Mechatronics Exercises

Workspace Navigation

Halpa cnc-jyrsin (ent. etäohjattava älyvalojärjestelmä)

Ryhmä 11

Peter Köhler

Projektin tavoite

Projektin ensimmäinen vaihe on rakentaa manuaalisesti etäyhteydellä ohjattava kolmiakselinen jyrsin (x-, y- ja z-akselit). Ohjaus tässä vaiheessa tapahtuu bluetoothin välityksellä älypuhelimesta. Jyrsimessä on pölyn/lastujen poisto ja mahdollisesti koneistusöljyn syöttö, jos se tuntuu tarpeelliselta (voi olla liian sotkuista puuhaa pienelle koneelle). Lopullinen tavoite on saada kone lukemaan sille syötettyä g-koodia ja toimimaan itsenäisesti koneistusprosessin ajan. 

Komponentit

Laitteen suunnitelu pohjautui vanhaan 2-akseliseen (x ja y) ruuvipenkkiin, joka pääsee nyt uusiokäyttöön. Ruuvipenkin liukupinnat ovat koneistettuja ja kiristettäviä, joten ne antavat luultavasti riittävän tarkkuuden laitteelle. Liukupintoja on myös hieman hiottu tasaisemmiksi. Sen sijaan akseleita liikuttavissa ruuveissa ja kannattimissa on liikaa välystä, joten ne pitää rakentaa kokonaan uusiksi. Z-akselia varten ruuvipenkkiin on suoraan hitsattu rakenneteräksinen runko. Rungossa käytettiin 25mm neliöputkea noin 3m ja hitsaustapana puikkohitsiä. Rungon toleransseilla ei ole juurikaan väliä. Kolmannen akselin suunta säädetään tarkemmin asennusvaiheessa tai tarpeen mukaan, jos käytössä huomataan epätarkkuutta. 

 


Alemmassa kuvassa on laitteen tärkeimmät komponentit. Epätavallinen piirre lienee pienten harjattomia helikopterin moottoreita käyttö suurella välityksellä akseleiden liikuttamiseen. Isot askelmoottorit ohjaimineen olisivat melko hintavia ja sotisivat projektin luonnetta vastaan, vaikka luultasti olisivatkin parempi valinta.

Nimitiedothintakpl
Turnigy brushless outrunner 245 kV, max 10s, halk. 60mm, 8mm akseli601
Turnigy esc 80A, 2-6s401
Black widow motor1700kV, 20A, 2-3s, halk. 27mm?3
Arduino nano
21
HC-09 bluetooth
21
Laakereita26x10x8mm1.253
Lineaarilaakerisetti8mm pyörötanko101
Vaneria15mm

3

2
Poraistukka8mm kiinnitys151
KierretankoM811
Lukuisia printattuja kappaleita
10?
Ruuvipenkki x- ja y-akselit100x100mm liikutus?1
yht.
(146.75+?)€


Kokoonpano

Printatut osat




Akselien liikutus


Kaikki akselit ovat pääpiirteiltään samanlaiset ja liikutus on toteutettu M8 kierretangolla, jota pyöritetään moottoreilla hammasratasvälityksen kautta. Kierretanko on kiinnitetty runkoon 10mm laakereilla ja M8 lukkomuttereilla. Kierretangon ja laakerin keskitys on toteutettu 3d-printatulla pallomaisella sovitteella, joka ei lukitse laakerin ja tangon akseleita. Muttereita ei myöskään ole kiristettty turhan tiukalle ja koko kiinnitys antaa pienen kulmamuutoksen anteeksi. Tähän päädyttiin kymmenien epäonnistuneiden yritysten jälkeen. Kuvan printattu sovite muuttaa ruuvipenkin alkuperäisen kierteen M8 sopivaksi ilman välystä, kuitenkin siten, että tanko pyörii helpohkosti.





Hammasrattaiden välityssuhde on 12,5, mikä M8 kierretangon nousulla 1.25mm antaa 0.1mm lineaarisen liikkeen per moottorin kierros. Rattaat on mitoitettu fysikaalisten ominaisuuksien suhteen suurimmaksi välitykseksi, mitä kyseisellä hammasmoduulilla voi tehdä yhdellä ratasparilla. Vinohampainen ratas kahdella eri kulmalla keskittää isomman rattaan, jonka keskiakselikulmassa on hieman joustoa. 



Moottorit ovat rc-moottoreita omilla integroiduilla ohjaimillaan. Niiden ohjaus tapahtuu pwm-signaalilla, jota arduinosta saa servo-kirjastolla. Jotta laite voi liikkua molempiin suuntiin, on moottorinohjaimet asetettu siten, että pulssinleveydellä 1500us moottorit eivät pyöri. 1000us ja 2000us ovat maksiminopeudet eri suuntiin. Kuvassa on tehdasasetukset. 



Akselien liikuttua matkaa mitataan optisella pulssinlaskemisella. Käytännössä järjestelmä on toteutettu kahdella tavallisella uusikäytetyllä ledillä, joista toinen on aina päällä ja toisen jännitettä mitataan arduinon analogisesta sisääntulosta. Printattu levy peittää ledin kolme kertaa per moottorin kierros. 

Muu elektroniikka

Laitteen ohjausyksikkönä toimii arduino nano, johon on liitetty ble-moduuli ulkoisia käskyjä ja tilannetietoja varten. Sisääntuloja on käyttöjännite ja kolme analogista jännitteen mittausta. Ulostuloja on neljä pwm-kanavaa. Elektroniikka on piilossa helposti avattavan magneettikannen takana.


Koodi

Laitteen mekaanisiin ratkaisuihin meni odottamattoman paljon aikaa, mikä johti melko yksinkertaiseen viimeisenä päivänä räpellettyyn koodiin. Laitetta ohjataan bt-terminaalin kautta syöttämällä g-koodimaisia käskyjä. Tällä erää laite tunnistaa käskyt:

M25 = Jyrsinmoottori päälle 25% maksiminopeudesta. Rajat 0-100.

x23.6 = X-akselin liikutus 23.6mm. Rajat -100 - 100.

y23.6 = Y-akselin liikutus 23.6mm. Rajat -100 - 100.

z23.6 = Z-akselin liikutus 23.6mm. Rajat -100 - 100.

n = Koordinaattien nollaus.


Yhteenveto

Laitetta on testattu vain puuhun ja se toimii yllättävän hyvin ja tarkasti. Yksittäinen liike saavuttaa noin 0.1mm tarkkuuden. Suurin ongelma lopputuloksessa on akselimoottorien liian suuri nopeus. Laite toimii oikeastaan vain pienimmällä nopeudella, mikä tarkoittaa, ettei etenemisnopeutta voi muuttaa ja alle 0.5mm liikutukset eivät toimi ollenkaan. Ratkaisu ongelmaan on joko laittaa jokaiselle akselille yksi rataspari lisää suurentamaan välityssuhdetta tai käyttämällä hitaampia moottoreita. Tämä luultavasti myös parantaa laitteen tarkkuutta, kun kiihdytykset voidaan porrastaa pehmeiksi. Toinen kehityskohta on laitteen koodi. Olisi mielekästä, jos bt välityksellä voisi siirtää pidempiä g-koodipätkiä, jotka on luotu cnc-sovelluksella. Rajakytkimet 6kpl ovat myös tervetulleita turvallisuusnäkökulmasta. Kurssin näkökulmasta saatiin rakennettua käyttökelpoinen laite, vaikkakin se ehdottomasti vaatii vielä päivityksiä.








  • No labels
  File Modified
JPEG File 20210315_161510.jpg Mar 15, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210315_162139.jpg Mar 15, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210315_222445.jpg Mar 15, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210315_222523.jpg Mar 15, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210318_201828.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210325_002211.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210406_171550.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210407_114303.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210407_114405.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210407_114528.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210407_114643.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210407_114704.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210407_114720.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
JPEG File 20210407_143552.jpg Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_11-57-52.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_14-14-41.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-41-24.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-41-52.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-42-28.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-42-59.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-43-37.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-43-58.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-44-15.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-44-34.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-45-19.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
PNG File image2021-4-7_15-45-5.png Apr 07, 2021 by Peter Köhler
Text File Koodi.txt Apr 07, 2021 by Peter Köhler