Bubble Wrap Painter: 8 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

ในส่วนหนึ่งของหลักสูตร "Mechatronics 1 - MECA-Y403" Master 1 ที่ ULB เราถูกขอให้ออกแบบหุ่นยนต์ที่ทำหน้าที่เฉพาะและสร้างเว็บไซต์สรุปการออกแบบหุ่นยนต์ โดยเริ่มจากการเลือกวัสดุ การสร้างแบบจำลอง การตระหนักรู้ และรหัสที่ช่วยให้ทั้งระบบทำงานได้ ทั้งกลุ่มเลือกอย่างเป็นเอกฉันท์เพื่อสร้างหุ่นยนต์ "Bubble Wrap Painter"

"Bubble Wrap Painter" เป็นอุปกรณ์ที่สามารถฉีดสีเข้าไปในฟองอากาศของบับเบิ้ลแรปจากตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่คอมพิวเตอร์จ่ายให้ ในขั้นต้น หุ่นยนต์จะต้องสามารถฉีดของเหลวในระนาบ 2 มิติ เพื่อสร้างภาพวาดเฉพาะจุด อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลที่ประหยัดและใช้ได้จริง ทางกลุ่มจึงได้ถอนตัวไปฉีดสีบนวิถี 1 มิติ หุ่นยนต์ทำงานดังนี้: ใช้ระบบสกรูตัวหนอนกดลูกสูบของกระบอกฉีดยาที่เติมสีในตอนแรก กระบอกฉีดยาเชื่อมต่อกับท่อโพลีโพรพิลีนที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งช่วยให้พ่นสีกับปลายโลหะที่ติดอยู่กับโมดูลเคลื่อนที่ได้ โมดูลนี้สามารถเลื่อนไปตามแกนนอนได้อีกครั้งโดยใช้ระบบหนอน ในทางกลับกัน ทิปติดอยู่กับแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงเส้น ซึ่งติดอยู่กับโมดูลมือถือด้วย แม่เหล็กไฟฟ้าใช้เพื่อทิ่มฟองที่ห่อหุ้มไว้บนแผ่นแนวตั้ง เมื่อเจาะฟองแล้วสีจะถูกฉีดเข้าไปเป็นต้น

ขั้นตอนที่ 1: คำอธิบายชิ้นส่วนและเครื่องมือ

ซื้อ

ข้อต่อบีม 2 อัน 5 มม. ถึง 6 มม.

1 กระบอกฉีดยา 10 มล. (ยาว 7, 5 ซม.)

1 ท่อทำจากพอลิโพรพิลีนยืดหยุ่นได้ เส้นผ่านศูนย์กลาง 4 มม.

1 เข็มพร้อมหมวกนิรภัย

Gouache เจือจางด้วยน้ำ

เกลียว 2 เส้น: เส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มม. และ 18, ยาว 5 ซม.

2 แท่งเรียบ เส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. และยาว 21 ซม.

แท่งเรียบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. และยาว 10 ซม. 2 อัน

แผ่นกันกระแทก

อิเล็กทรอนิกส์

1 เขียงหั่นขนม

1 arduino

1 สเต็ปเปอร์มอเตอร์

1 สเต็ปเปอร์มอเตอร์ RS PRO Hybrid, สเต็ปเปอร์มอเตอร์แม่เหล็กถาวร 1.8°, 0.22Nm, 2.8 V, 1.33 A, 4 สาย

2 ไมโครสวิตช์ V-156-1C25

1 แม่เหล็กไฟฟ้า ZYE1-0530

แหล่งจ่ายไฟ

ขั้วต่อกล้วย 2 อัน

สายจัมเปอร์ 45 เส้น

6 สายนำไฟฟ้า

ไดโอด 1N4007

ทรานซิสเตอร์IRF5402

ตัวต้านทาน 3 ตัว 4, 7 kohm

ไดรเวอร์ DRV8825 2 ตัว

สวิตช์ปุ่มกด 1 อัน

สกรู น็อต และตัวยึด

สกรู 42 ตัว M3 ยาว 16 มม.

4 สกรู M3 ยาว 10 มม.

สกรู 4 ตัว M4 ยาว 16 มม.

สกรู M2 2 ตัว 5 16 มม. ยาว

52 ถั่วที่สอดคล้องกัน

เครื่องซักผ้าเหล็กธรรมดา 2 อัน M3

เครื่องมือที่ใช้แล้ว

เครื่องตัดเลเซอร์

เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (Ultimaker 2 หรือ Prusa)

ไขควง

ขั้นตอนที่ 2: ไฟล์ CAD

การตัดด้วยเลเซอร์ที่มีความหนา 3 mm

-แผ่นรองรับ

- รองรับการยกสวิตซ์

- รองรับการเคลื่อนที่ของเข็ม

-ที่ใส่ฟองสบู่

-4 การสนับสนุนเพิ่มความสูง

การพิมพ์ 3 มิติ

- รองรับมอเตอร์

- รองรับแกนเกลียว

-ปั๊มเข็มฉีดยา

- รองรับเข็ม

- รองรับกระบอกฉีดยา

ขั้นตอนที่ 3: การประกอบ

ในการเริ่มต้น เราได้ออกแบบฐานไม้ที่ประกอบด้วย 3 องค์ประกอบที่แตกต่างกัน ได้แก่ แผ่นด้านล่าง แผ่นแนวตั้ง และแผ่นสามเหลี่ยมเพื่อยึดทุกอย่างไว้ด้วยกัน

ในภาพจะเห็นได้ว่าเพลตต่างๆ มีลวดลายรูปตัว T ซ้ำๆ รูปแบบเหล่านี้ใช้เพื่อยึดชุดประกอบและช่วยให้ฐานแข็งแรง สวิตช์ทั้งสองวางอยู่บนลูกสูบและโมดูลเคลื่อนที่ ซึ่งช่วยให้อ้างอิงตามลำดับเกี่ยวกับการขยายตัวสูงสุดของลูกสูบและการอ้างอิงตำแหน่งขวาสุดของโมดูลเคลื่อนที่ได้

นอกจากนี้ สเต็ปมอเตอร์ยังยึดด้วยสกรูสี่ตัวเพื่อรองรับกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ในส่วนรองรับนี้ รูตั้งฉากสองรูช่วยให้ยึดกับเพลตแนวตั้งได้ แท่งเกลียวที่เชื่อมต่อกับแกนหมุนทั้งสองของมอเตอร์และแท่งเรียบสี่แท่งนั้นยึดไว้ด้วยการรองรับเพิ่มเติมซึ่งอยู่ที่ด้านตรงข้ามของมอเตอร์ นอกจากนี้ คอนเนคเตอร์ยังใช้เพื่อยึดแกนเกลียวกับแกนหมุนของสเต็ปมอเตอร์

กระบอกฉีดยาได้รับการแก้ไขด้วยตัวยึดที่ขันเข้ากับแผ่นแนวนอน สามารถกดลูกสูบโดยใช้ชิ้นส่วนสี่เหลี่ยมคางหมูที่วิ่งไปตามแกนเกลียวขณะหมุน ส่วนนี้มีรูด้านในซึ่งติดตั้งน็อต น็อตนี้ช่วยให้ส่วนสี่เหลี่ยมคางหมูเคลื่อนที่ได้

หลอดเชื่อมต่อกับกระบอกฉีดยาโดยเพียงแค่เสียบเข้ากับปลายกระบอกฉีดยา ปลายอีกด้านของท่อติดอยู่ในวงแหวนของชิ้นส่วน PLA สีขาวขนาดเล็ก ปลายโลหะที่แต่เดิมเป็นส่วนหนึ่งของหลอดฉีดยาก็ติดอยู่ที่ปลายท่อด้วย เราได้เพิ่มฝาหลอดฉีดยาลงในเข็มเพื่อเติมเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นส่วนสีขาวให้ดีขึ้น ฝาปิดมีรูที่ปลายเพื่อให้ปลายเข็มทะลุผ่านได้ ชิ้นส่วนสีขาวขนาดเล็กนี้ขันด้วยสกรูสองตัวบนแผ่นเลื่อนของโมดูลเคลื่อนที่

โมดูลแบบเคลื่อนที่ประกอบด้วยชุดชิ้นส่วนไม้ที่ยึดในลักษณะเดียวกับเพลตที่ประกอบเป็นฐาน โมดูลสร้างกล่องที่มีสามรูเพื่อรับแท่งเรียบสองอันและแกนเกลียว ภายในกล่องนี้มีน็อตสองตัวที่อนุญาตให้เคลื่อนย้ายโมดูลได้ แผ่นด้านบนของโมดูลเลื่อนไปตามแถบเรียบสองอัน ที่ศูนย์กลางภายในของโมดูลมีเพลตแบบตายตัวจับแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงเส้น ซึ่งช่วยให้แผ่นเลื่อนสามารถเคลื่อนที่เชิงเส้นไปมาได้

มีขายึดไม้สองอันที่อนุญาตให้ลิ้นที่มีรูพรุนสองอันยึดเข้ากับเพลตแนวตั้งได้โดยตรงโดยใช้แหวนรองที่ยึดด้วยสกรู แถบสองแถบนี้ติดแผ่นกันกระแทกตรงกลาง กระดาษฟองที่นี่มีเจ็ดฟองที่สอดคล้องกับ 7 บิตที่เข้ารหัสโดยคอมพิวเตอร์

อีกด้านหนึ่งของแผ่นแนวตั้งคือ PCB และ Arduino PCB ติดกาวบนแผ่นแนวนอนโดยใช้ระบบติดกาวที่มีอยู่เดิมและ Arduino ถูกขันเข้ากับแผ่นด้านล่าง นอกจากนี้ยังมีตัวแบ่งความต้านทานที่เชื่อมต่อกับ PCB ซึ่งถูกขันเข้ากับส่วนไม้สามเหลี่ยม (ภาพ: ด้านหลังระบบ)

*สกรูแต่ละตัวที่เป็นส่วนหนึ่งของระบบถูกรวมเข้าด้วยกันด้วยสลักเกลียวที่เหมาะสม

ขั้นตอนที่ 4: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซ็นเซอร์

เราจำเป็นต้องทราบตำแหน่งของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ส่วนบนเมื่อช่างทาสีบับเบิ้ลแรปเริ่มไปถึงตำแหน่งที่แน่นอนของฟองสบู่ นี่คือวัตถุประสงค์ของสวิตช์แรก แต่ละครั้งที่อุปกรณ์กำลังวาดเส้น มอเตอร์จะหมุนจนกว่าสวิตช์จะเปลี่ยนสถานะ

เราต้องการสวิตช์อื่นเพื่อให้ทราบเมื่อสเต็ปเปอร์ที่กดบนกระบอกฉีดยาถึงจุดสิ้นสุดของลูกสูบ สวิตช์ที่สองใช้เพื่อหยุดระบบเมื่อหลอดฉีดยาหมด สวิตช์ตัวเลือกตัวที่สามสามารถทาสีต่อไปได้เมื่อเติมเข็มฉีดยาแล้ว สวิตช์เหล่านี้ใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำและ Arduino สามารถจ่ายได้โดยตรง สเต็ปเปอร์มอเตอร์สองตัวและแม่เหล็กต้องการพลังงานมากกว่า และจัดหาโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ให้พลังงาน 12V และ 1A ไดรเวอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์ DRV8825 สองตัวแปลงสัญญาณจาก Arduino เป็นกระแสสำหรับมอเตอร์ ไดรเวอร์เหล่านี้ต้องได้รับการสอบเทียบ การปรับเทียบทำได้โดยการหมุนสเต็ปเปอร์หนึ่งตัวด้วยความเร็วคงที่และปรับสกรูของคนขับจนกว่าแรงบิดจะเพียงพอที่จะเคลื่อนเข็มและส่วนรองรับได้อย่างราบรื่น องค์ประกอบสุดท้ายคือแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวต้านทานแบบดึงลงหนึ่งตัวใช้เพื่อรีเซ็ตมอสเฟตเมื่อ Arduino ไม่มีกระแสส่ง เพื่อป้องกันชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ไดโอดฟลายแบ็คถูกเพิ่มเข้าไปในแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย มอสเฟตกำลังสลับแม่เหล็กระหว่างสถานะสูงและต่ำ

ขั้นตอนที่ 5: รหัสหลาม

สำหรับการสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์และ Arduino โดยใช้ python เราอ้างอิงจากรหัสที่ให้ไว้ในฟอรัมนี้:

ในการควบคุมสเต็ปเปอร์มอเตอร์ ไซต์นี้มีประโยชน์มาก: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ และเพื่อทำความเข้าใจพื้นฐานของ Arduino นั้น 'หนังสือโครงการarduino' ก็เช่นกัน มีประโยชน์มาก รหัสมีสองส่วน: ส่วนแรกคือรหัสหลามที่แปลงตัวอักษรในรหัสไบนารี ascii และส่งไปยัง Arduino ทีละน้อย และส่วนที่สองคือรหัส Arduino ที่โพดำในฟองอากาศที่เกี่ยวข้อง ผังงานต่อไปนี้อธิบายหลักการของรหัส Arduino:

ขั้นตอนที่ 6: วิดีโอ

โครงการทำงาน!

ขั้นตอนที่ 7: การปรับปรุง

โครงการสามารถปรับปรุงได้หลายวิธี ประการแรกสามารถเพิ่มจำนวนฟองอากาศบนเส้นได้อย่างง่ายดาย ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้รหัสไบนารีที่ยาวขึ้น โดยการเขียนตัวอักษรสองตัวที่รายการแทนที่จะเป็นตัวเดียว รหัส ASCII จะยาวขึ้นสองเท่า

การปรับปรุงที่สำคัญที่สุดคือการสามารถเติมฟองอากาศได้ไม่เพียงแต่ตามแนวแกน x แต่ยังรวมถึงตามแนวแกน y ด้วย ดังนั้นการเติมบับเบิ้ลจะทำในรูปแบบ 2D แทนที่จะเป็น 1D วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำเช่นนี้คือเปลี่ยนความสูงของกระดาษฟอง แทนที่จะยกและลดมอเตอร์ นี่หมายความว่าจะไม่แขวนขอบของที่ใส่กระดาษฟองบนจาน แต่อยู่บนฐานรองรับการพิมพ์ 3 มิติ ส่วนรองรับนี้จะเชื่อมต่อกับแกนเกลียวซึ่งเชื่อมต่อกับสเต็ปเปอร์มอเตอร์

ขั้นตอนที่ 8: พบปัญหา

ปัญหาหลักที่เราต้องจัดการคือแม่เหล็กไฟฟ้า อันที่จริง เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เครื่องยนต์ที่สามที่ยุ่งยากและหนักหน่วง แม่เหล็กไฟฟ้าดูเหมือนจะเป็นการประนีประนอมที่สมบูรณ์แบบ หลังจากการทดสอบบางอย่าง ความฝืดได้พิสูจน์แล้วว่าต่ำเกินไปอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นต้องเพิ่มสปริงที่สอง ยิ่งไปกว่านั้น มันสามารถเคลื่อนย้ายได้เฉพาะของที่เบามากเท่านั้น ต้องแก้ไขการจัดองค์ประกอบต่างๆ

ปั๊มหลอดฉีดยาก็มีปัญหาเช่นกัน ประการแรก ชิ้นส่วนจะต้องมีการสร้างแบบจำลองที่สามารถยึดติดกับแกนที่ไม่มีที่สิ้นสุดและกดลูกสูบได้ในเวลาเดียวกัน ประการที่สอง การกระจายความเครียดมีความสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกหักของชิ้นส่วน ยิ่งไปกว่านั้น สเต็ปเปอร์มอเตอร์ 2 ตัวไม่เหมือนกัน: ไม่มีคุณสมบัติเหมือนกัน ซึ่งทำให้เราต้องเพิ่มตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า เราต้องใช้สีน้ำ (ในกรณีของเราเจือจาง gouache) เพราะสีที่หนาเกินไปจะไม่ผ่านเข้าไปในเข็มและจะทำให้สูญเสียแรงดันมากเกินไปในท่อ