Bubble Wrap Painter: 8 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Com a part del nostre curs de màster 1 "Mecatrònica 1 - MECA-Y403" a ULB, se’ns va demanar que dissenyéssim un robot que realitzés una funció específica i que creavem un lloc web que resumís el disseny del robot, començant per l’elecció dels materials, modelització, realització i codi que permeten que tot el sistema funcioni. Tot el grup va decidir per unanimitat realitzar el robot "Bubble Wrap Painter".

El "Bubble Wrap Painter" és un dispositiu capaç d'injectar pintura en algunes bombolles de l'embolcall de bombolles des d'un control de tensió subministrat per l'ordinador. Inicialment, el robot havia de ser capaç d’injectar el líquid en un pla 2D per tal de generar un dibuix puntual. No obstant això, per raons econòmiques i pràctiques, el grup s'ha retirat per injectar pintura en una trajectòria 1D. El robot funciona de la següent manera: s’utilitza un sistema de cargol sense fi per prémer l’èmbol d’una xeringa inicialment plena de pintura. La xeringa està connectada a un tub flexible de polipropilè que permet conduir la pintura a una punta metàl·lica connectada al mòdul mòbil. Aquest mòdul és capaç de lliscar al llarg d’un eix horitzontal, de nou mitjançant un sistema de cucs. La punta, en canvi, s’uneix a un electroimant lineal que també s’uneix al mòdul mòbil. L’electroimant s’utilitza per punxar l’embolcall de bombolles fixat en una placa vertical. Un cop perforada la bombolla, s’hi injecta la pintura, etc.

Pas 1: Descripció de peces i eines

COMPRA

2 acoblaments de biga de 5 mm a 6 mm

1 xeringa de 10 ml (7, 5 cm de llarg)

1 canonada en polipropilè flexible amb un diàmetre de 4 mm

1 agulla amb el tap de seguretat

Gouache diluït amb aigua

2 barres roscades: diàmetre 6mm i 18, 5cm de llarg

2 barres llises de 8 mm de diàmetre i 21 cm de llarg

2 barres llises de 8 mm de diàmetre i 10 cm de llarg

Plàstic de bombolles

ELECTRONNICA

1 tauleta de suport

1 arduino

1 motor pas a pas

1 motor pas a pas RS PRO híbrid, imant permanent motor pas a pas 1,8 °, 0,22 Nm, 2,8 V, 1,33 A, 4 cables

2 micro interruptors V-156-1C25

1 electroimant ZYE1-0530

Font d'alimentació

2 connectors de plàtan

45 cables de pont

6 cables conductors

Diode 1N4007

Transistor IRF5402

3 resistències de 4, 7 kohm

2 controladors DRV8825

1 polsador

CARGOL, TUIXES I FIXACIONS

42 cargols M3 de 16 mm de llarg

4 cargols M3 de 10 mm de llarg

4 cargols M4 de 16 mm de llarg

2 cargols M2, 5 16 mm de llarg

52 nous corresponents

2 rentadores planes d'acer M3

EINES USADES

Màquina de tall per làser

Impressora 3D (Ultimaker 2 o Prusa)

Tornavís

Pas 2: fitxers CAD

TALL LÀSER amb un gruix de 3 mm

-plats de suport

- Suport per aixecar l'interruptor

- Suport mòbil de l'agulla

-sostenedor de bombolles

-4 suport d'elevació

IMPRESSIÓ 3D

-soport per al motor

-Suporta la vareta roscada

-bomba siringe

-soport de l'agulla

- Suport per a la xeringa

Pas 3: Muntatge

Per començar, vam dissenyar una base de fusta formada per 3 elements diferents: una placa inferior, una placa vertical i una placa triangular per mantenir-ho tot junt.

Podeu veure a la imatge que les diferents plaques tenen patrons repetits en forma de T. Aquests patrons s’utilitzen per fixar el conjunt i permetre que la base sigui robusta. Els dos interruptors es col·loquen al pistó i al mòdul mòbil. Això permet donar respectivament una referència sobre la màxima expansió del pistó i una referència sobre la posició extrema dreta del mòdul mòbil.

A més, els motors pas a pas es fixen amb quatre cargols a un suport creat amb una impressora 3D. Sobre aquest suport, dos forats perpendiculars permeten la fixació a la placa vertical. Les barres roscades connectades als dos eixos de rotació dels motors, així com a les quatre barres llises, es mantenen mitjançant suports addicionals situats a l'antípode dels motors. A més, s’utilitzen connectors per fixar la barra roscada a l’eix de rotació dels motors pas a pas.

La xeringa també es fixa amb un suport que es cargola a la placa horitzontal. El seu pistó es pot prémer mitjançant una peça trapezoïdal que recorre la barra roscada a mesura que gira. Aquesta part té un forat al seu interior que està equipat amb una femella. Aquesta femella permet moure la part trapezoïdal.

El tub es connecta a la xeringa simplement connectant-lo a l’extrem de la xeringa. L'altre extrem del tub està enganxat a l'anell d'una petita peça blanca de PLA. La punta metàl·lica que originalment formava part de la xeringa també s’ha clavat a l’extrem del tub. Hem afegit el tap de la xeringa a l’agulla per omplir millor el diàmetre de la peça blanca. La tapa té un forat al final per deixar passar la punta de l’agulla. Aquesta petita part blanca es cargola amb dos cargols a la placa corredissa del mòdul mòbil.

El mòdul mòbil consisteix en un conjunt de peces de fusta fixades de la mateixa manera que les plaques que formen la base. El mòdul forma una caixa amb tres forats per acceptar les dues barres llises i la vareta roscada. Dins d’aquesta caixa hi ha dues femelles que permeten moure el mòdul. La placa superior del mòdul llisca al llarg de dues barres llises. Al centre intern del mòdul hi ha una placa fixa que sosté l'electroimant lineal. Això permet que la placa corredissa faci moviments lineals cap endavant i cap enrere.

Hi ha dos suports de fusta que permeten fixar dues llengües perforades directament a la placa vertical mitjançant arandeles bloquejades pels cargols. Aquestes dues pestanyes acoblen una tira de bombolla al centre. El paper de bombolles aquí conté set bombolles corresponents als 7 bits codificats per l'ordinador.

A l’altre costat de la placa vertical hi ha el PCB i l’arduino. El PCB s’enganxa a la placa horitzontal mitjançant un sistema d’encolat inicialment present i l’arduino es cargola a la placa inferior. A més, hi ha un divisor resistiu connectat al PCB que es cargola a la part triangular de fusta. (IMATGE: part posterior del sistema)

* Cadascun dels cargols que formen part del sistema es consolida mitjançant perns adequats.

Pas 4: electrònica i sensors

Hem de conèixer la posició del motor pas a pas superior quan el pintor de bombolles comença a assolir les posicions exactes de les bombolles. Aquest és l'objectiu del primer canvi. Cada vegada que el dispositiu dibuixa una línia, el motor gira fins que l'interruptor canvia d'estat.

Necessitem un altre interruptor per saber quan el pas a pas que empeny la xeringa ha arribat al final del pistó. El segon interruptor s’utilitza per aturar el sistema quan la xeringa està buida. Un tercer commutador opcional pot continuar la pintura quan s'ha omplert la xeringa. Aquests commutadors utilitzen tensions baixes i poden ser subministrats directament per l'arduino. Els dos motors pas a pas i l’imant necessiten més energia i són subministrats per un generador de potència que subministra 12V i 1A. Dos controladors de motor pas a pas DRV8825 transformen els senyals de l’arduino en un corrent per als motors. Cal controlar aquests controladors. El calibratge es fa fent girar un pas a velocitat constant i ajustant el cargol del conductor fins que el parell motor sigui suficient per moure l’agulla i el suport sense problemes. L’últim element és l’electroimant. S’utilitza una resistència desplegable per restablir el mosfet quan l’arduino no envia corrent. Per protegir la resta de components electrònics, també s’afegeix un díode flyback a l’electroimant. El mosfet canvia l'imant entre els estats alt i baix.

Pas 5: codi Python

Per a la comunicació entre l'ordinador i l'arduino mitjançant python, ens basem en els codis proporcionats en aquest fòrum:

Per controlar el motor pas a pas, aquest lloc va ser molt útil: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ I per entendre els conceptes bàsics de l’arduino, el «llibre de projectes arduino» també va ser molt util. Hi ha dues parts del codi: la primera és un codi python que converteix una lletra al codi binari ascii i l’envia bit a bit a l’arduino, i la segona és un codi arduino que apareix a les bombolles corresponents. El següent diagrama de flux explica el principi del codi arduino:

Pas 6: vídeo

El projecte de treball!

Pas 7: millores

El projecte es pot millorar de diverses maneres. En primer lloc, es pot augmentar fàcilment el nombre de bombolles en una línia. Això es pot fer prenent codis binaris més llargs, escrivint dues lletres a l'entrada en lloc d'una per exemple. Aleshores, el codi ASCII serà dues vegades més llarg.

La millora més important seria poder omplir les bombolles no només al llarg de l’eix x sinó també al llarg de l’eix y. Per tant, el farciment de bombolles es faria en 2D en lloc de 1D. La forma més senzilla de fer-ho és variar l’alçada del paper bombolla, en lloc d’aixecar i baixar el motor. Això significaria no penjar la vora del suport de paper bombolla a la placa, sinó en un suport imprès en 3D. Aquest suport estaria connectat a una barra roscada, ella mateixa connectada a un motor pas a pas.

Pas 8: Problemes trobats

El principal problema que vam haver de tractar és l’electroimant. De fet, per evitar tenir un tercer motor pesat i pesat, l’electroimant semblava ser el compromís perfecte. Després d’algunes proves, la rigidesa va demostrar ser constantment massa baixa. Per tant, calia afegir una segona primavera. A més, només pot moure càrregues molt lleugeres. Es va haver de revisar la disposició dels diferents elements.

La bomba de xeringa també va ser un problema. En primer lloc, s’havia de modelar una peça que es pogués enganxar a la vareta sense fi i empènyer-la al mateix temps. En segon lloc, la distribució de la tensió era important per evitar la ruptura de la peça. A més, els dos motors pas a pas no són els mateixos: no tenen les mateixes característiques, cosa que ens va obligar a afegir un divisor de tensió. Vam haver d’utilitzar pintura a l’aigua (guaix diluït en el nostre cas), perquè una pintura massa gruixuda no passaria a l’agulla i provocaria massa pèrdua de pressió a la canonada.