O abridor de cerveja e derramador: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Para este projeto, a demanda era chegar a uma invenção ou sistema já inventado, mas que exigisse alguns aperfeiçoamentos. Como alguns devem saber, a Bélgica é muito popular por sua cerveja. Neste projeto, a invenção que precisava de algumas melhorias é um sistema combinado que poderia começar por abrir uma cerveja e depois despejar a cerveja em um copo adequado escolhido pelo cliente. Esta invenção não é muito conhecida, pois poderia ser feita mais facilmente à mão por uma pessoa "saudável" do que por uma máquina, mas ainda é muito interessante para outra categoria de pessoas. Hoje, infelizmente, alguns de nós não são capazes de fazer isso. Mais explicitamente, pessoas com problemas graves nos braços ou músculos, idosos ou pessoas com doenças como Parkinson, A. L. S., etc., não são capazes de fazê-lo. Graças a este mecanismo, eles poderão beber sozinhos uma cerveja bem servida, sem ter que esperar que alguém venha ajudá-los nessas duas tarefas.

Nosso sistema também é dedicado ao consumidor simples que deseja desfrutar de uma cerveja sozinho ou com seus amigos e desfrutar da expertise belga. Servir bem uma cerveja não é para todos e, de fato, nossa prática é conhecida internacionalmente e é com prazer que a compartilhamos com o mundo todo.

Suprimentos:

Componentes principais:

• Arduino UNO (20,00 euros)
• Conversor redutor de tensão: LM2596 (3,00 euros)
• 10 blocos de terminais de 2 pinos (6,50 euros no total)
• Chave liga / desliga SPST de 2 pinos (0,40 euros)
• Capacitor de 47 micro Farad (0,40 euros)
• Madeira: MDF 3 mm e 6 mm
• PLA-plástico
• Filamento de impressão 3D
• 40 parafusos e porcas: M4 (0,19 euros cada)
• Atuador linear - Nema 17: 17LS19-1684E-300G (37,02 euros)
• Motor de passo híbrido Sanyo Denki (58,02 euros)
• 2 driver de passo: DRV8825 (4,95 euros cada)
• 2 botões (1,00 euro cada)
• 3 micro interruptores (2,25 euros cada)
• 5 rolamentos de esferas ABEC-9 (0,75 euros cada)

Software e hardware:

• Inventor da Autodesk (arquivos CAD)
• impressora 3d
• Cortador a laser
• Alimentação de tensão de 24 Volts

Etapa 1: construção de madeira

Construção de madeira

Para a configuração do robô, uma construção externa é usada para fornecer rigidez e tornar o robô robusto. Em primeiro lugar, o mecanismo de abertura é totalmente circundado por esta estrutura para poder adicionar um rolamento no topo do axisto para tornar o mecanismo estável. Além disso, existe um plano na parte inferior da torre para montar o motor de passo. Nas laterais da torre, foram feitos orifícios para evitar que o abridor gire, de forma que ele desça direto para a cápsula para abrir a garrafa. Nos planos laterais, também existem orifícios para prender um suporte para impedir que o abridor caia completamente. Em segundo lugar, um plano extra é fornecido atrás da torre do mecanismo de abertura para montar o motor e a transmissão do mecanismo de vazamento.

Na parte inferior do suporte de vidro, um plano é fornecido para apoiar o vidro quando ele desce. Isso é necessário, pois o copo foi levantado para criar o espaço ideal entre a tampa da garrafa e a tampa do copo. Neste plano, um orifício foi fornecido para colocar um microinterruptor como efetor final. Também foram feitos furos nos planos de madeira para uma fiação limpa dos sensores e motores. Além disso, alguns orifícios foram fornecidos no plano inferior da construção de madeira, a fim de nivelar a altura das garrafas no mecanismo de abertura e fornecer alguns espaços para as peças de madeira laterais do mecanismo de vazamento, bem como um espaço para os parafusos no fundo do suporte da garrafa no mecanismo de vazamento.

Mecanismo de quebra-cabeça

Um exemplo do método de montagem foi adicionado nas fotos desta etapa. Ele dá uma visão do mecanismo do quebra-cabeça e dos orifícios fornecidos para montar os planos uns com os outros.

Etapa 2: Mecanismo de abertura

Este modelo é composto por um abridor de garrafas (que também faz abridor de lata, para a parte superior arredondada), uma enorme barra trapezoidal de metal, um porta abridor (placa de madeira com 2 pequenas dobradiças por onde passa uma pequena barra de metal), uma pinça para o abridor de garrafas e um parafuso de esfera. Na barra de metal (acoplada a um motor), o suporte do abridor fica acima do fuso de esferas. Graças à rotação da barra metálica, criada pelo motor, o fuso de esferas pode subir e descer, conduzindo com eles o movimento do suporte do abridor com o abridor acoplado a ele. A pequena barra de metal encaixada entre 4 colunas impede a rotação do suporte do abridor. Em ambas as extremidades da pequena barra, dois "bloqueadores" são colocados. Dessa forma, a pequena barra não pode se mover horizontalmente. No início, o abridor é mantido preso contra a garrafa. O abridor sobe e desliza sobre a garrafa (graças à sua parte arredondada) até que o orifício do abridor fique preso na lata da garrafa. Neste ponto, um torque será aplicado pelo abridor para abrir a garrafa.

1. Dobradiça grande (1 peça)
2. Placa de madeira (1 peça)
3. Bloqueador de barra pequena (2 peças)
4. Barra de metal pequena (1 peça)
5. Dobradiça pequena (2 peças)
6. Abridor (1 peça)
7. Rolamento (1 peça)
8. Bloqueador abridor (1 peça)
9. Motor + barra trapezoidal + parafuso esférico (1 peça)

Etapa 3: Mecanismo de equilíbrio

Sistema de equilíbrio de vazamento

Este sistema consiste num sistema de balança que possui em cada lado um sistema porta-garrafas e um sistema porta-copos. E no meio há um sistema de montagem para fixá-lo ao eixo.

1. Porta-garrafa

O design do porta-garrafas consiste em 5 grandes placas que são fixadas nas laterais do sistema de balanceamento com uma configuração de quebra-cabeça, e também há uma sexta placa na parte inferior, fixada com parafusos M3 para segurar o urso Jupiler, por isso não não vá embora. A montagem nas placas laterais de madeira também é facilitada com uma configuração de parafuso mais porca, 4 para cada placa de madeira (2 de cada lado).

Também é implementado um porta-gargalo para segurar o topo da garrafa, peça esta fixada no sistema de montagem de eixo, explicado posteriormente.

Além disso, são implementados 10 cilindros impressos em 3D através do conjunto, para adicionar rigidez à estrutura. Os parafusos que passam por esses cilindros são M4 e com suas respectivas porcas.

Por último, implementamos dois sensores de interruptor para detectar a garrafa que está dentro do suporte, para isso utilizamos um porta-corpo impresso em 3D que é preso às placas de madeira abaixo e acima dele.

2. Suporte de vidro

O design do porta-vidro é formado por 2 placas de madeira fixadas da mesma forma que as placas porta-garrafas. Existem também 5 cilindros impressos em 3D para adicionar rigidez. Para apoiar o fundo do vidro Jupiler, existe uma peça semicilindrada onde o vidro se apoia. Isso eu prendi por meio de 3 braços que são montados com parafusos M4.

Para apoiar as partes superiores dos vidros, são implementadas duas peças, uma para a parte superior do vidro, para que ao girar o sistema de balanceamento não caia e outra que segure a parte lateral do vidro.

3. Sistema de montagem do eixo

Foi necessário um sistema para anexar o sistema de equilíbrio ao eixo de rotação. Usamos uma configuração em que as barras longitudinais (um total de 4) são pressionadas umas às outras com parafusos e porcas M4. E através dessas barras existem 10 peças impressas em 3D que têm um diâmetro de eixo um pouco maior. Para aumentar a aderência, existem duas tiras de borracha longitudinais entre o eixo e as peças impressas em 3D.

4. Equilibre as placas de madeira

Existem 2 placas de madeira laterais que seguram todos os suportes e são fixadas ao eixo através do sistema de eixos explicado acima.

Transmissão

O sistema de equilíbrio explica o movimento do eixo, é uma barra metálica de 8mm que é montada na estrutura com o auxílio de 3 mancais e seus respectivos suportes de mancal.

A fim de obter torque suficiente para realizar o movimento de rotação do vazamento, uma transmissão de correia é usada. Para a polia de metal pequena, foi usada uma polia com um diâmetro de passo de 12,8 mm. A grande polia foi impressa em 3D para atingir a proporção necessária. Assim como a polia de metal, foi fornecida uma peça extra para a polia a fim de fixá-la ao eixo de rotação. Para aplicar tensão na correia, um rolamento externo é usado em um aplicador de tensão móvel para criar diferentes quantidades de tensão dentro da correia.

Etapa 4: Eletrônica e código Arduino

Para os componentes eletrônicos, é aconselhável consultar a lista de requisitos novamente e ver qual deve ser a cinemática deste sistema. O primeiro requisito que nossos sistemas têm, é o movimento vertical do abridor. Outro requisito é a força que deve ser aplicada no braço para soltar a tampa da garrafa. Essa força é em torno de 14 N. Para a parte de vazamento, os cálculos são resolvidos através do Matlab e resultaram em um torque máximo de 1,7 Nm. O último requisito observado é a facilidade de uso do sistema. Portanto, o uso de um botão de partida será útil para iniciar o mecanismo. Neste capítulo, as partes separadas serão escolhidas e explicadas. No final do capítulo, todo o design da placa de ensaio também estará representado.

O mecanismo de abertura

Para começar, o sistema de abertura é necessário para abrir uma garrafa de cerveja. Como já foi dito na introdução deste capítulo, o torque necessário para destacar a tampa da garrafa é de 1,4 Nm. A força que será aplicada no braço do abridor é de 14 N se o braço tiver cerca de 10 cm. Essa força é criada por uma força de atrito criada ao girar uma rosca através de uma porca. Ao segurar a porca presa em seu movimento de rotação, a única maneira de a porca se mover agora é para cima e para baixo. Para isso, é necessário um torque para garantir que a porca possa se mover para cima e para baixo e, com isso, uma força de 14 N também precisa sair. Esse torque pode ser calculado pela fórmula abaixo. Esta fórmula descreve o torque necessário para mover um objeto para cima e para baixo com uma certa quantidade de torque. O torque necessário é de 1,4 Nm. Este deve ser o requisito mínimo de torque para o motor. O próximo passo é verificar que tipo de motor seria o mais adequado nesta situação. O abridor gira muitas voltas e olhando o torque necessário, uma boa ideia é escolher um servomotor. A vantagem de um servomotor é que ele possui um alto torque e velocidade moderada. O problema aqui é que um servomotor tem um certo alcance, menos do que uma rotação completa. Uma solução seria que o servomotor pudesse ser 'hackeado', o que resultaria em que o servomotor tivesse uma rotação completa de 360 ° e também continuasse girando. Agora, uma vez que o servomotor é "hackeado", é quase impossível desfazer essas ações e torná-lo normal novamente. Isso faz com que o servomotor não possa ser reutilizado em outros projetos posteriormente. Uma solução melhor é que a escolha vai melhor para um motor de passo. Esses tipos de motores podem não ser os que mais torques, mas gira de forma controlada em contraste com um motor DC. Um problema encontrado aqui é a relação preço / torque. Este problema pode ser resolvido usando uma caixa de engrenagens. Com esta solução, a velocidade de rotação da rosca será reduzida, mas o torque será maior em relação às relações de transmissão. Outra vantagem de usar um motor de passo neste projeto é que o motor de passo pode ser reutilizado posteriormente para outros projetos dos próximos anos. A desvantagem de um motor de passo com caixa de engrenagens é a velocidade resultante, que não é tão alta. Lembrando que o sistema requer um atuador linear no qual isso é evitado pelo mecanismo de porca e rosca que também o tornará mais lento. Portanto, a escolha foi por um motor de passo sem caixa de engrenagens e imediatamente conectado por uma rosca com uma porca lisa incluída.

Para este projecto, um bom motor de passo para a aplicação é o Nema 17 com um binário de 44 Ncm e um preço de 32 euros. Este motor de passo é, como já falado, combinado com uma rosca e uma porca. Para controlar o motor de passo, é usado o uso de uma ponte H ou driver de motor de passo. Uma ponte H tem as vantagens de receber dois sinais do console Arduino e, com a ajuda de uma fonte de tensão DC externa, a ponte H pode transformar sinais de baixa tensão em tensões mais altas de 24 volts para fornecer o motor de passo. Por causa disso, o motor de passo pode ser facilmente controlado pelo Arduino por meio da programação. O programa pode ser encontrado no Apêndice. Os dois sinais vindos do Arduino são dois sinais digitais, um é responsável pela direção da rotação e o outro é um sinal PWM que determina a velocidade. O driver usado neste projeto para o mecanismo de vazamento e o mecanismo de abertura é um 'driver DRV8825 de step stick' que é capaz de converter sinais PWM do Arduino para tensões de 8,2 V a 45 V e custa cerca de 5 euros cada. Outra ideia a ter em conta é a localização do abridor em relação à abertura da garrafa. Para simplificar a programação, o porta-garrafa é feito de forma que os dois tipos de abertura de garrafa de cerveja fiquem na mesma altura. Por causa disso, o abridor e indireto o motor de passo que é conectado através da rosca, agora podem ser programados para ambas as garrafas para a mesma altura. Dessa forma, um sensor para detectar a altura da garrafa não é necessário aqui.

O mecanismo de vazamento

Conforme já indicado na introdução deste capítulo, o torque necessário para inclinar o sistema de balanceamento é de 1,7 Nm. O torque é calculado através do Matlab estabelecendo uma fórmula para o equilíbrio do torque em função do ângulo variável em que o copo e a garrafa giram. Isso é feito para que o torque máximo possa ser calculado. Para o motor nesta aplicação, o melhor tipo seria um servomotor. A razão para isso é por causa de sua alta relação torque / preço. Como dito no parágrafo anterior do mecanismo de abertura, um servomotor tem uma certa faixa em que pode girar. Um pequeno problema que pode ser resolvido é sua velocidade de rotação. A velocidade de rotação de um servomotor é maior do que o necessário. A primeira solução que pode ser encontrada para este problema é adicionar uma caixa de câmbio na qual o torque será melhorado e a velocidade será reduzida. Um problema que surge com essa solução é que, devido à caixa de câmbio, o alcance do servomotor também diminui. Esta diminuição resulta em que o sistema de balanceamento não será capaz de girar sua rotação de 135 °. Isso poderia ser resolvido 'hackeando' novamente o servomotor, mas isso resultaria na impossibilidade de reutilização do servomotor, o que já foi explicado no parágrafo anterior 'O mecanismo de abertura'. A outra solução para sua alta velocidade de rotação reside mais no funcionamento de um servo motor. O servo motor é alimentado por uma tensão de 9 volts e é controlado pelo console do Arduino por meio de um sinal PWM. Este sinal PWM dá um sinal com o que o ângulo desejado do servomotor precisa ser. Ao dar pequenos passos na mudança do ângulo, a velocidade de rotação do servomotor pode ser reduzida. No entanto, essa solução parece promissora, um motor de passo com uma caixa de engrenagens ou transmissão por correia pode fazer o mesmo. Aqui, o torque proveniente do motor de passo precisa ser maior, enquanto a velocidade precisa ser reduzida. Para isso, utiliza-se a aplicação de uma transmissão por correia, pois não há folga para este tipo de transmissão. Esta transmissão tem a vantagem de ser flexível em relação a uma caixa de velocidades, onde os dois eixos podem ser colocados onde se quiser, desde que a correia esteja tensionada. Essa tensão é necessária para o agarre em ambas as polias para que a transmissão não perca energia ao escorregar nas polias. A relação de transmissão foi escolhida com alguma margem para cancelar problemas não intencionais que não foram levados em consideração. No eixo do motor de passo, uma polia com um diâmetro de passo de 12,8 mm foi selecionada. Para obter a margem de torque, foi escolhida uma polia com diâmetro de passo de 61,35 mm. Isso resulta em uma redução da velocidade de 1 / 4,8 e, portanto, um torque aumentado de 2,4 Nm. Esses resultados foram alcançados sem levar em conta qualquer eficiência de transmissão, pois nem todas as especificações da correia t2.5 eram conhecidas. Para proporcionar uma melhor transmissão, uma polia externa é adicionada para aumentar o ângulo de contato com a polia menor e aumentar a tensão dentro da correia.

