Přidejte optický tachometr na bázi Arduina k CNC routeru: 34 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Vytvořte optický indikátor otáček pro svůj CNC router s Arduino Nano, IR LED/IR fotodiodovým senzorem a OLED displejem za méně než 30 $. Inspiroval mě eletro18's Measure RPM - Optical Tachometer Instructable a chtěl jsem do svého CNC routeru přidat otáčkoměr. Zjednodušil jsem obvod senzoru a navrhl vlastní 3D tištěný držák pro můj router Sienci CNC. Pak jsem napsal skicu Arduina, která na OLED displeji zobrazuje digitální i analogový číselník

Několik jednoduchých dílů a pár hodin vašeho času a do svého CNC routeru můžete přidat digitální a analogový displej otáček.

Zde je seznam dílů k dispozici pro 2denní dodání. Pokud jste ochotni čekat déle, můžete pravděpodobně získat díly za méně.

Seznam dílů

6,99 $ Arduino Nano

5,99 $ IR LED/IR fotodioda (5 párů)

7,99 $ OLED displej 0,96 žlutý/modrý I2C

4,99 $ propojovací vodiče

1,00 $ 3 palce (75 cm) 3vodičový lanko. Lze zakoupit v místním obchodě s domácími potřebami (Home Depot, Lowes) v sekci buy-the-foot

0,05 $ 220 ohmový odpor (6,99 $, pokud chcete 750 různých odporů)

Smršťovací bužírky 0,50 $ (5,99 $, pokud chcete kompletní sortiment)

3D tištěné závorky

Arduino IDE (zdarma)

Poznámka: Nejprve jsem přidal kondenzátor 0,01μF poté, co jsem zajistil všechny vodiče a všiml si některých nestálých hodnot otáček, když se CNC pohybovalo. Kondenzátor fungoval dobře pro nižší otáčky <20K, ale příliš vyhladil signál pro cokoli vyššího. Sledoval jsem hluk až k napájení Nano a displeje přímo z CNC štítu. Samostatná dodávka funguje pro všechny otáčky. Kroky jsem prozatím nechal, ale měli byste použít samostatný zdroj napájení USB.

Krok 1: Vytiskněte 3D bracket

Vytiskněte 3D držák pro držení IR LED a IR fotodiod. 3D soubory jsou zde a na Thingiverse.

www.thingiverse.com/thing:2765271

U Sienci Mill se k montáži senzoru na hliníkové úhlové lišty používá úhelník, ale plochý držák může být pro váš projekt lepší.

Krok 2: Volitelně 3D tisk držáku OLED displeje a elektronické skříně

Rozhodl jsem se připojit OLED k úhlovému držáku displeje, který jsem našrouboval na horní část skříně Sienci Electronics.

Zde jsou odkazy na 3D tištěné části, které jsem použil.

Sienci Electronics Enclosure 3D Part

0,96 držák OLED displeje

Kryt byl příjemným místem pro montáž držáku displeje OLED a pěkně drží Arduino Nano a navíc se vejde na zadní stranu mlýna Sienci. V horní části skříně jsem vyvrtal několik otvorů pro připevnění držáku OLED.

Do dna jsem také vyvrtal několik otvorů, kterými jsem provlékl malou pásku na zip a pevně připevnil kabelový svazek

Krok 3: Sestavte sestavu drátu IR senzoru

K připojení senzoru bude použit 3vodičový vodič. Jeden vodič bude společným uzemněním jak pro IR LED, tak pro IR fotodiodu, přičemž každý z ostatních dvou bude veden do příslušné složky.

Krok 4: Přidejte odpor omezující proud pro IR LED

IR LED vyžaduje odpor omezující proud. Nejjednodušší způsob je začlenit odpor do sestavy drátu.

Ohněte špičky každého z nich do tvaru U a spojte je. Krimpujte kleštěmi a poté je spojte dohromady.

Krok 5: Spojovací propojovací vodiče

Propojovací vodiče můžete spojit a připojit je k vývodům Arduino.

Odřízněte kus smršťovací bužírky a před připojením posuňte po drátu.

Zasuňte smršťovací hadičku zpět přes připojení (nebo celý odpor) a smršťujte hadičku pomocí horkovzdušné pistole nebo rychle přejíždějte plamenem po trubce, dokud se nezmrští. Pokud používáte plamen, udržujte jej v pohybu rychle, nebo se může začít roztavit.

