythonu jsme vycházeli z kódů uvedených na tomto fóru:

K ovládání krokového motoru byl tento web velmi užitečný: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ A aby porozuměl základům arduina, byla také „kniha projektů arduino“velmi nápomocný. Existují dvě části kódu: první je kód pythonu, který převádí písmeno v binárním kódu ascii a posílá jej kousek po kousku do arduina, a druhý je arduino kód, který rýčí v odpovídajících bublinách. Následující vývojový diagram vysvětluje princip arduino kódu:

Krok 6: Video

Pracovní projekt!

Krok 7: Vylepšení

Projekt lze vylepšit několika způsoby. Za prvé, počet bublin na řádku lze snadno zvýšit. To lze provést tím, že vezmete delší binární kódy, například zadáním dvou písmen na místo jednoho například. Kód ASCII pak bude dvakrát delší.

Nejdůležitějším zlepšením by bylo umět vyplnit bubliny nejen podél osy x, ale také podél osy y. Plnění bublin by proto probíhalo ve 2D místo 1D. Nejsnadnějším způsobem, jak toho dosáhnout, je změnit výšku bublinového papíru místo zvedání a spouštění motoru. To by znamenalo nevěsit okraj držáku bublinového papíru na desku, ale na 3D vytištěnou podporu. Tato podpora by byla připojena k závitové tyči, která je sama spojena s krokovým motorem.

Krok 8: Vyskytly se problémy

Hlavním problémem, se kterým jsme se museli vypořádat, je elektromagnet. Aby se vyhnul těžkopádnému a těžkému třetímu motoru, elektromagnet se zdál být dokonalým kompromisem. Po několika testech se tuhost neustále ukázala být příliš nízká. Bylo tedy nutné přidat druhé jaro. Navíc může pohybovat pouze velmi lehkým nákladem. Bylo nutné zrevidovat uspořádání různých prvků.

Problémem byla také pumpa stříkačky. Nejprve bylo třeba vymodelovat součást, kterou lze zavěsit za nekonečnou tyč a současně zatlačit na píst. Za druhé, distribuce napětí byla důležitá, aby se zabránilo rozbití součásti. Navíc 2 krokové motory nejsou stejné: nemají stejné vlastnosti, což nás přimělo přidat dělič napětí. Museli jsme použít vodní barvu (v našem případě zředěný kvaš), protože příliš silná barva by neprošla jehlou a způsobila by příliš velkou ztrátu tlaku v potrubí.