Pintor de plástico bolha: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Como parte do nosso curso "Mecatrônica 1 - MECA-Y403" Master 1 na ULB, fomos solicitados a projetar um robô desempenhando uma função específica e a criar um site resumindo o design do robô, começando com a escolha dos materiais, o modelagem, a realização e o código permitindo que todo o sistema funcione. Todo o grupo escolheu por unanimidade realizar o robô "Bubble Wrap Painter".

O "Bubble Wrap Painter" é um dispositivo capaz de injetar tinta em algumas bolhas do plástico bolha a partir de um controle de voltagem fornecido pelo computador. Inicialmente, o robô deveria ser capaz de injetar o líquido em um plano 2D para gerar um desenho de ponto. No entanto, por razões econômicas e práticas, o grupo se retirou para injetar tinta em uma trajetória 1D. O robô funciona da seguinte maneira: um sistema de parafuso sem-fim é usado para pressionar o êmbolo de uma seringa inicialmente cheia de tinta. A seringa é conectada a um tubo flexível de polipropileno que permite que a tinta seja conduzida até uma ponta metálica fixada no módulo móvel. Este módulo é capaz de deslizar ao longo de um eixo horizontal, novamente por meio de um sistema worm. A ponta, por outro lado, é acoplada a um eletroímã linear que também é acoplado ao módulo móvel. O eletroímã é usado para furar o plástico-bolha fixado em uma placa vertical. Uma vez que a bolha é perfurada, a tinta é injetada nela e assim por diante.

Etapa 1: Descrição das peças e ferramentas

COMPRA

2 acoplamentos de viga de 5 mm a 6 mm

1 seringa de 10 ml (7,5 cm de comprimento)

1 tubo em polipropileno flexível com diâmetro de 4mm

1 agulha com sua tampa de segurança

Guache diluído em água

2 hastes roscadas: diâmetro de 6 mm e 18,5 cm de comprimento

2 hastes lisas de 8 mm de diâmetro e 21 cm de comprimento

2 hastes lisas de 8 mm de diâmetro e 10 cm de comprimento

Plástico bolha

ELETRÔNICOS

1 placa de ensaio

1 arduino

1 motor de passo

1 motor de passo RS PRO híbrido, motor de passo de ímã permanente 1,8 °, 0,22 Nm, 2,8 V, 1,33 A, 4 fios

2 micro interruptores V-156-1C25

1 eletroímã ZYE1-0530

Fonte de energia

2 conectores banana

45 fios de jumper

6 cabos condutores

Diodo 1N4007

Transistor IRF5402

3 resistores 4, 7 kohm

2 drivers DRV8825

1 botão de pressão

PARAFUSO, PORCAS E FIXAÇÕES

42 parafusos M3 de 16 mm de comprimento

4 parafusos M3 de 10 mm de comprimento

4 parafusos M4 de 16 mm de comprimento

2 parafusos M2, 5 de 16 mm de comprimento

52 nozes correspondentes

2 arruela plana de aço M3

FERRAMENTAS USADAS

Máquina de corte a laser

Impressora 3D (Ultimaker 2 ou Prusa)

Chave de fenda

Etapa 2: Arquivos CAD

CORTE A LASER com espessura de 3 mm

- placas de suporte

-suporte para levantar o interruptor

- suporte móvel para a agulha

- suporte para bolhas

-4 suporte de aumento

IMPRESSAO 3D

-suporte para o motor

-suporte a haste roscada

- bomba de seringa

-suporte para a agulha

-suporte para a seringa

Etapa 3: Montagem

Para começar, desenhamos uma base de madeira composta por 3 elementos diferentes: uma placa de fundo, uma placa vertical e uma placa triangular para manter tudo junto.

Você pode ver na imagem que as diferentes placas têm padrões em forma de T repetidos. Esses padrões são usados para fixar a montagem e permitir que a base seja robusta. Os dois interruptores são colocados no pistão e no módulo móvel. Isso permite dar, respectivamente, uma referência sobre a expansão máxima do pistão e uma referência sobre a posição extrema direita do módulo móvel.

Além disso, os motores de passo são fixados com quatro parafusos a um suporte criado com uma impressora 3D. Sobre este suporte, dois orifícios perpendiculares permitem a fixação à placa vertical. As hastes roscadas conectadas aos dois eixos de rotação dos motores, bem como as quatro barras lisas, são sustentadas por suportes adicionais localizados no antípoda dos motores. Além disso, conectores são usados para fixar a haste roscada ao eixo de rotação dos motores de passo.

A seringa também é fixada com um suporte que é aparafusado na placa horizontal. Seu êmbolo pode ser pressionado por meio de uma peça trapezoidal que corre ao longo da haste roscada enquanto ela gira. Esta peça tem um orifício no seu interior que é encaixado por uma porca. Esta porca permite que a parte trapezoidal se mova.

O tubo é conectado à seringa simplesmente conectando-o na extremidade da seringa. A outra extremidade do tubo está presa no anel de uma pequena peça de PLA branca. A ponta de metal que originalmente fazia parte da seringa também foi encaixada na extremidade do tubo. Adicionamos a tampa da seringa à agulha para preencher melhor o diâmetro da peça branca. A tampa tem um orifício na extremidade para permitir a passagem da ponta da agulha. Esta pequena parte branca é aparafusada com dois parafusos na placa deslizante do módulo móvel.

O módulo móvel é constituído por um conjunto de peças de madeira fixadas da mesma forma que as placas que constituem a base. O módulo forma uma caixa com três orifícios para acolher as duas barras lisas e a haste roscada. Dentro desta caixa estão duas porcas que permitem que o módulo seja movido. A placa superior do módulo desliza ao longo de duas barras lisas. No centro interno do módulo, uma placa fixa mantém o eletroímã linear. Isso permite que a placa deslizante faça movimentos lineares para frente e para trás.

São dois suportes de madeira que permitem que duas linguetas perfuradas sejam fixadas diretamente na placa vertical por meio de arruelas travadas pelos parafusos. Essas duas abas prendem uma tira de plástico-bolha em seu centro. O papel bolha aqui contém sete bolhas correspondentes aos 7 bits codificados pelo computador.

Do outro lado da placa vertical estão o PCB e o arduino. A placa de circuito impresso é colada na placa horizontal por meio de um sistema de colagem inicialmente presente e o arduino é aparafusado na placa inferior. Além disso, há uma divisória resistiva conectada ao PCB que é aparafusada à parte triangular de madeira. (FOTO: parte traseira do sistema)

* Cada um dos parafusos que fazem parte do sistema é consolidado por parafusos adequados.

Etapa 4: Eletrônica e Sensores

Precisamos saber a posição do motor de passo superior quando o pintor de plástico-bolha é iniciado para alcançar as posições exatas das bolhas. Este é o objetivo da primeira troca. Cada vez que o dispositivo está desenhando uma linha, o motor gira até que a chave mude de estado.

Precisamos de outro interruptor para saber quando o stepper que empurra a seringa atingiu o fim do pistão. O segundo interruptor é usado para parar o sistema quando a seringa está vazia. Um terceiro interruptor opcional pode continuar a pintura quando a seringa for preenchida. Esses interruptores usam voltagens baixas e podem ser fornecidos diretamente pelo arduino. Os dois motores de passo e o ímã precisam de mais energia e são fornecidos por um gerador de energia de 12V e 1A. Dois drivers de motor de passo DRV8825 transformam os sinais do arduino em uma corrente para os motores. Esses drivers precisam ser calibrados. A calibração é feita girando um stepper em velocidade constante e ajustando o parafuso da chave até que o torque seja suficiente para mover suavemente a agulha e o suporte. O último elemento é o eletroímã. Um resistor pull down é usado para redefinir o mosfet quando nenhuma corrente é enviada pelo arduino. Para proteger as outras peças eletrônicas, um diodo flyback também é adicionado ao eletroímã. O mosfet está alternando o ímã entre os estados alto e baixo.

Etapa 5: código Python

Para a comunicação entre o computador e o arduino em python, nos baseamos nos códigos fornecidos neste fórum:

Para controlar o motor de passo, este site foi muito útil: https://www.makerguides.com/drv8825-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/ E para entender os fundamentos do arduino, o 'livro de projetos do arduino' também foi muito útil. O código tem duas partes: a primeira é um código python que converte uma letra no código binário ascii e a envia bit a bit para o arduino, e a segunda é um código arduino que se espalha nas bolhas correspondentes. O fluxograma a seguir explica o princípio do código arduino:

Etapa 6: Vídeo

O projeto de trabalho!

Etapa 7: melhorias

O projeto pode ser aprimorado de várias maneiras. Em primeiro lugar, o número de bolhas em uma linha pode ser facilmente aumentado. Isso pode ser feito pegando códigos binários mais longos, escrevendo duas letras na entrada em vez de uma, por exemplo. O código ASCII será então duas vezes maior.

A melhoria mais importante seria poder preencher as bolhas não apenas ao longo do eixo x, mas também ao longo do eixo y. O preenchimento de bolhas seria, portanto, feito em 2D em vez de 1D. A maneira mais fácil de fazer isso é variar a altura do papel bolha, em vez de levantar e abaixar o motor. Isso significaria não pendurar a borda do suporte de papel bolha na placa, mas em um suporte impresso em 3D. Esse suporte seria conectado a uma haste roscada, ela própria conectada a um motor de passo.

Etapa 8: Problemas encontrados

O principal problema com o qual tivemos que lidar é o eletroímã. Na verdade, para evitar um terceiro motor pesado e incômodo, o eletroímã parecia ser o compromisso perfeito. Após alguns testes, a rigidez constantemente provou ser muito baixa. Portanto, uma segunda mola teve que ser adicionada. Além disso, ele só pode mover cargas muito leves. A disposição dos diferentes elementos teve que ser revisada.

A bomba de seringa também foi um problema. Em primeiro lugar, era necessário modelar uma peça que pudesse ser enganchada na haste sem fim e empurrada no êmbolo ao mesmo tempo. Em segundo lugar, a distribuição de tensões foi importante para evitar a quebra da peça. Além disso, os 2 motores de passo não são iguais: não têm as mesmas características, o que nos obrigou a adicionar um divisor de tensão. Tivemos que usar tinta à base de água (guache diluído no nosso caso), pois uma tinta muito espessa não passaria na agulha e causaria muita perda de pressão no tubo.