Krok 6: Určení IR LED a fotodiodových svodů

IR LED i IR fotodioda vypadají podobně, každá má dlouhý (anodový nebo kladný) a krátký (katodový nebo záporný) svod.

Krok 7: Vložte diody do držáku

Vezměte IR LED (jasná dioda) a vložte ji do jednoho z otvorů držáku LED. Otočte LED tak, aby byl dlouhý přívod na vnější straně. Na fotografii vidíte jasnou LED v horním otvoru s dlouhým vedením na samém vrcholu.

Vezměte IR fotodiodu (tmavou diodu) a vložte ji do druhého otvoru. Otočte fotodiodou tak, aby její dlouhý vodič byl uprostřed.

Jak je znázorněno na fotografii, krátký vývod LED a dlouhý svod fotodiody budou uprostřed. Tyto dva svody budou spojeny do společného drátu zpět do arduina. (Pokud chcete další podrobnosti, podívejte se na technické poznámky na konci)

Vezměte malý kousek 1,75 vlákna a vložte jej za diody. To zablokuje diody na místě a zabrání jejich otáčení nebo vycházení.

Než jsem se rozhodl pro tento, prošel jsem několika iteracemi návrhů. Trochu vyčnívající diody výrazně zlepšily toleranci při zarovnání s kleštinovou maticí.

Krok 8: Pojistte zamykací vlákno k držáku

Budete chtít oříznout uzamykací kus vlákna jen o trochu delší, než je šířka držáku.

Zahřejte hřebík na několik sekund ve svěráku nebo jej držte kleštěmi.

Krok 9: Stiskněte konce vlákna proti vyhřívané hlavě nehtů

Držte prst na opačném konci vlákna a zatlačte, aby se pojistný kolík v držáku roztavil a zatavil.

Krok 10: Hotový držák diody

Splachovací a úhledné

Krok 11: Připojte kabelový svazek k diodám

Ořízněte drát na délku pro vaši aplikaci. Na Sienci Mill budete potřebovat celkem asi 30 palců (~ 75 cm) (drát + propojky) a mít povolení, aby se router mohl pohybovat.

Ohněte špičky drátu a vývodu do tvaru U, aby se spojily a usnadnilo pájení.

Vezměte tenké smršťovací trubičky a ořízněte dva krátké kusy a dva mírně delší kusy. Nasuňte kratší kusy na vnější diodové vývody. Zasuňte delší kusy přes dva středové vývody.

Mít dvě různé délky odsazuje spoje spojů a odsazuje od sebe silnější spoje, takže se zmenší průměr vedení. Zabraňuje také zkratům mezi různými spoji drátů

Odřízněte tři kusy smršťovací bužírky o trochu větším průměru a položte je na každý ze tří vodičů v kabelovém svazku.

Je důležité zajistit, aby mezi konci smršťovací bužírky na vodičích a spojovacím bodem byla malá mezera. Dráty se zahřejí, a pokud je smršťovací bužírka příliš blízko, začnou se na konci smršťovat, což je potenciálně způsobí, že budou příliš malé na to, aby klouzaly přes spoj.

Krok 12: Zajistěte, aby byl vodič s rezistorem připojen k dlouhému kabelu IR LED

Rezistor omezující proud (220 ohmů) zabudovaný v kabelovém svazku musí být připojen k dlouhému (anodovému) vodiči jasné infračervené LED. Vodič spojující dva společné vodiče bude připojen k zemi, takže pro toto připojení můžete použít černý nebo holý vodič.

Zapájejte spoje, aby byly trvalé.

Krok 13: Zmenšete smršťovací hadičku

Po pájení spojů nejprve pomocí zápalky nebo zapalovače zmenšete hadičky na diodových vodičích. Nejprve stáhněte smršťovací hadičku na vodičích co nejdále od tepla.

Udržujte plamen v pohybu rychle, jak se zmenšuje a otáčí, aby se všechny strany dostaly stejně. Nezdržujte se, nebo se hadice místo smrštění roztaví.

Poté, co se diodové vývody zmenší, nasuňte o něco větší teplem smrštitelnou hadičku z vodičů přes spoje a smrštění opakujte.

Krok 14: Připravte si montážní blok

V závislosti na vaší aplikaci vyberte montážní blok, který vyhovuje vaší aplikaci. U frézy Since Mill vyberte blok úhlového upevnění.

Vezměte matici M2 a šroub M2. Na konec šroubu našroubujte matici jen stěží.

Otočte montážní blok a vyzkoušejte, zda do otvoru zapadne matice M2.

Sejměte a mírně zahřejte matici zápalkou nebo plamenem a poté ji rychle zasuňte do zadní části montážního bloku.

Odšroubujte šroub a nechte matici zapuštěnou v plastovém montážním bloku. Pro větší pevnost naneste na okraj matice kapku super lepidla, abyste matici bezpečně připevnili k bloku.

Krok 15: Zajistěte správnou délku šroubu M2

Dbejte na to, aby šroub nebyl příliš dlouhý nebo aby se senzor nedotkl montážního bloku. U úhlového montážního bloku zajistěte, aby byl šroub M2 o 9 mm nebo o něco kratší.

Krok 16: Připevněte montážní blok k CNC routeru

U Sienci Mill připevněte úhelníkový montážní blok ke spodní části vnitřku Z Rail pomocí několika kapek super lepidla.

Krok 17: Připojte snímač k montážnímu bloku

Umístěte nastavitelné rameno do montážního bloku

Vložte šroub M2 s podložkou otvorem v nastavitelném montážním rameni a zašroubujte jej do matice.

Posuňte nastavitelné rameno, dokud se LED a fotodiody nevyrovnají matici kleštiny

Utáhněte šroub

Krok 18: Přidejte reflexní pásku na jednu stranu kleštiny

Použijte malý proužek hliníkové pásky (používá se pro potrubí pece) a připevněte jej k jedné ploše matice kleštiny. Tato reflexní páska umožní IR optickému senzoru zachytit jedinou otáčku vřetena.

Krok 19: Zajistěte, aby reflexní páska nepřekročila okraj na sousední fasety

Páska musí být pouze na jedné straně matice kleštiny. Páska je tenká a lehká natolik, že nezasahuje do klíče, aby změnila stopkové frézy nebo ovlivnila rovnováhu vřetena.

Krok 20: Veďte vodič senzoru po vnitřní straně kolejnice Z

Pomocí pásků hliníkové lepicí pásky připevněte drát k vnitřní straně kolejnice Z. K odstranění sestavy matice vodícího šroubu je nejlepší vést pásku blízko okraje úhlové lišty.

Krok 21: Připojte senzor k Arduino Nano

Připojte vodiče k Arduinu následujícím způsobem:

• IR LED (s integrovaným odporem) -> Pin D3
• IR fotodioda -> Pin D2
• Společný vodič -> Pin GND

Krok 22: Připojte propojovací vodiče k OLED displeji

Vytáhněte 4vodičovou sadu propojovacích kabelů

Zapojte vodiče do 4 pinů pro rozhraní I2C:

• VCC
• GND
• SCL
• SDA

Krok 23: Připojte OLED displej k Arduinu

Připojte propojovací vodiče k následujícím kolíkům. Poznámka: Všechny tyto vodiče se nepřipojují k sousedním kolíkům ani ve stejném pořadí.

• VCC -> Pin 5V
• GND -> Pin GND
• SCL -> Pin A5
• SDA -> Pin A4

Krok 24: Připevněte OLED displej k držáku

Pomocí držáků, které jste dříve vytiskli, připevněte OLED displej k držáku

Poté připevněte displej k CNC rámu.

Krok 25: Připravte IDE Arduino na načtení skici Arduino

Program pro Arduino se nazývá skica. Integrované vývojové prostředí (IDE) pro Arduinos je zdarma a musí být použito k načtení programu pro detekci senzoru a zobrazení otáček.

Pokud ji ještě nemáte, zde je odkaz ke stažení Arduino IDE. Vyberte verzi 1.8.5 nebo vyšší ke stažení.

Krok 26: Přidejte požadované OLED knihovny

Ke spuštění displeje OLED budete potřebovat několik dalších knihoven, knihovnu Adafruit_SSD1306 a knihovnu Adafruit-GFX. Obě knihovny jsou zdarma a jsou k dispozici prostřednictvím uvedených odkazů. Postupujte podle výukového programu Adafruit, jak nainstalovat knihovny do počítače.

Jakmile jsou knihovny nainstalovány, jsou k dispozici pro libovolnou skicu Arduino, kterou vytvoříte.

Knihovny Wire.h a Math.h jsou standardní a jsou automaticky součástí vaší instalace IDE.

Krok 27: Připojte Arduino k počítači

Pomocí standardního kabelu USB připojte Arduino Nano k počítači pomocí Arduino IDE.

1. Spusťte IDE
2. Z nabídky Nástroje vyberte Deska | Arduino Nano
3. Z nabídky Nástroje vyberte Port |

Nyní jste připraveni načíst skicu, zkompilovat ji a nahrát do Nano

Krok 28: Stáhněte si skicu Arduino

Kód Arduino Sketch je přiložen a je také k dispozici na mé stránce GitHub, kde budou zveřejněna všechna budoucí vylepšení.

Stáhněte si soubor OpticalTachometerOledDisplay.ino a umístěte jej do pracovního adresáře se stejným názvem (minus.ino).

V Arduino IDE zvolte Soubor | Otevřeno…

Přejděte do svého pracovního adresáře

Otevřete soubor OpticalTachometerOledDisplay.ino.ino.

Krok 29: Sestavte skicu

Klikněte na tlačítko 'Zkontrolovat' nebo zvolte Skica | Ověření/kompilace z nabídky pro kompilaci skici.

V dolní části byste měli vidět oblast kompilace se stavovým řádkem. Za několik sekund se zobrazí zpráva „Hotovo kompilace“a statistika, kolik paměti skica zabírá. Nebojte se zprávy „K dispozici je málo paměti“, nic to neovlivní. Většinu paměti využívá knihovna GFX potřebná k vykreslení písem na OLED displeji, a ne skutečný náčrt samotný.

Pokud uvidíte nějaké chyby, jsou s největší pravděpodobností důsledkem chybějících knihoven nebo problémů s konfigurací. Znovu zkontrolujte, zda byly knihovny zkopírovány do správného adresáře pro IDE.

Pokud se tím problém nevyřeší, zkontrolujte pokyny k instalaci knihovny a zkuste to znovu.

Krok 30: Nahrajte do Nano

Stiskněte tlačítko 'Šipka' nebo zvolte Skica | Nahrajte z nabídky pro kompilaci a nahrání skici.

Zobrazí se stejná zpráva „Kompilace …“, poté zpráva „Nahrávání..“a nakonec zpráva „Dokončeno nahrávání“. Arduino spustí program, jakmile je nahrávání dokončeno, nebo jakmile je poté připojeno napájení.

V tomto okamžiku by měl OLED displej ožít s displejem RPM: 0 s číselníkem na nule.

Pokud jste směrovač znovu dali dohromady, můžete zapnout přepínač a při nastavování rychlosti se na displeji zobrazí otáčky.

Gratulujeme!

Krok 31: Použijte vyhrazený zdroj energie

POZNÁMKA: Toto byl zdroj šumu signálu, který způsoboval nepravidelné zobrazení otáček. Zkoumám vložení několika filtračních krytů na napájecí můstky, ale prozatím je budete muset napájet pomocí samostatného kabelu USB.

Displej můžete připojit k počítači pomocí kabelu USB, ale nakonec budete chtít vyhrazený zdroj energie.

Máte několik možností, můžete získat standardní USB nástěnnou nabíječku a spustit z ní Arduino.

Nebo můžete Arduino spustit přímo z elektroniky CNC routeru. Displej Arduino/OLED odebírá pouze 0,04 ampéru, takže nepřetíží vaši stávající elektroniku.

Pokud máte elektroniku Arduino/CNC Router Shield (jako Sienci Mill), můžete použít pár nepoužitých kolíků, abyste využili potřebných 5 voltů energie.

Na levé horní straně štítu routeru CNC vidíte, že existuje několik nepoužitých pinů označených 5V/GND. K těmto dvěma kolíkům připojte pár propojovacích kabelů.

Krok 32: Připojte Arduino k propojkám napájení

Toto je snadné, ale ne tak pěkně označené.

Na Arduino Nano je na konci desky sada 6 pinů. Nejsou označeny, ale zahrnul jsem schéma pin out a vidíte, že dva vnější piny, které jsou nejblíže kontrolkám LED, jsou na schématu označeny GND a 5V.

Připojte propojku z 5V pinu na CNC štítu k pinu nejblíže k označenému VIN (nepřipojujte jej k VIN, ale k vnitřnímu rohovému pinu skupiny 6 pinů). VIN je pro napájení Nano napájením 7V-12V.

Připojte propojku z kolíku GND na CNC štítu ke kolíku nejblíže ke kolíku TX1.

Když nyní zapnete elektroniku CNC routeru, rozsvítí se také displej OLED RPM.

Krok 33: Technické poznámky k obvodu

Obvod snímače používá pár IR LED/IR fotodiod.

IR LED funguje jako každá běžná LED. Kladný vodič (delší nebo anoda) je připojen k kladnému napětí. Na Arduino Nano je to výstupní pin nastavený na HIGH. Záporný vodič (kratší nebo katoda) je připojen k zemi, aby se dokončil obvod. Vzhledem k tomu, že LED diody jsou citlivé na příliš velký proud, je v sérii s LED umístěn malý odpor, který omezuje množství proudu. Tento odpor může být kdekoli v obvodu, ale dává největší smysl umístit jej na kladnou stranu obvodu, protože záporný vodič sdílí spojení se zemí s fotodiodou.

IR fotodioda se chová jako každá jiná dioda (včetně světelných diod LED) v tom, že vedou elektřinu pouze v jednom směru a blokují elektřinu v opačném směru. Proto je důležité správně nastavit polaritu, aby LED diody fungovaly.

Důležitým rozdílem oproti fotodiodám je, že když detekují světlo, fotodiody umožní proudit elektřinu oběma směry. Tato vlastnost se používá k výrobě detektoru světla (v tomto případě infračerveného světla nebo IR). IR fotodioda je připojena v opačné polaritě (nazývá se reverzní předpětí) s kladným 5V na pinu Arduino připojeným k zápornému vodiči fotodiody a kladný vodič je připojen společným vodičem spolu s IR LED k zemi.

Bez infračerveného světla infračervená fotodioda blokuje elektřinu, což umožňuje, aby pin Arduino s vnitřním odpínačem byl ve stavu VYSOKÝ. Když infračervená fotodioda detekuje infračervené světlo, umožní proudění elektřiny, uzemní kolík a způsobí, že hodnota HIGH na kolíku fotodiody klesne dolů k zemi, což způsobí FALLING edge, který může Arduino detekovat.

Tato změna stavu na pinu Arduino se v náčrtu používá k počítání otáček.

Pás hliníkové pásky na kleštinové matici odráží infračervené světlo od vždy zapnuté IR LED zpět k IR fotodiodě pokaždé, když se otáčí kolem senzoru.

Krok 34: Technické poznámky k náčrtu Arduino

Skica Arduino pohání OLED displej a reaguje současně na IR LED/IR fotodiodový senzor.

Skica inicializuje displej OLED v celém protokolu I2C (Inter-integrated Circuit). Tento protokol umožňuje více displejům/senzorům sdílet připojení a může číst nebo zapisovat do konkrétního připojeného zařízení s minimem vodičů (4). Toto spojení snižuje počet spojení mezi Arduinem a OLED displejem.

Poté zapne IR LED nastavením tohoto pinu HIGH a poskytne 5V potřebné pro LED.

Připojuje funkci přerušení k pinu, který je volán, když detekuje změnu stavu tohoto pinu. V tomto případě je funkce incrementRevolution () volána vždy, když je na Pin 2 detekována FALLING edge.

Funkce přerušení dělá přesně to, co naznačuje, přeruší vše, co se právě provádí, provede funkci a poté obnoví akci přesně tam, kde byla přerušena. Funkce přerušení by měly být co nejkratší, v tomto případě pouze přidá jednu do proměnné čítače. Malé Arduino Nano běží na 16 MHz - 16 milionů cyklů za sekundu - dostatečně rychle, aby zvládlo přerušení 30 000 ot / min, což je pouze 500 otáček za sekundu.

Funkce Loop () je primární akční funkcí pro jakoukoli skicu Arduino. Volá se nepřetržitě, znovu a znovu, pokud má Arduino sílu. Získá aktuální čas a zkontroluje, zda uplynul určitý interval (1/4 sekundy = 250 milisekund). Pokud ano, zavolá funkci updateDisplay () k zobrazení nové hodnoty otáček.

Funkce smyčky také po 1 minutě ztlumí displej a po 2 minutách vypne - plně konfigurovatelné v kódu.

Funkce updateDisplay () volá funkci countRpm (). Tato funkce bere počet otáček, které funkce přerušení neustále zvyšuje, a vypočítává otáčky určením rychlosti otáček za časový interval a extrapolací na počet otáček za minutu.

Zobrazuje číselnou hodnotu a pomocí nějakého triggeru ze střední školy nakreslí analogový číselník a rameno ukazatele odráží stejné hodnoty.

Konstanty v horní části náčrtu lze upravit, pokud chcete otáčkoměr s různými hodnotami hlavní a vedlejší.

Interval aktualizace a průměrný interval lze také upravit.