DIY лазердик башкаруу модулу Arduino үчүн: 14 кадам (сүрөттөр менен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:42

Бул Нускамада мен eBayден 3D басылган бөлүктөрдү жана кымбат эмес компоненттерди колдонуп, эки октук, бир күзгү лазер нурунун рулдук модулунун курулушун көрсөтөм.

Бул долбоор Full XY Control менен Arduino Laser Show жана Real Galvos менен Arduino Laser Showго окшоштуктарга ээ, бирок мен арзан соленоиддери бар 3D басылган дизайнды биринчи жолу колдонгон деп ишенем. Дизайнды өркүндөтүү жана өркүндөтүү үчүн мен бардык дизайн файлдарын GPLv3 астына коюп жатам.

Азыркы учурда мен модулду гана чогултуп, эң негизги тест кодун жазганым менен, менин үмүтүм бир күнү мен Arduinoдон мурунку Instructable, Super Fast Analog Voltages вектордук графикалык кодун киргизүү менен аны кийинки баскычка көтөрө алам.

1-кадам: 3D эмес басылган бөлүктөрдү чогултуп алыңыз

Лазердик түзүлүш төмөнкү бөлүктөрдөн турат:

• 4 микро соленоид
• Бир 1/2 дюймдук күзгү
• Төрт M3 бурама

Мен колдонгон өзгөчө соленоиддер eBayде ар бири 1,45 долларга сатылып алынган. Тегерек күзгү HobbyLobbyдеги кол өнөрчүлүк коридорунда табылган - 25 таңгактын баасы мага 3 долларга жетпейт. Ошондой эле eBayден күзгүлөрдү таба аласыз.

Сизге дагы eBayден арзан лазер көрсөткүчү керек болот. Күлгүн лазер жана караңгы винил барагы бул долбоор үчүн эң сонун комбинация!

Жардам колунун топтому зарыл эмес, бирок лазердик көрсөткүчтү кармоо жана жайгаштыруу үчүн абдан пайдалуу болот. Күч баскычын кармап туруу үчүн чоң байлоочу клипти колдонсо болот.

Сизге Arduino (мен Arduino Nano колдондум) жана соленоиддерди айдоонун бир жолу керек болот. VajkF комментарийлерде айтылгандай, сиз L298 же L9110го негизделген H-көпүрөсүн колдоно аласыз. Булар eBayде бир нече долларга жеткиликтүү жана моторлорду жана робототехника долбоорлорун айдоодо да колдонулушу мүмкүн.

Менде H-көпүрө жок болгондуктан, мен жеке айдоочумду дискреттик компоненттерден курдум:

• Төрт NPN биполярдык транзистор (мен MPS3704 колдондум)
• Төрт резистор (мен 1.2k ohm каршылыгын колдондум)
• Төрт диод (мен 1N4004 колдондум)
• 9В батарейка жана батарея туташтыргычы

Электрондук компоненттер менин лабораториямдан алынган, андыктан алар үчүн так наркы жок, бирок эгерде сизде тетиктер жок болсо же аларды тазалап кетпесеңиз, алдын ала курулган H-көпүрөсүн колдонуу экономикалык жактан эффективдүү болот. Ошентсе да, мен өзүмдүкүн куруу схемасын берем.

2 -кадам: Күзгү башкаруучу модулду 3D басып чыгаруу

Лазердик руль модулу 3D басылган эки бөлүктөн турат: төрт соленоидди орнотуу үчүн база жана күзгү үчүн муунактуу платформа.

Мен сизге эки STL файлын 3D басып чыгарууга, ошондой эле дизайнды өзгөртүү керек болгон учурда FreeCAD файлдарын тиркеп койдум. Бардык мазмун GPLv3 астында, андыктан сиз өзүңүздүн жакшыртууңузду эркин билдире аласыз!

3 -кадам: Лазердик модулду чогултуу

• Төмөнкү бөлүккө төрт электромагниди жабыш үчүн ысык желимди колдонуңуз.
• Күзгүнү жогорку бөлүктүн ортосуна жабыш үчүн ысык желимди колдонуңуз.
• Металл поршендерди электромагниттин ичине салыңыз, андан кийин үстүңкү бөлүктү мамыларга коюңуз (бирок аны бурап албаңыз). Үстүнкү бөлүгүн бир аз буруңуз жана кичинекей бурагычты колдонуп, ар бир поршенди ордуна көтөрүңүз. Дисктин эрини поршендеги оюкка жылышы керек. Абайлагыла, анткени 3D басылган илгичтер абдан морт. Чыдамкайлык жана, балким, бир нече ийгиликсиз аракеттер менен, илгичтерге эч кандай бурулбай же кысым көрсөтпөстөн, бардык төрт поршенди жайгаштыра билишиңиз керек.
• Бардык поршеньдер жайгашкандан кийин, M3 бурамаларын жарым -жартылай киргизиңиз, бирок аларды кысуудан мурун, ар бир поршенди акырын басыңыз жана күзгү эркин ийилип турганын текшериңиз. Эгерде ал эркин кыймылдабаса же кармап калбаса, анда үстүңкү пластинаны алып салуу керек, бир же бир нече электромагниттен сууруп алып, бир аз сырткы бурчка кайра жабыштыруу керек (бул менен борбордук мамычанын ортосуна боштуктарды коюу жардам берет).

4 -кадам: Лазердик көрсөткүч жаканы басып чыгаруу

Лазердик көрсөткүчтүн жакасы лазердик көрсөткүчтүн башына туура келет. Сиз андан кийин жактарды кармап, лазерди так отургучка коюуга жардам берүүчү колдордун топтомун колдоно аласыз.

5 -кадам: Айдоо айлампасын чогултуңуз

Айдоочу схемасы схемада көрсөтүлгөн. Жогоруда айтылгандай, менин версиям дискреттик компоненттерден курулган, бирок сиз H-көпүрөсүн колдоно аласыз. Эгерде сиз өзүңүздүн жеке курууну тандасаңыз, бул схеманын төрт нускасын, төрт соленоиддин ар бирине бирден курууңуз керек болот.

Ар бир схема Arduino төөнөгүчүнө туташат, экөө сол жана оң соленоидди көзөмөлдөө үчүн, экөө өйдө жана ылдый соленоиддер үчүн. Булар PWM жөндөмдүү казыктарга туташтырылышы керек, мисалы:

• Pin 9: Up Solenoid
• Pin 3: Down Solenoid
• Pin 11: Сол солоид
• Pin 10: Оң соленоид

Жалгыз 9В батарейканы төрт электромагниттик айдоочунун бардык схемаларын айдоо үчүн колдонсо болот же стол үстүндөгү электр менен камсыздоону колдонсоңуз болот. Arduino USB кубатын өчүрөт жана 9В батареясынын оң жагына туташпашы керек. Бирок, батарейканын терс жагы жерге шилтеме катары колдонулат жана Arduinoдогу GND пинине, ошондой эле транзисторлордогу эмитенттерге туташтырылышы керек.

6 -кадам: Үлгүлүү кодду жүктөө

Үлгү коду төмөнкү функциялар менен жаңыртылды:

• PWM жыштыгын механизм төмөн ылдамдыкта дээрлик унчукпай тургандай кылып тууралайт. Motion Test 1деги ызы -чуу толугу менен жок болду!
• Соленоиддердин сызыктуу эмес реакциясын "линиялаштыруу" үчүн Шимпфтун кагазына негизделген чыңалуу теңдемелери катары кошулат.

Мен бул блогдун кодуна негизделген Lorenz Attractor программасын киргиздим.

Жыйынтыктардын ишенимдүүлүгү каалаган нерсени калтырат, бирок мен дагы эле иштеп жатам!:)

Кийинки кадамдар коддо колдонулган кээ бир ыкмаларды көрсөтөт.

7 -кадам: Көлөмдү өчүрүү

Менин Кыймыл Тестим 1де, айрыкча өйдө жана ылдый кыймылда, катуу ызылдаганды уга аласыз. Көрүнүп тургандай, бул Arduino үнсүз диапазонунда PWM кесүү жыштыгы менен шартталган. Катушкалардын чыңалуусун тез арада күйгүзүү жана өчүрүү аларды ошол жыштыкта титиретип, кичинекей үн күчөткүчтөргө айландырат.

Бул көйгөйдү чечүү үчүн мен коддогу PWM жыштыгын көбөйттүм:

#define PWM_FREQ_31372Hz 0x01 // PWM жыштыгын 31372.55 Гцке #аныктайт PWM_FREQ_3921Hz 0x02 // PWM жыштыгын 3921.16 Гцке аныктайт & 0b11111000) | жыштык; // Set timer1 (pin 9 & 10) жыштык TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | жыштык; // Таймер2ди коюу (3 жана 11 -казыктар) жыштык}

Arduino PWM жыштыгын коюу соленоиддерди же моторлорду басуу үчүн пайдалуу амал. Кайсы бири сизге эң жакшы натыйжаларды берерин көрүү үчүн ар кандай жыштыктарды тандап көрүңүз. Бул дагы өнүккөн программалоону камтыса да, таймерлердин иштеши боюнча жакшы булак бул жерде.

8 -кадам: бурмалоону азайтуу үчүн чыңалууну тууралоо

Менин алгачкы кыймыл тесттерим электромагниттин реакциясында олуттуу бурмалоо болгонун көрсөттү. Motion Test 3тө (солдогу сүрөттө), анын ордуна тегерек спираль болушу керек болгон нерселер, кырлары кырдуу, тик бурчтуу торго айланган.

Бул маселени чечүү үчүн бир аз математика керек болчу, бирок мен аны программалык камсыздоодо чечүү үчүн көйгөйдү жакшы түшүнүүгө жардам берген укмуштуудай кагазды интернеттен таба алдым.

Системаны тууралоо жана пайда болгон издердин көрүнүшүн жакшыртуу үчүн сизди басып өткөн процесстен кийинки кадамдар!

9 -кадам: Математика менен Программаны өркүндөтүү

Системаны жөнгө салуунун сыры Чыгыш Вашингтон университетинен Пол Х. Шимпфтун "Соленоиддик күчтүн деталдуу түшүндүрмөсү" деп аталган эң сонун кагаз болуп чыкты (шилтеме). Тактап айтканда, теңдеме 17 мага ар кандай терминдер боюнча электромагниттик күч берди.

Төмөнкү терминдерди өлчөө оңой эле:

• R - Менин электромагниттин каршылыгы
• l - электромагниттин узундугу
• x - электромагниттеги поршендин жылышы
• V - электромагниттеги чыңалуу

Мен ошондой эле соленоид тарабынан чыгарылган күч эки октук күзгүдөгү 3D басма булактардан келген күчтү теңдештириши керек экенин билчүмүн. Булактын күчү Хуктун мыйзамы менен жөнгө салынат, ал төмөнкүчө айтылат:

F = -kx

Мен кнын баркын билбесем да, жок дегенде, Шимпфтун кагазынан 17 -теңдемеден чыккан күч Гуктун мыйзамынын күчүнө барабар экенин билчүмүн.

Альфа (α) мааниси татаал болчу. 13 жана 14 теңдемелер бул баалуулуктарды соленоиддин (А) аймагынан, бурулуштардын санынан (N) жана магниттик өткөрүмдүүлүк баалуулуктарынан (μ) кантип эсептөө керектигин көрсөткөнүнө карабастан, мен соленоидди эсептөө үчүн үзүп салгым келген жок. бурулуштардын саны, мен соленоиддин өзөгү жасалган материалды билген эмесмин.

10 -кадам: Арзан компоненттерди текшерүүчү күндү сактайт

Көрсө, 15 жана 16 -теңдеме мага керектүү нерселерди берген экен. Менде eBayден 10 долларга сатып алган арзан M328 компоненттерин текшерүүчү бар болчу. Ал менин соленоидимдин индуктивдүүлүгүн өлчөө үчүн колдоно алды жана арматураны ар кандай тереңдикке түртүп, мага ар кандай индукциялык маанилерди бергенин байкадым.

Аны арматура менен толук өлчөө мага L (0) маанисин берди.

Менин электромагнидимдин узундугу 14мм болчу, ошондуктан мен арматуранын индуктивдүүлүгүн беш позицияда өлчөдүм жана бул мага L (x) үчүн ар кандай баалуулуктарды берди:

• 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

Мен андан кийин 15 жана 16 -теңдемелердин маанисин эсептөө үчүн электрондук таблицаны колдонгонмун, μrдин белгилүү бир тандоосу үчүн, андан кийин мен жакшы дал келгенге чейин тандоомду өзгөрттүм. Бул графикте көрсөтүлгөндөй μr 2.9 болгондо болгон.

11 -кадам: Жаздын константасын табыңыз, маселени чечиңиз

Калган белгисиз нерсе, жаздын константасы. Мен муну эки огумдагы соленоиддердин бирине 9В колдонуу жана күзгү ылдый тартылган аралыкты өлчөө менен өлчөдүм. Бул баалуулуктар менен, мен 10.41 тегерегинде деп тапкан К теңдемелерин чече алдым.

Мен азыр электромагниттин тартылуусун ар кандай кызматтарда эсептөө үчүн керектүү баалуулуктарга ээ болдум. Гук законунан жазгы күчкө барабар F (x) коюу менен мен керектүү V чыңалуусун чече алам.

График соленоидди каалаган каалаган позицияга которуу үчүн керектүү чыңалууну көрсөтөт.

Оң жакта, чыңалуу нөлгө жана позиция 3 ммге жеткенде, бул 3D басып чыгарылган топсолор толугу менен бошогондо соленоиддин нейтралдуу эс алуу пунктуна туура келет. Графикте солго жылдыруу арматураны соленоидге 3D басып чыгарылган топсолордун тартылышына каршы келет-бул адегенде көбүрөөк чыңалууну талап кылат, бирок арматура соленоидге тереңдеп кирген сайын тартылуу күчөйт жана керектүү айдоочу чыңалуу өчөт.

Бул байланыш сөзсүз түрдө сызыктуу эмес, бирок Шимпфтун кагазындагы теңдемелер менен, мен Arduino кодумду туура чыңалууларды чыгаруу үчүн жаза алам, ошондуктан нурдун ийилүүсү сызыктуу болот:

float positionToVoltage (float x) {

// Калыбына келтирүүчү күч топсолор тарабынан (Гуктун мыйзамы) каалаган х. const float spring_F = -spring_K * (x - spring_X0); // Соленоиддин тартылуу күчү дал келүүчү чыңалуу // топсолордун калыбына келтирүүчү күчү sqrt (-2*R*R*(-spring_F)*solenoid_len/(a*L_0*exp (-a*x/solenoid_len)))); }

Бул менин баштапкы кыймыл тестиме караганда алда канча тегерек спиральга алып келет. Миссия аткарылды!

12 -кадам: дискреттик компоненттерди колдонгон айдоочу схемасы жөнүндө суроо -жооптор

Эмне үчүн мен соленоидди Arduino түз байланыштыра албайм?

Бул Arduino зыян келтирбестен канчалык ток бере алаарында. Бул бир пин үчүн болжол менен 40 мА. Arduino 5Vде иштээрин билип, Ом мыйзамын колдонуп, жүктүн минималдуу каршылыгын эсептей алабыз (бул учурда электромагниттик). 5 вольтту 0.040 амперге бөлүү бизге 125 ом берет. Эгерде жүк чоң каршылыкка ээ болсо, анда биз аны түз Arduino менен байланыштыра алабыз, болбосо анте албайбыз. Кичинекей соленоиддин адатта каршылыгы 50 Ом, ошондуктан биз аны Ардуинодон түз айдай албайбыз. Эгер биз мындай кылсак, анда ал 100 мА тартмак, бул өтө эле ачык.

Эмне үчүн соленоид үчүн 9В, бирок Arduino үчүн 5V колдоносуз?

Arduino 5Вде иштейт, бирок бул соленоид үчүн бир аз аз. Транзисторду колдонуу бизге электромагниттин чыңалуусун тандоого мүмкүндүк берет, ал Arduino үчүн 5Вдан көз каранды эмес.

Транзистордун бул долбоорго ылайыктуу экенин кантип билем?

Ардуино сыяктуу эле, негизги талап - электромагниттен өткөн ток транзистордун максималдуу рейтингдеринен ашпашы (айрыкча коллектордук ток). Биз электромагниттин каршылыгын өлчөө менен эң начар сценарийди оңой эле эсептей алабыз жана андан кийин берүү чыңалуусун ошого бөлө алабыз. Соленоиддер үчүн 9В электр тогу жана 50 ом электромагниттик каршылыгы болгон учурда, эң начар сценарий бизди 180мАга коет. Мисалы, MPS3704 600 мА максималдуу коллектордук ток үчүн бааланган, бул бизге болжол менен 3 маржа берет.

Ардуинонун чыгышы менен транзистордун базасынын ортосундагы каршылыктын минималдуу маанисин кантип аныктайм?

Arduino чыгарылышы биполярдык транзисторлордун базалык бутун токту чектөөчү резистор аркылуу туташтырат. Arduino 5Вде иштегендиктен, биз дагы 40мАдан төмөн токту чектөө үчүн зарыл болгон каршылыкты эсептөө үчүн Ом мыйзамын колдоно алабыз. Башкача айтканда, 5 вольтту 0,04 амперге бөлүп, жок дегенде 125 ом маанисин алыңыз. Резистордун жогорку мааниси токту төмөндөтөт, ошондуктан бизге коопсуздуктун дагы чоң чегин берет.

Каршылыктын максималдуу мааниси барбы, мен аны ашпашым керекпи?

Көрсө, ооба. Транзистордо учурдагы пайда деп аталган нерсе бар. Мисалы, эгерде пайда 100 болсо, анда биз 1мАны базага койсок, анда 100мАга чейин транзистор көзөмөлдөгөн жүктөн өтөт. Эгерде биз базага 1.8мА салсак, анда 180мАга чейин жүк аркылуу агат. Биз мурда 9Вда 180мА соленоид аркылуу агат деп эсептегендиктен, базалык ток 1,8 мА "таттуу жер" болуп саналат жана биздин электроменоид толугу менен күйбөйт.

Биз билебиз, Arduino 5V чыгарат жана биз 1.8mA агымдын болушун каалайбыз, ошондуктан каршылыкты эсептөө үчүн Ом мыйзамын (R = V/I) колдонобуз (R = V/I). 5V 1.8mAга бөлүнгөндө 2777 Ом каршылык берет. Ошентип, биз жасаган божомолдорду эске алганда, биз каршылык 125 жана 2777 ортосунда болушу керек деп күтөбүз - 1000 Ом сыяктуу нерсени тандоо бизге кандайдыр бир жол менен коопсуздукту жакшы камсыз кылат.

13 -кадам: Учурдагы көйгөйлөрдү жана мүмкүн болгон чечимдерди талдоо

Учурдагы прототип потенциалды көрсөтөт, бирок бир нече көйгөйлөр бар:

1. X жана Y огу боюнча кыймыл перпендикуляр эмес окшойт.
2. Күзгү багытын өзгөрткөндө секирүү болот.
3. Чечимдүүлүк өтө төмөн жана тепкичтин кадам үлгүлөрү көрүнүп турат.
4. Кыймылдын жогорку ылдамдыгында лазердин жолу дирилдөө жана шыңгыроо менен бурмаланат.

Чыгарылыш 1) кыймылдын бир октун перпендикуляр огуна өткөрүп берүүчү 3D басып чыгарылган ийкемдүү топсолорунун конструкциясынан келип чыгышы мүмкүн.

Чыгарылыш 2) айдоочу поршендер менен күзгү платформанын ортосундагы кошкучтун бошоңдугуна байланыштуу, бул күзгүнүн X жана Y огунун ортосундагы өткөөлдөрдө секирип кетишине алып келет. Бул күтүлбөгөн кыймыл лазер чекити тезирээк көзөмөлсүз кыймыл жасап жаткан караңгы X түрүндөгү боштукка алып келет.

3 -маселе) келип чыгат, анткени демейки Arduino PWM 255 деңгээлге ээ жана алардын көбү чыңалуу ийри формасына байланыштуу текке кетет. Бул 16-бит жана 65536 уникалдуу баалуулуктарга жөндөмдүү болгон таймер1ди колдонуу менен бир кыйла жакшыртылышы мүмкүн.

4 -маселе) күзгү менен электромагниттин жылуучу арматурасы (поршендер) кыймылдуу массанын олуттуу көлөмүн түзгөндүктөн пайда болот.

1) жана 2) маселелер механикалык конструкцияга байланыштуу болгондуктан, металл поршендерди алып салуу жана аларды сейрек кездешүүчү кичинекей магниттер менен алмаштыруу мүмкүн. Соленоиддер физикалык контакт түзбөстөн магнитти тарткан же кайтарган ачык катушка болмок. Бул жумшак кыймылга алып келет жана жалпы массаны азайтуу менен бирге ыргып кетүү мүмкүнчүлүгүн жок кылат.

Массаны азайтуу 4 -маселе боюнча негизги чечим болуп саналат), бирок калган көйгөйлөр түздөн -түз программалык камсыздоого багытталып, күзгүнү башкарылуучу жол менен ылдамдатуу жана басаңдатуу үчүн программалык камсыздоонун кыймылын көзөмөлдөө профилин ишке ашыруу аркылуу ишке ашырылышы мүмкүн. Бул 3D принтеринин жабдыктарында кеңири таралган жана ушул сыяктуу ыкмалар бул жерде да иштеши мүмкүн. Бул жерде 3D принтерлерге карата кыймыл көзөмөлү менен байланышкан кээ бир ресурстар бар:

• "Кыймылды башкаруу профилдеринин математикасы", Чак Левин (шилтеме)
• "Чуркоо көзөмөлдөгөн кыймыл түшүндүрүлдү", (шилтеме)

Трапеция кыймылын көзөмөлдөө профилин кошуу күзгүгө чырылдабастан же титирөөчү артефакттарсыз алда канча жогорку ылдамдыкта айдоого мүмкүндүк берет деп шектенип жатам.

14 -кадам: Келечектеги жумуш жана мүмкүн болгон колдонмолор

Бул көйгөйлөрдүн чечимдерин иштеп чыгуу бир топ эмгекти талап кылса да, бул ачык булактын руль модулу гальванометрге негизделген долбоорлорго жеткиликтүү альтернатива боло алат деп үмүттөнөм:

• DJs жана VJs үчүн арзан лазер шоу.
• Vectrex сыяктуу винтаждык аркада оюну үчүн электр-механикалык вектордук дисплей.
• DIY чайыр түрүндөгү SLA 3D принтери, RepRap кыймылынын духунда, өзүнүн лазердик рулдук модулун басып чыгара алат.
• Санарип панорама же камералар үчүн оптикалык сүрөт турукташтыруу.

2017 -жылдагы Arduino сынагынын экинчи сыйлыгы