Selezionatrice per viti: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Un giorno in laboratorio (FabLab Mosca), ho visto il mio collega impegnato a smistare una scatola piena di viti, dadi, anelli e altro hardware. Fermandomi accanto a lui, ho guardato per un secondo e ho detto: "Sarebbe un lavoro perfetto per una macchina". Dopo una rapida occhiata su google ho visto che esistevano già diversi ingegnosi sistemi meccanici ma non potevano risolvere il nostro problema perché nella nostra scatola c'è un'ampia varietà di parti. Fare qualcosa di puramente meccanico sarebbe abbastanza complicato. L'altro buon motivo per passare a un sistema più "robotico" era perché questo richiederebbe tutti i campi tecnici che amo: visione artificiale, bracci robotici e attuatori elettromeccanici!

Questa macchina preleva le viti e le posiziona in scatole diverse. Consiste in un braccio robotico che gestisce un elettromagnete, un piano di lavoro traslucido sopra le luci e una telecamera sulla parte superiore. Dopo aver posizionato alcune viti e dadi sul piano di lavoro, si accendono le luci e si scatta una foto. Un algoritmo rileva le forme delle parti e ne restituisce le posizioni. Infine il braccio con l'elettromagnete posiziona le parti una ad una nelle scatole desiderate.

Questo progetto è ancora in fase di sviluppo ma ora ottengo risultati decenti che voglio condividere con voi.

Passaggio 1: strumenti e materiale

Utensili

• Taglio laser
• Smerigliatrice angolare
• seghetto
• Cacciavite
• Morsetti (più sono, meglio è)
• Pistola per colla a caldo

Materiale

• Compensato 3mm (1 m2)
• Compensato 6 mm (300 x 200 mm)
• Plastica bianca traslucida 4 mm (500 x 250 mm)
• Computer (sto cercando di passare a Raspberry Pi)
• Webcam (Logitech HD T20p, chiunque dovrebbe lavorare)
• Arduino con 4 uscite PWM/analogWrite (tre servi e la bobina dell'elettromagnete) (io uso il ProTrinket 5V)
• Scheda di prototipazione
• Cavo elettronico (2m)
• Transistor di commutazione (qualsiasi transistor in grado di pilotare una bobina da 2 W) (ho S8050)
• Diodo (Schottky è meglio)
• 2 resistori (100Ω, 330Ω)
• Alimentazione 5V, 2A
• Servo micro (larghezza 13 lunghezza 29 mm)
• 2 servi standard (larghezza 20 lunghezza 38 mm)
• Colla per legno
• 4 angoli metallici con viti (opzionali)
• Asta di legno (30 x 20 x 2400)
• Colla calda
• Filo di rame smaltato (0,2, 0,3 mm di diametro, 5 m) (vecchio trasformatore?)
• Ferro dolce (16 x 25 x4 mm)
• 3 lampadine con presa
• Striscia di connettori (230V, 6 elementi)
• Cavo elettrico con presa (230V) (2 m)
• Cuscinetto 625ZZ (diametro interno 5 mm, diametro esterno 16 mm, altezza 5 mm)
• Cuscinetto 608ZZ (diametro interno 8 mm, diametro esterno 22 mm, altezza 7 mm)
• Cuscinetto rb-lyn-317 (diametro interno 3 mm, diametro esterno 8 mm, altezza 4 mm)
• Cinghia dentata GT2 (passo 2mm, larghezza 6mm, 650 mm)
• Vite M5 x 35
• Vite M8 x 40
• 8 viti M3 x 15
• 4 viti M4 x 60
• 6 viti per legno 2 x 8 mm
• Vite M3 x 10
• Modulo scheda relè (controllabile direttamente dal controller)

Passaggio 2: crea la scatola luminosa

La scatola luminosa ha quattro parti principali e alcune parentesi graffe. Scarica queste parti e incollale insieme tranne la plastica traslucida. Ho iniziato con il mezzo disco di legno e la parete curva. È necessario mantenere il muro stretto attorno al disco durante l'asciugatura. Ho usato dei morsetti per fissare il mezzo disco e la base a parete curva. Quindi del nastro mantiene la parete attorno al mezzo disco. In secondo luogo, ho incollato un bordo per resistere al piano di lavoro traslucido. Infine si aggiunge la parete piana con bordi retti in legno (interno) e metallici (esterno).

Una volta completata la scatola, devi solo aggiungere le lampadine e collegare il cavo e la presa con la striscia di connessione. Taglia il filo da 230V dove ti è comodo e inserisci il modulo relè. Ho racchiuso il relè (230V!) in una scatola di legno per motivi di sicurezza.

