Adicionar um tacômetro óptico baseado em Arduino a um roteador CNC: 34 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Construa um indicador óptico de RPM para seu roteador CNC com um Arduino Nano, um sensor de fotodiodo / LED IR e um display OLED por menos de $ 30. Me inspirei no Measure RPM - Optical Tachometer Instructable do eletro18 e queria adicionar um tacômetro ao meu roteador CNC. Simplifiquei o circuito do sensor, projetei um suporte personalizado impresso em 3D para minha roteadora Sienci CNC. Então eu escrevi um esboço do Arduino para exibir um dial digital e analógico em um display OLED

Algumas peças simples e algumas horas do seu tempo, e você pode adicionar um display RPM digital e analógico ao seu roteador CNC.

Aqui está a lista de peças disponíveis para envio em 2 dias. Você provavelmente pode adquirir as peças por menos se estiver disposto a esperar mais.

Lista de Peças

$ 6,99 Arduino Nano

$ 5,99 LED IV / Fotodiodo IV (5 pares)

Tela OLED de $ 7,99 0,96 amarelo / azul I2C

$ 4,99 fios de jumper

$ 1,00 Fio trançado com três condutores de 75 cm (30 polegadas). Pode ser comprado em sua loja de suprimentos para casa local (Home Depot, Lowes) na seção de compra a pé

Resistor de 220 ohm de $ 0,05 ($ 6,99 se você quiser 750 resistores variados)

$ 0,50 Tubo termorretrátil ($ 5,99 se você quiser uma variedade completa)

Parênteses impressos em 3D

Arduino IDE (gratuito)

Nota: Eu inicialmente adicionei um capacitor de.01μF depois de fixar todos os fios e notar alguns valores de RPM erráticos quando o CNC estava se movendo. O capacitor funcionou bem para RPMs mais baixos <20K, mas suavizou muito o sinal para qualquer coisa mais alta. Eu rastreei o ruído até ligar o Nano e exibir diretamente do escudo do CNC. Uma fonte separada funciona para todos os RPM. Deixei as etapas por enquanto, mas você deve usar uma fonte de alimentação USB separada.

Etapa 1: imprimir o suporte 3D

Imprima o suporte 3D para segurar o LED IR e fotodiodos IR. Os arquivos 3D estão aqui e no Thingiverse.

www.thingiverse.com/thing:2765271

Para o moinho Sienci, a montagem angular é usada para montar o sensor nas cantoneiras de alumínio, mas a montagem plana pode ser melhor para o seu projeto.

Etapa 2: opcionalmente, imprimir em 3D o suporte do visor OLED e o gabinete eletrônico

Eu escolhi prender o OLED a um suporte de tela angular que aparafusei na parte superior de um Gabinete Eletrônico Sienci.

Aqui estão os links para as peças impressas em 3D que usei.

Peça 3D Sienci Electronics Enclosure

Suporte de montagem de display OLED de 0,96"

A caixa era um bom lugar para montar o suporte da tela OLED e segura o Arduino Nano muito bem, além de se encaixar na parte de trás do Sienci Mill. Eu fiz alguns furos na parte superior do gabinete para prender o suporte OLED.

Também fiz alguns furos na parte inferior para passar um pequeno zíper para prender firmemente o chicote de fios

Etapa 3: construir o conjunto do fio do sensor infravermelho

O fio de 3 condutores será usado para conectar o sensor. Um fio será um aterramento comum para o LED IR e o fotodiodo IR, com cada um dos outros dois indo para seu respectivo componente.

Etapa 4: adicionar um resistor de limitação de corrente para o LED IV

O LED IR requer um resistor limitador de corrente. A maneira mais fácil é incorporar o resistor ao conjunto de fios.

Dobre as pontas de cada um em forma de U e encaixe-os. Aperte com um alicate e depois solde-os juntos.

Etapa 5: emendar os fios de jumper

Você pode emendar fios de jumper para conectá-los aos pinos de cabeçalho do Arduino.

Corte um pedaço de tubo termorretrátil e deslize sobre o fio antes de conectá-los.

Deslize o tubo termorretrátil de volta sobre a conexão (ou todo o resistor) e encolha o tubo usando uma pistola de ar quente ou passando uma chama rapidamente sobre o tubo até que encolha. Se estiver usando uma chama, mantenha-a se movendo rapidamente ou ela pode começar a derreter.

Etapa 6: Determine o LED IV e os cabos de fotodiodo

Tanto o LED IV quanto o fotodiodo IV parecem semelhantes, cada um com um cabo longo (ânodo ou positivo) e um cabo curto (cátodo ou negativo).

Etapa 7: Insira os diodos no suporte

Pegue o LED IV (diodo transparente) e insira-o em um dos orifícios do suporte do LED. Gire o LED para que o cabo longo fique do lado de fora. Na foto, você pode ver o LED transparente no orifício superior com seu cabo longo bem no topo.

Pegue o fotodiodo IR (diodo escuro) e insira-o no outro orifício. Gire o fotodiodo de modo que seu cabo longo fique no centro.

Conforme mostrado na foto, o fio curto do LED e o fio longo do fotodiodo ficarão no centro. Esses dois terminais serão ligados a um fio comum de volta ao arduino. (Veja as notas técnicas no final se quiser mais detalhes)

Pegue um pequeno pedaço de filamento 1,75 e insira-o atrás dos diodos. Isso travará os diodos no lugar e evitará que girem ou saiam.

Passei por várias iterações de projetos antes de decidir por este. Ter os diodos salientes melhorou muito a tolerância ao alinhá-los com a porca de pinça.

Etapa 8: fundir o filamento de travamento ao suporte

Você vai querer cortar o pedaço de filamento de bloqueio para apenas um pouco mais longo do que a largura do suporte.

Aqueça um prego por alguns segundos no torno ou segurando-o com um alicate.

Etapa 9: pressione as extremidades do filamento contra a cabeça do prego aquecida

Mantenha o dedo na extremidade oposta do filamento e pressione para derreter e fundir o pino de travamento no suporte.

Etapa 10: Suporte de diodo acabado

Limpo e limpo

Etapa 11: Conecte o chicote elétrico aos diodos

Corte o fio de acordo com o comprimento de sua aplicação. Para o moinho Sienci, você precisará de cerca de 30 polegadas (~ 75 cm) no total (fio + jumpers) e terá uma folga para o roteador se mover.

Dobre o fio e as pontas de chumbo em forma de U para travá-los e facilitar a soldagem.

Pegue um tubo fino termorretrátil e apare duas peças curtas e duas peças um pouco mais longas. Deslize as peças mais curtas sobre os condutores de diodo externos. Deslize as peças mais longas sobre as duas guias centrais.

Ter dois comprimentos diferentes desloca as juntas de emenda e desloca as juntas mais grossas uma da outra, de modo que o diâmetro da fiação seja reduzido. Também evita curtos entre as diferentes emendas de fios

Corte três pedaços de tubo termorretrátil de diâmetro ligeiramente maior e coloque-os sobre cada um dos três fios do chicote elétrico.

É importante verificar se há um pequeno espaço entre as extremidades do tubo termorretrátil nos fios e o ponto de emenda. Os fios ficarão quentes e, se o tubo termorretrátil estiver muito próximo, eles começarão a encolher no final, tornando-os potencialmente pequenos demais para deslizar sobre a junta.

Etapa 12: Certifique-se de que o fio com o resistor esteja conectado ao cabo longo do LED IR

O resistor limitador de corrente (220 ohm) embutido no chicote de fiação precisa ser conectado ao cabo longo (ânodo) do LED IR transparente. O fio que conecta os dois condutores comuns será conectado ao aterramento, portanto, você pode usar um fio preto ou desencapado para essa conexão.

Solde as conexões para torná-las permanentes.

Etapa 13: encolher o tubo termorretrátil

Depois que as juntas forem soldadas, use um fósforo ou isqueiro para encolher a tubulação nos terminais do diodo primeiro. Primeiro, mova o tubo termorretrátil nos fios o mais longe possível do calor.

Mantenha a chama se movendo rapidamente enquanto ela encolhe e gira para obter todos os lados igualmente. Não demore ou a tubulação derreterá em vez de encolher.

Depois que os condutores do diodo forem encolhidos, deslize o tubo termorretrátil um pouco maior dos fios, sobre as juntas e repita o encolhimento.

Etapa 14: preparar o bloco de montagem

Dependendo da sua aplicação, escolha o bloco de montagem que se adapta à sua aplicação. Para Desde Fresa, selecione o bloco de montagem em ângulo.

Pegue uma porca M2 e um parafuso M2. Aparafuse a porca apenas um pouco na ponta do parafuso.

Vire o bloco de montagem e teste o ajuste da porca M2 no orifício.

Remova e aqueça a porca levemente com um fósforo ou chama e, em seguida, insira-a rapidamente na parte de trás do bloco de montagem.

Desaparafuse o parafuso, deixando a porca embutida no bloco de montagem de plástico. Para aumentar a resistência, aplique uma gota de super cola na borda da porca para prendê-la com segurança ao bloco.

Etapa 15: certifique-se de que o parafuso M2 tem o comprimento adequado

Certifique-se de que o parafuso não seja muito longo ou o sensor não ficará apertado contra o bloco de montagem. Para o bloco de montagem em ângulo, certifique-se de que o parafuso M2 seja 9 mm ou um pouco mais curto.

Etapa 16: Anexe o bloco de montagem ao roteador CNC

Para o moinho Sienci, prenda o bloco de montagem em ângulo na parte inferior do trilho Z com algumas gotas de supercola.

Etapa 17: prenda o sensor ao bloco de montagem

Coloque o braço ajustável no bloco de montagem

Insira o parafuso M2 com uma arruela através da fenda no braço de montagem ajustável e aparafuse-o na porca.

Deslize o braço ajustável até que o LED e os fotodiodos estejam nivelados com a porca de pinça da roteadora

Aperte o parafuso

Etapa 18: adicionar fita reflexiva em um lado da porca de pinça

Use uma pequena tira de fita de alumínio (usada para dutos de forno) e prenda-a em uma das faces da porca de pinça. Essa fita reflexiva permitirá que o sensor óptico IR capte uma única revolução do fuso.

Etapa 19: Certifique-se de que a fita reflexiva não ultrapasse a borda das facetas adjacentes

A fita deve ficar em um lado da porca de pinça apenas. A fita é fina e leve o suficiente para não interferir com a chave para alterar as fresas de topo ou afetar o equilíbrio do fuso.

Etapa 20: Passe o fio do sensor ao longo da parte interna do trilho Z

Usando tiras de fita adesiva de alumínio, prenda o fio no interior do Z Rail. É melhor passar a fita perto da borda do trilho angular para liberar o conjunto da porca do parafuso de avanço.

Etapa 21: conecte o sensor ao Arduino Nano

Conecte os fios ao Arduino da seguinte maneira:

• LED IR (com resistor integrado) -> Pino D3
• Fotodiodo IR -> Pino D2
• Fio comum -> Pino GND

Etapa 22: conecte os fios de jumper ao visor OLED

Retire um conjunto de cabos jumper de 4 fios

Conecte os fios nos 4 pinos para a interface I2C:

• VCC
• GND
• SCL
• SDA

Etapa 23: Anexe o display OLED ao Arduino

Conecte os fios do jumper aos seguintes pinos. Nota: Esses fios não se prendem todos aos pinos adjacentes, nem na mesma ordem.

• VCC -> Pino 5V
• GND -> Pin GND
• SCL -> Pino A5
• SDA -> Pin A4

Etapa 24: prenda o display OLED em seu suporte

Usando os colchetes que você imprimiu anteriormente, prenda o display OLED em seu suporte

Em seguida, conecte o display ao quadro do CNC.

Etapa 25: preparar o IDE do Arduino para carregar o esboço do Arduino

Um programa para um Arduino é chamado de esboço. O Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) para Arduinos é gratuito e deve ser usado para carregar o programa para detectar o sensor e exibir o RPM.

Se você ainda não o tem, aqui está um link para baixar o IDE do Arduino. Escolha a versão para download 1.8.5 ou superior.

Etapa 26: adicionar as bibliotecas OLED necessárias

Para executar o display OLED, você precisará de algumas bibliotecas adicionais, a biblioteca Adafruit_SSD1306 e a biblioteca Adafruit-GFX. Ambas as bibliotecas são gratuitas e estão disponíveis nos links fornecidos. Siga o tutorial Adafruit sobre como instalar as bibliotecas para o seu computador.

Depois que as bibliotecas são instaladas, elas estão disponíveis para qualquer esboço do Arduino que você criar.

As bibliotecas Wire.h e Math.h são padrão e automaticamente incluídas na instalação do IDE.

Etapa 27: Conecte o Arduino ao seu computador

Usando um cabo USB padrão, conecte o Arduino Nano ao seu computador com o IDE do Arduino.

1. Inicie o IDE
2. No menu Ferramentas, selecione Quadro | Arduino Nano
3. No menu Ferramentas, selecione Porta |

Agora você está pronto para carregar o esboço, compilá-lo e enviá-lo para o Nano

Etapa 28: Baixe o Arduino Sketch

O código do Arduino Sketch está anexado e também está disponível na minha página do GitHub, onde quaisquer melhorias futuras serão postadas.

Baixe o arquivo OpticalTachometerOledDisplay.ino e coloque-o em um diretório de trabalho com o mesmo nome (sem o.ino).

No IDE do Arduino, escolha Arquivo | Abrir…

Navegue até o seu diretório de trabalho

Abra o arquivo OpticalTachometerOledDisplay.ino.ino.

Etapa 29: compilar o esboço

Clique no botão 'Verificar' ou escolha Esboço | Verifique / Compile no menu para compilar o esboço.

Você deve ver a área de compilação na parte inferior, com uma barra de status. Em alguns segundos, a mensagem "Compilação concluída" e algumas estatísticas sobre a quantidade de memória que o esboço ocupa serão exibidas. Não se preocupe com a mensagem "Pouca memória disponível", ela não afeta nada. A maior parte da memória é usada pela biblioteca GFX necessária para desenhar as fontes no display OLED e não o próprio esboço.

Se você vir alguns erros, é mais provável que sejam o resultado de bibliotecas ausentes ou de problemas de configuração. Verifique se as bibliotecas foram copiadas para o diretório correto do IDE.

Se isso não resolver o problema, verifique as instruções sobre como instalar uma biblioteca e tente novamente.

Etapa 30: fazer upload para o Nano

Pressione o botão 'Seta' ou escolha Esboço | Faça upload do menu para compilar e fazer upload do esboço.

Você verá a mesma mensagem 'Compilando..', seguida por uma mensagem 'Fazendo upload..' e, finalmente, uma mensagem 'Upload concluído'. O Arduino começa a executar o programa assim que o upload é concluído ou assim que a energia é aplicada.

Neste ponto, o display OLED deve ganhar vida com um display RPM: 0 com o dial em zero.

Se você montou o roteador novamente, pode ligar o switch e ver o display ler o RPM conforme você ajusta a velocidade.

Parabéns!

Etapa 31: use uma fonte de alimentação dedicada

NOTA: Essa era a fonte do ruído do sinal que causava as exibições de RPM erráticas. Estou investigando a possibilidade de colocar algumas tampas de filtro nos jumpers de alimentação, mas por enquanto você precisará ligá-lo por meio de um cabo USB separado.

Você pode executar o monitor conectado ao seu computador com o cabo USB, mas eventualmente você desejará uma fonte de alimentação dedicada.

Você tem algumas opções, você pode obter um carregador de parede USB padrão e executar o Arduino a partir dele.

Ou você pode executar o Arduino diretamente da eletrônica do roteador CNC. O display Arduino / OLED consome apenas 0,04 amperes, então não vai sobrecarregar seus eletrônicos existentes.

Se você tiver componentes eletrônicos Arduino / CNC Router Shield (como o Sienci Mill), poderá usar alguns pinos não utilizados para acessar os 5 volts de energia necessários.

No lado superior esquerdo da blindagem do roteador CNC, você pode ver que há alguns pinos não usados identificados como 5V / GND. Conecte um par de cabos de jumper a esses dois pinos.

Etapa 32: conectar o Arduino aos jumpers de energia

Este é fácil, mas não tão bem rotulado.

No Arduino Nano, há um conjunto de 6 pinos na extremidade da placa. Eles não estão etiquetados, mas incluí o diagrama de pinagem e você pode ver que os dois pinos externos que estão mais próximos dos LEDs indicadores são identificados como GND e 5V no diagrama.

Conecte o jumper do pino 5 V na blindagem do CNC ao pino mais próximo ao identificado como VIN (não o conecte ao VIN, mas ao pino do canto interno do grupo de 6 pinos). VIN é para alimentar o Nano com alimentação 7V-12V.

Conecte o jumper do pino GND na blindagem do CNC ao pino mais próximo do pino TX1.

Agora, quando você ligar os componentes eletrônicos do roteador CNC, a tela OLED RPM também aparecerá.

Etapa 33: Notas técnicas sobre o circuito

O circuito do sensor usa um par de LED infravermelho / fotodiodo infravermelho.

O LED IR funciona como qualquer LED normal. O condutor positivo (o mais longo ou ânodo) é conectado à tensão positiva. Em um Arduino Nano, é um pino de saída definido como HIGH. O terminal negativo (mais curto ou cátodo) é conectado ao aterramento para completar o circuito. Como os LEDs são sensíveis a muita corrente, um pequeno resistor é colocado em série com o LED para limitar a quantidade de corrente. Esse resistor pode estar em qualquer lugar do circuito, mas faz mais sentido colocá-lo no lado positivo do circuito, uma vez que o terminal negativo compartilha uma conexão de aterramento com o fotodiodo.

O fotodiodo IV se comporta como qualquer outro diodo (incluindo LEDs de diodos emissores de luz), pois eles conduzem eletricidade apenas em uma direção, bloqueando a eletricidade na direção oposta. É por isso que é importante obter a polaridade correta para que os LEDs funcionem.

A diferença importante com os fotodiodos é que, quando eles detectam a luz, os fotodiodos permitem que a eletricidade flua em qualquer direção. Esta propriedade é usada para fazer um detector de luz (neste caso, luz infravermelha ou IV). O fotodiodo IR é conectado em uma polaridade oposta (chamada polarização reversa) com o 5V positivo no pino do Arduino conectado ao terminal negativo do fotodiodo e o terminal positivo é conectado através de um fio comum junto com o LED IR para o aterramento.

Sem luz IV, o fotodiodo IV bloqueia a eletricidade, permitindo que o pino do Arduino com seu resistor pull-up interno esteja no estado HIGH. Quando o fotodiodo infravermelho detecta a luz infravermelha, ele permite que a eletricidade flua, aterrando o pino e fazendo com que o valor ALTO no pino do fotodiodo caia em direção ao solo, causando uma borda de QUEDA que o Arduino pode detectar.

Essa mudança de estado no pino do Arduino é usada no esboço para contar as revoluções.

A tira de fita de alumínio na porca de pinça reflete a luz IV do LED IV sempre ligado de volta para o fotodiodo IV toda vez que ele passa pelo sensor.

Etapa 34: notas técnicas sobre o esboço do Arduino

O esboço do Arduino direciona o display OLED e reage simultaneamente ao sensor IR LED / IR fotodiodo.

O Sketch inicializa o display OLED por meio do protocolo I2C (Circuito Inter-integrado). Este protocolo permite que vários monitores / sensores compartilhem uma conexão e possam ler ou gravar em um dispositivo específico conectado com um mínimo de fios (4). Essa conexão reduz o número de conexões entre o Arduino e o display OLED.

Em seguida, ele liga o LED IR definindo esse pino HIGH, fornecendo os 5 V necessários para o LED.

Ele anexa uma função de interrupção a um pino que é chamado quando detecta uma mudança no estado desse pino. Nesse caso, a função incrementRevolution () é chamada sempre que uma borda FALLING é detectada no pino 2.

Uma função de interrupção faz exatamente o que implica, ela interrompe tudo o que está sendo feito, executa a função e então retoma a ação exatamente onde foi interrompida. As funções de interrupção devem ser as mais curtas possíveis, neste caso apenas adiciona um a uma variável de contador. O pequeno Arduino Nano funciona a 16 MHz - 16 milhões de ciclos por segundo - rápido o suficiente para lidar com a interrupção de 30.000 RPM, que é de apenas 500 rotações por segundo.

A função Loop () é a função de ação primária para qualquer esboço do Arduino. Ele é continuamente chamado, repetidamente, enquanto o Arduino tem energia. Ele obtém a hora atual, verifica se um intervalo especificado decorreu (1/4 de segundo = 250 milissegundos). Nesse caso, ele chama a função updateDisplay () para exibir o novo valor RPM.

A função de loop também escurecerá a tela após 1 minuto e desligará a tela após 2 minutos - totalmente configurável no código.

As funções updateDisplay () chamam a função describeRpm (). Essa função leva a contagem de revoluções que a função de interrupção tem continuamente incrementado e calcula o RPM determinando a taxa de revoluções por intervalo de tempo e extrapolando isso para o número de revoluções por minuto.

Ele exibe o valor numérico e usa um pouco de trigonometria de segundo grau para desenhar um mostrador analógico e o braço indicador para refletir os mesmos valores.

As constantes no topo do esboço podem ser modificadas, se você quiser um mostrador RPM com diferentes valores maiores e menores.

O intervalo de atualização e o intervalo médio também podem ser modificados.