Stroj na třídění šroubů: 7 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Jednoho dne v laboratoři (FabLab Moskva) jsem viděl svého kolegu zaneprázdněného tříděním plné krabice šroubů, matic, kroužků a dalšího hardwaru. Zastavil jsem vedle něj, na chvíli jsem to sledoval a řekl: „Pro stroj by to byla perfektní práce.“Po rychlém pohledu na google jsem viděl, že už existují různé důmyslné mechanické systémy, ale nemohly vyřešit náš problém, protože v naší krabici je široká škála dílů. Dělat něco čistě mechanického by bylo docela komplikované. Dalším dobrým důvodem pro přechod na „robotičtější“systém byl ten, že by to vyžadovalo všechny technické obory, které mám rád: strojové vidění, robotická ramena a elektromechanické ovladače!

Tento stroj vybere šrouby a umístí je do různých krabic. Skládá se z robotického ramene, které ovládá elektromagnet, průsvitný pracovní stůl nad světly a kameru nahoře. Po natažení několika šroubů a matic na pracovní stůl se rozsvítí světla a pořídí se obrázek. Algoritmus detekuje tvary součásti a vrací jejich polohy. Nakonec rameno s elektromagnetem umístí díly jeden po druhém do požadovaných polí.

Tento projekt je stále ve vývoji, ale nyní získávám slušné výsledky, o které se s vámi chci podělit.

Krok 1: Nástroje a materiál

Nástroje

• Laserová řezačka
• Úhlová bruska
• Pilka na kov
• Šroubovák
• Svorky (čím více, tím lépe)
• Horká lepicí pistole

Materiál

• Překližka 3 mm (1 m2)
• Překližka 6 mm (300 x 200 mm)
• Bílý průsvitný plast 4 mm (500 x 250 mm)
• Počítač (pokouším se přejít na Raspberry Pi)
• Webová kamera (Logitech HD T20p, každý by měl pracovat)
• Arduino se 4 výstupy PWM / analogWrite (tři serva a cívka elektromagnetu) (používám ProTrinket 5V)
• Prototypovací deska
• Elektronický vodič (2 m)
• Spínací tranzistor (jakýkoli tranzistor, který může pohánět 2W cívku) (mám S8050)
• Dioda (Schottky je lepší)
• 2 odpory (100Ω, 330Ω)
• Napájení 5V, 2A
• Servo mikro (šířka 13, délka 29 mm)
• 2 serva standardní (šířka 20, délka 38 mm)
• Lepidlo na drevo
• 4 metalický roh se šrouby (volitelně)
• Dřevěná tyč (30 x 20 x 2400)
• Horké lepidlo
• Smaltovaný měděný drát (0,2, 0,3 mm průměr, 5 m) (starý transformátor?)
• Měkké železo (16 x 25 x 4 mm)
• 3 žárovky s paticí
• Připojovací lišta (230 V, 6 prvků)
• Elektrický vodič se zásuvkou (230 V) (2 m)
• Ložisko 625ZZ (vnitřní průměr 5 mm, vnější průměr 16 mm, výška 5 mm)
• Ložisko 608ZZ (vnitřní průměr 8 mm, vnější průměr 22 mm, výška 7 mm)
• Ložisko rb-lyn-317 (vnitřní průměr 3 mm, vnější průměr 8 mm, výška 4 mm)
• Ozubený řemen GT2 (rozteč 2 mm, šířka 6 mm, 650 mm)
• Šroub M5 x 35
• Šroub M8 x 40
• 8 šroubů M3 x 15
• 4 šrouby M4 x 60
• 6 vrutů do dřeva 2 x 8 mm
• Šroub M3 x 10
• Modul reléové desky (přímo ovladatelný ovladačem)

Krok 2: Vytvořte světelný box

Světelný box má čtyři hlavní části a několik výztuh. Stáhněte si tyto části a slepte je kromě průsvitného plastu. Začal jsem dřevěným půl kotoučem a zakřivenou stěnou. Během sušení musíte držet stěnu utaženou kolem disku. Pomocí svorek jsem zajistil poloviční kotouč a zakřivenou stěnu. Pak nějaká páska udržuje zeď kolem půl disku. Za druhé jsem nalepil ráfek, aby vydržel průsvitný pracovní stůl. Nakonec je plochá stěna doplněna o dřevěné (vnitřní) a kovové (vnější) pravé hrany.

Jakmile je krabice dokončena, stačí přidat žárovky a propojit vodič a zásuvku s konektorovou lištou. Odřízněte kabel 230 V tam, kde je to pro vás vhodné, a vložte reléový modul. Relé (230V!) Jsem z bezpečnostních důvodů uzavřel do dřevěné krabice.