Passaggio 3: crea il braccio del robot

Scarica le parti e tagliale. Per fissare la cintura al servomotore ho utilizzato delle graffette. Ho inchiodato le cinghie in due parti sul servomotore e ho aggiunto della colla per essere sicuro che nulla si muova.

Per la guida verticale lineare, lo stantuffo deve essere levigato per evitare qualsiasi blocco. Deve scorrere dolcemente. Una volta assemblato, l'altezza può essere regolata tagliando la guida alla lunghezza desiderata. Tuttavia, mantienilo il più a lungo possibile per evitare un blocco eccessivo. Lo stantuffo è semplicemente incollato alla scatola del braccio.

I cuscinetti sono racchiusi all'interno delle pulegge. Una puleggia è composta da due strati di compensato. Questi due strati non si toccano necessariamente, quindi invece di incollarli insieme, incollali alla rispettiva piastra del braccio. Le piastre del braccio superiore e inferiore sono mantenute da quattro viti e dadi M3 x 15. Il primo asse (grande) è semplicemente la vite M8 x 40 e il secondo (piccolo) la vite M5 x 35. Utilizzare i dadi come distanziatori e fermi per le parti del braccio.

Passaggio 4: crea l'elettromagnete

Un elettromagnete è semplicemente un nucleo di ferro dolce con un filo di rame smaltato attorno ad esso. Il nucleo di ferro dolce guida il campo magnetico nel punto desiderato. La corrente nel filo di rame smaltato crea questo campo magnetico (è proporzionale). Inoltre più giri fai più campo magnetico hai. Ho progettato un ferro a forma di U per concentrare il campo magnetico vicino alle viti catturate e aumentare la forza di prensione.

Taglia una forma a U in un pezzo di ferro dolce (altezza: 25 mm, larghezza: 15 mm, sezione del ferro: 5 x 4 mm). È molto importante rimuovere i bordi taglienti prima di avvolgere il filo attorno al ferro a forma di U. Fai attenzione a mantenere la stessa direzione di avvolgimento (in particolare quando salti dall'altra parte, devi cambiare la direzione di rotazione dal tuo punto di vista ma mantieni la stessa direzione dal punto di vista del ferro a forma di U) (https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) Prima di diramare la bobina al circuito, controllare la resistenza della bobina con un multimetro e calcolare la corrente con la legge di Ohm (U=RI). Ho più di 200 spire sulla mia bobina. Ti suggerisco di avvolgere fino ad avere solo 2 mm di spazio all'interno della forma a U.

È stato realizzato un supporto in legno e il ferro a forma di U è stato fissato con colla a caldo. Due fessure consentono di fissare il filo su entrambe le estremità. Infine due perni sono inchiodati sul supporto in legno. Fanno la giunzione tra il filo di rame smaltato e il filo elettronico. Per evitare danni alla bobina, ho aggiunto uno strato di colla a caldo tutt'intorno alla bobina. Nell'ultima foto si può osservare una parte in legno che chiude il ferro a forma di U. La sua funzione è quella di evitare che eventuali viti si incastrino all'interno del ferro a forma di U.

Il filo di rame smaltato è stato preso da un trasformatore rotto. Se lo fai, controlla che il filo non sia rotto o non abbia cortocircuiti nella parte utilizzata. Rimuovere il nastro sul nucleo ferromagnetico. Con un tagliapasta staccare una ad una tutte le fette di ferro. Quindi rimuovere il nastro sulla bobina e infine svolgere il filo metallico smaltato. È stato utilizzato l'avvolgimento secondario (la bobina di grande diametro) (ingresso trasformatore 230V, uscita 5V-1A).

Passaggio 5: crea il circuito

Su una scheda di prototipazione, ho costruito lo schema sopra. Per la commutazione della bobina dell'elettromagnete è stato utilizzato un transistor bipolare (S8050). Verifica che il tuo transistor sia in grado di gestire la corrente calcolata nel passaggio precedente. Un MOSFET è probabilmente più adatto in questa situazione, ma ho preso quello che avevo a portata di mano (e volevo una bassa resistenza). Regola le due resistenze sul tuo transistor.

Nello schema sopra, l'icona VCC e GND sono collegate al + e - del mio alimentatore. I servomotori hanno tre fili: Segnale, VCC e GND. Solo il cavo di segnale è collegato al controller, gli altri sono collegati all'alimentazione. Il controller è alimentato dal cavo del programmatore.

Passaggio 6: il codice

Ultimo ma non meno importante: il codice. Lo troverai qui:

C'è un programma per il controller (tipo arduino) e un altro che gira sul computer (speriamo presto su raspberry). Il codice sul controller è responsabile della pianificazione della traiettoria e quello sul computer esegue l'elaborazione dell'immagine e invia la posizione risultante al controller. L'elaborazione delle immagini è basata su OpenCV.

Il programma del computer

Il programma acquisisce un'immagine con la webcam e le luci, rileva il centro e il raggio del piano di lavoro traslucido e corregge l'eventuale rotazione dell'immagine. Da questi valori, il programma calcola la posizione del robot (Noi conosciamo la posizione del robot in base alla targa). Il programma utilizza la funzione di rilevamento blob di OpenCV per rilevare viti e bulloni. I diversi tipi di blob vengono filtrati con i parametri disponibili (area, colore, circolarità, convessità, inerzia) per selezionare il componente desiderato. Il risultato del rilevatore di blob è la posizione (in pixel) dei blob selezionati. Quindi una funzione trasforma queste posizioni dei pixel in posizioni millimetriche nel sistema di coordinate del braccio (ortogonale). Un'altra funzione calcola la posizione richiesta di ogni unione del braccio per avere l'elettromagnete nella posizione desiderata. Il risultato consiste in tre angoli che vengono infine inviati al controller.

Il programma del controller

Questo programma riceve gli angoli di giunzione e sposta le parti del braccio per raggiungere questi angoli. Per prima cosa calcola la velocità massima di ogni join per eseguire lo spostamento durante lo stesso intervallo di tempo. Quindi verifica se queste velocità massime vengono mai raggiunte, in questo caso lo spostamento seguirà tre fasi: accelerazione, velocità costante e decelerazione. Se non viene raggiunta la velocità massima, lo spostamento seguirà solo due fasi: accelerazione e decelerazione. Si calcolano anche i momenti in cui deve passare da una fase all'altra. Infine viene eseguito lo spostamento: a intervalli regolari vengono calcolati e inviati i nuovi angoli effettivi. Se è il momento di passare alla fase di nidificazione, l'esecuzione continua alla fase successiva.

Passaggio 7: gli ultimi ritocchi

La cornice

È stata aggiunta una cornice per contenere la fotocamera. Ho scelto di realizzarlo con il legno perché è economico, facile da lavorare, facile da trovare, ecologico, piacevole da modellare e rimane nello stile con cui ho iniziato. Fai un test dell'immagine con la fotocamera per decidere quale altezza è necessaria. Assicurati anche di renderlo rigido e fisso perché ho notato che la posizione risultante è molto sensibile a qualsiasi movimento della telecamera (almeno prima di aggiungere la funzione di rilevamento automatico del piano di lavoro). La telecamera deve essere posizionata al centro del piano di lavoro e, nel mio caso, a 520 mm dalla superficie bianca traslucida.

Le scatole

Come puoi vedere nell'immagine, i contenitori mobili sono sulla parte piana del piano di lavoro. Puoi creare tutte le scatole necessarie, ma con la mia configurazione attuale lo spazio è piuttosto limitato. Tuttavia ho idee per migliorare questo punto (cfr. miglioramenti futuri).

Miglioramenti futuri

• Per il momento la cinghia di distribuzione è chiusa con una parte in legno ma questa soluzione limita l'area che può raggiungere il braccio. Devo aggiungere più spazio tra il servo grande e l'asse del braccio o creare un sistema di chiusura più piccolo.
• Le scatole sono lungo il bordo piatto del piano di lavoro, se le metto lungo il bordo del semicerchio, avrei molto più spazio per aggiungere scatole e ordinare molti tipi di componenti.
• Ora il filtro di rilevamento blob è sufficiente per ordinare le parti ma poiché voglio aumentare il numero di scatole, avrò bisogno di aumentare la selettività. Per questo motivo, proverò diversi metodi di riconoscimento.
• Ora i servomotori che uso non hanno abbastanza portata per raggiungere tutto il piano di lavoro a mezzo disco. Devo cambiare i servi o cambiare il fattore di riduzione tra le diverse pulegge.
• Alcuni problemi si verificano abbastanza spesso, quindi migliorare l'affidabilità è la priorità. Per questo ho bisogno di classificare il tipo di problemi e concentrarmi su quelli più probabili. Questo è già quello che ho fatto con il piccolo pezzo di legno che chiude il ferro a forma di U e l'algoritmo del centro di rilevamento automatico ma ora i problemi diventano più complicati da risolvere.
• Crea un PCB per il controller e il circuito elettronico.
• Migrare il codice su Raspberry pi per avere una stazione autonoma

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