Открывалка для пива и наливатель: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Для этого проекта требовалось разработать изобретение или систему, которая уже была изобретена, но требовала некоторых улучшений. Как некоторые знают, Бельгия очень популярна благодаря своему пиву. В этом проекте изобретение, которое потребовало некоторых улучшений, представляет собой комбинированную систему, которая может начинаться с открытия пива, а затем наливать пиво в подходящий стакан, выбранный клиентом. Это изобретение не очень хорошо известно, поскольку «здоровому» человеку легче сделать его вручную, чем с помощью машины, но все же оно очень интересно для другой категории людей. Сегодня, к сожалению, некоторые из нас не могут этого сделать. Говоря более конкретно, люди с серьезными проблемами рук или мышц, пожилые люди или люди с такими заболеваниями, как Паркинсон, А. Л. С. и т. Д., Не могут этого сделать. Благодаря этому механизму они смогут выпить хорошо поданное пиво самостоятельно, не дожидаясь, пока кто-нибудь придет и поможет им с этими двумя задачами.

Наша система также предназначена для простого потребителя, который хочет насладиться пивом в одиночестве или с друзьями и насладиться бельгийским опытом. Хорошо подавать пиво не для всех, и, действительно, наша практика известна во всем мире, и мы с удовольствием делимся ею со всем миром.

Запасы:

Основные компоненты:

• Arduino UNO (20,00 евро)
• Понижающий преобразователь напряжения: LM2596 (3,00 евро)
• 10 2-контактных клеммных колодок (всего 6,50 евро)
• 2-контактный переключатель включения / выключения SPST (0,40 евро)
• Конденсатор 47 мкФ (0,40 евро)
• Дерево: МДФ 3 мм и 6 мм
• PLA-пластик
• Нить для 3D-печати
• 40 болтов и гаек: M4 (0,19 евро за штуку)
• Линейный привод - Nema 17: 17LS19-1684E-300G (37,02 евро)
• Гибридный шаговый двигатель Sanyo Denki (58,02 евро)
• 2 шаговых драйвера: DRV8825 (4,95 евро каждый)
• 2 пуговицы (1,00 евро каждая)
• 3 микровыключателя (2,25 евро каждый)
• 5 шариковых подшипников ABEC-9 (0,75 евро каждый)

Программное и аппаратное обеспечение:

• Inventor от Autodesk (файлы САПР)
• 3д принтер
• Лазерный резак
• Напряжение питания 24 Вольт

Шаг 1: Деревянная конструкция

Деревянная конструкция

Для конфигурации робота используется внешняя конструкция, обеспечивающая жесткость и надежность робота. Во-первых, механизм открывания полностью окружен этой структурой, чтобы можно было добавить опору в верхней части оси, чтобы сделать механизм устойчивым. Кроме того, внизу башни есть плоскость для установки шагового двигателя. По бокам башни предусмотрены отверстия для предотвращения вращения открывателя, так что он спускается прямо к капсуле, чтобы открыть бутылку. В боковых плоскостях также есть отверстия для крепления держателя, чтобы сошник не упал полностью вниз. Во-вторых, за башней механизма открывания предусмотрена дополнительная плоскость для крепления двигателя и трансмиссии разливочного механизма.

Внизу держателя для стакана предусмотрена плоскость для поддержки стекла, когда оно опускается. Это необходимо, так как стакан был приподнят, чтобы создать идеальное пространство между верхом бутылки и верхом стакана. В этой плоскости предусмотрено отверстие для размещения микровыключателя в качестве концевого эффектора. Также в деревянных плоскостях были предусмотрены отверстия для чистой проводки датчиков и двигателей. Кроме того, в нижней плоскости деревянной конструкции были предусмотрены отверстия, чтобы выровнять высоту бутылок в механизме открывания и обеспечить некоторое пространство для боковых деревянных частей разливочного механизма, а также место для болтов на дне. держателя бутылки в разливочном механизме.

