Malarz bąbelkowy: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

W ramach naszego kursu „Mechatronika 1 – MECA-Y403” Master 1 w ULB zostaliśmy poproszeni o zaprojektowanie robota pełniącego określoną funkcję oraz stworzenie strony internetowej podsumowującej projekt robota, począwszy od doboru materiałów, modelowanie, realizacja i kod umożliwiający działanie całego systemu. Cała grupa jednogłośnie zdecydowała się zrealizować robota „Bubble Wrap Painter”.

„Malarz folii bąbelkowej” to urządzenie zdolne do wstrzykiwania farby do niektórych bąbelków folii bąbelkowej za pomocą sterowania napięciem dostarczanego przez komputer. Początkowo robot musiał wstrzykiwać ciecz w płaszczyźnie 2D, aby wygenerować rysunek punktowy. Jednak ze względów ekonomicznych i praktycznych grupa wycofała się z wtryskiwania farby na trajektorii 1D. Robot działa w następujący sposób: system ślimakowy służy do wciskania tłoka strzykawki wstępnie wypełnionej farbą. Strzykawka jest połączona z elastyczną rurką polipropylenową, która umożliwia prowadzenie farby do metalowej końcówki przymocowanej do modułu ruchomego. Moduł ten może przesuwać się wzdłuż osi poziomej, ponownie za pomocą systemu ślimakowego. Z drugiej strony końcówka jest przymocowana do elektromagnesu liniowego, który jest również przymocowany do modułu mobilnego. Elektromagnes służy do nakłuwania folii bąbelkowej zamocowanej na pionowej płycie. Po przebiciu bańki farba jest w nią wstrzykiwana i tak dalej.

Krok 1: Opis części i narzędzi

ZAKUP

2 złączki do belek od 5 mm do 6 mm

1 strzykawka 10 ml (o długości 7, 5 cm)

1 rura z elastycznego polipropylenu o średnicy 4mm

1 igła z nasadką zabezpieczającą

Gwasz rozcieńczony wodą

2 pręty gwintowane: średnica 6mm i długość 18,5cm

2 gładkie pręty o średnicy 8mm i długości 21 cm

2 gładkie pręty o średnicy 8mm i długości 10 cm

Folia bąbelkowa

ELEKTRONIKA

1 płytka do krojenia chleba

1 arduino

1 silnik krokowy

1 silnik krokowy RS PRO Hybrid, Silnik krokowy z magnesami trwałymi 1,8°, 0,22Nm, 2,8 V, 1,33 A, 4 przewody

2 mikroprzełączniki V-156-1C25

1 elektromagnes ZYE1-0530

Zasilacz

2 złącza bananowe

45 przewodów połączeniowych

6 przewodzących kabli

Dioda 1N4007

Tranzystor IRF5402

3 oporniki 4, 7 kΩ

2 sterowniki DRV8825

1 przełącznik przyciskowy

ŚRUBA, NAKRĘTKI I MOCOWANIA

42 śruby M3 o długości 16 mm

4 śruby M3 o długości 10 mm

4 śruby M4 o długości 16 mm

2 śruby M2, 5 o długości 16 mm

52 odpowiednie nakrętki

2 stalowe podkładki płaskie M3

UŻYWANE NARZĘDZIA

Maszyna tnąca laserem

Drukarka 3D (Ultimaker 2 lub Prusa)

Śrubokręt

Krok 2: Pliki CAD

CIĘCIE LASEREM o grubości 3 mm

-płyty nośne

-wsparcie podnoszenia przełącznika

-ruchoma podpórka pod igłę

-uchwyt na bańki

-4 podwyższenie podparcia

DRUKOWANIE 3D

-wsparcie dla silnika

-wspieraj pręt gwintowany;

-pompa strzykawkowa

-wsparcie dla igły

-wsparcie dla strzykawki

Krok 3: Montaż

Na początek zaprojektowaliśmy drewnianą podstawę składającą się z 3 różnych elementów: dolnej płyty, pionowej płyty i trójkątnej płyty, które trzymają wszystko razem.

Na zdjęciu widać, że różne płyty mają powtarzające się wzory w kształcie litery T. Wzory te służą do mocowania zespołu i zapewniają solidność podstawy. Dwa przełączniki są umieszczone na tłoku i module mobilnym. Pozwala to na podanie odpowiednio odniesienia maksymalnego rozszerzenia tłoka i odniesienia do skrajnego prawego położenia modułu ruchomego.

Dodatkowo silniki krokowe mocowane są czterema śrubami do wspornika utworzonego za pomocą drukarki 3D. Na tym wsporniku dwa prostopadłe otwory umożliwiają zamocowanie do pionowej płyty. Pręty gwintowane połączone z dwiema osiami obrotu silników oraz cztery gładkie pręty są podtrzymywane przez dodatkowe wsporniki umieszczone na antypodach silników. Dodatkowo łączniki służą do mocowania pręta gwintowanego do osi obrotu silników krokowych.

Strzykawka jest również mocowana za pomocą wspornika przykręcanego do poziomej płyty. Jego nurnik można wcisnąć za pomocą trapezowego elementu, który biegnie wzdłuż gwintowanego pręta podczas jego obracania. Ta część ma w swoim wnętrzu otwór, który jest wyposażony w nakrętkę. Ta nakrętka umożliwia ruch części trapezowej.

Rurkę podłącza się do strzykawki, po prostu podłączając ją do końca strzykawki. Drugi koniec rurki utknął w pierścieniu małego białego kawałka PLA. Metalowa końcówka, która pierwotnie była częścią strzykawki, została również zatrzaśnięta na końcu rurki. Do igły dodaliśmy nasadkę strzykawki, aby lepiej wypełnić średnicę białego kawałka. Nasadka ma na końcu otwór umożliwiający przejście końcówki igły. Ta mała biała część jest przykręcona dwoma śrubami do płyty przesuwnej modułu mobilnego.

Moduł mobilny składa się z zestawu elementów drewnianych mocowanych w taki sam sposób jak płyty tworzące podstawę. Moduł tworzy skrzynkę z trzema otworami na dwa pręty gładkie i pręt gwintowany. Wewnątrz tego pudełka znajdują się dwie nakrętki, które umożliwiają przesuwanie modułu. Górna płyta modułu przesuwa się po dwóch gładkich prętach. W środku modułu znajduje się nieruchoma płytka, w której umieszczony jest elektromagnes liniowy. Dzięki temu płyta przesuwna może wykonywać ruchy liniowe w przód iw tył.

Istnieją dwa drewniane wsporniki, które umożliwiają przymocowanie dwóch perforowanych piór bezpośrednio do pionowej płyty za pomocą podkładek blokowanych śrubami. Te dwie zakładki klinują pasek folii bąbelkowej pośrodku. Tutaj papier bąbelkowy zawiera siedem bąbelków odpowiadających 7 bitom zakodowanym przez komputer.

Po drugiej stronie pionowej płytki znajdują się PCB i arduino. Płytka jest przyklejana do płyty poziomej za pomocą systemu klejenia, który jest początkowo obecny, a arduino przykręcane jest do płyty dolnej. Do tego dochodzi dzielnik rezystancyjny połączony z płytką PCB, która jest przykręcona do drewnianej trójkątnej części. (ZDJĘCIE: tył systemu)

*Każda ze śrub wchodzących w skład systemu jest wzmocniona odpowiednimi śrubami.

Krok 4: Elektronika i czujniki

Musimy znać położenie górnego silnika krokowego, gdy malarz zaczyna osiągać dokładne pozycje bąbelków. Taki jest cel pierwszego przełącznika. Za każdym razem, gdy urządzenie rysuje linię, silnik obraca się, aż przełącznik zmieni stan.

Potrzebujemy kolejnego przełącznika, aby wiedzieć, kiedy stepper popychający strzykawkę doszedł do końca tłoka. Drugi przełącznik służy do zatrzymania systemu, gdy strzykawka jest pusta. Trzeci opcjonalny przełącznik może kontynuować malowanie po napełnieniu strzykawki. Przełączniki te wykorzystują niskie napięcie i mogą być zasilane bezpośrednio przez arduino. Dwa silniki krokowe i magnes potrzebują większej mocy i są zasilane przez generator prądu o napięciu 12V i 1A. Dwa sterowniki silników krokowych DRV8825 przekształcają sygnały z arduino na prąd dla silników. Te sterowniki wymagają kalibracji. Kalibracja odbywa się poprzez obrót jednego steppera ze stałą prędkością i regulację śruby napędowej do momentu, w którym moment obrotowy będzie wystarczający do płynnego poruszania igłą i podporą. Ostatnim elementem jest elektromagnes. Jeden rezystor ściągający służy do resetowania mosfeta, gdy arduino nie wysyła prądu. Aby chronić inne części elektroniczne, do elektromagnesu dodano również diodę flyback. Mosfet przełącza magnes między stanami wysokimi i niskimi.

Krok 5: Kod Pythona

Do komunikacji między komputerem a arduino za pomocą Pythona oparliśmy się na kodach dostarczonych na tym forum:

Aby kontrolować silnik krokowy, ta strona była bardzo pomocna: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ Aby zrozumieć podstawy arduino, była również „książka projektów arduino” bardzo pomocne. Istnieją dwie części kodu: pierwsza to kod Pythona, który konwertuje literę w kodzie binarnym ascii i wysyła ją bit po bicie do arduino, a druga to kod arduino, który pikuje w odpowiednich bąbelkach. Poniższy schemat blokowy wyjaśnia zasadę działania kodu arduino:

Krok 6: Wideo

Projekt roboczy!

Krok 7: Ulepszenia

Projekt można ulepszyć na wiele sposobów. Po pierwsze, ilość bąbelków na linii można łatwo zwiększyć. Można to zrobić, biorąc dłuższe kody binarne, pisząc na przykład dwie litery zamiast jednej. Kod ASCII będzie wtedy dwa razy dłuższy.

Najważniejszym ulepszeniem byłaby możliwość wypełniania bąbelków nie tylko wzdłuż osi x, ale także wzdłuż osi y. Wypełnianie bąbelków byłoby zatem wykonywane w 2D zamiast w 1D. Najłatwiej to zrobić, zmieniając wysokość papieru bąbelkowego, zamiast podnosić i opuszczać silnik. Oznaczałoby to nie zawieszanie krawędzi uchwytu na papier bąbelkowy na płycie, ale na podporze wydrukowanej w 3D. Ta podpora byłaby połączona z prętem gwintowanym, połączonym z silnikiem krokowym.

Krok 8: Napotkane problemy

Głównym problemem, z którym mieliśmy do czynienia, jest elektromagnes. Rzeczywiście, aby uniknąć kłopotliwego i ciężkiego trzeciego silnika, elektromagnes wydawał się idealnym kompromisem. Po kilku testach sztywność stale okazywała się zbyt niska. Trzeba było więc dodać drugą sprężynę. Co więcej, może przenosić tylko bardzo lekkie ładunki. Trzeba było zmienić układ różnych elementów.

Problemem była też pompa strzykawkowa. Najpierw trzeba było wymodelować część, którą można zaczepić o pręt bez końca i jednocześnie wcisnąć tłok. Po drugie, rozkład naprężeń był ważny, aby uniknąć złamania części. Co więcej, 2 silniki krokowe nie są takie same: nie mają tych samych charakterystyk, co zmusiło nas do dodania dzielnika napięcia. Musieliśmy użyć farby wodnej (w naszym przypadku rozcieńczonego gwaszu), ponieważ zbyt gęsta farba nie przeszłaby przez igłę i spowodowałaby zbyt duży spadek ciśnienia w rurze.