เครื่องคัดแยกแบบเกลียว: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

วันหนึ่งในห้องแล็บ (FabLab Moscow) ฉันเห็นเพื่อนร่วมงานยุ่งกับการคัดแยกสกรู น็อต แหวน และฮาร์ดแวร์อื่นๆ เต็มกล่อง เมื่อหยุดอยู่ข้างๆ เขา ฉันมองอยู่ครู่หนึ่งแล้วพูดว่า: "มันจะเป็นงานที่สมบูรณ์แบบสำหรับเครื่องจักร" หลังจากดู google อย่างรวดเร็ว ฉันพบว่าระบบกลไกอันชาญฉลาดต่างๆ มีอยู่แล้ว แต่ไม่สามารถแก้ปัญหาของเราได้ เพราะในกล่องของเรามีชิ้นส่วนที่หลากหลาย การทำบางสิ่งด้วยกลไกล้วนๆ จะค่อนข้างซับซ้อน เหตุผลที่ดีอีกประการหนึ่งในการเลือกใช้ระบบ "หุ่นยนต์" มากขึ้นก็เพราะว่าสิ่งนี้ต้องการความเชี่ยวชาญด้านเทคนิคทั้งหมดที่ฉันชอบ: แมชชีนวิชัน แขนหุ่นยนต์ และแอคทูเอเตอร์ไฟฟ้า!

เครื่องนี้หยิบสกรูและวางไว้ในกล่องต่างๆ ประกอบด้วยแขนหุ่นยนต์ที่จับแม่เหล็กไฟฟ้า โต๊ะโปร่งแสงเหนือแสงไฟ และกล้องด้านบน หลังจากไขสกรูและน็อตบนโต๊ะทำงานแล้ว ไฟจะสว่างขึ้นและถ่ายภาพ อัลกอริทึมจะตรวจจับรูปร่างของชิ้นส่วนและส่งคืนตำแหน่ง ในที่สุดแขนที่มีแม่เหล็กไฟฟ้าจะวางชิ้นส่วนทีละชิ้นในกล่องที่ต้องการ

โครงการนี้ยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา แต่ตอนนี้ฉันได้รับผลลัพธ์ที่ดีซึ่งฉันต้องการแบ่งปันกับคุณ

ขั้นตอนที่ 1: เครื่องมือและวัสดุ

เครื่องมือ

• เครื่องตัดเลเซอร์
• เครื่องบดมุม
• เลื่อยวงเดือน
• ไขควง
• ที่หนีบ (ยิ่งเยอะยิ่งดี)
• ปืนกาวร้อน

วัสดุ

• ไม้อัด 3 มม. (1 ตร.ม.)
• ไม้อัด 6 มม. (300 x 200 มม.)
• พลาสติกโปร่งแสงสีขาว 4 มม. (500 x 250 มม.)
• คอมพิวเตอร์ (ฉันกำลังพยายามย้ายไปที่ raspberry pi)
• เว็บแคม (Logitech HD T20p ใครๆ ก็ใช้งานได้)
• Arduino พร้อมเอาต์พุต 4 PWM / analogWrite (สามเซอร์โวและขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า) (ฉันใช้ ProTrinket 5V)
• บอร์ดต้นแบบ
• สายไฟฟ้า (2ม.)
• การสลับทรานซิสเตอร์ (ทรานซิสเตอร์ใด ๆ ที่สามารถขับขดลวด 2W) (ฉันมี S8050)
• ไดโอด (Schottky ดีกว่า)
• ตัวต้านทาน 2 ตัว (100Ω, 330Ω)
• แหล่งจ่ายไฟ 5V, 2A
• เซอร์โวไมโคร (กว้าง 13 ยาว 29 มม.)
• เซอร์โวมาตรฐาน 2 ตัว (กว้าง 20 ยาว 38 มม.)
• กาวไม้
• 4 มุมโลหะพร้อมสกรู (อุปกรณ์เสริม)
• แท่งไม้ (30 x 20 x 2400)
• กาวร้อน
• ลวดทองแดงเคลือบ (0.2, 0.3 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 5 ม.) (หม้อแปลงเก่า?)
• เตารีดอ่อน (16 x 25 x4 มม.)
• หลอดไฟ 3 ดวงพร้อมเต้ารับ
• แถบขั้วต่อ (230V, 6 ชิ้น)
• สายไฟพร้อมเต้ารับ (230V) (2 ม.)
• แบริ่ง 625ZZ (เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 5 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 16 มม. สูง 5 มม.)
• แบริ่ง 608ZZ (เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 8 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 22 มม. สูง 7 มม.)
• แบริ่ง rb-lyn-317 (เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 3 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 8 มม. ความสูง 4 มม.)
• สายพานไทม์มิ่ง GT2 (ระยะพิทช์ 2 มม. กว้าง 6 มม. 650 มม.)
• สกรู M5 x 35
• สกรู M8 x 40
• สกรู 8 ตัว M3 x 15
• สกรู 4 ตัว M4 x 60
• สกรูไม้ 6 ตัว 2 x 8 mm
• สกรู M3 x 10
• โมดูลบอร์ดรีเลย์ (ควบคุมได้โดยตรงด้วยคอนโทรลเลอร์)

