Robotický dávkovač vlákien pre Arduino: 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Prečo motorový nástroj

Vlákno 3D tlačiarne - zvyčajne takmer robustné - je ťahané extrudérom, zatiaľ čo kotúč je umiestnený v blízkosti tlačiarne, pričom sa dá voľne otáčať. Pozoroval som zmysluplné rozdiely v správaní materiálu v závislosti od úrovne použitia, vzťahujúce sa na 1 kg kotúčov vlákien. Nová (plná) cievka s vláknom prúdi takmer dobre, ale sila pôsobiaca na extrudér by mala byť relatívne relevantná: hmotnosť je najmenej 1,5 kg.

Motor extrudéra (vo väčšine prípadov krokový motor Nema17) má dostatočný výkon na vykonanie práce, ale dva prevody extrudéra tlačiace vlákno na horúcu stranu počas práce zbierajú častice vlákna v dôsledku pôsobiacich síl; to vyžaduje častú údržbu extrudéra, aby sa zabránilo upchatiu trysky. Tieto častice majú tendenciu sa oddeľovať a miešať s čistým vláknom počas jeho podávania, čo zvyšuje problémy s tryskami a častejšie opotrebovanie trysky; k tomu dochádza častejšie u dýz s priemerom 0,3 mm.

Keď sa vláknový kotúč používa na polovicu alebo viac, jeho špirály sa zmenšia a v niektorých podmienkach prostredia má vlákno tendenciu sa príliš často lámať. Dlhé tlačové úlohy sa stávajú menej spoľahlivými a stresujúcimi; Nemôžem nechať tlačiareň pracovať celú noc bez ovládania. Riadenie posuvu vlákna vláknami pomocou motorových figúrok rieši sériu problémov.

Súprava je k dispozícii na Tindie.com

Krok 1: Obsah súpravy

Táto súprava obsahuje všetky 3D tlačené diely a mechaniku na zostavenie dávkovača motorových vlákien. Namiesto toho existujú dve voliteľné časti: motor a doska ovládača motora.

V mojom nastavení som použil 12 V McLennan prevodový kartáčovaný motor, ale akýkoľvek prevodový motor s priemerom 37 mm sa môže správne zmestiť do podpery motora.

Najlepšie výkony dosahuje štít TLE94112LE Arduino od spoločnosti Infineon (celá recenzia tu); táto doska radiča jednosmerného motora môže podporovať až 6 rôznych súprav robotických dávkovačov súčasne.

Testoval som celý systém na bootovacej súprave Arduino UNO R3 a Arduino kompatibilnej doske XMC1100 od spoločnosti Infineon a systém veľmi dobre reagoval na obidve dosky mikrokontroléra.

Použitie štítu TLE94112LE sa odporúča, ale nie je nevyhnutné. Akýkoľvek radič motora DC pre Arduino - vrátane vášho vlastného projektu! - s týmto nástrojom môže fungovať dobre

Súprava je rozdelená na dve sady komponentov, pretože dve časti sú navrhnuté tak, aby spolupracovali. Základná platforma bude podporovať valček vlákna rotujúci na štyroch ložiskách s voľnými kolesami. Základňa je pripevnená k senzoru hmotnosti, aby bolo možné ovládať rotačný mechanizmus, ktorý spúšťa jeho aktiváciu, a monitorovať podmienky vlákna: hmotnosť, metre a percento. Mnoho informácií, ako aj kompletná sada príkazov, sú prístupné z Arduina prostredníctvom sériového terminálu.

Potrebné nástroje

Na dokončenie montáže potrebujete robustné plastové lepidlo na niektoré diely, skrutkovač a sadu imbusových skrutiek.

Krok 2: Projekt a dizajn

Tento projekt je tretím vývojom série dávkovačov filamentov v 3D tlačiarni Pred nejakým časom som vytvoril rotujúcu základňu na optimalizáciu toku vlákna pri ťahaní extrudérom 3D tlačiarne.

Druhý model obsahoval snímač hmotnosti na monitorovanie používania vlákna pomocou dosky Arduino v reálnom čase. Tento posledný projekt zahŕňa automatické uvoľnenie vlákna v závislosti od potrieb úlohy 3D tlačiarne. Je založená na virtuálnej variácii hmotnosti, keď extrudér začne ťahať vlákno. Táto udalosť spustí mikroovládač cez snímač hmotnosti a rolka motorizovaného vlákna začne uvoľňovať niekoľko palcov materiálu, potom spomalí a zastaví.

Komponenty boli exportované vo formáte STL a 3D vytlačené, potom rafinované a zostavené dohromady. Vytvoril som vlastnú podporu na zarovnanie pohybovej časti so základňou. Dlhšia hliníková koľajnica bola použitá aj na podporu Arduina a štítu motora, aby bol celý nástroj kompaktný a ľahko sa s ním pohybovalo.

Pri tvorbe dizajnu som postupoval podľa série predpokladov:

• Vďaka tomu je automatizovaný motor takmer jednoduchý a ľahko reprodukovateľný
• Znížte na maximum počet komponentov, ktoré nie je možné tlačiť 3D
• Čo najviac znížte napätie pôsobiace na extrudér počas tlače
• Použite nízku cenu a ľahko programovateľnú dosku mikroovládača
• Pomocou snímača hmotnosti záťaže udržujte pod kontrolou spotrebu vlákna a podávanie vlákna. Spravujte hluk prostredia, ktorý narúša opatrenia hmotnosti vlákna

Toto je výsledok, ku ktorému som dospel.

Krok 3: Zostavenie základne

Prvým krokom je montáž základne so snímačom hmotnosti.

1. Vložte malú rúrku osi ložiska do otvoru ložiska
2. Vložte dva oddeľovacie kotúče po stranách ložiska
3. Vložte komponenty do podpery ložiska veľkosti „U“, ktorá zarovnáva otvory
4. vložte imbusovú skrutku na jednu stranu a podložku a maticu na druhú stranu maticu zatvárajte bez prílišného úsilia

Operáciu by ste mali zopakovať na všetkých štyroch podperách ložísk. Potom vyskúšajte zostavu: ložiská by sa mali voľne otáčať.

Teraz pomocou imbusových skrutiek upevnite štyri podpery ložísk na hornej základni pomocou štyroch regulačných otvorov. Zarovnajte podpery ložísk tak, aby boli rovnobežné. Regulujte vzdialenosť v závislosti od šírky vašich vláknových kotúčov.

Ďalším krokom je montáž lišty snímača hmotnosti, ktorá drží spodnú a hornú základňu pohromade. Senzor hmotnosti má na oboch stranách dve rôzne imbusové skrutky a mali by ste ho orientovať tak, aby bol štítok s maximálnou hmotnosťou čitateľný, ak je základňa správne umiestnená. Spodná základňa má dva ďalšie bočné otvory na upevnenie A/D zosilňovača snímača hmotnosti. Zosilňovač založený na HX711 IC bude napájaný a pripojený k doske Arduino štyrmi vodičmi, ako je znázornené na priloženom dátovom liste senzora.

Posledným krokom je montáž kompletnej hornej základne na snímač hmotnosti, ktorý je už pripevnený k spodnej časti.

Prvá súčasť bola nastavená!

Krok 4: Zostavenie častí cievkového motora

Jednoduchším postupom pri zostavovaní cievkového pohybového motora je samostatná montáž štyroch najdôležitejších komponentov a potom dokončenie konečnej budovy:

Prevodový jednosmerný motor v prevodovej skrini motora

Jednosmerný motor by mal byť namontovaný v centrálnej časti podpery konštrukcie; Pred zaskrutkovaním motora by ste sa mali rozhodnúť, na ktorú stranu budete dávať prednosť, aby ste zaradili stranu prevodov, aby boli správne zarovnané obe ramená, ktoré držia motor a poháňaný veľký prevodový stupeň.

Poháňaný veľký prevodový stupeň

Veľký prevodový stupeň by mal byť zoskrutkovaný so zrezaným kužeľovým blokom štyrmi imbusovými skrutkami. Tento prevod bude zablokovaný na osi otáčania maticami; kónická časť bude držať cievku vlákna, ktorá je na druhej strane zaistená podobnými poistnými maticami vo vnútri iného zrezaného kužeľového bloku. Toto riešenie nielenže drží pohyblivý mechanizmus na mieste, ale smeruje všetku hmotnosť na základňu a je to vlastná hmotnosť systému.

Držiak cievky

Toto je zrezaný kužeľový blok, ktorý spolu s hnaným ozubeným kolesom podobnou blokovacou stranou udrží pohybový mechanizmus k cievke vlákna. Ako taktné je to vláknový valec, ktorý dokončuje budovu, zatiaľ čo pohybová podpora dvoch rúk sa môže voľne pohybovať na druhej strane.

Ako je znázornené na obrázkoch, držiak cievky je zabudovaný do dvoch častí. Najprv vložte maticu M4 do väčšej časti bloku a potom prilepte druhú časť (kryt) tak, aby boli bloky k sebe. Matica zostane uväznená vo vnútri držiaka zámku, ktorý bude priskrutkovaný k poháňanej osi závitu.

Krabica ložísk

Ložisková skriňa má dve funkcie: poskytovať dobrú podporu prevodovým stupňom a plynulý a tichý pohyb. Pri montáži ložiskovej skrinky postupujte podľa týchto jednoduchých krokov:

1. Zaskrutkujte prvú maticu M4 na jeden z dvoch koncov poháňanej osi držiaka cievky
2. Vložte prvé ložisko
3. Vložte oddeľovač
4. Vložte druhé ložisko
5. Zaskrutkujte druhú maticu a mierne ju zaistite. Vnútorný plastový separátor bude odolávať dostatočnej sile, aby udržal veci na mieste aj pri dlhodobom používaní.
6. Vložte zostavené ložiská do ložiskovej skrinky. Malo by sa to robiť násilne, aby sa dosiahli lepšie výsledky, takže pri rafinácii plastových dielov príliš nerozťahujte vnútro škatule.

Sme pripravení na finálnu montáž komponentov!

Krok 5: Dokončenie montáže pohybového motora

Chystáme sa dokončiť montáž konštrukcie, potom sa môžeme presunúť na test pohybu. Teraz znova potrebujete niekoľko lepidla. Ložisková skriňa - zostavená v predchádzajúcom kroku - by mala byť vložená do otvoru držiaka skrine v dvojramennom držiaku motora a prípadne prilepená pred naskrutkovaním krytu skrinky.

Varovanie: kryt škatule nelepte, iba priskrutkujte. Kryt je dôležitý z hľadiska ochrany pred prachom a mal by byť odnímateľný pri akejkoľvek budúcej údržbe.

Keď je toto nastavenie dokončené, pred pridaním poháňaného prevodu (väčšieho) pridajte malý oddeľovací krúžok: udržiava veľký prevodový stupeň zarovnaný s prevodovkou motora a slúži ako podložka na upevnenie poháňanej pohybujúcej sa zostavy.

Potom zasuňte prevodovku vodiča (malú) do hriadeľa motora. Všimnite si toho, že v motore a v stredovom otvore ozubeného kolesa je plochá strana, ktorá zabezpečuje, aby sa prevodový stupeň otáčal poháňaný jednosmerným motorom.

Posledný krok zasuňte veľký hnaný prevod, ako je znázornené na obrázkoch, a zaistite ho k osi závitu dvoma maticami M4.

Budova mechaniky je dokončená!

Krok 6: Bonus: Ako som si prispôsobil podporu na správu súpravy

Aby zostava zostala na svojom mieste, vytvoril som veľmi jednoduchú konštrukciu založenú na dvoch hliníkových štvorcových trubkách, ktoré podopierajú základňu aj pohybovú štruktúru. Základňa bola pripevnená štyrmi skrutkami k dvom koľajniciam (asi 25 cm dlhá) a niekoľkými malými 3D tlačenými podperami, ktoré mám, umožňuje pohyblivý motor voľne pohybovať, aby sa uľahčilo vkladanie a vyberanie kotúča vlákna.

Každý si môže vybrať svoje vlastné riešenie v závislosti od toho, ako je jeho pracovný stôl organizovaný.

Krok 7: Zapojenie a pripojenie k Arduinu

Ako je vysvetlené v kroku obsahu sady, použil som štít motora Infineon TLE94112LE DC pre Arduino a testoval som motor na bootovacej súprave Arduino UNO R3 aj Infineon XMC110.

Ak budete ovládať motor (potrebuje funkcie PWM) pomocou dosky radiča DC podľa vášho výberu, prispôsobte pokyny technickým špecifikáciám vášho štítu.

Poznámka k štítu Arduino TLE04112LE

Jeden z limitov, ktoré som zažil s inými štítmi riadenia motora pre Arduino, je, že používajú funkcie rovnakého mikroovládača (t. J. Kolíky PWM a GPIO); to znamená, že sa vaša doska bude venovať týmto úlohám, zatiaľ čo na iné účely je k dispozícii iba niekoľko ďalších zdrojov (MPU a GPIO).

Vďaka možnosti vložiť do rúk štít TLE94122LE Arduino na cestné testovanie je najzrejmejšou výhodou integrovaného obvodu, na ktorom je doska založená, iba jeho úplnosť. Doska Arduino komunikuje so štítom prostredníctvom protokolu SPI pomocou iba dvoch pinov. Každý príkaz, ktorý pošlete na štít, je spracovaný autonómne pomocou IC TLE94112LE IC bez spotreby zdrojov MPU. Ďalšou pozoruhodnou vlastnosťou dosky Infineon je možnosť ovládať až šesť kartáčovaných motorov pomocou troch programovateľných kanálov PWM. To znamená, že Arduino môže nastaviť jeden alebo viac motorov, spustiť ich a pokračovať v práci na ďalších úlohách. Tento štít sa ukázal byť perfektným na podporu až šiestich rôznych kotúčov vlákien súčasne. Pohyb je len jednou z úloh MPU. Vzhľadom na možnosť spravovať šesť rôznych cievok vlákna pomocou jedného štítu Arduino + vplyv nákladov na mikroovládač na každom jednom ovládači vlákna za menej ako 5 EUR.

Senzor hmotnosti

Po vykonaní niekoľkých experimentov som videl, že je možné ovládať celý systém - monitorovanie a automatické napájanie - jediným senzorom; Snímač zaťaženia (snímač hmotnosti) je schopný dynamicky merať odchýlky hmotnosti cievky vlákna a poskytuje všetky potrebné informácie.

Použil som lacný snímač zaťaženia v rozsahu 0-5 kg spolu s malou doskou založenou na zosilňovači HX711 AD Amplifier, IC špecifickom pre správu snímačov snímačov zaťaženia. Neexistovali žiadne problémy s prepojením, pretože je k dispozícii dobre fungujúca knižnica Arduino.

Tri kroky na nastavenie hardvéru

1. Vložte štít na vrch dosky Arduino alebo bootovacej súpravy Infineon XMC110
2. Pripojte vodiče motora k skrutkovým konektorom Out1 a Out2 štítu
3. Pripojte výkon a signály zo zosilňovača snímača hmotnosti HX711 AD k pinom Arduino. V tomto prípade som použil kolíky 2 a 3, ale všetky voľné kolíky sú v poriadku.

Varovanie: p ins 8 a 10 sú vyhradené štítom TLE94113LE pre pripojenie SPI

To je všetko! Ste pripravení nainštalovať softvér? Do toho.

Krok 8: Sada príkazov softvéru a ovládania

Plne zdokumentovaný softvér je možné stiahnuť z úložiska GitHub 3DPrinterFilamentDispenserAndMonitor

tu uvažujeme iba o najzmysluplnejších častiach a ovládacích príkazoch.

Počet dostupných pinov na zariadení Arduino UNO som odôvodnil tým, že som sa rozhodol ovládať systém prostredníctvom sériového konektora USB; Pretože každá motorizovaná jednotka je založená na senzore hmotnosti, ovládanie šiestich rôznych dávkovačov vlákien vyžaduje načítanie údajov zo šiestich senzorov hmotnosti. Každý snímač zaťaženia „spotrebuje“dva piny, kolíky 0 a 1 sú vyhradené (Tx/Rx) pre sériové číslo a piny 8 a 10 sú rezervované pre kanál SPI spájajúci štít TLE94112LE.

Stav systému

Riadiaci softvér pracuje prostredníctvom štyroch rôznych stavov definovaných vo vlákne.h:

#define SYS_READY "Ready" // Systém pripravený

#define SYS_RUN „Beží“// Vlákno sa používa #define SYS_LOAD „Načítať“// Načítaný roll #define SYS_STARTED „Spustený“// Spustená aplikácia // Stavové kódy #define STAT_NONE 0 #define STAT_READY 1 #define STAT_LOAD 2 #define STAT_RUN 3

Stav: Spustené

Tento stav nastáva po resetovaní hardvéru alebo pri zapnutí systému. Pri spustení náčrtu (a nastavení () pri spustení náčrtu) sa inicializujú interné predvolené hodnoty a malo by sa začať bez ďalšej hmotnosti na platforme, pretože súčasťou inicializačnej sekvencie je získanie absolútnej tara na dosiahnutie fyzickej nulovej hmotnosti..

Stav: Pripravený

Pripravený stav nastane po mäkkom resete (odoslanom zo sériového terminálu). Je to podobné ako pri fyzickom resekte, ale nevypočíta sa žiadna tara; príkaz reset je možné spustiť aj vtedy, keď je systém spustený.

Stav: Načítať

Stav načítania nastane, keď terminál odošle príkaz na načítanie. To znamená, že valec vlákna bol nabitý a bola vypočítaná dynamická tara. Presná hmotnosť vlákna sa získa druhom zostavy valca odčítaním hmotnosti motorovej jednotky a prázdneho kotúča.

Stav: beží

Tento stav umožňuje automatický výpočet hmotnosti a automatický dávkovač vlákien.

Koncové správy

Aktuálna verzia softvéru vracia do terminálu správy čitateľné pre ľudí v závislosti od príkazov. Reťazcové správy sú definované v dvoch hlavičkových súboroch: commands.h (správy súvisiace s príkazmi a odpovede) a filament.h (reťazce, ktoré syntaktický analyzátor používa na vytváranie zložených správ).

Príkazy

Správa príkazov obsahuje dva rôzne súbory: commands.h vrátane všetkých príkazov a súvisiacich parametrov a vlákna.h vrátane všetkých konštánt a definícií používaných systémom váh a syntaktickým analyzátorom.

Aj keď sú interné výpočty vykonávané automaticky softvérom, implementoval som sériu príkazov na nastavenie správania systému a ručné ovládanie niektorých parametrov.

Kľúčové slová príkazov rozlišujú malé a veľké písmená a mali by sa odosielať iba z terminálu. Ak príkaz nie je vhodný pre jeho aktuálny stav, nie je rozpoznaný, vráti sa chybná správa príkazu, inak sa príkaz vykoná.

Stavové príkazy

Zmeňte aktuálny stav systému a prispôsobí sa aj správanie

Príkazy vlákna

Pomocou samostatných príkazov je možné nastaviť vlastnosti vlákna a kotúča na základe najbežnejšej hmotnosti a veľkostí, ktoré sú dnes na trhu k dispozícii.

Príkazy jednotiek

Toto je niekoľko príkazov na nastavenie vizualizácie merných jednotiek v gramoch alebo centimetroch. V skutočnosti je možné tieto príkazy eliminovať a vždy reprezentovať údaje v oboch jednotkách.

Informačné príkazy

Zobrazujte skupiny informácií v závislosti od stavu systému

Motorické príkazy

Ovládajte motor podávaním alebo ťahaním vlákna.

Všetky príkazy motora sledujú dráhu zrýchlenia/spomalenia. Dva príkazy feed and pull vykonajú krátku sekvenciu, ako je definovaná v motore.h konštantou FEED_EXTRUDER_DELAY, zatiaľ čo príkazy feedc a pullc bežia neobmedzene dlho, kým nie je prijatý príkaz stop.

Príkazy režimu behu

Prevádzkový stav akceptuje dva režimy; režim človek len pravidelne číta váhu a motor sa pohybuje, kým nie je odoslaný príkaz na ovládanie motora. Režim auto namiesto toho vykoná dva príkazy posuvu, keď extrudér potrebuje viac vlákien.

Princíp je založený na hmotnostných údajoch, kontextualizovaných pre toto konkrétne prostredie. Očakávame, že spotreba vlákna je relatívne pomalá, 3D tlačiarne sú takmer pomalé a bežné oscilácie hmotnosti závisia od vibrácií prostredia (lepšie, ak na 3D tlačiareň nevložíte všetky položky)

Keď extrudér namiesto toho vytiahne vlákno, hmotnostný rozdiel sa dramaticky zvýši (50 g alebo viac) za veľmi málo času, typicky medzi dvoma alebo tromi odčítaniami. Tieto informácie sú filtrované softvérom, ktorý „odpočíta“, že je potrebné nové vlákno. Aby sa zabránilo nesprávnym hodnotám, odchýlky hmotnosti počas chodu motora sa vôbec ignorujú.

Logika aplikácie

Logika aplikácie je distribuovaná v hlavnom formáte.ino (náčrt Arduina) podľa troch funkcií: setup (), loop () a parseCommand (commandString)

Náčrt používa dve oddelené triedy: Trieda FilamentWeight na správu všetkých výpočtov vlákien a čítania senzorov prostredníctvom triedy HX711 IC a MotorControl, ktorá spája nízkoúrovňové metódy štítu TLE94112LE Arduino.

nastaviť()

Spustené raz pri zapnutí alebo po resetovaní hardvéru inicializujú inštancie tried, nastavia hardvér a komunikáciu s terminálom.

slučka ()

Funkcia hlavnej slučky zvláda tri rôzne podmienky.

Aj keď existujú dve triedy pre snímač hmotnosti a motory pomerne zložité, existuje výhoda, že výsledný náčrt je skutočne ľahko pochopiteľný a spravovateľný.

1. Skontrolujte (v režime auto), či extrudér nepotrebuje viac vlákien
2. Ak motor beží, skontrolujte hardvérové chyby (vrátené TLE94112LE)
3. Ak sú k dispozícii sériové údaje, analyzujte príkaz

parseCommand (commandString)

Funkcia analýzy analyzuje reťazce pochádzajúce zo sériového čísla a keď je príkaz rozpoznaný, okamžite sa spracuje.

Každý príkaz funguje ako stavový stroj, ktorý má vplyv na nejaký parameter systému; podľa tejto logiky sa všetky príkazy zredukujú na tri sekvenčné akcie:

1. Pošlite príkaz do triedy FilamentWeight (príkazy hmotnosti) alebo do triedy MotorControl (príkazy motora)
2. Vykoná výpočet na aktualizáciu hodnôt hmotnosti alebo aktualizáciu jedného z interných parametrov
3. Po dokončení vykonávania ukážte na terminál a výstup informácií

Nainštalujte si knižnicu HX711 Arduino, stiahnite si softvér z GitHub a nahrajte ho na dosku Arduino a užívajte si!