Механизм головоломки

На рисунках этого этапа добавлен пример метода сборки. Он дает представление о механизме головоломки и предусмотренных отверстиях для сборки плоскостей друг с другом.

Шаг 2: механизм открытия

Эта модель состоит из одного открывателя для бутылок (из которого также производится открывалка для верхней закругленной части), одного огромного металлического стержня трапециевидной формы, одного держателя для открывания (деревянная пластина с двумя маленькими петлями, через которые проходит небольшой металлический стержень), одного зажима для открывалка для бутылок и один шариковый винт. На металлической планке (соединенной с двигателем) держатель открывателя находится над шарико-винтовой парой. Благодаря вращению металлической планки, создаваемой двигателем, шарико-винтовая передача может подниматься и опускаться, управляя ими движением держателя сошника с прикрепленным к нему сошником. Небольшой металлический стержень, зажатый между 4 стойками, предотвращает вращение держателя сошника. На обоих концах маленькой планки размещены два «блокиратора». Таким образом, небольшая полоса не может перемещаться по горизонтали. Вначале открывалку прижимают к бутылке. Открывалка поднимается и скользит по бутылке (благодаря своей закругленной части), пока отверстие открывателя не застрянет в банке бутылки. В этот момент открывалка приложит крутящий момент, чтобы открыть бутылку.

1. Петля большая (1 шт.)
2. Деревянная плита (1 шт.)
3. Блокиратор малой планки (2 шт.)
4. Малый металлический стержень (1 шт.)
5. Петли малые (2 шт.)
6. Открывалка (1 шт.)
7. Подшипник (1 шт.)
8. Блокиратор открывания (1 шт.)
9. Мотор + трапециевидный стержень + шариковый винт (1 шт.)

Шаг 3: механизм баланса

Система баланса заливки

Эта система состоит из балансировочной системы, которая имеет с каждой стороны систему держателей для бутылок и систему держателей для стаканов. А посередине - система сборки, чтобы прикрепить его к оси.

1. Держатель для бутылок

Конструкция держателя для бутылок состоит из 5 больших пластин, которые прикреплены к боковым сторонам балансировочной системы в виде пазла, а также есть шестая пластина внизу, прикрепленная болтами M3 для удержания медведя Jupiler, поэтому это не так. Пойди по кормушке. Монтаж к боковым деревянным пластинам также помогает с помощью конфигурации «болт плюс гайка», по 4 на каждую деревянную пластину (по 2 с каждой стороны).

Также реализован держатель горлышка бутылки для захвата верхней части бутылки, эта деталь прикреплена к системе сборки оси, как будет объяснено позже.

Кроме того, в сборке реализовано 10 цилиндров, напечатанных на 3D-принтере, для придания конструкции жесткости. Эти цилиндры проходят через болты M4 с соответствующими гайками.

Наконец, мы реализовали два датчика переключения для обнаружения бутылки, которая находится внутри держателя, для этого мы использовали держатель корпуса, напечатанный на 3D-принтере, который прикреплен к деревянным пластинам под и над ним.

2. Подставка для стакана.

Конструкция держателя стакана состоит из 2 деревянных пластин, прикрепленных так же, как пластины держателя для бутылок. Также есть 5 цилиндров, напечатанных на 3D-принтере, для придания жесткости. Для поддержки нижней части стекла Jupiler имеется полуцилиндр, на который стекло опирается. Я прикрепил его с помощью 3 рычагов, которые собираются болтами M4.

Для поддержки верхних частей стаканов реализованы две детали: одна для верхней части стакана, чтобы при повороте системы балансировки не падала, а другая удерживает боковую часть стакана.

3. Система сборки оси

Требовалась система крепления балансира к вращающейся оси. Мы использовали конфигурацию, в которой продольные стержни (всего 4 шт.) Прижимаются друг к другу болтами и гайками М4. И через эти стержни находятся 10 деталей, напечатанных на 3D-принтере, с немного большим диаметром оси. Для увеличения сцепления между осью и деталями, напечатанными на 3D-принтере, есть две продольные резиновые полоски.