ขั้นตอนที่ 2: สร้างกล่องไฟ

กล่องไฟมีสี่ส่วนหลักและเหล็กดัดฟันบางส่วน ดาวน์โหลดชิ้นส่วนเหล่านี้และติดกาวเข้าด้วยกัน ยกเว้นพลาสติกโปร่งแสง ฉันเริ่มต้นด้วยแผ่นครึ่งไม้และผนังโค้ง คุณต้องทำให้ผนังแน่นรอบแผ่นดิสก์ระหว่างการอบแห้ง ฉันใช้ที่หนีบยึดแผ่นครึ่งแผ่นและฐานผนังโค้ง จากนั้นเทปบางตัวจะยึดผนังรอบแผ่นครึ่งแผ่น ประการที่สอง ฉันติดขอบเพื่อให้ทนต่อโต๊ะทำงานโปร่งแสง ในที่สุดผนังเรียบจะถูกเพิ่มด้วยขอบด้านขวาของไม้ (ด้านใน) และโลหะ (ด้านนอก)

เมื่อทำกล่องเสร็จแล้ว คุณเพียงแค่ต้องเพิ่มหลอดไฟและต่อสายไฟและซ็อกเก็ตเข้ากับแถบขั้วต่อ ตัดสายไฟ 230V ในที่ที่คุณสะดวกและใส่โมดูลรีเลย์ ฉันใส่รีเลย์ (230V!) ไว้ในกล่องไม้เพื่อความปลอดภัย

ขั้นตอนที่ 3: สร้างแขนหุ่นยนต์

ดาวน์โหลดชิ้นส่วนและตัดออก เพื่อยึดเข็มขัดบนเซอร์โวมอเตอร์ ฉันใช้คลิปหนีบกระดาษ ฉันตอกเข็มขัดสองส่วนบนเซอร์โวมอเตอร์และเพิ่มกาวเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีอะไรเคลื่อนไหว

สำหรับแนวนำแนวตั้งเชิงเส้น ต้องขัดลูกสูบเพื่อหลีกเลี่ยงการอุดตัน มันต้องเลื่อนอย่างราบรื่น เมื่อประกอบแล้ว ความสูงสามารถปรับได้โดยการตัดแนวกั้นตามความยาวที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม ให้เก็บไว้ให้นานที่สุดเพื่อป้องกันการล็อกเกินจากศูนย์กลาง ลูกสูบติดอยู่ที่กล่องแขน

แบริ่งอยู่ภายในรอก ลูกรอกตัวหนึ่งทำจากไม้อัดสองชั้น สองชั้นเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องสัมผัสกัน ดังนั้นแทนที่จะติดกาวเข้าด้วยกัน ให้ทากาวเข้ากับแผ่นแขนตามลำดับ แผ่นแขนด้านบนและด้านล่างได้รับการดูแลด้วยสกรูและน็อต M3 x 15 สี่ตัว แกนแรก (อันใหญ่) คือสกรู M8 x 40 และอันที่สอง (อันเล็ก) สกรู M5 x 35 ใช้น็อตเป็นตัวเว้นวรรคและล็อกเกอร์สำหรับส่วนแขน

