Bubble Wrap Painter - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Als onderdeel van onze "Mechatronica 1 - MECA-Y403" Master 1 cursus aan de ULB, werden we gevraagd om een robot te ontwerpen die een specifieke functie vervult en om een website te creëren die het ontwerp van de robot samenvat, te beginnen met de materiaalkeuze, de modellering, de realisatie en de code waardoor het hele systeem werkt. De hele groep koos er unaniem voor om de robot "Bubble Wrap Painter" te realiseren.

De "Bubble Wrap Painter" is een apparaat dat verf kan injecteren in sommige bellen van de noppenfolie van een spanningsregeling die door de computer wordt geleverd. Aanvankelijk moest de robot de vloeistof in een 2D-vlak kunnen injecteren om een spottekening te kunnen maken. Om economische en praktische redenen heeft de groep zich echter teruggetrokken om verf te injecteren op een 1D-traject. De robot werkt als volgt: een wormschroefsysteem wordt gebruikt om de plunjer van een injectiespuit die aanvankelijk met verf is gevuld, in te drukken. De spuit is verbonden met een flexibele polypropyleen buis waarmee de verf naar een metalen punt kan worden geleid die aan de mobiele module is bevestigd. Deze module is in staat om langs een horizontale as te schuiven, wederom door middel van een wormsysteem. De punt daarentegen is bevestigd aan een lineaire elektromagneet die ook aan de mobiele module is bevestigd. De elektromagneet wordt gebruikt om de noppenfolie vast op een verticale plaat te prikken. Zodra de bel is doorboord, wordt de verf erin gespoten enzovoort.

Stap 1: Beschrijving van onderdelen en gereedschappen

AANKOOP

2 balkkoppelingen 5 mm tot 6 mm

1 spuit van 10 ml (7,5 cm lang)

1 buis in flexibel polypropyleen met een diameter van 4mm

1 naald met zijn veiligheidskapje

Gouache verdund met water

2 draadstangen: diameter 6 mm en 18,5 cm lang

2 gladde staven van 8 mm diameter en 21 cm lang

2 gladde staven van 8 mm diameter en 10 cm lang

Bubbeltjesplastic

ELEKTRONICA

1 breadboard

1 arduino

1 stappenmotor

1 stappenmotor RS PRO Hybrid, permanente magneet Stappenmotor 1,8°, 0,22 Nm, 2,8 V, 1,33 A, 4 draden

2 microschakelaar V-156-1C25

1 elektromagneet ZYE1-0530

Stroomvoorziening

2 banaanstekkers

45 jumperdraden

6 geleidende kabels

Diode 1N4007

Transistor IRF5402

3 weerstanden 4, 7 kohm

2 DRV8825-stuurprogramma's

1 drukknopschakelaar

SCHROEF, MOEREN EN BEVESTIGINGEN

42 schroeven M3 16 mm lang

4 schroef M3 10 mm lang

4 schroeven M4 16 mm lang

2 schroeven M2, 5 16 mm lang

52 bijbehorende noten

2 stalen onderlegring M3

GEBRUIKTE GEREEDSCHAP

Laser snij machine

3D-printer (Ultimaker 2 of Prusa)

Schroevendraaier

Stap 2: CAD-bestanden

LASERSNIJDEN met een dikte van 3 mm

-steunplaten

-ondersteuning voor het optillen van de schakelaar

-bewegende steun voor de naald

-bellen houder

-4 verhogingssteun

3D PRINTEN

-ondersteuning voor de motor

-ondersteun de draadstang

-injectiepomp

-steun voor de naald

-steun voor de spuit

Stap 3: Montage

Om te beginnen ontwierpen we een houten basis bestaande uit 3 verschillende elementen: een bodemplaat, een verticale plaat en een driehoekige plaat om alles bij elkaar te houden.

Je kunt op de afbeelding zien dat de verschillende platen herhaalde T-vormige patronen hebben. Deze patronen worden gebruikt om de assemblage te fixeren en de basis robuust te maken. De twee schakelaars worden op de piston en op de mobiele module geplaatst. Hierdoor kan respectievelijk een referentie worden gegeven over de maximale uitzetting van de zuiger en een referentie over de uiterst rechtse positie van de mobiele module.

Daarnaast worden de stappenmotoren met vier schroeven vastgezet op een drager die met een 3D-printer is gemaakt. Op deze steun maken twee loodrechte gaten de bevestiging aan de verticale plaat mogelijk. De draadstangen die zijn verbonden met de twee rotatie-assen van de motoren en de vier gladde staven worden vastgehouden door extra steunen die zich aan de antipode van de motoren bevinden. Daarnaast worden connectoren gebruikt om de draadstang aan de rotatie-as van de stappenmotoren te bevestigen.

De spuit zit ook vast met een beugel die op de horizontale plaat wordt geschroefd. De plunjer kan worden ingedrukt door middel van een trapeziumvormig stuk dat tijdens het draaien langs de draadstang loopt. Dit onderdeel heeft aan de binnenkant een gat dat is voorzien van een moer. Deze moer laat het trapeziumvormige deel bewegen.

De buis wordt op de spuit aangesloten door deze eenvoudig in het uiteinde van de spuit te steken. Het andere uiteinde van de buis zit vast in de ring van een klein wit PLA-stukje. De metalen punt die oorspronkelijk deel uitmaakte van de spuit, is ook op het uiteinde van de buis geklikt. We hebben de spuitdop aan de naald toegevoegd om de diameter van het witte stuk beter te vullen. De dop heeft een gat aan het uiteinde waar de naaldpunt doorheen kan. Dit kleine witte deel wordt met twee schroeven op de schuifplaat van de mobiele module geschroefd.

De mobiele module bestaat uit een set houten onderdelen die op dezelfde manier zijn bevestigd als de platen waaruit de basis bestaat. De module vormt een doos met drie gaten om de twee gladde staven en de draadstang op te nemen. In deze doos zitten twee moeren waarmee de module kan worden verplaatst. De bovenplaat van de module schuift langs twee gladde staven. In het interne midden van de module daar houdt een vaste plaat de lineaire elektromagneet. Hierdoor kan de schuifplaat lineaire bewegingen heen en weer maken.

Er zijn twee houten beugels waarmee twee geperforeerde tongen rechtstreeks op de verticale plaat kunnen worden bevestigd met behulp van ringen die worden geblokkeerd door de schroeven. Deze twee lipjes klemmen een strook noppenfolie in hun midden. Het bubbelpapier bevat hier zeven bubbels die overeenkomen met de 7 bits die door de computer zijn gecodeerd.

Aan de andere kant van de verticale plaat bevinden zich de PCB en de arduino. De print wordt op de horizontale plaat gelijmd door middel van een in eerste instantie aanwezig lijmsysteem en de arduino wordt op de bodemplaat geschroefd. Daarnaast is er een resistieve verdeler aangesloten op de print die op het houten driehoekige deel wordt geschroefd. (FOTO: achterkant van het systeem)

*Elk van de schroeven die deel uitmaken van het systeem wordt verstevigd door geschikte bouten.

Stap 4: Elektronica en sensoren

We moeten de positie van de bovenste stappenmotor weten wanneer de noppenfolieschilder wordt gestart om de exacte posities van de bubbels te bereiken. Dit is het doel van de eerste omschakeling. Elke keer dat het apparaat een lijn trekt, draait de motor totdat de schakelaar van status verandert.

We hebben nog een schakelaar nodig om te weten wanneer de stepper die op de spuit drukt het einde van de zuiger heeft bereikt. De tweede schakelaar wordt gebruikt om het systeem te stoppen wanneer de spuit leeg is. Een derde optionele schakelaar kan het schilderen voortzetten wanneer de spuit is gevuld. Deze schakelaars gebruiken lage spanningen en kunnen direct worden gevoed door de arduino. De twee stappenmotoren en de magneet hebben meer vermogen nodig en worden gevoed door een stroomgenerator die 12V en 1A levert. Twee DRV8825 stappenmotordrivers zetten de signalen van de arduino om in een stroom voor de motoren. Deze stuurprogramma's moeten worden gekalibreerd. De kalibratie wordt gedaan door één stepper met constante snelheid te laten draaien en de schroef van de aandrijving aan te passen totdat het koppel voldoende is om de naald en de steun soepel te bewegen. Het laatste element is de elektromagneet. Eén pull-down-weerstand wordt gebruikt om de mosfet te resetten wanneer er geen stroom door de Arduino wordt verzonden. Om de overige elektronische onderdelen te beschermen, is er ook een flyback-diode aan de elektromagneet toegevoegd. De mosfet schakelt de magneet tussen hoge en lage toestanden.

Stap 5: Python-code

Voor de communicatie tussen de computer en de arduino met behulp van python hebben we ons gebaseerd op de codes op dit forum:

Om de stappenmotor te besturen, was deze site erg nuttig: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ En om de basis van Arduino te begrijpen, was het 'arduino projects book' ook erg behulpzaam. Er zijn twee delen van de code: de eerste is een python-code die een letter in de ascii-binaire code converteert en deze beetje bij beetje naar de arduino stuurt, en de tweede is een arduino-code die in de bijbehorende bubbels schopt. Het volgende stroomschema legt het principe van de arduino-code uit:

Stap 6: Video

Het werkproject!

Stap 7: Verbeteringen

Het project kan op verschillende manieren verbeterd worden. Ten eerste kan het aantal bellen op een lijn eenvoudig worden vergroot. Dit kan door langere binaire codes te nemen, bijvoorbeeld door twee letters bij de invoer te schrijven in plaats van één. De ASCII-code wordt dan twee keer langer.

De belangrijkste verbetering zou zijn om de bellen niet alleen langs de x-as maar ook langs de y-as te kunnen vullen. Het vullen van bellen zou daarom in 2D gebeuren in plaats van in 1D. De eenvoudigste manier om dit te doen, is door de hoogte van het bellenpapier te variëren, in plaats van de motor omhoog en omlaag te brengen. Dit zou betekenen dat de rand van de bubbelpapierhouder niet op de plaat wordt gehangen, maar op een 3D-geprinte drager. Deze steun zou zijn verbonden met een draadstang, zelf verbonden met een stappenmotor.

Stap 8: ondervonden problemen

Het grootste probleem waarmee we te maken hadden, was de elektromagneet. Om een omslachtige en zware derde motor te vermijden, leek de elektromagneet inderdaad het perfecte compromis. Na wat testen bleek de stijfheid constant te laag te zijn. Er moest dus een tweede veer worden toegevoegd. Bovendien kan hij alleen zeer lichte lasten verplaatsen. De opstelling van de verschillende elementen moest worden herzien.

De spuitpomp was ook een probleem. Eerst moest er een onderdeel worden gemodelleerd dat aan de eindloze staaf kon worden gehaakt en tegelijkertijd op de plunjer kon worden gedrukt. Ten tweede was de spanningsverdeling belangrijk om breuk van het onderdeel te voorkomen. Bovendien zijn de 2 stappenmotoren niet hetzelfde: ze hebben niet dezelfde eigenschappen, wat ons dwong om een spanningsdeler toe te voegen. We moesten waterverf gebruiken (in ons geval verdunde plakkaatverf), omdat een te dikke verf niet in de naald zou passen en te veel drukverlies in de leiding zou veroorzaken.