Outras peças eletrônicas

As outras partes presentes neste projeto são três micro interruptores e dois botões de partida. Os dois últimos botões falam por si e serão usados para iniciar o processo de abertura da cerveja enquanto o outro inicia o mecanismo de despejo. Após o sistema de vazamento ser iniciado, este botão não será útil até o final. No final do processo, o botão pode ser pressionado novamente e isso garantirá que a parte de vazamento pode ser trazida de volta ao seu estado inicial. Os três micro interruptores são usados como sensores para detectar os dois tipos de garrafas de cerveja e do outro lado a garrafa de vidro quando o sistema de vazamento atinge sua posição final. Aqui os botões utilizados custam cerca de 1 euro cada e os micro interruptores custam 2,95 euros cada.

Para alimentar o Arduino, é necessária uma fonte de alimentação externa. Portanto, um regulador de tensão é usado. Este é um regulador abaixador LM2596 que torna possível converter uma tensão de 24 V para 7,5 V. Este 7,5 V será usado para alimentar o Arduino de forma que nenhum computador será usado no processo. A ficha técnica também foi verificada para a corrente que é fornecida ou pode ser fornecida. A corrente máxima é 3 A.

O design para a eletrônica

Nesta seção, a configuração dos componentes eletrônicos será cuidada. Aqui, na figura do breadboard, o layout ou design é mostrado. A melhor maneira de começar aqui é ir da fonte de tensão presente no canto inferior direito e ir para o Arduino e os subsistemas. Como pode ser visto na figura, a primeira coisa que está no caminho entre a fonte de tensão e a placa de ensaio é um interruptor manual adicionado ao qual qualquer coisa pode ser alimentada instantaneamente por um toque de um interruptor. Posteriormente, é colocado um capacitor de 47 micro Farad. Este capacitor não é obrigatório devido ao uso de uma fonte de tensão e sua característica de fornecer imediatamente a corrente necessária, o que às vezes não acontece com outros modelos de fonte. À esquerda dos capacitores, dois drivers LM2596 (não os mesmos visuais, mas a mesma configuração) são colocados para controlar o motor de passo. A última coisa que está conectada ao circuito de 24 V é o regulador de tensão. Isso é apresentado nesta figura pelo quadrado azul escuro. Suas entradas são o terra e 24 V, suas saídas são 7,5 V e o terra que é conectado com o terra da entrada 24 V. A saída ou 7,5 V do regulador de tensão é então conectada ao Vin do console do Arduino. O Arduino é então alimentado e capaz de fornecer uma tensão de 5 V. Esta tensão de 5 V é enviada para os 3 micro interruptores representados pelos botões do lado esquerdo. Eles têm a mesma configuração dos botões, dois dos quais são colocados no meio. Caso o botão ou interruptor seja pressionado, uma tensão de 5 V é enviada para o console do Arduino. Caso os sensores ou botões não sejam pressionados no solo e a entrada do Arduino esteja conectada entre si, o que representaria um valor de entrada baixo. Os últimos subsistemas são os dois drivers de passo. Eles estão ligados ao circuito de alta tensão de 24 V, mas também precisam ser conectados aos 5 V do Arduino. Na figura da placa de ensaio, também pode ser visto um fio azul e verde, os fios azuis são para um sinal PWM que regula e define a velocidade do motor de estepe. Os fios verdes definem a direção na qual o motor de passo precisa girar.

