ماژول هدایت لیزری DIY برای آردوینو: 14 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

در این دستورالعمل ، من ساخت یک ماژول فرمان پرتو لیزری دو محوره با یک آینه با استفاده از قطعات چاپ سه بعدی و اجزای ارزان قیمت از eBay را نشان خواهم داد.

این پروژه شباهت هایی با نمایش لیزری آردوینو با کنترل کامل XY و نمایش لیزری آردوینو با گالووس واقعی دارد ، اما من معتقدم اولین پروژه ای است که از طرح چاپ سه بعدی با شیر برقی ارزان قیمت استفاده کرده است. من تمام فایلهای طراحی را تحت GPLv3 قرار می دهم تا طراحی قابل ارتقاء و بهبود باشد.

اگرچه در حال حاضر من فقط ماژول را مونتاژ کرده و کد تست بسیار اساسی را نوشته ام ، اما امیدوارم روزی بتوانم با ترکیب کد وکتور گرافیکی ولتاژهای آنالوگ فوق سریع دستورالعمل قبلی خود از آردوینو ، آن را به سطح بعدی برسانم.

مرحله 1: قطعات چاپ نشده سه بعدی را جمع آوری کنید

مجموعه لیزر شامل قسمتهای زیر است:

• 4 میکرو سلونوئید
• یک آینه 1/2 اینچی
• چهار پیچ M3

سلونوئیدهای خاصی که من استفاده کردم در هریک با قیمت 1.45 دلار خریداری شد. آینه گرد در راهروی صنایع دستی در HobbyLobby پیدا شد - یک بسته 25 تایی برای من کمتر از 3 دلار هزینه داشت. همچنین می توانید آینه ها را در eBay پیدا کنید.

شما همچنین نیاز به یک نشانگر لیزری ارزان قیمت دوباره از eBay دارید. یک لیزر بنفش به همراه یک ورق وینیل درخشان در ترکیب تاریک یک ترکیب عالی برای این پروژه است!

مجموعه ای از دست های کمک کننده ضروری نیست ، اما برای نگه داشتن و قرار دادن نشانگر لیزر بسیار مفید خواهد بود. برای نگه داشتن دکمه پاور می توان از یک گیره محکم کننده بزرگ استفاده کرد.

شما به یک آردوینو (من از آردوینو نانو استفاده کردم) و راهی برای رانندگی برقی نیاز دارید. همانطور که VajkF در نظرات بیان کرده است ، می توانید از پل H از پیش ساخته شده مانند مدلهای L298 یا L9110 استفاده کنید. اینها به راحتی با چند دلار در eBay در دسترس هستند و همچنین می توانند برای رانندگی موتورها و پروژه های رباتیک استفاده شوند.

از آنجا که من H-Bridge نداشتم ، راننده خودم را از اجزای مجزا ساختم:

• چهار ترانزیستور دو قطبی NPN (من از MPS3704 استفاده کردم)
• چهار مقاومت (من از مقاومت 1.2k اهم استفاده کردم)
• چهار دیود (من از 1N4004 استفاده کردم)
• باتری 9V و اتصال باتری

قطعات الکترونیکی از آزمایشگاه من بود ، بنابراین هزینه دقیقی برای آنها ندارم ، اما مگر اینکه قطعات را در حال حاضر داشته باشید یا بتوانید آنها را از بین ببرید ، استفاده از پل H قبل از ساخت مقرون به صرفه تر است. با این وجود ، من نقشه هایی را برای ساختن خود شما ارائه می دهم.

مرحله 2: ماژول فرمان آینه را به صورت سه بعدی چاپ کنید

ماژول فرمان لیزری شامل دو قسمت چاپ سه بعدی است: پایه ای برای نصب چهار شیر برقی و یک سکوی مفصل دار برای آینه.

من دو فایل STL را برای شما به چاپ سه بعدی و همچنین فایلهای FreeCAD متصل کرده ام در صورت نیاز به اصلاح طرح. همه محتوا تحت GPLv3 است ، بنابراین شما می توانید پیشرفت خود را انجام داده و به اشتراک بگذارید!

مرحله 3: ماژول لیزر را مونتاژ کنید

• از چسب حرارتی برای چسباندن چهار شیر برقی به قطعه پایینی استفاده کنید.
• از چسب حرارتی برای چسباندن آینه در مرکز قطعه بالا استفاده کنید.
• پیستون های فلزی را داخل شیر برقی قرار دهید و سپس قطعه بالایی را روی پایه ها قرار دهید (اما آن را به هم نزنید). قطعه بالا را کمی بچرخانید و با استفاده از یک پیچ گوشتی کوچک ، هر پیستون را در موقعیت خود قرار دهید. لب دیسک باید به داخل شیار پیستون بچرخد. مراقب باشید ، زیرا لولا های چاپ سه بعدی بسیار شکننده هستند. با حوصله و احتمالاً چند تلاش ناموفق ، باید بتوانید هر چهار پیستون را بدون پیچاندن یا فشار آوردن بر روی لولا قرار دهید.
• هنگامی که همه پیستون ها در موقعیت خود قرار گرفتند ، پیچ M3 را تا حدی وارد کنید ، اما قبل از محکم کردن آنها ، هر پیستون را به آرامی به سمت پایین فشار دهید و مطمئن شوید که آینه آزادانه کج شده است. اگر آزادانه حرکت نمی کند یا گیر نمی کند ، ممکن است لازم باشد صفحه بالایی را بردارید ، یک یا چند شیر برقی را شل کرده و مجدداً با زاویه بیرونی وصل کنید (قرار دادن فاصله بین آن و پست مرکزی ممکن است در این مورد کمک کند) به

مرحله 4: یقه اشاره گر لیزری را چاپ کنید

یقه اشاره گر لیزری بر روی سر اشاره گر لیزری قرار می گیرد. سپس می توانید از مجموعه ای از دستان کمکی برای گرفتن یقه استفاده کرده و لیزر را دقیقاً روی نیمکت خود قرار دهید.

مرحله 5: مدار رانندگی را جمع کنید

مدار درایو در شماتیک نشان داده شده است. همانطور که قبلاً نیز گفته شد ، نسخه من از اجزای مجزا ساخته شده است ، اما شما همچنین می توانید از یک پل H به راحتی استفاده کنید. اگر شما تصمیم به ساختن خود دارید ، باید چهار نسخه از این مدار ایجاد کنید ، یکی برای هر یک از چهار شیر برقی.

هر مدار به یک پین آردوینو متصل می شود ، دو مورد برای کنترل شیر برقی چپ و راست و دو مدار برای شیر برقی بالا و پایین. اینها باید به پین های دارای قابلیت PWM متصل شوند ، مانند موارد زیر:

• پین 9: شیر برقی بالا
• پین 3: شیر برقی پایین
• پین 11: شیر برقی چپ
• پین 10: شیر برقی راست

یک باتری 9 ولت می تواند برای رانندگی در هر چهار مدار راننده شیر برقی استفاده شود یا می توانید از منبع تغذیه نیمکت استفاده کنید. آردوینو از طریق USB شارژ می شود و نباید به طرف مثبت باتری 9 ولت متصل شود. با این حال ، جنبه منفی باتری به عنوان مرجع زمین استفاده می شود و باید به پین GND در آردوینو و همچنین پین های فرستنده در ترانزیستورها متصل شود.

مرحله 6: کد نمونه را بارگذاری کنید

کد نمونه با ویژگی های زیر به روز شده است:

• فرکانس PWM را طوری تنظیم می کند که مکانیزم در سرعت های کم تقریباً بی صدا باشد. وزوز در Motion Test 1 کاملاً از بین رفته است!
• به عنوان معادلات ولتاژ بر اساس مقاله Schimpf به منظور "خطی شدن" پاسخ غیر خطی شیر برقی اضافه می کند.

من همچنین پیاده سازی یک Lorenz Attractor را بر اساس کد این وبلاگ قرار داده ام.

وفاداری به نتایج کمی باقی می گذارد ، اما من هنوز روی آن کار می کنم!:)

مراحل بعدی برخی از تکنیک های مورد استفاده در کد را نشان می دهد.

مرحله 7: کاهش صدا

در تست حرکت 1 من ، می توانید وزوز شدیدی بشنوید ، به ویژه در حرکات بالا و پایین. به نظر می رسد که این امر ناشی از فرکانس پیش فرض خرد شدن PWM آردوینو در محدوده قابل شنیدن بوده است. روشن و خاموش شدن سریع ولتاژ سیم پیچ باعث ارتعاش آنها در آن فرکانس می شود و آنها را به بلندگوهای کوچک تبدیل می کند.

برای حل این مشکل ، فرکانس PWM را در کد افزایش دادم:

#تعریف PWM_FREQ_31372Hz 0x01 // فرکانس PWM را روی 31372.55 هرتز #تعریف PWM_FREQ_3921Hz 0x02 // فرکانس PWM را روی 3921.16 هرتز #تعریف کنید PWM_FREQ_980Hz 0x03 & 0b11111000) | فرکانس؛ // تنظیم تایمر 1 (پین 9 و 10) فرکانس TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | فرکانس؛ // تنظیم تایمر 2 (پین 3 و 11) فرکانس}

تنظیم فرکانس Arduino PWM یک ترفند مفید برای خاموش کردن سولنوئیدها یا موتورها است. با انتخاب فرکانس های مختلف آزمایش کنید تا ببینید کدام یک بهترین نتایج را به شما می دهد. اگرچه شامل برنامه نویسی پیشرفته تری است ، اما منبع خوبی در مورد نحوه عملکرد تایمرها در اینجا است.

مرحله 8: تنظیم ولتاژها برای کاهش اعوجاج

آزمایشات اولیه حرکتی من نشان داد که این اعوجاج قابل توجهی در پاسخ به شیرهای برقی است. در حرکت حرکت 3 (شکل سمت چپ) ، آنچه که قرار بود یک مارپیچ دایره ای باشد در عوض به یک تار مستطیل شکل با لبه های ناهموار تبدیل شد.

حل این مشکل نیاز به کمی ریاضی داشت ، اما من توانستم یک مقاله شگفت انگیز در وب پیدا کنم که به من کمک کرد تا مشکل را به اندازه کافی درک کنم تا در نرم افزار حل شود.

آنچه در ادامه می آید مراحلی را طی می کند که من برای تنظیم سیستم و بهبود ظاهر آثار به دست آمده طی کرده ام!

مرحله 9: کامل کردن نرم افزار ، با ریاضی

راز تنظیم این سیستم یک مقاله عالی به نام "توضیح مفصل نیروی سولنوئید" توسط پل اچ شیمف از دانشگاه واشنگتن شرقی بود (پیوند). به طور خاص ، معادله 17 از نظر اصطلاحات مختلف نیروی برقی را به من داد.

اندازه گیری اصطلاحات زیر آسان بود:

• R - مقاومت شیر برقی من
• l - طول شیر برقی
• x - جابجایی پیستون در شیر برقی
• V - ولتاژ روی شیر برقی

من همچنین می دانستم که نیروی وارد شده توسط شیر برقی باید نیروی ناشی از فنرهای چاپ شده سه بعدی را بر روی آینه دو محور متعادل کند. نیروی فنر تحت قانون هوک اداره می شود که به شرح زیر است:

F = -kx

اگرچه مقدار k را نمی دانستم ، حداقل می دانستم که نیرویی که از رابطه 17 از مقاله شیمپف بدست آوردم باید برابر نیروی قانون هوک باشد.

مقدار آلفا (α) یک مقدار مشکل بود. اگرچه معادلات 13 و 14 نحوه محاسبه این مقادیر را از ناحیه برقی (A) ، تعداد دورها (N) و مقادیر نفوذپذیری مغناطیسی (μ) نشان می دهد ، اما من نمی خواستم مجبور به جدا کردن یک شیر برقی برای شمارش تعداد چرخش ها ، و همچنین من نمی دانستم ماده ای که هسته سلونوئید من از آن ساخته شده است.

مرحله 10: یک تست کننده اجزای ارزان قیمت روز را ذخیره می کند

با این حال ، معلوم شد که معادله 15 و 16 آنچه را که نیاز دارم به من داد. من یک تستر ارزان قیمت M328 داشتم که به قیمت 10 دلار از eBay خریداری کرده بودم. با استفاده از آن می توان القای سولنوئید خود را اندازه گیری کرد و متوجه شدم که با هل دادن آرمیچر در اعماق مختلف مقادیر القایی متفاوتی به من می دهد.

اندازه گیری آن با آرماتور کاملاً درج شده مقدار L (0) را به من داد.

طول شیر برقی من 14 میلی متر بود ، بنابراین اندوکتانس را با آرماتور در پنج موقعیت اندازه گیری کردم و این مقدار مختلفی برای L (x) به من داد:

• 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

سپس از صفحه گسترده برای ترسیم مقادیرم در مقابل مقدار معادله 15 و 16 ، برای انتخاب خاص μr استفاده کردم و سپس انتخاب خود را تغییر دادم تا اینکه تطبیق خوبی پیدا کردم. این زمانی رخ داد که μr 2.9 بود ، همانطور که در نمودار نشان داده شده است.

مرحله 11: ثابت فنر K را پیدا کنید ، مشکل را حل کنید

تنها ناشناخته باقی مانده K بود ، ثابت بهار. من با اعمال 9 ولت به یکی از شیرهای برقی در مجموعه دو محوره و اندازه گیری فاصله ای که آینه به پایین کشیده شد اندازه گیری کردم. با استفاده از این مقادیر ، من توانستم معادلات K را که در حدود 10.41 بود ، حل کنم.

من در حال حاضر مقادیر لازم برای محاسبه کشش شیر برقی در موقعیت های مختلف در طول سکته مغزی را دارم. با تنظیم F (x) برابر نیروی فنر قانون هوک ، می توانم ولتاژ V مورد نیاز را حل کنم.

نمودار ولتاژ مورد نیاز برای انتقال شیر برقی به هر موقعیت دلخواه x را نشان می دهد.

در سمت راست ، جایی که ولتاژ صفر است و موقعیت 3 میلی متر است ، این مربوط به نقطه استراحت خنثی شیر برقی هنگامی است که لولا های چاپ سه بعدی کاملاً شل شده اند. حرکت به چپ روی نمودار مربوط به کشیدن آرماتور به داخل سلونوئید در برابر کشیدن لولا های چاپ شده سه بعدی است-این در ابتدا به ولتاژ بیشتری نیاز دارد ، اما با عمیق شدن آرماتور به داخل شیر برقی ، کشش افزایش یافته و ولتاژ مورد نیاز کاهش می یابد.

این رابطه قطعاً غیر خطی است ، اما با معادلات مقاله Schimpf ، می توانم کد Arduino خود را برای خروجی ولتاژهای صحیح بنویسم تا انحراف تیر خطی باشد:

float positionToVoltage (float x) {

// بازیابی نیروی اعمال شده توسط لولا (قانون هوک) در x دلخواه. const float spring_F = -spring_K * (x - spring_X0) ؛ // ولتاژ به گونه ای که نیروی کشش شیر برقی با نیروی بازگرداننده لولا برابر است sqrt (-2*R*R*(-spring_F)*solenoid_len/(a*L_0*exp (-a*x/solenoid_len)))؛ }

این منجر به یک مارپیچ بسیار دایره ای تر از آزمایش حرکت اولیه من می شود. ماموریت انجام شد!

مرحله 12: پرسش و پاسخ در مورد مدار راننده با استفاده از اجزای گسسته

چرا نمی توانم شیر برقی را مستقیماً به آردوینو وصل کنم؟

این مسئله این است که آردوینو چقدر جریان می تواند بدون آسیب دیدگی ایجاد کند. این مقدار در هر پین حدود 40 میلی آمپر است. با آگاهی از اینکه آردوینو در 5 ولت کار می کند ، می توانیم از قانون اهم برای محاسبه حداقل مقاومت مورد نیاز بار (در این مورد ، شیر برقی) استفاده کنیم. تقسیم 5 ولت بر 0.040 آمپر به ما 125 اهم می دهد. اگر بار مقاومت بیشتری داشته باشد ، می توانیم آن را مستقیماً به آردوینو وصل کنیم ، در غیر این صورت نمی توانیم. یک شیر برقی کوچک معمولاً دارای مقاومت 50 اهم است ، بنابراین نمی توانیم آن را مستقیماً از آردوینو بیرون بریزیم. اگر این کار را انجام دهیم ، 100 میلی آمپر می کشد ، که به وضوح زیاد است.

چرا شما برای جریان برقی از 9 ولت استفاده می کنید ، اما برای آردوینو از 5 ولت استفاده می کنید؟

آردوینو با 5 ولت کار می کند ، اما این مقدار برای یک شیر برقی بسیار کم است. استفاده از ترانزیستور به ما این امکان را می دهد که ولتاژی را برای شیر برقی که مستقل از 5 ولت مورد استفاده در آردوینو است انتخاب کنیم.

چگونه می توانم بفهمم که آیا یک ترانزیستور برای این پروژه مناسب است؟

درست مانند آردوینو ، شرط اصلی این است که جریان از طریق شیر برقی از حداکثر امتیازات ترانزیستور (به ویژه جریان کلکتور) تجاوز نکند. ما می توانیم بدترین سناریو را با اندازه گیری مقاومت شیر برقی و سپس تقسیم ولتاژ تغذیه بر آن محاسبه کنیم. در مورد جریان تغذیه 9 ولت برای شیر برقی و مقاومت برقی 50 اهم ، بدترین سناریو ما را در 180 میلی آمپر قرار می دهد. به عنوان مثال ، MPS3704 برای حداکثر جریان جمع کننده 600 میلی آمپر ، که به ما حاشیه ای حدود 3 می دهد.

چگونه می توان حداقل مقدار مقاومت را بین خروجی آردوینو و پایه ترانزیستور تعیین کرد؟

خروجی آردوینو پایه پایه ترانزیستورهای دوقطبی را از طریق یک مقاومت محدود کننده جریان متصل می کند. از آنجا که آردوینو در 5 ولت کار می کند ، می توانیم دوباره از قانون اهم برای محاسبه مقاومت مورد نیاز برای محدود کردن جریان زیر 40 میلی آمپر استفاده کنیم. یعنی 5 ولت را بر 0.04 آمپر تقسیم کنید تا مقدار حداقل 125 اهم به دست آید. مقادیر مقاومت بیشتر باعث کاهش جریان می شود ، بنابراین حاشیه ایمنی بیشتری به ما می دهد.

آیا حداکثر مقداری برای آن مقاومت وجود دارد که نباید از آن تجاوز کنم؟

معلوم می شود ، بله. ترانزیستور دارای چیزی است که به عنوان افزایش جریان شناخته می شود. به عنوان مثال ، اگر افزایش 100 باشد ، بدین معنی است که اگر 1 میلی آمپر را در پایه قرار دهیم ، تا 100 میلی آمپر از طریق باری که ترانزیستور کنترل می کند ، عبور می کند. اگر 1.8mA را در پایه قرار دهیم ، تا 180mA از طریق بار عبور می کند. از آنجا که قبلاً محاسبه کرده بودیم که در 9 ولت ، 180 میلی آمپر از طریق شیر برقی عبور می کند ، بنابراین جریان پایه 1.8 میلی آمپر "نقطه شیرین" است ، و کمتر و شیر برقی ما به طور کامل روشن نمی شود.

ما می دانیم که آردوینو 5 ولت را خاموش می کند و می خواهیم 1.8 میلی آمپر جریان داشته باشد ، بنابراین از قانون اهم (R = V/I) برای محاسبه مقاومت (R = V/I) استفاده می کنیم. 5 ولت تقسیم بر 1.8 میلی آمپر مقاومت 2777 اهم را می دهد. بنابراین با توجه به فرض هایی که انجام دادیم ، ما انتظار داریم که مقاومت بین 125 تا 2777 باشد - انتخاب چیزی حدود 1000 اهم به هر جهت حاشیه ایمنی نسبتاً خوبی را به ما می دهد.

مرحله 13: تجزیه و تحلیل مشکلات فعلی و راه حل های احتمالی

نمونه اولیه فعلی پتانسیل را نشان می دهد ، اما چندین مشکل باقی می ماند:

1. به نظر نمی رسد حرکت در امتداد محور X و Y عمود باشد.
2. هنگامی که آینه جهت خود را تغییر می دهد ، جهشی رخ می دهد.
3. وضوح تصویر بسیار پایین است و الگوهای پله پله قابل مشاهده است.
4. در سرعت حرکت بیشتر ، مسیر لیزر با ارتعاشات و زنگ خوردن مخدوش می شود.

مسئله 1) ممکن است ناشی از طراحی لولا های انعطاف پذیر چاپ سه بعدی باشد که حرکت را در امتداد یک محور به محور عمود بر انتقال می دهند.

مسئله 2) به دلیل سستی در اتصال بین پیستونهای راننده و سکوی آینه است ، این باعث می شود که آینه در حرکت بین محور X و Y تکان بخورد و بپرد. این حرکت ناگهانی منجر به تیره شدن شکلی به شکل X می شود که در آن نقطه لیزر حرکت سریعتر و غیرقابل کنترل را انجام می دهد.

مسئله 3) به این دلیل رخ می دهد که Arduino PWM پیش فرض فقط 255 سطح دارد و تعداد زیادی از آنها به دلیل شکل منحنی ولتاژ هدر می رود. این می تواند با استفاده از timer1 ، که 16 بیت است و قادر به 65536 مقدار منحصر به فرد است ، به میزان قابل توجهی بهبود یابد.

مسئله 4) به این دلیل رخ می دهد که آینه و آرماتور کشویی (پیستون ها) مقدار قابل توجهی از جرم متحرک را تشکیل می دهند.

از آنجا که مسائل 1) و 2) به طراحی مکانیکی مربوط می شوند ، ممکن است پیستون های فلزی را بردارید و آهنرباهای کوچک کمیاب زمینی را که مستقیماً روی صفحه شیب چسبانده شده اند جایگزین کنید. سلونوئیدها یک سیم پیچ باز هستند که بدون تماس فیزیکی آهن ربا را جذب یا دفع می کند. این امر به حرکت روان تر منجر می شود و امکان حرکت تند و تیز را از بین می برد ، در حالی که جرم کل را کاهش می دهد.

کاهش جرم راه حل اصلی مسئله 4 است) ، اما هر گونه مشکل باقی مانده می تواند مستقیماً در نرم افزار با پیاده سازی نمای کنترل حرکت در نرم افزار جهت تسریع و کاهش سرعت آینه به صورت کنترل شده مورد هدف قرار گیرد. این در حال حاضر به طور گسترده در سیستم عامل چاپگر سه بعدی انجام می شود و روشهای مشابه نیز ممکن است در اینجا کار کنند. در اینجا برخی از منابع مربوط به کنترل حرکت در مورد چاپگرهای سه بعدی آمده است:

• "ریاضیات پروفایل های کنترل حرکت" ، چاک لوین (پیوند)
• "حرکت کنترل شده با حرکت سریع توضیح داده شد" ، (پیوند)

من گمان می کنم که افزودن مشخصات کنترل حرکت ذوزنقه ای به آینه اجازه می دهد تا با سرعت بسیار بیشتری بدون زنگ زدن یا آثار ارتعاشی حرکت کند.

مرحله 14: کارهای آینده و برنامه های کاربردی احتمالی

اگرچه ایجاد راه حل برای این مشکلات مقدار قابل توجهی کار خواهد برد ، اما امیدوارم این ماژول فرمان منبع باز بتواند جایگزینی مقرون به صرفه برای پروژه های مبتنی بر گالوانومتر در موارد زیر باشد:

• یک لیزر ارزان برای دی جی ها و وی جی ها نشان می دهد.
• یک نمایش بردار الکترو مکانیکی برای یک بازی قدیمی مانند Vectrex.
• یک چاپگر SLA 3D نوع رزینی DIY که در روح حرکت RepRap می تواند ماژول فرمان لیزری خود را چاپ کند.
• حرکت دیجیتال یا تثبیت کننده نوری تصویر برای دوربین ها.

جایزه دوم در مسابقه آردوینو 2017