Krok 3: Vyrobte robotické rameno

Stáhněte si díly a ořízněte je. K zajištění pásu na servomotoru jsem použil kousky kancelářské sponky. Přibil jsem dva díly řemenů na servomotoru a přidal trochu lepidla, abych se ujistil, že se nic nehýbe.

Pro lineární vertikální vedení musí být píst broušen, aby se zabránilo zablokování. Musí plynule klouzat. Po sestavení lze výšku upravit seříznutím vedení na požadovanou délku. Udržujte jej však co nejdéle, abyste zabránili přílišnému středovému zámku. Píst se jednoduše přilepí k ramennímu boxu.

Ložiska jsou uzavřena uvnitř řemenic. Jedna kladka je vyrobena ze dvou vrstev překližky. Tyto dvě vrstvy se navzájem nutně nedotýkají, takže je místo lepení k sobě přilepte na příslušnou pažní desku. Desky horního a dolního ramene jsou udržovány čtyřmi šrouby a maticemi M3 x 15. První osa (velká) je jednoduše šroub M8 x 40 a druhá (malá) šroub M5 x 35. Použijte matice jako distanční podložky a zámky pro části paží.

Krok 4: Vyrobte elektromagnet

Elektromagnet je jednoduše měkké železné jádro se smaltovaným drátem. Měkké železné jádro vede magnetické pole na požadovaném místě. Toto magnetické pole vytváří proud v smaltovaném drátěném měniči (je proporcionální). Čím více zatáček uděláte, tím více magnetického pole máte. Navrhl jsem železo ve tvaru písmene U, aby soustředilo magnetické pole poblíž zachycených šroubů a zvýšilo sílu předpětí.

Vyřízněte tvar písmene U na kus měkké žehličky (výška: 25 mm, šířka: 15 mm, průřez železa: 5 x 4 mm). Před navinutím drátu kolem žehličky ve tvaru U je velmi důležité odstranit ostré hrany. Dávejte pozor, abyste zachovali stejný směr navíjení (zvláště když skočíte na druhou stranu, musíte změnit směr otáčení z vašeho úhlu pohledu, ale ze železného pohledu ve tvaru U zachováte stejný směr) (https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) Před rozvětvením cívky do obvodu zkontrolujte odpor cívky multimetrem a vypočítejte proud podle Ohmova zákona (U = RI). Na své cívce mám více než 200 závitů. Navrhuji, abyste navíjeli, dokud nebudete mít uvnitř U pouze 2 mm prostoru.

Byl vyroben dřevěný držák a žehlička ve tvaru písmene U byla zajištěna horkým lepidlem. Dvě štěrbiny umožňují upevnění drátu na obou koncích. Nakonec jsou na dřevěný držák přibity dva kolíky. Vytvářejí spojení mezi smaltovaným měděným drátem a elektronickým vodičem. Abych předešel poškození cívky, přidal jsem vrstvu horkého lepidla všude kolem cívky. Na posledním obrázku můžete pozorovat dřevěnou část, která uzavírá železo ve tvaru písmene U. Jeho funkcí je zabránit uvíznutí jakýchkoli šroubů uvnitř žehličky ve tvaru písmene U.

Smaltovaný drátěný plášť byl převzat z rozbitého transformátoru. Pokud tak učiníte, zkontrolujte, zda není vodič přerušen nebo zda v použité části nejsou zkraty. Odstraňte pásku z feromagnetického jádra. Pomocí řezačky oddělte postupně všechny železné plátky. Poté odstraňte pásku na cívce a nakonec odviňte smaltovaný drátěný měď. Bylo použito sekundární vinutí (cívka velkého průměru) (vstup transformátoru 230V, výstup 5V-1A).

Krok 5: Vytvořte obvod

Na prototypové desce jsem postavil schéma výše. K přepínání elektromagnetické cívky byl použit bipolární tranzistor (S8050). Zkontrolujte, zda váš tranzistor zvládne proud vypočítaný v předchozím kroku. V této situaci je pravděpodobně vhodnější MOSFET, ale vzal jsem to, co jsem měl po ruce (a chtěl jsem nízký odpor). Přizpůsobte dva odpory vašemu tranzistoru.

Ve schématu výše jsou ikony VCC a GND připojeny k + a - mého napájecího zdroje. Servomotory mají tři vodiče: Signál, VCC a GND. K ovladači je připojen pouze signální vodič, ostatní jsou připojeny k napájení. Ovladač je napájen kabelem programátoru.

Krok 6: Kód

V neposlední řadě: Kód. Najdete ho zde:

Existuje jeden program pro ovladač (typ arduino) a druhý, který běží na počítači (doufejme, že brzy na malině). Kód na ovladači je zodpovědný za plánování trajektorie a kód v počítači zpracovává obraz a odesílá výslednou pozici do ovladače. Zpracování obrazu je založeno na OpenCV.

Program počítače

Program pořídí snímek pomocí webové kamery a světel, detekuje průsvitný střed a poloměr pracovního stolu a opraví případné otočení obrazu. Z těchto hodnot program vypočítá polohu robota (Poznáme polohu robota podle tabulky). Program používá k detekci šroubů a šroubů funkci detektoru blobů v OpenCV. Různé typy blobů jsou filtrovány pomocí dostupných parametrů (plocha, barva, kruhovitost, konvexita, setrvačnost) za účelem výběru požadované komponenty. Výsledkem detektoru blobů je poloha (v pixelech) vybraných blobů. Poté funkce transformuje tyto pixelové pozice do milimetrových poloh v souřadnicovém systému paže (ortogonální). Další funkce vypočítá požadovanou polohu každého spoje ramene, aby měl elektromagnet v požadované poloze. Výsledkem jsou tři úhly, které jsou nakonec odeslány do ovladače.

Program ovladače

Tento program přijímá spojovací úhly a pohybuje částmi paží, aby dosáhly těchto úhlů. Nejprve vypočítá maximální rychlost každého spojení, aby bylo možné provést tah ve stejném časovém intervalu. Poté zkontroluje, zda bylo těchto maximálních rychlostí někdy dosaženo, v tomto případě bude pohyb následovat tři fáze: zrychlení, konstantní rychlost a zpomalení. Pokud není dosaženo maximální rychlosti, bude pohyb následovat pouze ve dvou fázích: zrychlení a zpomalení. Počítají se také okamžiky, ve kterých musí přejít z jedné fáze do druhé. Nakonec se tah provede: V pravidelných intervalech se vypočítají a odešlou nové skutečné úhly. Pokud je čas přejít do fáze vnoření, provádění pokračuje do další fáze.

Krok 7: Poslední dotyky

Rám

Byl přidán rámeček pro držení fotoaparátu. Rozhodl jsem se ho vyrobit ze dřeva, protože je levný, snadno se s ním pracuje, snadno najdete, je šetrný k životnímu prostředí, tvarově příjemný a zůstává ve stylu, se kterým jsem začínal. Proveďte obrazový test s fotoaparátem a rozhodněte se, jakou výšku potřebujete. Ujistěte se také, že je tuhý a pevný, protože jsem si všiml, že výsledná poloha je velmi citlivá na jakékoli pohyby kamery (alespoň předtím, než jsem přidal funkci automatické detekce pracovního stolu). Kamera musí být umístěna ve středu pracovního stolu a v mém případě 520 mm od průsvitné bílé plochy.

Krabice

Jak vidíte na obrázku, pohyblivé úložné boxy jsou na ploché části pracovního stolu. Můžete vyrobit tolik boxů, kolik potřebujete, ale s mým skutečným nastavením je prostor docela omezený. Přesto mám nápady, jak tento bod vylepšit (viz budoucí vylepšení).

Budoucí vylepšení

• V tuto chvíli je rozvodový řemen uzavřen dřevěnou částí, ale toto řešení omezuje oblast, do které se rameno může dostat. Potřebuji přidat větší prostor mezi velkým servem a osou ramene nebo vytvořit menší zavírací systém.
• Krabice jsou podél ploché hrany pracovního stolu, kdybych to dal podél půlkruhové hrany, měl bych mnohem více prostoru pro přidávání polí a třídění mnoha typů komponent.
• Nyní filtr blob detekce stačí k třídění částí, ale protože chci zvýšit počet polí, budu potřebovat zvýšení selektivity. Z tohoto důvodu vyzkouším různé metody rozpoznávání.
• Servomotory, které používám, nyní nemají dostatečný dosah, aby dosáhly na celý pracovní stůl s polovičním diskem. Potřebuji vyměnit serva nebo změnit redukční faktor mezi různými řemenicemi.
• Některé problémy se vyskytují poměrně často, takže prioritou je zlepšení spolehlivosti. K tomu musím klasifikovat typ problémů a soustředit se na pravděpodobnější. To je to, co jsem udělal s malým kusem dřeva, který uzavírá železo ve tvaru písmene U a algoritmus centra automatické detekce, ale nyní se problémy stávají komplikovanějšími pro řešení.
• Vytvořte desku plošných spojů pro regulátor a elektronický obvod.
• Migrujte kód na Raspberry pi a získejte samostatnou stanici

Druhá cena v Organizační soutěži