ขั้นตอนที่ 4: สร้างแม่เหล็กไฟฟ้า

แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเพียงแกนเหล็กอ่อนที่มีทองแดงเคลือบอยู่รอบๆ แกนเหล็กอ่อนจะนำสนามแม่เหล็กไปยังตำแหน่งที่ต้องการ กระแสในทองแดงเคลือบจะสร้างสนามแม่เหล็กนี้ (เป็นสัดส่วน) ยิ่งคุณหมุนมากเท่าไหร่ก็ยิ่งมีสนามแม่เหล็กมากขึ้นเท่านั้น ฉันออกแบบเหล็กรูปตัวยูเพื่อให้มีความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กใกล้กับสกรูที่ยึด และเพิ่มแรงยึดเหนี่ยว

ตัดรูปตัว U เป็นชิ้นเหล็กอ่อน (สูง: 25 มม. กว้าง: 15 มม. หน้าตัดเหล็ก: 5 x 4 มม.) สิ่งสำคัญคือต้องเอาขอบที่แหลมคมออกก่อนที่จะพันลวดรอบเหล็กรูปตัวยู ระวังรักษาทิศทางที่คดเคี้ยวเหมือนเดิม (โดยเฉพาะเมื่อคุณกระโดดไปอีกฝั่ง คุณต้องเปลี่ยนทิศทางการหมุนจากมุมมองของคุณ แต่รักษาทิศทางเดิมจากมุมมองเหล็กรูปตัวยู)(https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) ก่อนแยกคอยล์กับวงจร ให้ตรวจสอบความต้านทานของคอยล์ด้วยมัลติมิเตอร์และคำนวณกระแสด้วยกฎของโอห์ม (U=RI) ฉันมีขดลวดมากกว่า 200 รอบ ฉันแนะนำให้คุณไขลานจนกว่าคุณจะมีพื้นที่ภายในรูปตัวยูเพียง 2 มม.

ทำที่ยึดไม้และเหล็กรูปตัวยูยึดด้วยกาวร้อน รอยผ่าสองช่องช่วยให้ยึดลวดได้ทั้งสองด้าน ในที่สุดหมุดสองอันถูกตอกบนที่ยึดไม้ พวกเขาทำทางแยกระหว่างลวดเคลือบคูเปอร์และลวดอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อป้องกันความเสียหายของขดลวด ฉันได้เพิ่มชั้นกาวร้อนรอบๆ ขดลวด ในภาพสุดท้าย คุณสามารถสังเกตส่วนไม้ที่ปิดเหล็กรูปตัวยู หน้าที่ของมันคือป้องกันไม่ให้สกรูติดค้างอยู่ในเหล็กรูปตัวยู

ตัวเคลือบลวดเคลือบถูกนำออกจากหม้อแปลงที่ชำรุด หากคุณทำเช่นนั้น ให้ตรวจสอบว่าสายไฟไม่ขาดหรือไม่มีการลัดวงจรในส่วนที่ใช้ ลอกเทปที่แกนเฟอร์โรแมกเนติกออก ด้วยเครื่องตัด แยกชิ้นเหล็กทั้งหมดออกทีละชิ้น จากนั้นลอกเทปที่ขดลวดออก และสุดท้ายก็คลายลวดเคลือบฟันคูเปอร์ออก มีการใช้ขดลวดทุติยภูมิ (ขดลวดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่) (อินพุตหม้อแปลง 230V, เอาต์พุต 5V-1A)

ขั้นตอนที่ 5: สร้างวงจร

บนกระดานต้นแบบ ฉันสร้างแผนผังด้านบน มีการใช้ทรานซิสเตอร์สองขั้ว (S8050) เพื่อสลับขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า ตรวจสอบว่าทรานซิสเตอร์ของคุณสามารถจัดการกับกระแสที่คำนวณได้ในขั้นตอนก่อนหน้า MOSFET น่าจะเหมาะสมกว่าในสถานการณ์นี้ แต่ฉันเอาสิ่งที่ฉันมีอยู่ในมือ (และฉันต้องการความต้านทานต่ำ) ปรับตัวต้านทานสองตัวให้กับทรานซิสเตอร์ของคุณ

ในแผนผังด้านบน ไอคอน VCC และ GND เชื่อมต่อกับ + และ - ของพาวเวอร์ซัพพลายของฉัน เซอร์โวมอเตอร์มีสามสาย: สัญญาณ, VCC และ GND เฉพาะสายสัญญาณที่เชื่อมต่อกับคอนโทรลเลอร์ ส่วนอื่นๆ เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ คอนโทรลเลอร์ใช้พลังงานจากสายเคเบิลโปรแกรมเมอร์

ขั้นตอนที่ 6: รหัส

สุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุด: รหัส คุณจะพบได้ที่นี่:

มีโปรแกรมหนึ่งสำหรับคอนโทรลเลอร์ (ประเภท Arduino) และอีกโปรแกรมหนึ่งที่ทำงานบนคอมพิวเตอร์ (หวังว่าจะเป็นราสเบอร์รี่ในเร็ว ๆ นี้) โค้ดบนคอนโทรลเลอร์มีหน้าที่ในการวางแผนวิถีและโค้ดบนคอมพิวเตอร์จะประมวลผลภาพและส่งตำแหน่งผลลัพธ์ไปยังคอนโทรลเลอร์ การประมวลผลภาพขึ้นอยู่กับ OpenCV

โปรแกรมคอมพิวเตอร์

โปรแกรมถ่ายภาพด้วยเว็บแคมและไฟ ตรวจจับศูนย์กลางและรัศมีของโต๊ะทำงานโปร่งแสง และแก้ไขการหมุนภาพในที่สุด จากค่าเหล่านี้ โปรแกรมจะคำนวณตำแหน่งหุ่นยนต์ (เราทราบตำแหน่งหุ่นยนต์ตามจาน) โปรแกรมใช้ฟังก์ชั่นตรวจจับหยดของ OpenCV เพื่อตรวจจับสกรูและสลักเกลียว หยดประเภทต่างๆ จะถูกกรองด้วยพารามิเตอร์ที่มี (พื้นที่ สี ความกลม ความนูน ความเฉื่อย) เพื่อเลือกส่วนประกอบที่ต้องการ ผลลัพธ์ของ Blob Detector คือตำแหน่ง (เป็นพิกเซล) ของ Blob ที่เลือก จากนั้นฟังก์ชันจะแปลงตำแหน่งพิกเซลเหล่านี้เป็นตำแหน่งมิลลิเมตรในระบบพิกัดแขน (มุมฉาก) อีกฟังก์ชันหนึ่งจะคำนวณตำแหน่งที่ต้องการของข้อต่อแขนแต่ละข้างเพื่อให้แม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในตำแหน่งที่ต้องการ ผลลัพธ์ประกอบด้วยสามมุมซึ่งสุดท้ายจะถูกส่งไปยังคอนโทรลเลอร์

โปรแกรมควบคุม

โปรแกรมนี้รับมุมเชื่อมและขยับส่วนแขนเพื่อให้ได้มุมเหล่านี้ ขั้นแรกจะคำนวณความเร็วสูงสุดของการเข้าร่วมแต่ละครั้งเพื่อดำเนินการย้ายในช่วงเวลาเดียวกัน จากนั้นจะตรวจสอบว่าถึงความเร็วสูงสุดเหล่านี้หรือไม่ ในกรณีนี้ การเคลื่อนไหวจะเป็นไปตามสามขั้นตอน: การเร่งความเร็ว ความเร็วคงที่ และการชะลอตัว หากไม่ถึงความเร็วสูงสุด การเคลื่อนที่จะเป็นไปตามสองขั้นตอนเท่านั้น: การเร่งความเร็วและการชะลอตัว ช่วงเวลาที่ต้องผ่านจากเฟสหนึ่งไปยังอีกเฟสหนึ่งจะถูกคำนวณด้วย ในที่สุด การย้ายจะดำเนินการ: ในช่วงเวลาปกติ มุมจริงใหม่จะถูกคำนวณและส่ง หากถึงเวลาต้องผ่านไปยังเฟสซ้อน การดำเนินการจะดำเนินต่อไปในเฟสถัดไป

ขั้นตอนที่ 7: สัมผัสสุดท้าย

กรอบ

มีการเพิ่มกรอบสำหรับถือกล้อง ฉันเลือกทำด้วยไม้เพราะราคาถูก ใช้งานสะดวก หาง่าย เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เข้ารูปสวยงาม และอยู่ในสไตล์ที่ฉันเริ่มด้วย ทำการทดสอบภาพด้วยกล้องเพื่อกำหนดความสูงที่ต้องการ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ทำให้มันแข็งและคงที่เพราะฉันสังเกตเห็นว่าตำแหน่งที่ได้นั้นไวต่อการเคลื่อนไหวของกล้องมาก (อย่างน้อยก่อนที่ฉันจะเพิ่มฟังก์ชั่นการตรวจจับโต๊ะทำงานอัตโนมัติ) กล้องต้องอยู่ที่ศูนย์กลางโต๊ะทำงาน และในกรณีของฉัน 520 มม. จากพื้นผิวสีขาวโปร่งแสง

กล่อง

ดังที่คุณเห็นในภาพ กล่องเก็บของแบบเคลื่อนย้ายได้นั้นอยู่บนส่วนที่เรียบของโต๊ะทำงาน คุณสามารถสร้างกล่องได้มากเท่าที่ต้องการ แต่ด้วยการตั้งค่าจริงของฉัน พื้นที่ค่อนข้างจำกัด อย่างไรก็ตาม ฉันมีความคิดที่จะปรับปรุงจุดนี้ (cf. การปรับปรุงในอนาคต)

การปรับปรุงในอนาคต

• ในขณะนี้ สายพานราวลิ้นถูกปิดด้วยชิ้นส่วนไม้ แต่วิธีนี้จำกัดพื้นที่ที่แขนสามารถเข้าถึงได้ ฉันต้องการเพิ่มพื้นที่ว่างระหว่างเซอร์โวขนาดใหญ่และแกนของแขน หรือสร้างระบบปิดที่เล็กลง
• กล่องต่างๆ อยู่ตามขอบโต๊ะทำงานเรียบๆ ถ้าฉันวางมันตามขอบครึ่งวงกลม ฉันจะมีพื้นที่มากขึ้นในการเพิ่มกล่องและจัดเรียงส่วนประกอบหลายประเภท
• ตอนนี้ตัวกรองการตรวจจับหยดก็เพียงพอแล้วสำหรับการจัดเรียงชิ้นส่วน แต่เมื่อฉันต้องการเพิ่มจำนวนกล่อง ฉันจะต้องเพิ่มความสามารถในการคัดเลือก ด้วยเหตุนี้ ฉันจะลองใช้วิธีการจดจำแบบต่างๆ
• ตอนนี้เซอร์โวมอเตอร์ที่ฉันใช้ไม่มีช่วงเพียงพอที่จะไปถึงโต๊ะทำงานแบบครึ่งแผ่นทั้งหมด ฉันต้องเปลี่ยนเซอร์โวหรือเปลี่ยนปัจจัยการรีดิวซ์ระหว่างรอกต่างๆ
• ปัญหาบางอย่างเกิดขึ้นค่อนข้างบ่อย ดังนั้นการปรับปรุงความน่าเชื่อถือจึงเป็นเรื่องสำคัญ เพื่อที่ฉันจะต้องจำแนกประเภทของปัญหาและเน้นที่โอกาสมากขึ้น นี่คือสิ่งที่ฉันทำกับไม้ชิ้นเล็กๆ ที่ปิดเหล็กรูปตัวยูและอัลกอริธึมศูนย์ตรวจจับอัตโนมัติ แต่ตอนนี้ ปัญหาซับซ้อนขึ้นในการแก้ไข
• ทำ PCB สำหรับคอนโทรลเลอร์และวงจรอิเล็กทรอนิกส์
• ย้ายรหัสไปที่ Raspberry pi เพื่อให้มีสถานีแบบสแตนด์อโลน

รางวัลที่สองในการประกวดองค์กร