Художник по пузырчатой пленке: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

В рамках нашего курса «Мехатроника 1 - MECA-Y403» Мастер 1 в ULB нас попросили спроектировать робота, выполняющего определенную функцию, и создать веб-сайт, обобщающий дизайн робота, начиная с выбора материалов, моделирование, реализация и код, позволяющий работать всей системе. Вся группа единогласно решила воплотить в жизнь робота «Bubble Wrap Painter».

«Bubble Wrap Painter» - это устройство, способное впрыскивать краску в несколько пузырьков пузырчатой пленки с помощью регулятора напряжения, подаваемого компьютером. Изначально робот должен был уметь вводить жидкость в двухмерной плоскости, чтобы создать точечный рисунок. Однако по экономическим и практическим причинам группа отказалась от впрыска краски на одномерной траектории. Робот работает следующим образом: с помощью червячной винтовой системы нажимается поршень шприца, изначально заполненного краской. Шприц соединен с гибкой полипропиленовой трубкой, которая позволяет краске попадать на металлический наконечник, прикрепленный к мобильному модулю. Этот модуль может скользить по горизонтальной оси, опять же с помощью червячной системы. Наконечник, с другой стороны, прикреплен к линейному электромагниту, который также прикреплен к мобильному модулю. Электромагнит используется для прокалывания пузырчатой пленки, закрепленной на вертикальной пластине. Как только пузырек протыкается, в него впрыскивается краска и так далее.

Шаг 1. Описание деталей и инструментов

ПОКУПКА

2 соединения балки от 5 мм до 6 мм

1 шприц 10 мл (длиной 7,5 см)

1 труба из гибкого полипропилена диаметром 4 мм

1 игла с защитным колпачком

Гуашь разбавленная водой

2 стержня с резьбой: диаметром 6 мм и длиной 18,5 см

2 гладких стержня диаметром 8 мм и длиной 21 см

2 гладких стержня диаметром 8 мм и длиной 10 см

Пузырчатая пленка

ЭЛЕКТРОНИКА

1 макет

1 ардуино

1 шаговый двигатель

1 шаговый двигатель RS PRO Hybrid, шаговый двигатель с постоянным магнитом 1,8 °, 0,22 Нм, 2,8 В, 1,33 А, 4 провода

2 микровыключателя V-156-1C25

1 электромагнит ЗИЭ1-0530

Источник питания

2 банановых разъема

45 перемычек

6 токопроводящих кабелей

Диод 1N4007

Транзистор IRF5402

3 резистора 4,7 кОм

2 драйвера DRV8825

1 кнопочный переключатель

ВИНТ, ГАЙКИ И КРЕПЛЕНИЯ

42 винта M3 длиной 16 мм

4 винта M3 длиной 10 мм

4 винта M4 длиной 16 мм

2 винта M2, 5 длиной 16 мм

52 соответствующих гайки

2 стальные плоские шайбы M3

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Станок для лазерной резки

3D-принтер (Ultimaker 2 или Prusa)

Отвертка

Шаг 2: файлы САПР

ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА толщиной 3 мм.

-опорные плиты

-опора для подъема переключателя

-подвижная опора для иглы

-пузырьковый держатель

-4 повышающих опоры

3D-ПЕЧАТЬ

-опора для мотора

-поддержка стержня с резьбой

-шприцевой насос

-подставка для иглы

-подставка для шприца

Шаг 3: Сборка

Для начала мы разработали деревянную основу, состоящую из трех разных элементов: нижней пластины, вертикальной пластины и треугольной пластины, чтобы скрепить все вместе.

Вы можете видеть на картинке, что разные пластины имеют повторяющиеся Т-образные узоры. Эти шаблоны используются для фиксации сборки и обеспечения прочности основания. Два переключателя расположены на поршне и на мобильном модуле. Это позволяет дать ссылку на максимальное расширение поршня и ссылку на крайнее правое положение мобильного модуля.

Кроме того, шаговые двигатели прикреплены четырьмя винтами к опоре, созданной с помощью 3D-принтера. На этой опоре два перпендикулярных отверстия позволяют закрепить ее на вертикальной пластине. Резьбовые стержни, соединенные с двумя осями вращения двигателей, а также четыре гладких стержня удерживаются дополнительными опорами, расположенными на противоположных сторонах двигателей. Кроме того, используются соединители для крепления стержня с резьбой к оси вращения шаговых двигателей.

Шприц также фиксируется кронштейном, который навинчивается на горизонтальную пластину. На его плунжер можно нажимать с помощью трапециевидной детали, которая проходит вдоль стержня с резьбой при его вращении. Внутри этой детали есть отверстие, в которое вставлена гайка. Эта гайка позволяет трапециевидной части двигаться.

Трубка подключается к шприцу, просто вставляя ее в конец шприца. Другой конец трубки вставлен в кольцо небольшого белого кусочка PLA. Металлический наконечник, который изначально был частью шприца, также защелкивается на конце трубки. Мы добавили к игле колпачок шприца, чтобы лучше заполнить диаметр белой части. На конце колпачка есть отверстие, через которое проходит кончик иглы. Эта небольшая белая деталь прикручивается двумя винтами к скользящей пластине мобильного модуля.

Мобильный модуль состоит из набора деревянных деталей, закрепленных так же, как пластины, составляющие основу. Модуль образует коробку с тремя отверстиями для установки двух гладких стержней и стержня с резьбой. Внутри коробки находятся две гайки, которые позволяют перемещать модуль. Верхняя пластина модуля скользит по двум гладким стержням. Во внутреннем центре модуля неподвижная пластина удерживает линейный электромагнит. Это позволяет скользящей пластине совершать линейные движения вперед и назад.

Есть два деревянных кронштейна, которые позволяют закрепить два перфорированных язычка непосредственно на вертикальной пластине с помощью шайб, заблокированных винтами. Эти два язычка заклинивают в центре полосу пузырчатой пленки. Пузырьковая бумага здесь содержит семь пузырьков, соответствующих 7 битам, закодированным компьютером.

С другой стороны от вертикальной пластины находятся печатная плата и Arduino. Печатная плата приклеивается к горизонтальной пластине с помощью системы склеивания, которая изначально присутствует, а ардуино прикручивается к нижней пластине. В дополнение к этому, к печатной плате подключен резистивный делитель, который прикручивается к деревянной треугольной части. (ИЗОБРАЖЕНИЕ: задняя часть системы)

* Каждый из винтов, входящих в систему, закреплен подходящими болтами.

Шаг 4: Электроника и датчики

Нам нужно знать положение верхнего шагового двигателя, когда маляр с пузырчатой пленкой начинает достигать точного положения пузырьков. Это цель первого переключателя. Каждый раз, когда устройство рисует линию, двигатель вращается, пока переключатель не изменит состояние.

Нам нужен еще один переключатель, чтобы знать, когда шаговый двигатель, нажимающий на шприц, достиг конца поршня. Второй переключатель используется для остановки системы, когда шприц пуст. Третий дополнительный переключатель может продолжить рисование после того, как шприц будет заполнен. Эти переключатели используют низкое напряжение и могут питаться напрямую от Arduino. Два шаговых двигателя и магнит требуют большей мощности и питаются от генератора мощностью 12 В и 1 А. Два драйвера шагового двигателя DRV8825 преобразуют сигналы от Arduino в ток для двигателей. Эти драйверы необходимо откалибровать. Калибровка выполняется путем вращения одного шагового двигателя с постоянной скоростью и регулировки винта отвертки до тех пор, пока крутящий момент не станет достаточным для плавного перемещения иглы и опоры. Последний элемент - электромагнит. Один понижающий резистор используется для сброса МОП-транзистора, когда от Arduino не поступает ток. Для защиты других частей электроники к электромагниту также добавлен обратный диод. MOSFET переключает магнит между высоким и низким состояниями.

Шаг 5: код Python

Для связи между компьютером и Arduino с использованием Python мы использовали коды, представленные на этом форуме:

Этот сайт был очень полезен для управления шаговым двигателем: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ И чтобы понять основы arduino, была также книга проектов arduino. очень полезно. Код состоит из двух частей: первая - это код на Python, который преобразует букву в двоичный код ascii и бит за битом отправляет ее в Arduino, а вторая - это код Arduino, который заполняет соответствующие пузыри. Следующая блок-схема объясняет принцип работы кода Arduino:

Шаг 6: видео

Рабочий проект!

Шаг 7: Улучшения

Проект можно улучшить несколькими способами. Во-первых, количество пузырьков на линии можно легко увеличить. Это можно сделать, взяв более длинные двоичные коды, например, написав две буквы вместо одной. Тогда код ASCII будет вдвое длиннее.

Самым важным улучшением будет возможность заполнять пузыри не только вдоль оси x, но и вдоль оси y. Таким образом, заполнение пузырьков будет выполняться в 2D, а не в 1D. Самый простой способ сделать это - изменить высоту пузырчатой бумаги вместо того, чтобы поднимать и опускать двигатель. Это означало бы вешать край держателя пузырчатой бумаги не на тарелку, а на опору, напечатанную на 3D-принтере. Эта опора будет соединена с резьбовым стержнем, который сам соединен с шаговым двигателем.

Шаг 8: обнаруженные проблемы

Основная проблема, с которой нам пришлось столкнуться, - это электромагнит. Действительно, чтобы избежать громоздкого и тяжелого третьего двигателя, электромагнит казался идеальным компромиссом. После некоторых испытаний жесткость постоянно оказывалась заниженной. Так что пришлось добавить вторую пружину. Более того, он может перемещать только очень легкие грузы. Пришлось пересмотреть расположение различных элементов.

Шприцевой насос тоже был проблемой. Во-первых, нужно было смоделировать деталь, которую можно было бы зацепить за бесконечный стержень и одновременно надавливать на плунжер. Во-вторых, важно распределение напряжений, чтобы избежать поломки детали. Более того, два шаговых двигателя не совпадают: у них разные характеристики, что заставило нас добавить делитель напряжения. Нам пришлось использовать водную краску (в нашем случае разбавленную гуашь), потому что слишком густая краска не проходила в игле и вызывала слишком большую потерю давления в трубе.