4. Балансировка деревянных пластин.

Есть 2 боковые деревянные пластины, которые удерживают в нем все держатели, и они прикреплены к оси через систему осей, описанную выше.

Передача инфекции

Объясненная система баланса влияет на движение оси, это металлический стержень диаметром 8 мм, который монтируется в конструкции с помощью 3 подшипников и соответствующих держателей подшипников.

Чтобы достичь достаточного крутящего момента для выполнения вращательного движения разливки, используется ременная передача. Для небольшого металлического шкива использовался шкив с делительным диаметром 12,8 мм. Большой шкив был напечатан на 3D-принтере для достижения необходимого соотношения. Как и в случае с металлическим шкивом, для шкива предусмотрена дополнительная часть, чтобы прикрепить его к оси вращения. Чтобы приложить натяжение к ремню, на подвижном устройстве для натяжения используется внешний подшипник, чтобы создать различное натяжение внутри ремня.

Шаг 4: Электроника и код Arduino

Что касается компонентов электроники, рекомендуется еще раз взглянуть на список требований и посмотреть, какой должна быть кинематика этой системы. Первое требование, которое предъявляется к нашим системам, - это вертикальное движение сошника. Еще одно требование - сила, которую необходимо приложить к руке, чтобы снять крышку бутылки. Эта сила составляет около 14 Н. Расчеты для разливочной части выполняются с помощью Matlab, и максимальный крутящий момент составляет 1,7 Нм. Последнее требование, которое было отмечено, - удобство системы. Поэтому для запуска механизма пригодится пусковая кнопка. В этой главе будут выбраны и объяснены отдельные части. В конце главы также будет представлен весь дизайн макета.

Механизм открытия

Для начала требуется система открывания, чтобы открывать бутылку пива. Как уже было сказано во введении к этой главе, крутящий момент, необходимый для отсоединения крышки от бутылки, составляет 1,4 Нм. Усилие, прилагаемое к рычагу открывателя, составляет 14 Н, если длина рычага составляет около 10 см. Эта сила создается силой трения, создаваемой проворачиванием резьбы через гайку. Удерживая гайку застрявшей во вращательном движении, теперь гайка может двигаться только вверх и вниз. Для этого требуется крутящий момент, чтобы гайка могла двигаться вверх и вниз, и при этом также необходимо выдвинуть усилие в 14 Н. Этот крутящий момент можно рассчитать по приведенной ниже формуле. Эта формула описывает крутящий момент, необходимый для перемещения объекта вверх и вниз с определенным крутящим моментом. Требуемый крутящий момент составляет 1,4 Нм. Это должен быть минимальный крутящий момент двигателя. Следующим шагом будет поиск двигателя, который лучше всего подходит в данной ситуации. Сошник совершает большое количество оборотов, и, учитывая необходимый крутящий момент, неплохо выбрать серводвигатель. Преимущество серводвигателя в том, что он имеет высокий крутящий момент и умеренную скорость. Проблема здесь в том, что серводвигатель имеет определенный диапазон, менее полного оборота. Решением было бы «взломать» серводвигатель, в результате чего серводвигатель может вращаться на 360 °, а также продолжает вращаться. Теперь, когда серводвигатель «взломан», почти невозможно отменить эти действия и снова сделать его нормальным. Это приводит к тому, что серводвигатель в дальнейшем не может быть повторно использован в других проектах. Лучшее решение - выбрать шаговый двигатель. Эти типы двигателей могут не иметь наибольшего крутящего момента, но они вращаются управляемым образом, в отличие от двигателей постоянного тока. Проблема заключается в соотношении цены и крутящего момента. Решить эту проблему можно с помощью коробки передач. При таком решении скорость вращения резьбы будет снижена, но крутящий момент будет выше по отношению к передаточным числам. Еще одно преимущество использования шагового двигателя в этом проекте заключается в том, что шаговый двигатель может быть повторно использован впоследствии для других проектов следующих лет. Недостатком шагового двигателя с коробкой передач является не очень высокая скорость. Имея в виду, что система требует линейного привода, в котором этого можно избежать за счет механизма гайки и резьбы, который также сделает его медленнее. Поэтому выбор пал на шаговый двигатель без коробки передач, который сразу подключается резьбой с гладкой гайкой в комплекте.

Для этого проекта хорошим шаговым двигателем является Nema 17 с крутящим моментом 44 Нсм и ценой 32 евро. Этот шаговый двигатель, как уже говорилось, совмещен с резьбой и гайкой. Для управления шаговым двигателем используется Н-мост или драйвер шагового двигателя. H-мост имеет преимущества приема двух сигналов от консоли Arduino, и с помощью внешнего источника постоянного напряжения H-мост может преобразовывать сигналы низкого напряжения в более высокие напряжения 24 В для питания шагового двигателя. Из-за этого шаговым двигателем можно легко управлять с помощью Arduino посредством программирования. Программу можно найти в Приложении. Два сигнала, поступающие от Arduino, представляют собой два цифровых сигнала, один отвечает за направление вращения, а другой - сигнал ШИМ, который определяет скорость. Драйвер, используемый в этом проекте для механизма разливки и механизма открывания, представляет собой «драйвер шаговой ручки DRV8825», который может преобразовывать сигналы ШИМ от Arduino в напряжения от 8,2 В до 45 В и стоит около 5 евро каждый. Еще одна идея, о которой следует помнить, - это место открывалки по отношению к открытию бутылки. Чтобы упростить программирование, держатель для бутылок выполнен таким образом, что оба типа отверстий для пивных бутылок находятся на одинаковой высоте. Благодаря этому открывалку и косвенный шаговый двигатель, который подключен через резьбу, теперь можно запрограммировать для обеих бутылок на одинаковую высоту. Таким образом, здесь нет необходимости в датчике для определения высоты бутылки.

Разливочный механизм

Как уже указывалось во введении к этой главе, требуемый крутящий момент, необходимый для наклона балансировочной системы, составляет 1,7 Нм. Крутящий момент рассчитывается с помощью Matlab путем создания формулы для баланса крутящего момента в зависимости от переменного угла поворота стекла и бутылки. Это сделано для того, чтобы можно было рассчитать максимальный крутящий момент. Для двигателя в этом приложении лучшим типом будет серводвигатель. Причина в высоком соотношении крутящего момента и цены. Как было сказано в предыдущем абзаце механизма открытия, серводвигатель имеет определенный диапазон, в котором он может вращаться. Небольшая проблема, которую можно решить, - это скорость его вращения. Скорость вращения серводвигателя выше необходимой. Первое решение, которое можно найти для этой проблемы, - добавить коробку передач, в которой крутящий момент будет улучшаться, а скорость уменьшаться. Проблема, связанная с этим решением, заключается в том, что из-за коробки передач диапазон серводвигателя также уменьшается. Это уменьшение приводит к тому, что система балансировки не может повернуть свое вращение на 135 °. Это может быть решено повторным «взломом» серводвигателя, но это приведет к невозможности использования серводвигателя, что уже объяснялось в предыдущем параграфе «Механизм открытия». Другое решение для его высокой скорости вращения больше связано с работой серводвигателя. Серводвигатель питается напряжением 9 Вольт и управляется консолью Arduino через ШИМ-сигнал. Этот ШИМ-сигнал дает сигнал, каким должен быть желаемый угол серводвигателя. Изменяя угол небольшими шагами, можно снизить скорость вращения серводвигателя. Однако это решение кажется многообещающим, шаговый двигатель с коробкой передач или ременной передачей может сделать то же самое. Здесь крутящий момент, исходящий от шагового двигателя, должен быть выше, а скорость - уменьшена. Для этого используется ременная передача, так как для этого типа трансмиссии нет люфта. Эта трансмиссия имеет преимущество гибкости по сравнению с коробкой передач, где обе оси могут быть размещены там, где это необходимо, при условии, что ремень имеет натяжение. Это натяжение необходимо для захвата обоих шкивов, чтобы трансмиссия не теряла энергию из-за проскальзывания шкивов. Передаточное число передачи было выбрано с некоторым запасом, чтобы исключить непреднамеренные проблемы, которые не были учтены. На валу шагового двигателя выбран шкив с делительным диаметром 12,8 мм. Для реализации запаса по крутящему моменту был выбран шкив с делительным диаметром 61,35 мм. Это приводит к снижению скорости на 1 / 4,8 и, следовательно, к увеличению крутящего момента на 2,4 Нм. Эти результаты были достигнуты без учета эффективности трансмиссии, поскольку не все характеристики ремня t2.5 были известны. Чтобы обеспечить лучшую передачу, добавлен внешний шкив, чтобы увеличить угол контакта с самым маленьким шкивом и увеличить натяжение внутри ремня.

Прочие электронные компоненты

Другие части, присутствующие в этой конструкции, - это три микровыключателя и две кнопки запуска. Последние две кнопки говорят сами за себя и будут использоваться для запуска процесса открытия пива, а другая запускает механизм розлива. После запуска системы розлива эта кнопка не будет использоваться до конца. В конце процесса кнопку можно нажать еще раз, и это гарантирует, что разливочная часть может быть возвращена в исходное состояние. Три микровыключателя используются в качестве датчиков для обнаружения двух видов пивных бутылок и стеклянной бутылки с другой стороны, когда система розлива достигает своего конечного положения. Здесь используемые кнопки стоят около 1 евро каждая, а микровыключатели - 2,95 евро.

Для питания Arduino требуется внешний источник напряжения. Поэтому используется регулятор напряжения. Это понижающий импульсный стабилизатор LM2596, который позволяет преобразовывать напряжение с 24 В до 7,5 В. Эти 7,5 В будут использоваться для питания Arduino, поэтому компьютер не будет использоваться в процессе. для тока, который предусмотрен или может быть предоставлен. Максимальный ток 3 А.

Дизайн для электроники

В этом разделе мы позаботимся о настройке электроники. Здесь на макете показан макет или конструкция. Лучший способ начать здесь - перейти от источника напряжения, присутствующего в правом нижнем углу, к Arduino и подсистемам. Как видно на рисунке, первое, что находится на пути между источником напряжения и макетной платой, - это ручной переключатель, добавленный к тому, что все может быть мгновенно запитано щелчком переключателя. После этого устанавливается конденсатор емкостью 47 мкФ. Этот конденсатор не является обязательным из-за использования источника напряжения и его характеристики, позволяющей немедленно выдавать требуемый ток, чего не всегда бывает с другими моделями источников питания. Слева от конденсаторов расположены два драйвера LM2596 (не те же изображения, но такая же установка) для управления шаговым двигателем. Последнее, что подключают к цепи 24 В, - это регулятор напряжения. Это показано на этом рисунке темно-синим квадратом. Его входы - это земля и 24 В, его выходы - 7,5 В и земля, которая соединена с землей входа 24 В. Затем выход 7,5 В регулятора напряжения подключается к Vin с консоли Arduino. Затем Arduino получает питание и может выдавать напряжение 5 В. Это напряжение 5 В подается на 3 микровыключателя, представленных кнопками на левой стороне. Они имеют ту же настройку, что и кнопки, две из которых расположены посередине. В случае нажатия кнопки или переключателя на консоль Arduino отправляется напряжение 5 В. В случае, если датчики или кнопки не нажаты в земле, а вход Arduino связан друг с другом, что будет представлять собой низкое входное значение. Последние подсистемы - это два шаговых драйвера. Они связаны с цепью высокого напряжения 24 В, но также должны быть подключены к 5 В Arduino. На рисунке макета также видны синий и зеленый провод, синие провода предназначены для ШИМ-сигнала, который регулирует и задает скорость степного двигателя. Зеленые провода задают направление, в котором шаговый двигатель должен вращаться.

