Afegir un tacòmetre òptic basat en Arduino a un router CNC: 34 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Construïu un indicador òptic de RPM per al vostre encaminador CNC amb un Arduino Nano, un sensor de fotodiode IR LED / IR i una pantalla OLED per menys de 30 dòlars. Em vaig inspirar en Measure RPM: tacòmetre òptic instructable d’eletro18 i volia afegir un tacòmetre al meu encaminador CNC. Vaig simplificar el circuit del sensor, vaig dissenyar un suport personalitzat imprès en 3D per al meu encaminador CNC Sienci. Després vaig escriure un esbós Arduino per mostrar tant un dial digital com analògic en una pantalla OLED

Unes quantes parts simples i un parell d’hores del vostre temps i podeu afegir una pantalla digital i analògica de RPM al vostre encaminador CNC.

Aquí teniu la llista de peces disponibles per a l’enviament de dos dies. Probablement podeu obtenir les parts per menys si esteu disposat a esperar més temps.

Llista de peces

6,99 dòlars Arduino Nano

Fotodiode IR LED / IR de 5,99 $ (5 parells)

Pantalla OLED de 7,99 $ 0,96 groc / blau I2C

4,99 $ cables de pont

1,00 dòlars Filferro de tres fils de 75 polzades (30 polzades). Es pot comprar a la botiga local de subministraments per a la llar (Home Depot, Lowes) a la secció de compra a peu

0,05 $ resistència de 220 ohm (6,99 $ si voleu 750 resistències variades)

0,50 $ Tubs termorretractables (5,99 $ si voleu un assortiment complet)

Suports impresos en 3D

ID Arduino (gratuït)

Nota: inicialment vaig afegir un condensador de 0,01 μF després d’haver assegurat tots els cables i notar alguns valors de RPM erràtics quan el CNC es movia. El condensador funcionava bé per a RPM inferiors a <20 K, però va suavitzar massa el senyal per a qualsevol cosa superior. Vaig fer un seguiment del soroll fins a alimentar el Nano i mostrar-lo directament des del blindatge CNC. Un subministrament separat funciona per a tots els RPM. He deixat els passos per ara, però hauríeu d'utilitzar una font d'alimentació USB independent.

Pas 1: imprimiu el suport 3D

Imprimiu el suport 3D per mantenir el LED IR i els fotodíodes IR. Els fitxers 3D són aquí i a Thingiverse.

www.thingiverse.com/thing:2765271

Per al Sienci Mill, el suport angular s’utilitza per muntar el sensor a les barres angulars d’alumini, però el suport pla pot ser millor per al vostre projecte.

Pas 2: Opcionalment, imprimiu en 3D el suport de la pantalla OLED i el recinte electrònic

Decideixo connectar l’OLED a un suport de pantalla en angle que he cargolat a la part superior d’un gabinet Sienci Electronics.

Aquests són els enllaços a les parts impreses en 3D que he utilitzat.

Sienci Electronics Enclosure 3D Part

Suport de muntatge de pantalla OLED de 0,96"

El recinte era un lloc agradable per muntar el suport de la pantalla OLED i subjecta molt bé l’Arduino Nano, a més, s’adapta a la part posterior del molí Sienci. He perforat un parell de forats a la part superior del recinte per fixar el suport OLED.

També he perforat un parell de forats a la part inferior per fer passar una petita corbata amb cremallera per fixar fermament l’arnès de filferro

Pas 3: creeu el conjunt del cable del sensor IR

El cable de 3 conductors s’utilitzarà per connectar el sensor. Un cable serà un punt comú tant per al LED IR com per al fotodiode IR, i cadascun dels altres dos anirà al seu component respectiu.

Pas 4: afegiu una resistència de limitació de corrent per al LED IR

El LED IR requereix una resistència de limitació de corrent. La forma més senzilla és incorporar la resistència al conjunt del cable.

Doblegueu les puntes de cadascuna en forma d’U i entrellaqueu-les. Crimpar amb unes alicates i soldar-les juntes.

Pas 5: Empalmeu els cables del pont

Podeu empalmar cables de pont per connectar-los als pins de capçalera Arduino.

Talla un tros de tub termoencongible i fes lliscar el cable abans de connectar-los.

Feu lliscar el tub de contracció de calor cap enrere sobre la connexió (o la resistència sencera) i reduïu-lo fent servir una pistola de calor o fent passar una flama ràpidament sobre el tub fins que es redueixi. Si feu servir una flama, mantingueu-la en moviment ràpidament o es pot començar a fondre.

Pas 6: determineu el LED d’IR i els cables de fotodiode

Tant el LED IR com el fotodiode IR tenen un aspecte similar, cadascun amb un cable llarg (ànode o positiu) i un cable curt (càtode o negatiu).

Pas 7: Inseriu díodes al suport

Agafeu el LED IR (díode transparent) i inseriu-lo en un dels forats del suport del LED. Gireu el LED de manera que el cable llarg quedi a l'exterior. A la foto, podeu veure el LED clar al forat superior amb el seu llarg cable a la part superior.

Agafeu el fotodiode IR (díode fosc) i introduïu-lo a l’altre forat. Gireu el fotodiode de manera que el seu llarg cable quedi al centre.

Com es mostra a la foto, el cable curt del LED i el cable llarg del fotodiode estaran al centre. Aquests dos cables s’uneixen a un cable comú de tornada a l’arduino. (Consulteu les notes tècniques al final si voleu més detalls)

Agafeu un petit tros de filament de 1,75 i inseriu-lo darrere dels díodes. Això bloquejarà els díodes al seu lloc i evitarà que giren o surtin.

Vaig passar per diverses iteracions de dissenys abans de decidir-me per aquest. Tenir els díodes enlairats una mica va millorar molt la tolerància en alinear-lo amb la rosca.

Pas 8: fusioneu el filament de bloqueig amb el suport

Voldreu retallar el filament de bloqueig a una mica més de l’amplada del suport.

Escalfeu un clau durant uns segons en un torn o subjectant-lo amb unes alicates.

Pas 9: premeu els extrems del filament contra el cap d'ungla escalfat

Mantingueu el dit a l'extrem oposat del filament i premeu per fondre i fusionar el passador de bloqueig al suport.

Pas 10: Suport de díode acabat

Rentat i net

Pas 11: connecteu el cablejat als díodes

Retalleu el cable al llarg de la vostra aplicació. Per al Sienci Mill, necessitareu aproximadament 30 polzades (~ 75 cm) en total (cable + ponts) i us deixarà anar el router.

Doblegueu el filferro i les puntes de plom en forma d’U per entrellaçar-les i facilitar la soldadura.

Prengui una mica de tubs termoencongibles i retalleu dues peces curtes i dues peces una mica més llargues. Feu lliscar les peces més curtes sobre els cables externs del díode. Feu lliscar les peces més llargues sobre els dos cables centrals.

Tenir dues longituds diferents compensa les juntes d’empalmament i compensa les juntes més gruixudes de manera que es redueix el diàmetre del cablejat. També evita qualsevol curtmetratge entre els diferents empalmes de filferro

Talleu tres trossos de tubs termoretràctils de diàmetre lleugerament superior i col·loqueu-los sobre cadascun dels tres cables del cablejat.

És important assegurar-se que hi hagi una petita bretxa entre els extrems de la canonada de contracció de calor dels cables i el punt d’empalmament. Els cables s’escalfaran i, si el tub de contracció de calor està massa a prop, començaran a reduir-se al final, fent-los massa petits per lliscar sobre la junta.

Pas 12: assegureu-vos que el cable amb la resistència estigui connectat al cable llarg del LED IR

La resistència de limitació de corrent (220 ohm) integrada al cablejat ha de connectar-se al cable llarg (ànode) del LED d’IR clar. El cable que connecta els dos cables comuns es connectarà a terra, de manera que és possible que vulgueu utilitzar un cable negre o nu per a aquesta connexió.

Soldeu les connexions per fer-les permanents.

Pas 13: reduïu la canonada termoretractora

Després de soldar les juntes, primer utilitzeu un llumí o encenedor per reduir la canonada dels cables del díode. Primer, moveu els tubs de contracció de calor dels cables el més lluny possible de la calor.

Mantingueu la flama en moviment ràpidament a mesura que es redueix i gireu per obtenir tots els costats per igual. No demoreu, ja que els tubs es fondran en lloc de reduir-se.

Després de reduir els cables del díode, feu lliscar els tubs de contracció tèrmica lleugerament més grans dels cables, sobre les juntes i repetiu la contracció.

Pas 14: prepareu el bloc de muntatge

En funció de la vostra aplicació, trieu el bloc de muntatge que s’adapti a la vostra aplicació. Per al molí des de llavors, seleccioneu el bloc de muntatge en angle.

Agafeu una rosca M2 i un cargol M2. Cargoleu la femella amb prou feines a l'extrem del cargol.

Gireu el bloc de muntatge i proveu que la rosca M2 es posi al forat.

Traieu i escalfeu lleugerament la femella amb un llumí o una flama i, a continuació, introduïu-la ràpidament a la part posterior del bloc de muntatge.

Descargoleu el cargol deixant la femella incrustada al bloc de muntatge de plàstic. Per obtenir una mica de força addicional, apliqueu una gota de súper cola a la vora de la femella per fixar-la de manera segura al bloc.

Pas 15: assegureu-vos que el cargol M2 tingui la longitud adequada

Assegureu-vos que el cargol no sigui massa llarg o que el sensor no s’estrenyi al bloc de muntatge. Per al bloc de muntatge en angle, assegureu-vos que el cargol M2 sigui 9 mm o una mica més curt.

Pas 16: connecteu el bloc de muntatge al router CNC

Per al molí Sienci, fixeu el bloc de muntatge angular a la part inferior de l’interior del carril Z amb un parell de gotes de súper cola.

Pas 17: connecteu el sensor al bloc de muntatge

Col·loqueu el braç ajustable al bloc de muntatge

Introduïu el cargol M2 amb una arandela per la ranura del braç de muntatge ajustable i cargoleu-lo a la femella.

Feu lliscar el braç ajustable fins que el LED i els fotodíodes siguin uniformes amb la rosca de la pinça

Estreny el cargol

Pas 18: Afegiu cinta reflectant a un costat de la femella

Utilitzeu una petita tira de cinta d’alumini (que s’utilitza per als conductes del forn) i poseu-la a una faceta de la femella. Aquesta cinta reflectant permetrà al sensor òptic IR captar una única volta del fus.

Pas 19: assegureu-vos que la cinta reflectant no vagi per sobre de la vora a les facetes adjacents

La cinta ha d'estar només a un costat de la rosca. La cinta és prou fina i lleugera perquè no interfereixi amb la clau per canviar els molins finals o afectar l'equilibri del fus.

Pas 20: passeu el cable del sensor per l'interior del carril Z

Feu servir les tires de la cinta adhesiva d’alumini per fixar el cable a l’interior del carril Z. El millor és fer passar la cinta a prop de la vora del carril angular per netejar el conjunt de rosca de cargol.

Pas 21: connecteu el sensor a l'Arduino Nano

Connecteu els cables a l'Arduino de la següent manera:

• LED IR (amb resistència integrada) -> Pin D3
• Fotodiode IR -> Pin D2
• Cable comú -> Pin GND

Pas 22: connecteu els cables de pont a la pantalla OLED

Traieu un conjunt de cables de pont de 4 fils

Connecteu els cables als 4 pins de la interfície I2C:

• VCC
• GND
• SCL
• SDA

Pas 23: connecteu la pantalla OLED a l'Arduino

Connecteu els cables del pont als següents pins. Nota: Aquests cables no s’adhereixen a tots els pins adjacents ni en el mateix ordre.

• VCC -> Pin 5V
• GND -> Pin GND
• SCL -> Pin A5
• SDA -> Pin A4

Pas 24: connecteu la pantalla OLED al seu suport

Amb els suports que heu imprès anteriorment, poseu la pantalla OLED al seu suport

A continuació, connecteu la pantalla al marc CNC.

Pas 25: prepareu l'IDE d'Arduino per carregar l'Arduino Sketch

Un programa per a un Arduino s’anomena croquis. L’entorn de desenvolupament integrat (IDE) per a Arduinos és gratuït i s’ha d’utilitzar per carregar el programa per detectar el sensor i mostrar el RPM.

Si encara no el teniu, aquí teniu un enllaç per descarregar l’IDE Arduino. Trieu la versió 1.8.5 o superior que es pot descarregar.

Pas 26: afegiu les biblioteques OLED necessàries

Per executar la pantalla OLED, necessitareu un parell de biblioteques addicionals, la biblioteca Adafruit_SSD1306 i la biblioteca Adafruit-GFX. Les dues biblioteques són gratuïtes i estan disponibles a través dels enllaços proporcionats. Seguiu el tutorial d'Adafruit sobre com instal·lar les biblioteques del vostre ordinador.

Un cop instal·lades les biblioteques, estaran disponibles per a qualsevol croquis Arduino que creeu.

Les biblioteques Wire.h i Math.h són estàndard i s’inclouen automàticament a la instal·lació de l’IDE.

Pas 27: connecteu l'Arduino a l'ordinador

Amb un cable USB estàndard, connecteu l'Arduino Nano a l'ordinador amb l'IDE Arduino.

1. Inicieu l'IDE
2. Al menú Eines, seleccioneu Tauler | Arduino Nano
3. Al menú Eines, seleccioneu Port |

Ara ja esteu a punt per carregar l'esbós, compilar-lo i penjar-lo al Nano

Pas 28: descarregueu l'Arduino Sketch

S'adjunta el codi Arduino Sketch i també està disponible a la meva pàgina de GitHub, on es publicaran futures millores.

Baixeu-vos el fitxer OpticalTachometerOledDisplay.ino i col·loqueu-lo en un directori de treball amb el mateix nom (menys el.ino).

A l’IDE Arduino, trieu Fitxer | Obre …

Aneu al directori de treball

Obriu el fitxer OpticalTachometerOledDisplay.ino.ino.

Pas 29: Compileu l'esbós

Feu clic al botó "Comprova" o trieu Esbós | Verifiqueu / Compileu des del menú per compilar l'esbós.

Hauríeu de veure l'àrea de compilació a la part inferior, amb una barra d'estat. En pocs segons es mostrarà el missatge "Compilació feta" i algunes estadístiques sobre la quantitat de memòria que ocupa l'esbós. No us preocupeu pel missatge "Hi ha poca memòria disponible", ja que no afecta res. La biblioteca GFX utilitza la major part de la memòria necessària per dibuixar els tipus de lletra a la pantalla OLED i no l’esbós real.

Si veieu alguns errors, és probable que siguin el resultat de la falta de biblioteques o de problemes de configuració. Comproveu que les biblioteques s'han copiat al directori correcte per a l'IDE.

Si això no soluciona el problema, consulteu les instruccions sobre com instal·lar una biblioteca i torneu-ho a provar.

Pas 30: pengeu a Nano

Premeu el botó "Fletxa" o trieu Esbós | Pengeu des del menú per compilar i penjar l'esbós.

Veureu el mateix missatge "Compilació..", seguit d'un missatge "Carregant.." i, finalment, un missatge "Fet carregant". L'Arduino comença a executar el programa tan aviat com s'hagi completat la càrrega o tan aviat com s'apliqui l'alimentació.

En aquest moment, la pantalla OLED hauria de cobrar vida amb una pantalla RPM: 0 amb el dial a zero.

Si heu tornat a unir l’encaminador, podeu encendre l’interruptor i veure que la pantalla llegeix el RPM mentre ajusteu la velocitat.

Enhorabona!

Pas 31: utilitzeu una font d'alimentació dedicada

NOTA: Aquesta va ser la font del soroll del senyal que va provocar la visualització erràtica de RPM. Estic investigant posar alguns taps de filtre als ponts de potència, però ara per ara haureu d’alimentar-lo mitjançant un cable USB separat.

Podeu executar la pantalla connectada a l'ordinador amb el cable USB, però finalment voldreu una font d'alimentació dedicada.

Teniu un parell d’opcions, podeu obtenir un carregador de paret USB estàndard i executar l’Arduino.

O podeu executar l’Arduino directament des de l’electrònica del vostre encaminador CNC. La pantalla Arduino / OLED només dibuixa 0,04 amperes, de manera que no sobrecarregarà l’electrònica existent.

Si teniu electrònica Arduino / CNC Router Shield (com el Sienci Mill), podeu utilitzar un parell de pins no utilitzats per aprofitar els 5 volts de potència necessaris.

A la part superior esquerra del blindatge del router CNC, podeu veure que hi ha un parell de pins no utilitzats etiquetats 5V / GND. Connecteu un parell de cables de pont a aquests dos pins.

Pas 32: connecteu l'Arduino als Power Jumpers

Això és fàcil, però no tan ben etiquetat.

A l'Arduino Nano, hi ha un conjunt de 6 pins al final de la placa. No estan etiquetats, però he inclòs el diagrama de pin out i es pot veure que els dos pins externs més propers als LED indicadors tenen l'etiqueta GND i 5V al diagrama.

Connecteu el pont des del pin de 5 V a l’escut CNC al pin més proper a l’etiquetat VIN (no el connecteu a VIN, sinó al pin de cantonada interior del grup de 6 pins). VIN serveix per alimentar el Nano amb una potència de 7V-12V.

Connecteu el pont des del pin GND al blindatge CNC al pin més proper al pin TX1.

Ara, quan activeu l'electrònica del router CNC, també apareixerà la pantalla OLED RPM.

Pas 33: Notes tècniques sobre el circuit

El circuit del sensor utilitza un parell de fotodíode IR LED / IR.

El LED IR funciona com qualsevol LED normal. El cable positiu (el més llarg o ànode) està connectat a tensió positiva. En un Arduino Nano, és un pin de sortida configurat a HIGH. El cable negatiu (més curt o càtode) està connectat a terra per completar el circuit. Com que els LED són sensibles a massa corrent, es col·loca una resistència petita en sèrie amb el LED per limitar la quantitat de corrent. Aquesta resistència pot estar a qualsevol punt del circuit, però té molt de sentit col·locar-la al costat positiu del circuit, ja que el cable negatiu comparteix una connexió a terra amb el fotodiode.

El fotodiode IR es comporta com qualsevol altre díode (inclosos els LED de díodes emissors de llum), ja que només condueixen l'electricitat en una direcció, bloquejant l'electricitat en la direcció oposada. Per això, és important que la polaritat sigui correcta perquè funcionin els LED.

La diferència important amb els fotodíodes és que quan detecten la llum, els fotodíodes permetran que l’electricitat flueixi de qualsevol manera. Aquesta propietat s’utilitza per fabricar un detector de llum (en aquest cas, llum infraroja o IR). El fotodiode IR està connectat en una polaritat oposada (anomenada polarització inversa) amb el positiu 5V del pin Arduino connectat al cable negatiu del fotodiode i el cable positiu es connecta a terra mitjançant un cable comú juntament amb el LED IR.

Sense llum IR, el fotodiode IR bloqueja l'electricitat, permetent que el pin Arduino amb la seva resistència de tracció interna estigui en estat HIGH. Quan el fotodiode IR detecta llum IR, permet que l’electricitat flueixi, posant a terra el pin i fent que el valor HIGH del pin del fotodiode caigui cap a terra provocant una vora FALLING que l’Arduino pot detectar.

Aquest canvi d'estat al pin Arduino s'utilitza a l'esbós per comptar les revolucions.

La tira de cinta d’alumini de la rosca de pinça reflecteix la llum IR des del LED IR sempre encès al fotodiode IR cada vegada que gira més enllà del sensor.

Pas 34: notes tècniques sobre l'esbós d'Arduino

L’esbós d’Arduino condueix la pantalla OLED i reacciona simultàniament al sensor de fotodiode IR LED / IR.

Sketch inicialitza la pantalla OLED a través del protocol I2C (Circuit inter-integrat). Aquest protocol permet que diverses pantalles / sensors comparteixin una connexió i pugui llegir o escriure en un dispositiu connectat específic amb un mínim de cables (4). Aquesta connexió redueix el nombre de connexions entre l'Arduino i la pantalla OLED.

A continuació, s'encén el LED IR configurant el pin ALTA proporcionant els 5V necessaris per al LED.

Adjunta una funció d'interrupció a un pin que es diu quan detecta un canvi en l'estat d'aquest pin. En aquest cas, es crida a la funció incrementRevolution () cada vegada que es detecta una vora FALLING al pin 2.

Una funció d'interrupció fa exactament el que implica, interromp tot el que s'està fent actualment, executa la funció i després reprèn l'acció exactament allà on es va interrompre. Les funcions d'interrupció han de ser el més curtes possibles, en aquest cas només n'afegeix una a una variable de comptador. El petit Arduino Nano funciona a 16Mhz, 16 milions de cicles per segon, prou ràpid com per suportar la interrupció de 30.000 RPM, que és només de 500 revolucions per segon.

La funció Loop () és la funció d'acció principal per a qualsevol croquis d'Arduino. Es crida contínuament, una vegada i una altra, sempre que l'Arduino tingui energia. Obté el temps actual, comprova si ha passat un interval especificat (1/4 de segon = 250 mil·lisegons). Si és així, crida a la funció updateDisplay () per mostrar el nou valor RPM.

La funció de bucle també apagarà la pantalla al cap d’1 minut i apagarà la pantalla al cap de 2 minuts, totalment configurable al codi.

Les funcions updateDisplay () criden la funció calculateRpm (). Aquesta funció pren el recompte de revolucions que la funció d'interrupció ha anat augmentant constantment i calcula la RPM determinant la velocitat de revolucions per interval de temps i extrapolant-la al nombre de revolucions per minut.

Mostra el valor numèric i utilitza alguns trigs de secundària per dibuixar un dial analògic i el braç indicador per reflectir els mateixos valors.

Les constants a la part superior de l'esbós es poden modificar, si voleu un dial RPM amb valors majors i menors diferents.

També es poden modificar l'interval d'actualització i l'interval mitjà.