Na segunda figura, a figura com o driver de passo, é mostrada a conexão dos drivers do motor de passo. Aqui pode-se ver que existem três conexões M0, M1 e M2 não conectadas. Eles decidem como cada passo deve ser dado. Da forma como está configurado agora, todos os três são conectados ao solo por uma resistência interna de 100 kilo Ohm. Colocar todas as três entradas em baixo criará uma etapa completa com cada pulso PWM. Configurar todas as conexões para Alta a cada pulso PWM resultará em 1/32 de uma etapa. Neste projeto, a configuração da etapa completa é escolhida; para projetos futuros, isso pode ser útil no caso de diminuir a velocidade.

Etapa 5: Teste do sistema

A última etapa é testar os mecanismos e ver se eles realmente funcionam. Portanto, a alimentação de tensão externa é conectada ao circuito de alta tensão da máquina enquanto os aterramentos também são conectados. Como visto nos dois primeiros vídeos, os dois motores de passo parecem estar funcionando, mas assim que tudo está conectado na estrutura em algum lugar do nosso circuito, parece que ocorre um curto-circuito. Por causa da má escolha de design de ter um pequeno espaço entre os planos, a parte de depuração é muito difícil. Olhando para o terceiro vídeo, alguns problemas também estiveram presentes com a velocidade do motor. A solução para isso foi aumentar o atraso no programa, mas assim que o atraso for muito alto o motor de passo parece estar vibrando.

Etapa 6: dicas e truques

Para esta parte, queremos concluir alguns pontos que aprendemos ao longo da realização deste projeto. Aqui, dicas e truques sobre como iniciar a fabricação e como resolver pequenos problemas serão explicados. Desde o início da montagem até a confecção de todo o projeto em uma placa de circuito impresso.

Dicas e truques:

Conjunto:

• Para impressão 3D, com a função ajuste ao vivo nas impressoras 3D Prusa, pode-se ajustar a distância entre o bico e a mesa de impressão.
• Como visto em nosso projeto, tentamos ir por uma estrutura com o máximo de madeira possível, pois são as mais rápidas feitas por um cortador a laser. Em caso de peças quebradas, elas podem ser facilmente substituídas.
• Com a impressão 3D, tente fazer seu objeto o menor possível, ainda tendo as propriedades mecânicas de que precisa. Em caso de falha na impressão, você não levará muito tempo para reimprimir novamente.

Eletrônicos:

• Antes de iniciar seu projeto, comece pesquisando todas as planilhas de dados de cada componente. Isso levará algum tempo no início, mas certamente valerá a pena no longo prazo.
• Ao fazer seu PCB, certifique-se de ter um esquema do PCB com todo o circuito. Um esquema de breadboard pode ajudar, mas a transformação entre os dois às vezes pode ser um pouco mais difícil.
• Trabalhar com eletrônica às vezes pode começar fácil e se tornar complexo bastante rápido. Portanto, tente usar um pouco de cor em seu PCB com cada cor correspondendo a um determinado significado. Dessa forma, no caso de um problema, isso pode ser mais fácil de ser resolvido
• Trabalhe em uma placa de circuito impresso grande o suficiente para evitar fios cruzados e manter uma visão geral do circuito, o que pode reduzir a possibilidade de curto-circuito.
• No caso de alguns problemas com o circuito ou curto-circuito no PCB, tente depurar tudo em sua forma mais simples. Dessa forma, seu problema ou problemas podem ser resolvidos mais facilmente.
• Nossa última dica é trabalhar em uma mesa limpa, nosso grupo tinha fios curtos por toda a mesa, o que criava um curto-circuito em nosso circuito de alta tensão. Um desses pequenos fios foi a causa e quebrou um dos drivers de passo.

Etapa 7: Fontes acessíveis

Todos os arquivos CAD, código Arduino e vídeos deste projeto podem ser encontrados no seguinte dropbox-link:

Além disso, também vale a pena verificar as seguintes fontes:

- OpenSCAD: Polia paramétrica - muitos perfis de dentes por droftarts - Thingiverse

- Grabcad: Esta é uma ótima comunidade para compartilhar cadfiles com outras pessoas: GrabCAD: Comunidade de Design, Biblioteca CAD, Software de Impressão 3D

- Como controlar um motor de passo usando um driver de passo: