Moduli ya Uendeshaji wa Laser ya Arduino: Hatua 14 (na Picha)

2025 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2025-01-23 15:11

Katika hii Inayoweza kufundishwa, nitaonyesha ujenzi wa moduli mbili-axis, moja-kioo laser boriti moduli kwa kutumia sehemu zilizochapishwa za 3D na vifaa vya bei rahisi kutoka eBay.

Mradi huu una kufanana kwa Arduino Laser Show na Full XY Control na Arduino Laser Show Na Real Galvos lakini naamini ndio ya kwanza kutumia muundo wa 3D uliochapishwa na solenoids za bei rahisi. Ninaweka faili zote za muundo chini ya GPLv3 ili muundo uweze kuboreshwa na kuboreshwa.

Ingawa kwa sasa nimekusanya moduli tu na nimeandika nambari ya mtihani wa msingi sana, matumaini yangu ni kwamba siku moja naweza kuipeleka katika ngazi inayofuata kwa kuingiza nambari ya picha ya vector kutoka kwa Voltages yangu ya mapema ya Analog, Super Fast Analog kutoka Arduino.

Hatua ya 1: Kusanya Sehemu Zisizochapishwa za 3D

Mkutano wa laser una sehemu zifuatazo:

• Solenoid 4 ndogo
• Kioo kimoja cha inchi 1/2
• Screw nne za M3

Solenoids fulani nilizotumia zilinunuliwa kwenye eBay kwa $ 1.45 kila moja. Kioo cha pande zote kilipatikana katika aisle ya ufundi huko HobbyLobby - pakiti ya 25 ilinigharimu chini ya dola 3 za kimarekani. Unaweza pia kupata vioo kwenye eBay.

Utahitaji pia pointer ya bei rahisi ya laser, tena, kutoka eBay. Laser ya zambarau pamoja na karatasi ya vinyl inayong'aa-giza ni mchanganyiko mzuri wa mradi huu!

Seti ya mikono ya kusaidia sio lazima, lakini itakuwa muhimu sana kwa kushikilia na kuweka kiashiria cha laser. Sehemu kubwa ya binder inaweza kutumika kushikilia kitufe cha nguvu.

Utahitaji Arduino (nilitumia Arduino Nano) na njia ya kuendesha solenoids. Kama VajkF alisema katika maoni, unaweza kutumia daraja lililoundwa tayari la H kama vile kulingana na L298 au L9110. Hizi zinapatikana kwa urahisi kwenye eBay kwa pesa chache na zinaweza pia kutumika kwa kuendesha gari na miradi ya roboti.

Kwa kuwa sikuwa na daraja la H, niliunda dereva wangu mwenyewe kutoka kwa vifaa vyenye tofauti:

• Transistors nne za bipolar NPN (nilitumia MPS3704)
• Vipinga vinne (nilitumia kipinga cha 1.2k ohm)
• Diode nne (nilitumia 1N4004)
• Betri ya 9V na kiunganishi cha betri

Vipengele vya elektroniki vilitoka kwa maabara yangu, kwa hivyo sina gharama halisi kwao, lakini isipokuwa ikiwa tayari unayo sehemu au unaweza kuzitafuna, labda ni gharama nafuu kutumia daraja la awali la H. Walakini, nitatoa skimu za kujenga yako mwenyewe.

Hatua ya 2: 3D Chapisha Moduli ya Uendeshaji wa Kioo

Moduli ya uendeshaji wa laser ina sehemu mbili zilizochapishwa za 3D: msingi wa kuweka solenoids nne na jukwaa lililotamkwa kwa kioo.

Nimeambatisha faili mbili za STL kwako kuchapisha 3D, na faili za FreeCAD ikiwa unahitaji kurekebisha muundo. Yote yaliyomo yapo chini ya GPLv3, kwa hivyo uko huru kufanya na kushiriki maboresho yako!

Hatua ya 3: Unganisha Moduli ya Laser

• Tumia gundi ya moto kubandika solenoids nne kwenye kipande cha chini.
• Tumia gundi ya moto kubandika kioo katikati ya kipande cha juu.
• Ingiza bastola za chuma ndani ya solenoids na kisha uweke kipande cha juu kwenye machapisho (lakini usiikate chini). Zungusha kipande cha juu kidogo na ukitumia dereva ndogo ya screw, inua kila pistoni kwenye nafasi. Mdomo wa diski inapaswa kuteleza kwenye gombo kwenye bastola. Kuwa mwangalifu, kwani bawaba zilizochapishwa za 3D ni dhaifu sana. Kwa uvumilivu na labda majaribio machache yaliyoshindwa, unapaswa kuwa na uwezo wa kuweka bastola zote nne bila kupindisha au kuweka shinikizo kwenye bawaba.
• Mara bastola zote zikiwa zimewekwa sawa, ingiza sehemu screws za M3, lakini kabla ya kuziimarisha chini, bonyeza chini kila bastola kwa upole na uhakikishe kuwa kioo kinateleza kwa uhuru. Ikiwa haitoi kwa uhuru au inakamata, inaweza kuwa muhimu kuondoa sahani ya juu, ondoa soli moja au zaidi na uiambatanishe kwa pembe kidogo ya nje (kuweka spacers kati yake na chapisho kuu inaweza kusaidia na hii).

Hatua ya 4: Chapisha Kola ya Kiashiria cha Laser

Kola ya pointer ya laser inafaa juu ya kichwa cha kiashiria cha laser. Basi unaweza kutumia seti ya kusaidia mikono kufahamu kola hiyo na kukuruhusu kuweka laser haswa kwenye benchi lako.

Hatua ya 5: Kusanya Mzunguko wa Kuendesha Gari

Mzunguko wa gari unaonyeshwa kwa skimu. Kama nilivyosema hapo awali, toleo langu limejengwa nje ya vifaa vyenye tofauti, lakini unaweza kutumia daraja linalopatikana kwa urahisi la H. Ikiwa unachagua kujenga yako mwenyewe, utahitaji kujenga nakala nne za mzunguko huu, moja kwa kila moja ya solenoids nne.

Kila mzunguko utaunganishwa na pini ya Arduino, mbili kwa kudhibiti solenoid ya kushoto na kulia, na mbili kwa solenoids za juu na chini. Hizi zitahitaji kuunganishwa na pini zenye uwezo wa PWM, kama hivyo:

• Pin 9: Juu Solenoid
• Pini 3: Chini ya Solenoid
• Pini ya 11: Solenoid ya kushoto
• Pini ya 10: Solenoid ya kulia

Betri moja ya 9V inaweza kutumika kwa kuendesha nyaya zote nne za dereva au unaweza kutumia usambazaji wa benchi. Arduino itaendesha umeme wa USB na haipaswi kuunganishwa kwa upande mzuri wa betri ya 9V. Walakini, upande hasi wa betri hutumiwa kama rejeleo la ardhini na inapaswa kushonwa kwa pini ya GND kwenye Arduino na vile vile kwenye pini za emitter kwenye transistors.

Hatua ya 6: Pakia Nambari ya Mfano

Nambari ya sampuli imesasishwa na huduma zifuatazo:

• Hurekebisha masafa ya PWM hivi kwamba utaratibu uko karibu kimya kwa kasi ndogo. Buzzing katika Motion Test 1 imekwenda kabisa!
• Inaongeza kama hesabu za voltage kulingana na karatasi na Schimpf ili "kupatanisha" majibu yasiyo ya mstari wa solenoids.

Nimejumuisha pia utekelezaji wa Kivutio cha Lorenz kulingana na nambari kutoka kwa blogi hii.

Uaminifu wa matokeo huacha kuhitajika, lakini bado ninaifanyia kazi!:)

Hatua zinazofuata zinaonyesha baadhi ya mbinu zinazotumiwa katika nambari.

Hatua ya 7: Kuzima Sauti

Katika Jaribio langu la Mwendo 1, unaweza kusikia sauti kubwa, haswa wakati wa harakati za juu na chini. Inageuka kuwa hii ilisababishwa na masafa ya kukata PWM chaguo-msingi ya Arduino kuwa ndani ya anuwai ya kusikika. Kubadilisha na kuzima kwa kasi kwa umeme wa coil kutawafanya watetemeke kwa mzunguko huo, na kuwafanya kuwa spika ndogo ndogo.

Ili kutatua shida hii, niliongeza mzunguko wa PWM kwenye nambari:

#fafanua PWM_FREQ_31372Hz 0x01 // Inaweka masafa ya PWM kuwa 31372.55 Hz # fafanua PWM_FREQ_3921Hz 0x02 // Inaweka masafa ya PWM kwa 3921.16 Hz #define PWM_FREQ_980Hz 0x03 // Inaweka masafa ya PWM kwa 980.39 & 0b11111000) | mzunguko; // Weka kipima saa1 (pini 9 na 10) masafa TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | mzunguko; // Weka timer2 (pini 3 na 11) masafa}

Kuweka masafa ya Arduino PWM ni ujanja mzuri wa kutuliza solenoids au motors. Jaribu chaguzi tofauti za masafa ili uone ni ipi inakupa matokeo bora. Ingawa inajumuisha programu ya hali ya juu zaidi, rasilimali nzuri juu ya jinsi vipima kazi viko hapa.

Hatua ya 8: Kuweka Voltages Kupunguza Upotoshaji

Vipimo vyangu vya mwendo vya mwanzoni vilionyesha kuwa upotovu ulikuwa mkubwa katika kujibu solenoids. Katika Jaribio la Mwendo 3 (kielelezo cha kushoto), kile kilichopaswa kuwa ond ya mviringo badala yake ikawa wavuti ya mstatili na kingo zilizopindika.

Kutatua shida hii kulihitaji hesabu kidogo, lakini niliweza kupata karatasi ya kushangaza kwenye wavuti ambayo ilinisaidia kuelewa shida vizuri ili kuitatua katika programu.

Ni nini kinachofuata hatua kupitia mchakato niliopitia kurekebisha mfumo na kuboresha muonekano wa athari inayosababishwa!

Hatua ya 9: Kukamilisha Programu, na Math

Siri ya kurekebisha mfumo huo ikawa karatasi bora inayoitwa "Ufafanuzi wa kina wa Kikosi cha Solenoid" na Paul H. Schimpf wa Chuo Kikuu cha Washington Mashariki (kiungo). Hasa, equation 17 ilinipa nguvu ya solenoid kwa suala la maneno anuwai.

Maneno yafuatayo yalikuwa rahisi kupima:

• R - Upinzani wa solenoid yangu
• l - Urefu wa solenoid
• x - Kuhama kwa bastola kwenye solenoid
• V - Voltage kwenye solenoid

Nilijua pia kwamba nguvu iliyowekwa na solenoid ilipaswa kusawazisha nguvu kutoka kwenye chemchemi zilizochapishwa za 3D kwenye glasi-mhimili mbili. Nguvu ya chemchemi inatawaliwa na sheria ya Hooke, ambayo inasemwa kama ifuatavyo:

F = -kx

Ingawa sikujua thamani ya k, angalau nilijua kuwa nguvu niliyopata kutoka kwa equation 17 kutoka kwenye karatasi ya Schimpf ilibidi ilingane nguvu kutoka kwa sheria ya Hooke.

Thamani ya alpha (α) ilikuwa ngumu. Ingawa hesabu 13 na 14 zilionyesha jinsi ya kuhesabu maadili haya kutoka kwa eneo la solenoid (A), idadi ya zamu (N) na maadili ya upenyezaji wa sumaku (μ), sikutaka kulazimika kutenganisha solenoid ili kuhesabu idadi ya zamu, wala sikujua nyenzo ambazo msingi wa soli yangu ilitengenezwa.

Hatua ya 10: Jaribu la Kipengee cha gharama nafuu huokoa Siku

Ilibadilika kuwa equation 15 na 16 ilinipa kile nilichohitaji. Nilikuwa na kipimo cha gharama nafuu cha M328 ambacho nilikuwa nimenunua kutoka eBay kwa $ 10. Iliweza kuitumia kupima upunguzaji wa soti yangu na niligundua kuwa kwa kusukuma silaha hiyo kwa kina tofauti ilinipa maadili tofauti ya kuingizwa.

Kuipima na silaha iliyoingizwa kikamilifu ilinipa thamani ya L (0).

Urefu wa soli yangu ilikuwa 14mm, kwa hivyo nikapima inductance na silaha katika nafasi tano na hii ilinipa maadili anuwai ya 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

Nilitumia lahajedwali kupanga maadili yangu dhidi ya thamani ya equation 15 na 16, kwa chaguo fulani la μr na kisha nikabadilisha chaguo langu hadi nilipopata mechi nzuri. Hii ilitokea wakati μr ilikuwa 2.9, kama inavyoonyeshwa kwenye grafu.

Hatua ya 11: Tafuta Kiti cha Mchana K, Tatua Shida

Yaliyobaki tu haijulikani ilikuwa K, chemchemi ya chemchemi. Nilipima hii kwa kutumia 9V kwa moja ya solenoids katika mkutano wangu wa mhimili-mbili na kupima umbali ambao kioo kilivutwa chini. Kwa maadili haya, niliweza kutatua hesabu za K, ambayo niligundua ilikuwa karibu 10.41.

Sasa nilikuwa na maadili niliyohitaji kuhesabu kuvuta kwa solenoid katika nafasi anuwai kwenye kiharusi. Kwa kuweka F (x) sawa na nguvu ya chemchemi kutoka kwa sheria ya Hooke, ninaweza kutatua kwa voltage inayohitajika V.

Grafu inaonyesha voltage inayohitajika kwa kuhamisha solenoid kwa nafasi yoyote inayotakiwa x.

Upande wa kulia, ambapo voltage ni sifuri na msimamo ni 3 mm, hii inalingana na sehemu ya kupumzika ya upande wowote ya solenoid wakati bawaba zilizochapishwa za 3D zimetulia kabisa. Kusonga kushoto kwenye grafu kunalingana na kuvuta silaha ndani ya solenoid dhidi ya kuvuta kwa bawaba zilizochapishwa za 3D-hii mwanzoni inahitaji voltage zaidi, lakini kama silaha inavyozidi kuingia kwenye solenoid, kuvuta huongezeka na voltage inayohitajika ya kuendesha hukoma.

Urafiki huu hakika sio wa laini, lakini na hesabu kutoka kwa karatasi ya Schimpf, ninaweza kuandika nambari yangu ya Arduino kutoa voltages sahihi kwa hivyo kupunguka kwa boriti ni sawa:

nafasi ya kueleaToVoltage (kuelea x) {

// Nguvu ya kurudisha iliyowekwa na bawaba (Sheria ya Hooke) kwa taka x. const kuelea spring_F = -siku_K * (x - spring_X0); // Voltage kama kwamba nguvu ya kuvuta ya solenoid inalingana na nguvu ya kurudisha // ya bawaba kurudi sqrt (-2 * R * R * (- spring_F) * solenoid_len / (a * L_0 * exp (-a * x / solenoid_len)))); }

Hii inasababisha ond zaidi ya duara kuliko katika jaribio langu la mwendo wa asili. Utume umekamilika!

Hatua ya 12: Maswali na Majibu Kuhusu Mzunguko wa Dereva Kutumia Vipengele Vinavyofanana

Kwa nini siwezi kushikamana na injini moja kwa moja kwa Arduino?

Ni suala la sasa Arduino inaweza kutoa bila uharibifu wa kudumu. Hii ni karibu 40mA kwa kila pini. Kujua kuwa Arduino inafanya kazi kwa 5V, tunaweza kutumia sheria ya Ohm kuhesabu upinzani mdogo wa mzigo (katika kesi hii, solenoid). Kugawanya volts 5 na amp 0.040 hutupa, 125 ohms. Ikiwa mzigo una upinzani mkubwa, tunaweza kuuunganisha moja kwa moja na Arduino, vinginevyo hatuwezi. Solenoid ndogo kawaida ina upinzani wa ohms 50, kwa hivyo hatuwezi kuiendesha moja kwa moja kutoka Arduino. Ikiwa tungefanya, ingevuta 100mA, ambayo ni wazi sana.

Kwa nini unatumia 9V kwa soli ya jua, lakini 5V kwa Arduino?

Arduino inaendesha kwa 5V, lakini hii ni kidogo sana kwa soli ya jua. Kutumia transistor inatuwezesha kuchukua voltage kwa solenoid ambayo inajitegemea 5V inayotumika kwa Arduino.

Ninajuaje ikiwa transistor inafaa kwa mradi huu?

Kama vile Arduino, hitaji kuu ni kwamba sasa inayotiririka kupitia solenoid isizidi viwango vya juu vya transistor (haswa, mtoza sasa). Tunaweza kuhesabu kwa urahisi hali mbaya zaidi kwa kupima upinzani wa solenoid na kisha kugawanya voltage ya usambazaji na hiyo. Katika kesi ya sasa ya usambazaji wa 9V ya solenoids, na upinzani wa solenoid wa ohms 50, hali mbaya zaidi inatuweka 180mA. MPS3704, kwa mfano, imepimwa kwa kiwango cha juu cha ushuru wa 600 mA, ambayo inatupa margin ya karibu 3.

Je! Ninaamuaje kiwango cha chini cha upinzani kuweka kati ya pato la Arduino na msingi wa transistor?

Pato la Arduino litaunganisha mguu wa msingi wa transistors za bipolar kupitia kinzani cha sasa cha kizuizi. Kwa kuwa Arduino inafanya kazi kwa 5V, tunaweza tena kutumia sheria ya Ohm kuhesabu upinzani unaohitajika kupunguza sasa chini ya 40mA. Hiyo ni, gawanya volts 5 na 0.04 amperes kupata thamani ya angalau 125 ohms. Maadili ya juu ya kupinga yatapungua sasa, na hivyo kutupa margin kubwa zaidi ya usalama.

Je! Kuna thamani ya juu ya upinzani huo ambayo haipaswi kuzidi?

Inageuka, ndio. Transistor ina kile kinachojulikana kama faida ya sasa. Kwa mfano, ikiwa faida ni 100, inamaanisha kwamba ikiwa tunaweka 1mA kwenye msingi, basi hadi 100mA itapita kati ya mzigo ambao transistor inadhibiti. Ikiwa tutaweka 1.8mA kwenye msingi, basi hadi 180mA itapita kati ya mzigo. Kwa kuwa tulihesabu mapema kuwa saa 9V, 180mA inapita kupitia solenoid, basi msingi wa 1.8mA ni "doa tamu", na chini na solenoid yetu haitawasha kabisa.

Tunajua Arduino hutoa 5V na tunataka 1.8mA ya sasa itiririke, kwa hivyo tunatumia sheria ya Ohm (R = V / I) kuhesabu upinzani (R = V / I). 5V iliyogawanywa na 1.8mA inatoa upinzani wa 2777 ohms. Kwa hivyo kutokana na mawazo tuliyoyafanya, tunatarajia upinzani unapaswa kulala kati ya 125 na 2777 - kuchagua kitu kama 1000 ohms hutupa kiwango kizuri cha usalama kwa njia yoyote.

Hatua ya 13: Uchambuzi wa Shida za Sasa na Ufumbuzi Unaowezekana

Mfano wa sasa unaonyesha uwezekano, lakini shida kadhaa zinabaki:

1. Mwendo kando ya mhimili wa X na Y haionekani kuwa wa kupendeza.
2. Kuna kuruka wakati kioo kinabadilisha mwelekeo.
3. Azimio ni la chini kabisa na kuna mifumo inayoonekana ya ngazi.
4. Kwa kasi ya mwendo wa juu, njia ya laser imepotoshwa na mitetemo na mlio.

Suala la 1) linaweza kusababishwa na muundo wa bawaba rahisi zilizochapishwa za 3D ambazo zinasambaza mwendo kando ya mhimili mmoja kwa mhimili wa perpendicular.

Toleo la 2) ni kwa sababu ya kulegea katika uunganishaji kati ya bastola za kuendesha gari na jukwaa la kioo, hii inasababisha kioo kutetemeka na kuruka kwa mabadiliko kati ya mhimili wa X na Y. Harakati hii ya ghafla inasababisha pengo lenye umbo la X lenye giza ambapo doti ya laser inafanya mwendo usiodhibitiwa haraka.

Toleo la 3) hufanyika kwa sababu Arduino PWM chaguo-msingi ina viwango 255 tu na chache kati ya hizo zimepotea kwa sababu ya umbo la mviringo wa voltage. Hii inaweza kuboreshwa kwa kiasi kikubwa na matumizi ya timer1, ambayo ni bits 16 na itaweza kuwa na maadili ya kipekee 65536.

Hoja ya 4) hufanyika kwa sababu kioo na silaha ya kuteleza ya soli (pistoni) hufanya idadi kubwa ya misa inayosonga.

Kwa kuwa maswala 1) na 2) yanahusiana na muundo wa mitambo, uwezekano mmoja inaweza kuwa kuondoa bastola za metali na kuzibadilisha na sumaku ndogo za nadra ambazo zimebandikwa moja kwa moja kwenye bamba la kuelekeza. Solenoids itakuwa coil wazi ambayo ingeweza kuvutia au kurudisha sumaku bila kufanya mawasiliano ya mwili. Hii itasababisha mwendo laini na kuondoa uwezekano wa kugongana, wakati unapunguza jumla ya misa.

Kupunguza misa ndio suluhisho la msingi kwa toleo la 4), lakini shida zozote zilizobaki zinaweza kulengwa moja kwa moja kwenye programu kwa kutekeleza wasifu wa kudhibiti mwendo katika programu ili kuharakisha na kupunguza kioo kwa njia iliyodhibitiwa. Hii tayari imefanywa sana katika firmware ya printer ya 3D na njia zinazofanana zinaweza kufanya kazi hapa pia. Hapa kuna rasilimali zingine zinazohusiana na udhibiti wa mwendo kwani inatumika kwa printa za 3D:

• "Hisabati ya Profaili ya Kudhibiti Mwendo", Chuck Lewin (kiungo)
• "Haraka Iliyodhibitiwa ya Jerk Imefafanuliwa", (kiungo)

Ninashuku kuwa kuongeza maelezo mafupi ya kudhibiti mwendo wa trapezoidal itaruhusu kioo kuendeshwa kwa kasi kubwa zaidi bila vifaa vya kupigia au kutetemeka.

Hatua ya 14: Kazi ya Baadaye na Maombi Yanayowezekana

Ingawa kutengeneza suluhisho la shida hizi itachukua kazi nyingi, nina matumaini kuwa moduli hii ya usimamiaji boriti wa chanzo wazi inaweza kuwa mbadala wa bei nafuu kwa miradi ya msingi ya galvanometer katika programu kama vile:

• Maonyesho ya laser ya bei rahisi kwa DJs na VJs.
• Onyesho la vector ya mitambo ya elektroniki kwa mchezo wa arcade ya zabibu kama vile Vectrex.
• Printa ya aina ya SLA 3D ya resin ya DIY ambayo kwa roho ya harakati ya RepRap, inaweza kuchapisha moduli yake ya laser.
• Panning ya dijiti au utulivu wa picha ya macho kwa kamera.

Tuzo ya pili katika Mashindano ya Arduino 2017