Imbianchino a bolle d'aria: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Nell'ambito del nostro corso "Mechatronics 1 - MECA-Y403" Master 1 presso ULB, ci è stato chiesto di progettare un robot che svolgesse una funzione specifica e di creare un sito web che riassumesse il design del robot, partendo dalla scelta dei materiali, la modellazione, la realizzazione e il codice che permettono all'intero sistema di funzionare. Tutto il gruppo ha scelto all'unanimità di realizzare il robot "Bubble Wrap Painter".

Il "Bubble Wrap Painter" è un dispositivo in grado di iniettare vernice in alcune bolle del pluriball da un controllo di tensione fornito dal computer. Inizialmente, il robot doveva essere in grado di iniettare il liquido in un piano 2D per generare un disegno a punti. Tuttavia, per ragioni economiche e pratiche, il gruppo si è ritirato per iniettare vernice su una traiettoria 1D. Il robot funziona nel seguente modo: un sistema a vite senza fine viene utilizzato per premere lo stantuffo di una siringa inizialmente riempita di vernice. La siringa è collegata ad un tubo flessibile in polipropilene che permette di condurre la vernice ad una punta metallica fissata al modulo mobile. Questo modulo è in grado di scorrere lungo un asse orizzontale, sempre tramite un sistema a vite senza fine. La punta, invece, è fissata ad un elettromagnete lineare anch'esso fissato al modulo mobile. L'elettromagnete viene utilizzato per pungere il pluriball fissato su una piastra verticale. Una volta forata la bolla, viene iniettata la vernice e così via.

Passaggio 1: descrizione di parti e strumenti

ACQUISTA

2 giunti per travi da 5 mm a 6 mm

1 siringa da 10 ml (lunghezza 7, 5 cm)

1 tubo in polipropilene flessibile di diametro 4mm

1 ago con il suo cappuccio di sicurezza

Guazzo diluito con acqua

2 barre filettate: diametro 6mm e lunghezza 18,5cm

2 aste lisce di 8 mm di diametro e 21 cm di lunghezza

2 aste lisce di 8 mm di diametro e 10 cm di lunghezza

Pluriball

ELETTRONICA

1 tagliere

1 arduino

1 motore passo-passo

1 motore passo-passo RS PRO Hybrid, motore passo-passo a magneti permanenti 1,8°, 0,22Nm, 2,8 V, 1,33 A, 4 fili

2 microinterruttori V-156-1C25

1 elettromagnete ZYE1-0530

Alimentazione elettrica

2 connettori a banana

45 ponticelli

6 cavi conduttivi

Diodo 1N4007

Transistor IRF5402

3 resistenze 4, 7 kohm

2 driver DRV8825

1 interruttore a pulsante

VITE, DADI E FISSAGGI

42 viti M3 lunghe 16 mm

4 viti M3 lunghe 10 mm

4 viti M4 lunghe 16 mm

2 viti M2, 5 lunghe 16 mm

52 dadi corrispondenti

2 rondelle piane in acciaio M3

STRUMENTI USATI

Macchina da taglio laser

Stampante 3D (Ultimaker 2 o Prusa)

Cacciavite

Passaggio 2: file CAD

TAGLIO LASER con spessore 3 mm

-piastre di supporto

-supporto per il sollevamento dell'interruttore

-supporto mobile per l'ago

-portabolle

-4 supporto rialzante

STAMPA 3D

-supporto per il motore

-supportare l'asta filettata

-pompa a siringa

-supporto per l'ago

-supporto per la siringa

Passaggio 3: assemblaggio

Per cominciare, abbiamo progettato una base in legno composta da 3 elementi diversi: una piastra di fondo, una piastra verticale e una piastra triangolare per tenere insieme il tutto.

Puoi vedere nella foto che i diversi piatti hanno ripetuti motivi a forma di T. Questi modelli vengono utilizzati per fissare l'assemblaggio e consentire alla base di essere robusta. I due interruttori sono posti sul pistone e sul modulo mobile. Questo permette di dare rispettivamente un riferimento sulla massima espansione del pistone ed un riferimento sulla posizione estrema destra del modulo mobile.

Inoltre i motori passo passo sono fissati con quattro viti ad un supporto realizzato con una stampante 3D. Su questo supporto, due fori perpendicolari consentono il fissaggio alla piastra verticale. Le aste filettate collegate ai due assi di rotazione dei motori così come le quattro barre lisce sono trattenute da ulteriori supporti posti agli antipodi dei motori. Oltre a ciò, vengono utilizzati connettori per fissare l'asta filettata all'asse di rotazione dei motori passo-passo.

La siringa è inoltre fissata con una staffa che viene avvitata sulla piastra orizzontale. Il suo stantuffo può essere premuto per mezzo di un pezzo trapezoidale che scorre lungo l'asta filettata mentre ruota. Questa parte ha un foro al suo interno che è dotato di un dado. Questo dado permette il movimento della parte trapezoidale.

Il tubo è collegato alla siringa semplicemente collegandolo all'estremità della siringa. L'altra estremità del tubo è bloccata nell'anello di un piccolo pezzo di PLA bianco. Anche la punta di metallo che originariamente faceva parte della siringa è stata agganciata all'estremità del tubo. Abbiamo aggiunto il cappuccio della siringa all'ago per riempire meglio il diametro del pezzo bianco. Il cappuccio ha un foro all'estremità per consentire il passaggio della punta dell'ago. Questa piccola parte bianca è avvitata con due viti sulla piastra scorrevole del modulo mobile.

Il modulo mobile è costituito da un insieme di parti in legno fissate allo stesso modo delle piastre che compongono la base. Il modulo forma una scatola con tre fori per accogliere le due barre lisce e l'asta filettata. All'interno di questa scatola ci sono due dadi che consentono di spostare il modulo. La piastra superiore del modulo scorre lungo due barre lisce. Al centro interno del modulo, una piastra fissa sostiene l'elettromagnete lineare. Ciò consente alla piastra scorrevole di eseguire movimenti lineari avanti e indietro.

Sono presenti due staffe in legno che permettono di fissare due linguette forate direttamente alla piastra verticale tramite rondelle bloccate dalle viti. Queste due linguette incuneano al centro una striscia di pluriball. La carta a bolle qui contiene sette bolle corrispondenti ai 7 bit codificati dal computer.

Dall'altro lato della piastra verticale ci sono il PCB e l'arduino. Il PCB viene incollato alla piastra orizzontale tramite un sistema di incollaggio che è inizialmente presente e l'arduino viene avvitato alla piastra inferiore. Oltre a questo, è presente un divisore resistivo collegato al PCB che viene avvitato alla parte triangolare in legno. (IMMAGINE: retro del sistema)

*Ognuna delle viti che fanno parte del sistema è consolidata da appositi bulloni.

Passaggio 4: elettronica e sensori

Abbiamo bisogno di conoscere la posizione del motore passo-passo superiore quando viene avviato il pittore di pluriball per raggiungere le posizioni esatte delle bolle. Questo è l'obiettivo del primo passaggio. Ogni volta che il dispositivo traccia una linea, il motore ruota finché l'interruttore non cambia stato.

Abbiamo bisogno di un altro interruttore per sapere quando lo stepper che spinge sulla siringa ha raggiunto la fine del pistone. Il secondo interruttore viene utilizzato per arrestare il sistema quando la siringa è vuota. Un terzo interruttore opzionale può continuare la verniciatura quando la siringa è stata riempita. Questi interruttori utilizzano bassi voltaggi e possono essere alimentati direttamente dall'arduino. I due motori passo passo e il magnete necessitano di maggiore potenza e sono alimentati da un generatore di corrente da 12V e 1A. Due driver del motore passo-passo DRV8825 trasformano i segnali dall'arduino in una corrente per i motori. Questi driver devono essere calibrati. La calibrazione si effettua facendo ruotare uno stepper a velocità costante e regolando la vite del driver fino a quando la coppia è sufficiente per muovere agevolmente l'ago e il supporto. L'ultimo elemento è l'elettromagnete. Un resistore di pull down viene utilizzato per ripristinare il mosfet quando nessuna corrente viene inviata dall'arduino. Per proteggere le altre parti elettroniche, all'elettromagnete viene aggiunto anche un diodo flyback. Il mosfet sta commutando il magnete tra gli stati alto e basso.

Passaggio 5: codice Python

Per la comunicazione tra il computer e l'arduino tramite python, ci siamo basati sui codici forniti su questo forum:

Per controllare il motore passo-passo, questo sito è stato molto utile: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ E per capire le basi di arduino, è stato anche il "libro dei progetti di arduino" molto utile. Ci sono due parti del codice: la prima è un codice python che converte una lettera nel codice binario ascii e la invia bit per bit all'arduino, e la seconda è un codice arduino che spazia nelle bolle corrispondenti. Il seguente diagramma di flusso spiega il principio del codice arduino:

Passaggio 6: video

Il progetto di lavoro!

Passaggio 7: miglioramenti

Il progetto può essere migliorato in diversi modi. In primo luogo, il numero di bolle su una linea può essere facilmente aumentato. Questo può essere fatto prendendo codici binari più lunghi, scrivendo due lettere alla voce invece di una per esempio. Il codice ASCII sarà quindi due volte più lungo.

Il miglioramento più importante sarebbe quello di poter riempire le bolle non solo lungo l'asse x ma anche lungo l'asse y. Il riempimento delle bolle verrebbe quindi eseguito in 2D anziché in 1D. Il modo più semplice per farlo è variare l'altezza della carta a bolle, invece di alzare e abbassare il motore. Ciò significherebbe non appendere il bordo del portacarta a bolle sul piatto ma su un supporto stampato in 3D. Questo supporto sarebbe collegato a un'asta filettata, a sua volta collegata a un motore passo-passo.

Passaggio 8: problemi riscontrati

Il problema principale che abbiamo dovuto affrontare è l'elettromagnete. Infatti, per evitare di avere un terzo motore ingombrante e pesante, l'elettromagnete sembrava essere il compromesso perfetto. Dopo alcune prove, la rigidità si è costantemente rivelata troppo bassa. Quindi doveva essere aggiunta una seconda primavera. Inoltre, può spostare solo carichi molto leggeri. La disposizione dei diversi elementi doveva essere rivista.

Anche la pompa a siringa era un problema. Per prima cosa doveva essere modellata una parte che potesse essere agganciata all'asta senza fine e contemporaneamente spinta sullo stantuffo. In secondo luogo, la distribuzione delle sollecitazioni era importante per evitare la rottura del pezzo. Inoltre, i 2 motori passo passo non sono gli stessi: non hanno le stesse caratteristiche, cosa che ci ha costretto ad aggiungere un partitore di tensione. Abbiamo dovuto usare la pittura ad acqua (guazzo diluito nel nostro caso), perché una vernice troppo densa non sarebbe passata nell'ago e avrebbe causato troppe perdite di pressione nel tubo.