На втором рисунке показан рисунок с драйвером шагового двигателя, подключение драйверов шагового двигателя. Здесь видно, что есть три соединения: M0, M1 и M2 не связаны. Они решают, как следует предпринимать каждый шаг. В том виде, в каком он настроен сейчас, все три соединены с землей внутренним сопротивлением 100 кОм. Установка всех трех входов на низкий уровень создаст полный шаг с каждым импульсом ШИМ. Установка всех подключений на высокий уровень для каждого ШИМ-импульса приведет к 1/32 шага. В этом проекте выбрана полная ступенчатая конфигурация, для будущих проектов это может пригодиться в случае снижения скорости.

Шаг 5: Тестирование системы

Последний шаг - проверить механизмы и посмотреть, действительно ли они работают. Следовательно, внешний источник напряжения подключен к цепи высокого напряжения машины, в то время как заземление также подключено. Как видно из первых двух видеороликов, кажется, что оба шаговых двигателя работают, но как только все соединяется друг с другом в структуре где-то в нашей цепи, кажется, что происходит короткое замыкание. Из-за неудачного выбора конструкции из-за небольшого расстояния между плоскостями отладочная часть очень сложна. Посмотрев третье видео, некоторые проблемы также были связаны со скоростью двигателя. Решением для этого было увеличение задержки в программе, но как только задержка становится слишком большой, шаговый двигатель начинает вибрировать.

Шаг 6: Советы и хитрости

В этой части мы хотим подвести некоторые итоги, которые мы узнали в процессе создания этого проекта. Здесь будут объяснены советы и рекомендации о том, как начать производство и как решить незначительные проблемы. От начала сборки до создания всей конструкции на печатной плате.

Секреты и уловки:

Сборка:

• Для 3D-печати с помощью функции live-Adjust на 3D-принтерах Prusa можно регулировать расстояние между соплом и печатной платформой.
• Как видно из нашего проекта, мы постарались создать конструкцию из как можно большего количества древесины, поскольку они быстрее всего выполняются лазерным резаком. В случае поломки деталей их легко заменить.
• С помощью 3D-печати постарайтесь сделать свой объект как можно меньше, сохраняя при этом необходимые механические свойства. В случае неудачной печати вы не потратите столько времени на повторную печать.

Электроника:

• Перед тем, как начать свой проект, начните с поиска всех спецификаций каждого компонента. Вначале это займет некоторое время, но в долгосрочной перспективе оно того стоит.
• При изготовлении печатной платы убедитесь, что у вас есть схема печатной платы со всей схемой. Макетная схема может помочь, но преобразование между ними иногда может быть немного сложнее.
• Работа с электроникой иногда может начаться легко и довольно быстро развиться в сложную. Поэтому попробуйте использовать какой-либо цвет на вашей печатной плате, чтобы каждый цвет соответствовал определенному значению. Таким образом, в случае возникновения проблемы ее можно будет легче решить.
• Работайте с печатной платой достаточно большого размера, чтобы предотвратить перекрещивание проводов и следить за схемой, это может снизить вероятность короткого замыкания.
• В случае проблем со схемой или коротким замыканием на печатной плате попробуйте отладить все в самом простом виде. Таким образом, ваша проблема или проблемы могут быть решены легче.
• Наш последний совет - работать на чистом столе, у нашей группы были короткие провода по всему столу, что привело к короткому замыканию в цепи верхнего напряжения. Один из этих маленьких проводов был причиной поломки одного из драйверов шагового двигателя.

Шаг 7. Доступные источники

Все CAD-файлы, код Arduino и видео этого проекта можно найти по следующей ссылке dropbox:

Кроме того, стоит проверить следующие источники:

- OpenSCAD: параметрический шкив - множество профилей зубьев от droftarts - Thingiverse

- Grabcad: это отличное сообщество для обмена cad-файлами с другими людьми: GrabCAD: Сообщество дизайнеров, библиотека САПР, программное обеспечение для 3D-печати

- Как управлять шаговым двигателем с помощью шагового драйвера: