Moduli Drejtues DIY Laser për Arduino: 14 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:27

Në këtë Udhëzues, unë do të demonstroj ndërtimin e një moduli drejtues me rreze lazer me një bosht të dyfishtë, me një pasqyrë, duke përdorur pjesë të printuara 3D dhe përbërës të lirë nga eBay.

Ky projekt ka ngjashmëri me Arduino Laser Show me Full XY Control dhe Arduino Laser Show With Real Galvos por besoj se është i pari që ka përdorur një dizajn të printuar 3D me solenoide të lira. Unë jam duke i vendosur të gjithë skedarët e projektimit nën GPLv3 në mënyrë që dizajni të përmirësohet dhe përmirësohet.

Megjithëse për momentin unë kam mbledhur vetëm modulin dhe kam shkruar një kod testi shumë themelor, shpresa ime është që një ditë të mund ta çoj atë në nivelin tjetër duke përfshirë kodin grafik vektor nga Tensionet Analogjike të Mëparshme të Udhëzueshme, të Shpejta nga Arduino.

Hapi 1: Mblidhni Pjesët e Shtypura Jo-3D

Asambleja lazer përbëhet nga pjesët e mëposhtme:

• 4 mikro solenoide
• Një pasqyrë 1/2 inç
• Katër vida M3

Solenoidet e veçanta që kam përdorur janë blerë në eBay për 1.45 dollarë secila. Pasqyra e rrumbullakët u gjet në korridorin e zanateve në HobbyLobby - një paketë prej 25 më kushtoi më pak se 3 dollarë. Ju gjithashtu mund të gjeni pasqyra në eBay.

Ju gjithashtu do të keni nevojë për një tregues lazer të lirë, përsëri, nga eBay. Një lazer vjollcë së bashku me një fletë vinyl që shkëlqen në errësirë është një kombinim i shkëlqyeshëm për këtë projekt!

Një grup i duarve ndihmëse nuk është i nevojshëm, por do të jetë shumë i dobishëm për mbajtjen dhe pozicionimin e treguesit lazer. Një kapëse lidhëse e madhe mund të përdoret për të mbajtur të shtypur butonin e energjisë.

Ju do të keni nevojë për një Arduino (kam përdorur një Arduino Nano) dhe një mënyrë për të drejtuar solenoidet. Siç ka deklaruar VajkF në komentet, ju mund të përdorni urën H të para-bërë si ato të bazuara në L298 ose L9110. Këto janë në dispozicion në eBay për disa dollarë dhe gjithashtu mund të përdoren për drejtimin e motorëve dhe projekteve robotike.

Meqenëse nuk kisha një urë H, unë ndërtova drejtuesin tim nga përbërës të veçantë:

• Katër transistorë bipolarë NPN (kam përdorur një MPS3704)
• Katër rezistencë (kam përdorur rezistencë 1.2k ohm)
• Katër dioda (kam përdorur një 1N4004)
• Një bateri 9V dhe lidhës baterie

Komponentët elektronikë ishin nga laboratori im, kështu që nuk kam një kosto të saktë për to, por nëse nuk i keni tashmë pjesët ose mund t'i pastroni ato, ndoshta është më kosto-efektive të përdorni një urë H të para-ndërtuar. Sidoqoftë, unë do të ofroj skemat për ndërtimin tuaj.

Hapi 2: Shtypni 3D Modulin e Drejtimit të Pasqyrës

Moduli i drejtimit me lazer përbëhet nga dy pjesë të printuara 3D: një bazë për montimin e katër solenoideve dhe një platformë të artikuluar për pasqyrën.

Unë i kam bashkangjitur dy skedarët STL për ju në printimin 3D, si dhe skedarët FreeCAD në rast se keni nevojë të modifikoni modelin. E gjithë përmbajtja është nën GPLv3, kështu që ju jeni të lirë të bëni dhe të ndani përmirësimet tuaja!

Hapi 3: Mblidhni Modulin Laser

• Përdorni zam të nxehtë për të ngjitur katër solenoidet në pjesën e poshtme.
• Përdorni zam të nxehtë për të ngjitur pasqyrën në qendër të pjesës së sipërme.
• Futni pistonët metalikë në solenoidet dhe më pas vendoseni pjesën e sipërme në shtyllat (por mos e vidhosni poshtë). Rrotulloni pjesën e sipërme pak dhe duke përdorur një vidë të vogël, ngrini çdo pistoni në pozicionin e tij. Buza e diskut duhet të rrëshqasë në brazdën në pistoni. Kini kujdes, pasi menteshat e printuara 3D janë shumë të brishta. Me durim dhe ndoshta disa përpjekje të dështuara, ju duhet të jeni në gjendje të poziciononi të katër pistonët pa u rrotulluar ose bërë presion mbi varen.
• Pasi të jenë vendosur të gjithë pistonët, futni pjesërisht vidhat M3, por para se t'i shtrëngoni ato, shtypni poshtë çdo pistoni me butësi dhe sigurohuni që pasqyra të anohet lirshëm. Nëse nuk lëviz lirshëm ose kap, mund të jetë e nevojshme të hiqni pllakën e sipërme, të hiqni një ose më shumë solenoide dhe ta lidhni përsëri në një kënd të vogël të jashtëm (vendosja e ndarësve midis tij dhe shtyllës qendrore mund të ndihmojë me këtë) Me

Hapi 4: Shtypni Jakën e Treguesit Laser

Qafa e treguesit lazer përshtatet në kokën e treguesit të lazerit. Më pas mund të përdorni një sërë duart ndihmëse për të kapur jakën dhe për t’ju lejuar të vendosni lazerin pikërisht në stolin tuaj.

Hapi 5: Mblidhni qarkun e vozitjes

Qarku i drejtimit është treguar në skemë. Siç u tha më herët, versioni im është ndërtuar nga përbërës të veçantë, por ju gjithashtu mund të përdorni një urë H të gatshme. Nëse zgjidhni të krijoni tuajin, do t'ju duhet të ndërtoni katër kopje të këtij qarku, një për secilën nga katër solenoidet.

Çdo qark do të lidhet me një kunj Arduino, dy për kontrollin e solenoidit të majtë dhe të djathtë, dhe dy për solenoidet lart e poshtë. Këto do të duhet të lidhen me kunjat e afta për PWM, si kështu:

• Pin 9: Up solenoid
• Pin 3: Solenoid poshtë
• Pin 11: Solenoidi i majtë
• Pin 10: Solenoid i djathtë

Një bateri e vetme 9V mund të përdoret për drejtimin e të katër qarqeve të drejtuesve të solenoidit ose mund të përdorni një furnizim me energji në bankë. Arduino do të mbarojë fuqinë USB dhe nuk duhet të lidhet me anën pozitive të baterisë 9V. Sidoqoftë, ana negative e baterisë përdoret si referencë në tokë dhe duhet të lidhet me kunjin GND në Arduino, si dhe kunjat e emetuesit në transistorë.

Hapi 6: Ngarko Kodin Shembull

Kodi i mostrës është përditësuar me karakteristikat e mëposhtme:

• Rregullon frekuencën PWM në mënyrë që mekanizmi të jetë pothuajse i heshtur me shpejtësi të ulët. Gumëzhima në Motion Test 1 është zhdukur plotësisht!
• Shton si ekuacione të tensionit bazuar në letrën e Schimpf në mënyrë që të "linearizojë" përgjigjen jo-lineare të solenoideve.

Kam përfshirë gjithashtu një zbatim të një tërheqës Lorenz bazuar në kodin nga ky blog.

Besnikëria e rezultateve lë shumë për të dëshiruar, por unë jam ende duke punuar në të!:)

Hapat pasues ilustrojnë disa nga teknikat e përdorura në kod.

Hapi 7: Ulja e volumit

Në Testin tim të Lëvizjes 1, ju mund të dëgjoni një gumëzhitje të fortë, veçanërisht gjatë lëvizjes lart e poshtë. Rezulton se kjo është shkaktuar nga frekuenca e paracaktuar e prerjes PWM e Arduino që ishte brenda intervalit të dëgjueshëm. Ndërrimi dhe fikja e shpejtë e tensionit të spirales do t'i bënte ata të dridheshin në atë frekuencë, duke i bërë ato në altoparlantë të vegjël të vegjël.

Për të zgjidhur këtë problem, rrita frekuencën PWM në kod:

#define PWM_FREQ_31372Hz 0x01 // Cakton frekuencën PWM në 31372.55 Hz #përcakto PWM_FREQ_3921Hz 0x02 // Cakton frekuencën PWM në 3921.16 Hz #define PWM_FREQ_980Hz 0x03 // Frekuencën PWM & 0b11111000) | frekuenca; // Vendosja e kohëmatësit1 (kunjat 9 & 10) frekuenca TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | frekuenca; // Vendosni frekuencën e kohëmatësit2 (kunjat 3 dhe 11)}

Vendosja e frekuencës Arduino PWM është një truk i dobishëm për qetësimin e solenoideve ose motorëve. Eksperimentoni me zgjedhjet e ndryshme të frekuencave për të parë se cila ju jep rezultatet më të mira. Edhe pse përfshin disa programe më të avancuara, një burim i mirë se si funksionojnë kohëmatësit është këtu.

Hapi 8: Akordimi i tensioneve për të zvogëluar shtrembërimin

Testet e mia fillestare të lëvizjes treguan se ishin shtrembërime të rëndësishme në përgjigjen e solenoideve. Në Testin e Lëvizjes 3 (figura e majtë), ajo që supozohej të ishte një spirale rrethore u bë një rrjet drejtkëndëshe me skaje të dhëmbëzuara.

Zgjidhja e këtij problemi kërkoi pak matematikë, por unë isha në gjendje të gjeja një letër të mahnitshme në internet që më ndihmoi ta kuptoja problemin mjaft mirë për ta zgjidhur atë në softuer.

Ajo që vijon ju hap përmes procesit që kam kaluar për të rregulluar sistemin dhe për të përmirësuar pamjen e gjurmëve që rezultojnë!

Hapi 9: Përsosja e Softuerit, Me Matematikë

Sekreti për rregullimin e sistemit doli të ishte një punim i shkëlqyer i quajtur "Një shpjegim i detajuar i forcës solenoide" nga Paul H. Schimpf i Universitetit të Uashingtonit Lindor (lidhje). Në veçanti, ekuacioni 17 më dha forcën solenoid në terma të ndryshëm.

Termat e mëposhtëm ishin të lehtë për tu matur:

• R - Rezistenca e solenoidit tim
• l - Gjatësia e solenoidit
• x - Zhvendosja e pistonit në solenoid
• V - Tensioni në solenoid

E dija gjithashtu se forca e nxjerrë nga solenoidi duhej të balanconte forcën nga burimet e printuara 3D në pasqyrën me bosht të dyfishtë. Forca e një burimi rregullohet nga ligji i Hooke, i cili shprehet si më poshtë:

F = -kx

Megjithëse nuk e dija vlerën e k, të paktën e dija se forca që nxora nga ekuacioni 17 nga letra e Schimpf -it duhej të ishte e barabartë me forcën nga ligji i Hooke.

Vlera e alfa (α) ishte e ndërlikuar. Megjithëse ekuacionet 13 dhe 14 treguan se si të llogariten këto vlera nga zona e solenoidit (A), numri i kthesave (N) dhe vlerave të përshkueshmërisë magnetike (μ), nuk doja të copëtoja një solenoid për të numëruar numrin e kthesave, as nuk e dija materialin nga i cili ishte bërë bërthama e solenoidit tim.

Hapi 10: Një testues i lirë i përbërësve kursen ditën

Megjithatë doli që ekuacioni 15 dhe 16 më dha atë që më duhej. Unë kisha një testues të lirë të përbërësve M328 që kisha blerë nga eBay për 10 dollarë. Ishte në gjendje ta përdorte atë për të matur induktancën e solenoidit tim dhe zbulova se duke e shtyrë armaturën në thellësi të ndryshme më dha vlera të ndryshme induksioni.

Matja e tij me armaturën e futur plotësisht më dha vlerën e L (0).

Gjatësia e solenoidit tim ishte 14 mm, kështu që mata induktancën me armaturën në pesë pozicione dhe kjo më dha vlera të ndryshme për L (x):

• L (0.0) = 19.8 mH
• L (3.5) = 17.7 mH
• L (7.0) = 11.1 mH
• L (10.5) = 9.3 mH
• L (14) = 9.1 mH

Pastaj përdor një spreadsheet për të vizatuar vlerat e mia kundrejt vlerës së ekuacionit 15 dhe 16, për një zgjedhje të veçantë të μr dhe pastaj ndryshova zgjedhjen time derisa gjeta një ndeshje të mirë. Kjo ndodhi kur μr ishte 2.9, siç tregohet në grafik.

Hapi 11: Gjeni Konstanten e Pranverës K, Zgjidhni Problemin

E vetmja e panjohur ishte K, konstanta e pranverës. E mata këtë duke aplikuar 9V në një nga solenoidet në montimin tim me bosht të dyfishtë dhe duke matur distancën në të cilën pasqyra u tërhoq poshtë. Me këto vlera, unë isha në gjendje të zgjidhja ekuacionet për K, të cilat zbulova se ishin rreth 10.41.

Tani kisha vlerat që më duheshin për të llogaritur tërheqjen e solenoidit në pozicione të ndryshme përgjatë goditjes. Duke vendosur F (x) të barabartë me forcën e pranverës nga ligji i Hooke, unë mund të zgjidh për tensionin e kërkuar V.

Grafiku tregon tensionin e kërkuar për lëvizjen e solenoidit në çdo pozicion të dëshiruar x.

Në të djathtë, ku voltazhi është zero dhe pozicioni është 3 mm, kjo korrespondon me pikën neutrale të pushimit të solenoidit kur menteshat e printuara 3D janë plotësisht të relaksuara. Lëvizja majtas në grafik korrespondon me tërheqjen e armaturës në solenoid kundër tërheqjes së menteshave të printuara 3D-kjo kërkon fillimisht më shumë tension, por ndërsa armatura futet më thellë në solenoid, tërheqja rritet dhe tensioni i kërkuar i lëvizjes zvogëlohet.

Kjo marrëdhënie është padyshim jo-lineare, por me ekuacionet nga letra e Schimpf, unë mund të shkruaj kodin tim Arduino për të nxjerrë tensionet e sakta, kështu që devijimi i rrezes është linear:

pozicioni i notimitToVoltage (noton x) {

// Rivendosja e forcës e ushtruar nga menteshat (Ligji i Hukut) në dëshirën x. const float spring_F = -spring_K * (x - spring_X0); // Tensioni i tillë që forca tërheqëse e solenoidit përputhet me // forcën rivendosëse të mentesave të kthimit sqrt (-2*R*R*(-spring_F)*solenoid_len/(a*L_0*exp (-a*x/solenoid_len))); }

Kjo çon në një spirale shumë më rrethore sesa në testin tim të lëvizjes origjinale. Misioni u realizua!

Hapi 12: Pyetje dhe përgjigje rreth qarkut të drejtuesit duke përdorur përbërës diskret

Pse nuk mund ta lidh solenoidin drejtpërdrejt me Arduino?

Ashtë një çështje se sa aktuale mund të sigurojë Arduino pa pësuar dëme. Kjo është rreth 40mA për pin. Duke ditur që Arduino funksionon në 5V, ne mund të përdorim ligjin e Ohmit për të llogaritur rezistencën minimale të kërkuar të ngarkesës (në këtë rast, solenoidi). Ndarja e 5 volt me 0.040 amper na jep, 125 ohms. Nëse ngarkesa ka një rezistencë më të madhe, ne mund ta lidhim atë drejtpërdrejt me Arduino, përndryshe nuk mundemi. Një solenoid i vogël zakonisht ka një rezistencë prej 50 Ohm, kështu që ne nuk mund ta përziejmë atë direkt nga Arduino. Nëse do ta bënim, do të tërhiqte 100mA, që është qartë shumë.

Pse përdorni 9V për solenoidin, por 5V për Arduino?

Arduino funksionon në 5V, por kjo është pak shumë për një solenoid. Përdorimi i një tranzistori na lejon të zgjedhim një tension për solenoidin i cili është i pavarur nga 5V i përdorur për Arduino.

Si mund ta di nëse një tranzistor është i përshtatshëm për këtë projekt?

Ashtu si Arduino, kërkesa kryesore është që rryma që rrjedh nëpër solenoid të mos tejkalojë vlerësimet maksimale për transistorin (në veçanti, rrymën e kolektorit). Ne lehtë mund të llogarisim skenarin më të keq duke matur rezistencën e solenoidit dhe më pas duke e ndarë tensionin e furnizimit me atë. Në rastin e një rryme furnizimi 9V për solenoidet dhe një rezistencë solenoide prej 50 ohms, skenari më i keq na vendos në 180mA. MPS3704, për shembull, vlerësohet për një rrymë kolektori maksimale prej 600 mA, e cila na jep një diferencë prej rreth 3.

Si mund të përcaktoj vlerën minimale të rezistencës për të vendosur midis daljes së Arduino dhe bazës së tranzistorit?

Prodhimi i Arduino do të lidhë këmbën bazë të tranzistorëve bipolar përmes një rezistence kufizuese aktuale. Meqenëse Arduino funksionon në 5V, ne përsëri mund të përdorim ligjin e Ohmit për të llogaritur rezistencën e kërkuar për të kufizuar rrymën nën 40mA. Kjo do të thotë, ndani 5 volt me 0.04 amper për të marrë një vlerë prej të paktën 125 ohms. Vlerat më të larta të rezistencës do të ulin rrymën, duke na dhënë kështu një diferencë edhe më të madhe sigurie.

A ka një vlerë maksimale për atë rezistencë të cilën nuk duhet ta tejkaloj?

Rezulton, po. Një transistor ka atë që njihet si fitim aktual. Për shembull, nëse fitimi është 100, do të thotë që nëse vendosim 1mA në bazë, atëherë deri në 100mA do të rrjedhin përmes ngarkesës që tranzistori po kontrollon. Nëse vendosim 1.8mA në bazë, atëherë deri në 180mA do të rrjedhë përmes ngarkesës. Meqenëse kemi llogaritur më herët se në 9V, 180mA rrjedh nëpër solenoid, atëherë një rrymë bazë prej 1.8mA është "pika e ëmbël", dhe më pak dhe solenoidi ynë nuk do të ndizet plotësisht.

Ne e dimë që Arduino nxjerr 5V dhe ne duam që 1.8mA rrymë të rrjedhë, kështu që ne përdorim ligjin e Ohmit (R = V/I) për të llogaritur rezistencën (R = V/I). 5V e ndarë me 1.8mA jep një rezistencë prej 2777 Ohm. Pra, duke pasur parasysh supozimet që bëmë, ne presim që rezistenca të jetë midis 125 dhe 2777 - zgjedhja e diçkaje si 1000 Ohms na jep një diferencë mjaft të mirë sigurie në çdo mënyrë.

Hapi 13: Analiza e problemeve aktuale dhe zgjidhjeve të mundshme

Prototipi aktual tregon potencial, por mbeten disa probleme:

1. Lëvizja përgjatë boshtit X dhe Y nuk duket të jetë pingul.
2. Ka një kërcim kur pasqyra ndryshon drejtim.
3. Rezolucioni është mjaft i ulët dhe ka modele të dukshme të shkallëve.
4. Me shpejtësi më të madhe të lëvizjes, rruga e lazerit shtrembërohet nga dridhjet dhe zilja.

Çështja 1) mund të shkaktohet nga dizajni i menteshave fleksibël të printuar në 3D të cilët transmetojnë lëvizje përgjatë një aksi në boshtin pingul.

Çështja 2) është për shkak të ngadalësimit në bashkimin midis pistoneve lëvizës dhe platformës së pasqyrës, kjo bën që pasqyra të kërcejë dhe të kalojë në kalimet midis boshtit X dhe Y. Kjo lëvizje e papritur çon në një hendek të errët në formë X, ku pika lazer po bën një lëvizje më të shpejtë të pakontrolluar.

Çështja 3) ndodh sepse Arduino PWM e paracaktuar ka vetëm 255 nivele dhe shumë prej tyre humbasin për shkak të formës së kurbës së tensionit. Kjo mund të përmirësohet ndjeshëm nga përdorimi i timer1, i cili është 16-bit dhe do të jetë i aftë për 65536 vlera unike.

Çështja 4) ndodh sepse pasqyra dhe armatura rrëshqitëse e solenoidit (pistonët) përbëjnë një sasi të konsiderueshme të masës lëvizëse.

Meqenëse çështjet 1) dhe 2) lidhen me modelin mekanik, një mundësi mund të jetë heqja e pistoneve metalikë dhe zëvendësimi i tyre me magnete të vegjël të rrallë të tokës të ngjitur drejtpërdrejt në pllakën e pjerrësisë. Solenoidet do të ishin një spirale e hapur që do të tërhiqte ose zmbrapste magnetët pa bërë kontakt fizik. Kjo do të çonte në lëvizje më të butë dhe do të eliminonte mundësinë e kërcitjes, duke zvogëluar masën totale.

Reduktimi i masës është zgjidhja kryesore për çështjen 4), por çdo problem i mbetur mund të synohet drejtpërdrejt në softuer duke zbatuar një profil të kontrollit të lëvizjes në softuer për të përshpejtuar dhe ngadalësuar pasqyrën në mënyrë të kontrolluar. Kjo tashmë është bërë gjerësisht në firmware -in e printerit 3D dhe metoda të ngjashme mund të funksionojnë edhe këtu. Këtu janë disa burime që lidhen me kontrollin e lëvizjes siç zbatohet për printerët 3D:

• "Matematika e profileve të kontrollit të lëvizjes", Chuck Lewin (lidhje)
• "Lëvizja e kontrolluar nga ngacmimi shpjegohet", (lidhja)

Unë dyshoj se shtimi i një profili trapezoidal të kontrollit të lëvizjes do të lejonte që pasqyra të drejtohej me shpejtësi shumë më të larta pa zhurmë ose objekte dridhjeje.

Hapi 14: Puna në të ardhmen dhe Aplikimet e Mundshme

Edhe pse zhvillimi i zgjidhjeve për këto probleme do të marrë një punë të konsiderueshme, unë shpresoj se ky modul drejtues me rreze me burim të hapur mund të bëhet një alternativë e përballueshme për projektet e bazuara në galvanometër në aplikime të tilla si:

• Një shfaqje lazer e lirë për DJ dhe VJ.
• Një ekran vektor elektro-mekanik për një lojë arcade të cilësisë së mirë siç është Vectrex.
• Një printer SLA 3D i tipit rrëshirë DIY që në frymën e lëvizjes RepRap, mund të printojë modulin e vet të drejtimit me lazer.
• Paning dixhital ose stabilizim optik i imazhit për kamerat.

Çmimi i dytë në Konkursin Arduino 2017