Arduino üçün DIY Lazer Sükan Modulu: 14 Addım (Şəkillərlə birlikdə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:47

Bu Təlimat kitabında, eBay-dən 3D çaplı hissələri və ucuz komponentləri istifadə edərək, iki oxlu, tək güzgülü lazer şüa sükan modulunun qurulmasını nümayiş etdirəcəyəm.

Bu layihə Full XY Control ilə Arduino Laser Show və Real Galvos ilə Arduino Laser Show ilə oxşarlıqlara malikdir, lakin inanıram ki, ucuz solenoidləri olan 3D çaplı dizaynı ilk dəfə istifadə edir. Dizaynın təkmilləşdirilməsi və təkmilləşdirilməsi üçün bütün dizayn sənədlərini GPLv3 -ün altına qoyuram.

Hal -hazırda yalnız modulu yığsam və bir neçə əsas test kodu yazsam da, ümid edirəm ki, bir gün Arduinodan əvvəlki Instructable, Super Fast Analog Gərginliklərimdən vektor qrafik kodunu daxil edərək onu növbəti səviyyəyə qaldıra bilərəm.

Addım 1: 3D olmayan Çap olunan hissələri toplayın

Lazer qurğusu aşağıdakı hissələrdən ibarətdir:

• 4 mikro solenoid
• Bir 1/2 düymlük güzgü
• Dörd M3 vida

İstifadə etdiyim xüsusi solenoidlər eBay -də hər biri 1.45 dollara alındı. Dəyirmi güzgü, HobbyLobby sənətkarlıq koridorunda tapıldı - 25 ədədlik bir paket mənə 3 dollardan da ucuz başa gəldi. EBay -də güzgülər də tapa bilərsiniz.

Yenə eBay -dan ucuz bir lazer göstəricisi də lazımdır. Bənövşəyi bir lazer və qaranlıqda bir vinil təbəqə bu layihə üçün əla bir kombinasiyadır!

Bir dəstə kömək əlləri lazım deyil, ancaq lazer göstəricisi tutmaq və yerləşdirmək üçün çox faydalı olacaq. Güc düyməsini basıb saxlamaq üçün böyük bir bağlayıcı klip istifadə edilə bilər.

Bir Arduino (Arduino Nano istifadə etdim) və solenoidləri idarə etmək üçün bir yola ehtiyacınız olacaq. VajkF-in şərhlərdə dediyi kimi, L298 və ya L9110 əsaslı olanlar kimi əvvəlcədən hazırlanmış H körpüsündən istifadə edə bilərsiniz. Bunlar eBay -də bir neçə dollara asanlıqla mövcuddur və həm də mühərrikləri və robototexnika layihələrini idarə etmək üçün istifadə edilə bilər.

H körpüsüm olmadığından diskret komponentlərdən öz sürücümü qurdum:

• Dörd NPN bipolyar tranzistor (MPS3704 istifadə etdim)
• Dörd rezistor (1.2k ohm rezistor istifadə etdim)
• Dörd diod (1N4004 istifadə etdim)
• 9V batareya və batareya konnektoru

Elektron komponentlər mənim laboratoriyamdandı, buna görə dəqiq bir qiymətim yoxdur, ancaq hissələriniz yoxdursa və ya təmizləyə bilməsəniz, əvvəlcədən qurulmuş bir H körpüsündən istifadə etmək daha sərfəlidir. Buna baxmayaraq, öz tikilinizin sxemlərini təqdim edəcəyəm.

Addım 2: Güzgü Sükan Modulunu 3D Çap edin

Lazer sükan modulu iki ölçülü 3D hissədən ibarətdir: dörd solenoidin quraşdırılması üçün bir baza və güzgü üçün mafsallı platforma.

Dizaynı dəyişdirməyiniz lazım olduğu təqdirdə iki STL faylını 3D çapa, həmçinin FreeCAD sənədlərinə əlavə etdim. Bütün məzmun GPLv3 altındadır, buna görə təkmilləşdirmələr etmək və paylaşmaqda sərbəstsiniz!

Addım 3: Lazer Modulunu yığın

• Dörd solenoidi alt hissəyə yapışdırmaq üçün isti yapışqan istifadə edin.
• Güzgüyü yuxarı hissənin ortasına yapışdırmaq üçün isti yapışqan istifadə edin.
• Metal pistonları solenoidlərə daxil edin və sonra yuxarı hissəni dirəklərə yerləşdirin (lakin vidalamayın). Üst hissəni bir az döndərin və kiçik bir tornavida istifadə edərək hər pistonu mövqeyinə qaldırın. Diskin dodağı pistonun yivinə sürüşməlidir. 3D çaplı menteşələr çox kövrək olduğundan diqqətli olun. Səbir və bəlkə də bir neçə uğursuz cəhdlə, menteşələri bükmədən və ya təzyiq göstərmədən bütün dörd pistonu yerləşdirə bilməlisiniz.
• Bütün pistonlar yerləşdirildikdən sonra, M3 vintlərini qismən daxil edin, lakin bərkitmədən əvvəl hər pistonu yumşaq bir şəkildə aşağı itələyin və güzgünün sərbəst əyilməsini təmin edin. Sərbəst hərəkət etmirsə və ya tutmursa, üst lövhəni çıxarmaq, bir və ya daha çox solenoidi boşaltmaq və bir az xarici açı ilə yenidən bağlamaq lazım ola bilər (aralıqlarla ara dirəyin qoyulması buna kömək edə bilər)..

Addım 4: Lazer İşarə yaxasını çap edin

Lazer göstərici yaxası lazer göstəricisinin başına oturur. Daha sonra yaxanı tutmaq və lazeri tam olaraq dəzgahınıza yerləşdirmək üçün köməkçi əllər dəstindən istifadə edə bilərsiniz.

Addım 5: Sürücülük Devrini yığın

Sürücü dövrəsi sxematik şəkildə göstərilmişdir. Daha əvvəl də qeyd edildiyi kimi, mənim versiyam ayrı-ayrı komponentlərdən hazırlanmışdır, ancaq hazır bir H körpüsündən də istifadə edə bilərsiniz. Öz quruluşunuzu qurmaq qərarına gəlsəniz, bu dövrənin dörd nüsxəsini, dörd solenoidin hər biri üçün bir nüsxə hazırlamalısınız.

Hər bir dövrə, ikisi sol və sağ solenoidi idarə etmək üçün, ikisi yuxarı və aşağı solenoidlər üçün bir Arduino pininə bağlanacaq. Bunların PWM qabiliyyətli pinlərə bağlanması lazımdır, məsələn:

• Pin 9: Solenoid yuxarı
• Pin 3: Aşağı Solenoid
• Pin 11: Sol Solenoid
• Pin 10: Sağ Solenoid

Dörd solenoid sürücü dövrəsini idarə etmək üçün tək bir 9V batareya istifadə edilə bilər və ya tezgah üstü enerji təchizatı istifadə edə bilərsiniz. Arduino USB gücünü tükəndirəcək və 9V batareyanın müsbət tərəfinə qoşulmamalıdır. Bununla birlikdə, batareyanın mənfi tərəfi yerə istinad olaraq istifadə olunur və Arduino üzərindəki GND pininə və tranzistorlardakı emitör pinlərinə bağlanmalıdır.

Addım 6: Nümunə kodunu yükləyin

Nümunə kodu aşağıdakı xüsusiyyətlərlə yeniləndi:

• PWM tezliyini elə tənzimləyir ki, mexanizm aşağı sürətlə demək olar ki, səssiz olsun. Motion Test 1 -də səs -küy tamamilə yox oldu!
• Solenoidlərin qeyri-xətti reaksiyasını "lineerləşdirmək" üçün Schimpf tərəfindən yazılan sənəd əsasında gərginlik tənlikləri əlavə edir.

Bu bloqdakı koda əsaslanaraq Lorenz Attractor tətbiqini də daxil etdim.

Nəticələrin sadiqliyi arzuolunan bir şey buraxır, amma hələ də üzərində işləyirəm!:)

Sonrakı addımlar kodda istifadə olunan bəzi texnikaları göstərir.

Addım 7: Səsin aşağı salınması

Mənim Motion Test 1 -də, xüsusən yuxarı və aşağı hərəkət zamanı yüksək səs -küy səsi eşidə bilərsiniz. Məlum oldu ki, buna səbəb Arduinonun səsli diapazonda olması üçün standart PWM kəsmə tezliyi idi. Bobin gərginliyinin sürətlə açılması və söndürülməsi onların həmin tezlikdə titrəməsinə səbəb olar və onları kiçik səsgücləndiricilərə çevirərdi.

Bu problemi həll etmək üçün kodda PWM tezliyini artırdım:

#define PWM_FREQ_31372Hz 0x01 // PWM tezliyini 31372.55 Hz -ə təyin edir #PWM_FREQ_3921Hz 0x02 təyin edir // PWM tezliyini 3921.16 Hz -ə təyin edir & 0b11111000) | tezlik; // Taymer1 (sancaqlar 9 və 10) tezliyi təyin edin TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | tezlik; // Taymer2 (sancaqlar 3 və 11) tezliyini təyin edin}

Arduino PWM tezliyini təyin etmək, solenoidləri və ya mühərrikləri sakitləşdirmək üçün faydalı bir hiylədir. Hansının sizə ən yaxşı nəticə verdiyini görmək üçün müxtəlif tezlik seçimləri ilə sınayın. Daha inkişaf etmiş bir proqramlaşdırma olsa da, taymerlərin necə işlədiyinə dair yaxşı bir qaynaq burada.

Addım 8: Təhrifi azaltmaq üçün gərginliklərin tənzimlənməsi

İlkin hərəkət testlərim, solenoidlərin reaksiyasında əhəmiyyətli bir təhrif olduğunu göstərdi. Motion Test 3 -də (solda şəkil), dairəvi bir spiral olması lazım olan şey, kənarları əyri olan düzbucaqlı bir ağ halına gəldi.

Bu problemi həll etmək üçün bir az riyaziyyat lazım idi, amma problemi proqramda həll etmək üçün kifayət qədər yaxşı başa düşməyimə kömək edən internetdə inanılmaz bir kağız tapa bildim.

Sistemin tənzimlənməsi və yaranan izlərin görünüşünü yaxşılaşdırmaq üçün keçdiyim müddətdə sizi nə izləyir!

Addım 9: Proqramı Math ilə Mükəmməlləşdirin

Sistemin tənzimlənməsinin sirri, Şərqi Vaşinqton Universitetindən Paul H. Schimpf tərəfindən yazılan "Solenoid Gücünün Ətraflı Açıqlaması" adlı əla bir sənəd oldu. Xüsusilə, tənlik 17 mənə müxtəlif terminlər baxımından solenoid qüvvəsi verdi.

Aşağıdakı terminləri ölçmək asan idi:

• R - Solenoidimin müqaviməti
• l - Solenoidin uzunluğu
• x - Solenoiddəki pistonun yerdəyişməsi
• V - Solenoid üzərindəki gərginlik

Həm də bilirdim ki, solenoidin çıxardığı qüvvə, cüt oxlu güzgüdəki 3D çaplı yayların qüvvəsini balanslaşdırmalıdır. Bir bulağın qüvvəsi, Hooke qanunu ilə tənzimlənir və aşağıdakı şəkildə ifadə olunur:

F = -kx

K -nin dəyərini bilməsəm də, ən azından bilirdim ki, Schimpf kağızından 17 -ci tənlikdən çıxardığım qüvvə Hooke qanununun qüvvəsinə bərabər olmalıdır.

Alfa (α) dəyəri çətin idi. 13 və 14 -cü tənliklər bu dəyərləri solenoidin (A) sahəsindən, dönüşlərin sayından (N) və maqnit keçiricilik dəyərlərindən (μ) necə hesablanacağını göstərsə də, saymaq üçün solenoidi parçalamaq istəmirdim. növbə sayı və ya solenoidin nüvəsinin hansı materialdan hazırlandığını bilmirdim.

Addım 10: Ucuz Komponent Test Cihazı Günü xilas edir

Ancaq məlum oldu ki, 15 və 16 tənlikləri mənə lazım olanı verdi. EBay -dan 10 dollara aldığım ucuz bir M328 komponent test cihazım vardı. Solenoidimin endüktansını ölçmək üçün istifadə edə bildim və armaturu fərqli dərinliklərə itələyərək mənə fərqli induksiya dəyərləri verdiyini gördüm.

Tam armatur ilə ölçmək mənə L (0) dəyərini verdi.

Solenoidimin uzunluğu 14 mm idi, buna görə armatur ilə indüktansını beş mövqedə ölçdüm və bu mənə L (x) üçün müxtəlif dəyərlər verdi:

• 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

Daha sonra müəyyən bir μr seçimi üçün dəyərlərimi 15 və 16 tənliklərinin dəyərləri ilə müqayisə etmək üçün bir elektron tablo istifadə etdim və sonra yaxşı bir uyğunluq tapana qədər seçimimi dəyişdim. Bu, qrafikdə göstərildiyi kimi μr 2.9 olduqda baş verdi.

Addım 11: Bahar Sabit K -ni tapın, Problemi həll edin

Qalan bilinməyən tək şey yaz sabitliyi K idi. İki eksenli montajdakı solenoidlərdən birinə 9V tətbiq edərək və güzgünün aşağı çəkildiyi məsafəni ölçərək bunu ölçdüm. Bu dəyərlərlə 10.41 ətrafında tapdığım K tənliklərini həll edə bildim.

İndi vuruş boyunca müxtəlif mövqelərdə solenoidin çəkilməsini hesablamaq üçün lazım olan dəyərlərə sahib oldum. Hooke qanunundan F (x) yay qüvvəsinə bərabər olaraq təyin edərək, lazım olan V gərginliyi həll edə bilərəm.

Qrafik, solenoidin istənilən x mövqeyinə keçməsi üçün lazım olan gərginliyi göstərir.

Gərginliyin sıfır olduğu və mövqeyinin 3 mm olduğu sağda, bu, 3D çaplı menteşələr tam gevşetildikdə solenoidin neytral dayanma nöqtəsinə uyğundur. Qrafikdə sola hərəkət etmək, armaturu 3D çaplı menteşələrin çəkilməsinə qarşı solenoidə çəkməyə uyğundur-bu əvvəlcə daha çox gərginlik tələb edir, lakin armatur solenoidin dərinliyinə getdikcə çəkilmə artır və tələb olunan sürücülük gərginliyi sönür.

Bu əlaqə qətiliklə xətti deyil, amma Schimpf sənədindəki tənliklər ilə, Arduino kodumu düzgün gərginliyi çıxarmaq üçün yaza bilərəm, beləliklə şüa əyilməsi xətti olur:

float positionToVoltage (float x) {

// İstənilən x -də menteşələr (Hooke Qanunu) tərəfindən tətbiq olunan bərpa qüvvəsi. const float spring_F = -spring_K * (x - spring_X0); // Solenoidin çəkmə qüvvəsi // menteşələrin bərpaedici qüvvəsinə uyğun gələn gərginlik sqrt (-2*R*R*(-spring_F)*solenoid_len/(a*L_0*exp (-a*x/solenoid_len)))); }

Bu, orijinal hərəkət testimdən daha çox dairəvi spiralə səbəb olur. Missiya yerinə yetirildi!

Addım 12: Diskret Komponentlərdən istifadə edən Sürücü Dövrü haqqında Suallar və Cavablar

Niyə solenoidi birbaşa Arduinoya bağlaya bilmirəm?

Söhbət Arduinonun zərər vermədən nə qədər cərəyan verə biləcəyindən gedir. Bu pin başına təxminən 40mA -dır. Arduinonun 5V -də işlədiyini bilərək, yükün minimum müqavimətini (bu halda solenoid) hesablamaq üçün Ohm qanunundan istifadə edə bilərik. 5 voltun 0.040 amperə bölünməsi bizə 125 ohm verir. Yükün daha çox müqaviməti varsa, onu birbaşa Arduinoya bağlaya bilərik, əks halda edə bilmərik. Kiçik bir solenoidin 50 ohm müqaviməti var, buna görə onu birbaşa Arduinodan idarə edə bilmərik. Bunu etsəydik, 100 mA çəkərdik ki, bu da çox açıqdır.

Niyə solenoid üçün 9V, Arduino üçün isə 5V istifadə edirsiniz?

Arduino 5V -də işləyir, lakin bu bir solenoid üçün çox azdır. Transistorun istifadəsi, Arduino üçün istifadə olunan 5V -dən asılı olmayan solenoid üçün bir gərginlik seçməyimizə imkan verir.

Bir tranzistorun bu layihə üçün uyğun olub olmadığını haradan bilirəm?

Eynilə Arduino kimi, əsas tələb solenoiddən axan cərəyanın tranzistor üçün maksimum göstəriciləri (xüsusən də kollektor cərəyanını) aşmamasıdır. Solenoidin müqavimətini ölçmək və sonra gərginliyi buna bölməklə ən pis vəziyyət ssenarisini asanlıqla hesablaya bilərik. Solenoidlər üçün 9V təchizatı cərəyanı və 50 ohm solenoid müqaviməti vəziyyətində ən pis vəziyyət ssenarisi bizi 180mA-a qoyur. Məsələn, MPS3704, ən çox 600 mA kollektor cərəyanı üçün qiymətləndirilmişdir ki, bu da bizə təxminən 3 marja verir.

Arduino çıxışı ilə tranzistorun bazası arasındakı müqavimətin minimum dəyərini necə təyin edə bilərəm?

Arduinonun çıxışı, bipolyar tranzistorların əsas ayağını cərəyanı məhdudlaşdıran bir rezistor vasitəsilə birləşdirəcək. Arduino 5V -də işlədiyi üçün cərəyanı 40mA -dan aşağı məhdudlaşdırmaq üçün lazım olan müqaviməti hesablamaq üçün yenidən Ohm qanunu istifadə edə bilərik. Yəni ən azı 125 ohm dəyər əldə etmək üçün 5 voltu 0.04 amperə bölün. Yüksək müqavimət dəyərləri cərəyanı azaldacaq və beləliklə bizə daha da böyük təhlükəsizlik marjası verəcək.

Bu müqavimət üçün aşmamalı olduğum maksimum dəyər varmı?

Belə çıxır, bəli. Bir tranzistor cari qazanc kimi tanınan bir şeyə malikdir. Məsələn, qazanc 100 -dirsə, bu o deməkdir ki, bazaya 1mA qoysaq, tranzistorun idarə etdiyi yükdən 100mA -ya qədər axacaq. Bazaya 1.8mA qoysaq, yükdən 180mA -ya qədər axacaq. Daha əvvəl hesabladığımız kimi, 9V -də 180mA solenoiddən axır, onda 1.8mA -lik bir əsas cərəyan "şirin nöqtə" dir və solenoidimiz tamamilə açılmayacaq.

Arduinonun 5V -u söndürdüyünü bilirik və 1.8mA cərəyanın axmasını istəyirik, buna görə də müqaviməti hesablamaq üçün Ohm qanunu (R = V/I) istifadə edirik (R = V/I). 1.8V -ə bölünən 5V 2777 ohm müqavimət verir. Etdiyimiz fərziyyələri nəzərə alaraq, müqavimətin 125 ilə 2777 arasında olması lazım olduğunu düşünürük - 1000 ohm kimi bir şey seçmək bizə hər iki halda da kifayət qədər yaxşı bir təhlükəsizlik marjası verir.

Addım 13: Mövcud problemlərin və mümkün həllərin təhlili

Mövcud prototip potensial göstərir, lakin bir neçə problem qalır:

1. X və Y oxları boyunca hərəkət dik olaraq görünmür.
2. Güzgü istiqaməti dəyişəndə sıçrayış olur.
3. Çözünürlük olduqca aşağıdır və görünən pilləkən pillələri var.
4. Daha yüksək hərəkət sürətlərində lazerin yolu titrəmə və zəng çalması ilə təhrif olunur.

Məsələ 1), hərəkəti bir ox boyunca dik oxa ötürən 3D çaplı çevik menteşələrin dizaynından qaynaqlana bilər.

Məsələ 2) sürücülük pistonları ilə güzgü platforması arasındakı birləşmənin gevşetilməsindən qaynaqlanır, bu güzgünün X və Y oxları arasındakı keçidlərdə sarsılmasına və atlanmasına səbəb olur. Bu qəfil hərəkət, lazer nöqtəsinin daha nəzarətsiz bir hərəkət etdiyi qaranlıq X şəkilli bir boşluğa gətirib çıxarır.

Məsələ 3) standart Arduino PWM -in yalnız 255 səviyyəyə malik olması səbəbindən baş verir və bunların bir çoxu gərginlik əyrisinin formasına görə boşa çıxır. Bu, 16 bitlik və 65536 unikal dəyərə malik olan timer1-in istifadəsi ilə əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırıla bilər.

Məsələ 4), güzgü və solenoidin sürüşmə armaturunun (pistonların) əhəmiyyətli miqdarda hərəkət edən kütlə təşkil etməsi səbəbindən meydana gəlir.

Məsələlər 1) və 2) mexaniki dizaynla əlaqəli olduğundan, metal pistonları çıxarmaq və onları birbaşa əyilmə lövhəsinə yapışdırılmış kiçik nadir torpaq maqnitləri ilə əvəz etmək olar. Solenoidlər fiziki təmas etmədən maqnitləri cəlb edəcək və ya itələyəcək açıq bir bobin olardı. Bu, hamar bir hərəkətə səbəb olar və sarsılma ehtimalını ortadan qaldırar, eyni zamanda ümumi kütləni azaldar.

Kütlənin azaldılması 4 saylı problemin əsas həllidir), lakin qalan problemlər güzgünü idarə olunan bir şəkildə sürətləndirmək və yavaşlatmaq üçün proqrama bir hərəkət nəzarət profili tətbiq etməklə birbaşa proqram təminatında hədəflənə bilər. Bu, artıq 3D printer firmware -də geniş yayılmışdır və oxşar üsullar burada da işləyə bilər. 3D printerlərə aid olduğu kimi, hərəkət nəzarətinə aid bəzi qaynaqlar:

• "Hərəkət İdarəetmə Profillərinin Riyaziyyatı", Chuck Lewin (link)
• "Sarsıntı ilə idarə olunan hərəkət izah edildi", (link)

Trapezoid hərəkətə nəzarət profilinin əlavə edilməsinin, güzgünün zəng vurmadan və ya titrəmə əsərləri olmadan daha yüksək sürətlə idarə olunmasına imkan verəcəyindən şübhələnirəm.

Addım 14: Gələcək İş və Mümkün Tətbiqlər

Bu problemlərin həlli yollarının hazırlanması xeyli iş görsə də, ümid edirəm ki, bu açıq mənbəli şüa sükan modulu aşağıdakı kimi tətbiqlərdə galvanometr əsaslı layihələrə əlverişli bir alternativ ola bilər:

• DJ və VJ üçün ucuz lazer şouları.
• Vectrex kimi üzümlü bir arcade oyunu üçün elektro-mexaniki vektor ekranı.
• RepRap hərəkəti ruhunda öz lazer sükan modulunu çap edə bilən DIY qatran tipli SLA 3D printer.
• Kameralar üçün rəqəmsal sürüşmə və ya optik görüntü sabitliyi.

2017 Arduino Yarışmasında İkinci Mükafat