3D-cтанок для гибки проволоки на Arduino


В этом уроке мы рассмотрим создание 3D-станка для гибки проволоки на основе платы Arduino. На самом деле это типичная мехатронная система, поскольку она включает в себя механическую, электрическую и компьютерную инженерию. Поэтому я считаю, что многие студенты-инженеры или все, кто новичок в мехатронике, смогут найти этот проект интересным.

Станок для гибки проволоки на Arduino

Принцип работы проекта

В нашем станке сначала проволока проходит через ряд роликов или выпрямителей. С помощью шагового двигателя проволока точно подается в механизм гибки проволоки, который также использует шаговый двигатель и небольшой сервопривод для процесса гибки.

Есть еще один шаговый двигатель, называемый осью Z, который фактически позволяет машине создавать трехмерные формы. Конечно, мозгом машины является плата Arduino, которая вместе с другими электронными компонентами прикреплена к специально разработанной печатной плате.

Что касается программы, я сделал несколько пользовательских функций для создания различных фигур, таких как звезда, куб и простая подставка, а также ручной режим, в котором мы можем создавать проволочные формы, вводя команды через последовательный монитор.

Изготовление звезды из проволоки с помощью нашего станка

3D модель cтанка для гибки проволоки 

Как обычно, я начал с создания проекта с помощью программного обеспечения для 3D-моделирования. Скачать 3D модель можно ниже.

3D модель cтанка для гибки проволоки

Источником вдохновения для автора этого проекта послужило следующее видео:

Вы можете найти и скачать эту 3D-модель, а также изучить ее в своем браузере на Thangs.

3D модель cтанка для гибки проволоки в сервисе Thangs

Скачать 3D-модель сборки можно на сайте Thangs.

STL-файлы для 3D-печати: STL-файлы 3D-станка для гибки проволоки Arduino.

Для изготовления некоторых деталей, таких как шестерни, опорные блоки подшипников и некоторые муфты валов, я использовал 3D-принтер. Файлы STL этих деталей, которые используются для 3D-печати, можно скачать из файлов выше.

Мой новый 3D-принтер Creality CR-10 отлично справился со своей задачей и напечатал детали с отличным качеством. Вот ссылка на обзор этого 3D-принтера, если вы думаете о покупке 3D-принтера.

Изготовленные на 3D-принтере детали станка

Изготовление станка для гибки проволоки

Я продолжил подготовку остальных деталей, для чего использовал МДФ и фанеру. Итак, как только я снял все размеры с 3D-модели, я с помощью циркулярной пилы вырезал детали по размеру. Я использовал МДФ толщиной 8 мм и фанеру толщиной 18 мм. Когда они были готовы, я приступил к сборке. Сначала я сделал основу из двух плит МДФ и 4 колонн из фанеры. Для их крепления я использовал клей для дерева и несколько шурупов.

Изготовление основы для станка

Затем к верхней панели я прикрепил напечатанные на 3D-принтере опорные блоки подшипников с помощью болтов и гаек диаметром 8 мм. Здесь мы можем заметить, что я добавил пластины МДФ толщиной 3 мм между верхом и опорными блоками, чтобы получить правильную высоту. Теперь в эти блоки можно поместить подшипники 6202.

Вставка направляющей трубки

Их внешний диаметр составляет 35 мм, а внутренний – 15 мм. Итак теперь через эти подшипники нам нужно вставить полый вал диаметром 15 мм, чтобы через него могла пройти проволока. Этот вал на самом деле представляет собой ось Z, которая позволяет гибочному механизму вращаться вокруг проволоки и таким образом создавать трехмерные формы. Для этой цели я использовал медную трубку, ее длина должна быть около 30 см.

Между двумя подшипниками я также вставил напечатанную на 3D-принтере шестерню с модулем 1,5 и 30 зубьев. Шестерня имеет пазы специальной конструкции, куда можно вставить гайки М3, а затем с помощью болтов М3 затянуть шестерню на валу.

Закрепление шестерни на валу

Далее нам нужно установить шаговый двигатель оси Z. Для этой цели я напечатал в 3D специальный монтажный кронштейн. Поэтому я закрепил шаговый двигатель на кронштейне с помощью болтов М3, а затем вставил шестерню с 18 зубьями на вал двигателя. Я использовал тот же метод крепления шестерни к валу, как показано ранее.

Закрепление шестерни на валу шагового двигателя NEMA 17

Затем сверлом диаметром 6 мм проделал сверху два отверстия, на которых будет крепиться кронштейн. Мы можем заметить, что кронштейн вместо отверстий имеет прорези, которые позволяют правильно соединить две шестерни.

Соединение двух шестерней

Перешел к установке шагового двигателя механизма подачи. Этот двигатель будет установлен непосредственно на верхней пластине, поэтому я просверлил в нем соответствующие отверстия. Затем с помощью четырех болтов я прикрепил шаговый двигатель к пластине, и, если вам интересно, что здесь делают эти гайки, они на самом деле действуют как дистанционные гайки, потому что болты, которые у меня были, были длиннее и не могли войти в резьбу двигателя.

Закрепление двигателя на верхней пластине

Итак теперь на вал этого шагового двигателя нам нужно вставить механизм подачи. Для этой цели я напечатал в 3D специальную муфту вала, в которую вставил медную трубку, которая фактически будет контактной поверхностью этого механизма.

Крепление механизма подачи

Затем с противоположной стороны мотора я вставил рычаг, на котором закрепил подшипник, который будет прижиматься к механизму подачи. Чтобы обеспечить достаточный захват, чтобы механизм подачи мог перемещать проволоку, я прикреплю к нему кусок фанеры с Т-образной гайкой, а затем с помощью болта мы сможем контролировать захват механизма подачи.

Конструкция механизма подачи нашего станка для гибки проволоки

Следующий шаг – изготовление системы выпрямления проволоки. Тремя болтами М8 я закрепил кусок фанеры, который предварительно просверлил по 3D-модели. Теперь поверх него вставил ролики. Я сделал ролики из подшипников и напечатанных на 3D-принтере рифленых наружных колец.

Сборка механизма выпрямления проволоки

С этой стороны идут три ролика, с другой стороны - два ролика. На другой стороне я сделал прорезь в фанерном куске, чтобы болты оставались на одном уровне с куском. Теперь, используя всего два болта, мы можем соединить две стороны, а с помощью гаек мы можем соответствующим образом затянуть выпрямители.

Механизм выпрямления проволоки в собранном виде

Закончив этот шаг, я добавил еще два куска фанеры перед и после выпрямителей, которые будут служить направляющими для проволоки.

Хорошо, теперь мы можем перейти к изготовлению механизма сгибания проволоки. Сначала на кусок МДФ нам нужно прикрепить двигатель изгибателя. Прежде чем я это сделал, кусок МДФ, который мне нужно было придать, поэтому с помощью ручной пилы, копировальной пилы и рашпиля я легко получил желаемую форму. Затем с помощью кольцевой пилы диаметром 38 мм я сделал отверстие для большего шагового двигателя, который мы будем использовать для гибки, шагового двигателя NEMA 23. Также я просверлил несколько отверстий меньшего размера, необходимых для крепления других частей.

Подготовка к креплению шагового двигателя NEMA 23

Я закрепил шаговый двигатель NEMA 23 с помощью болтов и гаек М4, а на его выходной вал прикрепил шестерню с модулем 2,5 и 18 зубьев. Эта шестерня будет работать в паре с более крупной шестерней с 30 зубьями, которая представляет собой специально разработанную шестерню со встроенной пластиной для установки сервопривода MG996R. Этот сервопривод будет перемещать реечный механизм, который на самом деле представляет собой штифт, который выходит из шестерни и служит для сгибания проволоки. Используя 5-минутную эпоксидную смолу, я закрепил подшипник на шестерне, а также добавил на стойку кусок медной трубки, которая будет контактной поверхностью при сгибании проволоки.

Сборка механизма для сгибания проволоки

После того, как эпоксидная смола высохла, я соединил две шестерни, закрепив большую шестерню на месте болтом М8 и гайками. Затем я вставил стойку и сервопривод на место и закрепил его с помощью винтов, входящих в комплект сервоприводов. Затем я закрепил ведущую шестерню на круглом рупоре сервопривода с помощью двух болтов М3 и гаек.

Закрепление ведущей шестерни механизма сгибания проволоки

Наконец, я прикрепил рупор к сервоприводу, и на этом сборка механизма сгибания проволоки была завершена.

Завершение сборки механизма сгибания проволоки

Теперь осталось прикрепить гибочный станок к оси Z. Я сделал это, используя два зажима вала, напечатанных на 3D-принтере. Сначала я закрепил их на пластине сгибателя с помощью болтов и гаек М6, а затем вставил их в ось Z. Я вставил две гайки на место и с помощью болтов затянул хомуты на валу. Итак, теперь все движущиеся части работают правильно.

Прикрепление гибочного станка к оси Z

На самом деле нужно добавить еще две небольшие детали. Вот эта насадка диаметром 3 мм на валу, откуда выходит провод.

Закрепление насадки для проволоки

А в нижней части изгиба я разместил микроконцевой выключатель, который будет использоваться для установки исходного положения изгиба.

Закрепление микроконцевого выключателя

Вот и все, наш станок для 3D-гибки проволоки почти готов. Я говорю почти, потому что теперь нам нужно оживить эту машину или соединить компоненты электроники и запрограммировать ее.

Принципиальная схема станка

Схема 3D-cтанка для гибки проволоки на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Схема 3D-cтанка для гибки проволоки на основе платы Arduino

Таким образом, три шаговых двигателя в нашем проекте управляются с помощью трех шаговых драйверов DRV8825. Для питания шаговых двигателей и всего проекта мы будем использовать источник питания 12 В с силой тока не менее 3 А.

Для питания сервопривода мы могли бы использовать напряжение 5 В, поступающее от Arduino, но сервопривод MG996R может быть энергоемким, и стабилизатор напряжения 5 В Arduino может не справиться с этим. Поэтому я решил использовать отдельный стабилизатор напряжения 5 В, LM7805, которого достаточно для питания сервопривода в этом проекте. Также имеется концевой выключатель для гибочного устройства, который имеет подтягивающий резистор, подключенный к цифровому выводу платы Arduino.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
  2. Шаговый двигатель NEMA 17 (купить на AliExpress).
  3. Шаговый двигатель NEMA 23 (купить на AliExpress).
  4. Модуль драйвера шагового двигателя DRV8825 - 3 шт. (купить на AliExpress).
  5. Микроконцевой выключатель.
  6. Адаптер 12В 2А.
  7. Разъем питания.

Реклама: ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН: 7703380158

Проектирование печатной платы

Затем, чтобы избавиться от беспорядка в проводке и обеспечить порядок в электронных компонентах, я спроектировал специальную печатную плату с помощью бесплатного онлайн-программного обеспечения для проектирования схем EasyEDA. В схеме много соединений, поэтому для их организации я использовал как верхний, так и нижний слои. Я также добавил контакты для выбора разрешения шаговых двигателей, добавил еще одно соединение концевого выключателя и предоставил дополнительные цифровые и аналоговые контакты, поступающие от Arduino, на случай, если они нам для чего-то понадобятся.

Спроектированная печатная плата для нашего станка

Вот ссылка на  файлы проекта этой печатной платы. Итак, закончив этот проект, я создал файл Gerber, необходимый для изготовления печатной платы.

Гербер-файл: Gerber файл печатной платы станка для гибки проволоки.

Изготовить печатную плату вы можете в любом месте, в котором вы привыкли это делать.

Изготовленная печатная плата для нашего проекта

Итак, теперь мы можем двигаться дальше и устанавливать электронные компоненты на печатную плату. Я начал с припаивания разъемов к печатной плате. Это упрощает подключение и отключение компонентов при необходимости. Что касается более мелких компонентов, таких как конденсаторы, резисторы, стабилизатор напряжения и клеммные колодки, я припаял их непосредственно к печатной плате.

Часть компонентов, припаянная к печатной плате

Закончив этот шаг, мы можем вставить драйверы шаговых двигателей и Arduino на место. Затем нам нужно подключить вилку питания и выключатель питания к клеммным колодкам, подключить кабели к шаговым двигателям с одной стороны и подключить их к печатной плате с другой стороны. Сервопривод подключен к цифровому контакту номер 2 и питается напряжением 5 В, поступающим от стабилизатора напряжения LM7805. Наконец, мы можем выбрать разрешение шагового двигателя, подключив контакты разрешения под драйверами.

Выбор разрешения шагового двигателя

Я решил использовать разрешение 16-ти шагов, поэтому нам нужно соединить правые контакты, а не средние, как показано на фотографии выше. Итак, электронные компоненты готовы, и мы можем перейти к программированию станка для гибки проволоки.

Объяснение кода программы

Так как код достаточно длинный, для лучшего понимания я буду размещать исходный код программы по разделам с описанием каждого раздела. И в конце этой статьи я выложу полный исходный код.

Для управления шаговыми двигателями я буду использовать библиотеку AccelStepper Майка МакКоли. Поэтому нам нужно подключить эту библиотеку, а также сервобиблиотеку для управления серводвигателем. Затем нам нужно определить контакты, к которым подключены шаговые двигатели, и некоторые переменные, необходимые в нашей программе.

В разделе настройки задаем начальное положение сервопривода или гибочного штифта, а также задаем начальное положение гибочного механизма. Это делается с помощью концевого выключателя. Шаговый двигатель вращается в сторону переключателя, и как только он нажимается, двигатель начинает отсчитывать шаги от нуля и позиционируется в ноль градусов, готовый к изгибу.

Теперь в разделе цикла мы ожидаем команд, поступающих от последовательного монитора. Если мы введем вручную, мы перейдем в режим ручного изгиба или, если мы введем, например, звезду, будет выполнена пользовательская функция star(), и машина автоматически создаст для нас форму звезды.

Давайте посмотрим на эту пользовательскую функцию.

Итак, здесь мы входим в цикл while, который выполняется 5 раз, потому что, очевидно, у звезды 5 точек. Начинаем с установки величины подачи, или того, сколько проволоки будет подаваться в миллиметрах. Затем это значение умножается на 48, что переводит значение подачи в соответствующие шаги для перемещения шагового двигателя. Затем, используя функцию run(), мы вращаем двигатель механизма подачи со скоростью, заданной функцией setSpeed(). Мы останавливаемся при достижении указанного выше значения FeedDistance, и сразу после этого устанавливаем текущее значение позиции нуля шагового двигателя.

На следующем этапе сгибаем проволоку на 52 градуса. Это делается аналогично тому, как описано выше. Здесь у нас также есть константа угла, которая умножается на искомый угол. Как только двигатель достигает этого значения, двигатель останавливается, сбрасывает свое текущее положение на 0, а затем выполняет такое же количество шагов в противоположном направлении, что фактически возвращает двигатель в исходное положение.

Затем снова подаем проволоку той же длины и устанавливаем штифт вниз, чтобы гибочный станок мог переместиться в новое исходное положение, которое используется для сгибания в другом направлении. Затем штифт сгибателя поднимается, и поэтому мы сгибаем проволоку на 105 градусов в противоположном направлении. Команды повторяем 5 раз и так получаем форму звезды.

Аналогичным образом, как описано выше, мы создаем форму куба или любую другую форму, которую можем придумать. Что касается ручного режима, то принцип работы команд тот же, за исключением того, что у нас есть еще несколько строк для чтения команд, поступающих от последовательного монитора. Например, для подачи проволоки нам нужно ввести «f» плюс расстояние в миллиметрах, для изгиба проволоки нам нужно ввести «b» плюс угол в градусах, а для вращения оси Z нам нужно введите «z» плюс угол в градусах.

Вот как работает программа, которую я написал, но, конечно, есть много других способов ее закодировать.

Исходный код программы

Недостатки в работе проекта

В конце хотелось бы отметить, что система выпрямления проволоки на станке для гибки проволоки на самом деле не работает так, как должна работать, потому что, если я затяну ее сильнее, механизм подачи теряет сцепление и проволока не двигается.

Возможные неполадки в работе механизма подачи

Для решения этой проблемы вы можете попробовать использовать другой, более прочный материал, чем медная трубка, или сделать другую систему подачи.

Видео, демонстрирующее работу проекта

Источник статьи

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
49 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *