Автоматизированная манипулятор для пайки: точность, скорость, руководство по сборке

Компоненты и материалы

Шаговый двигатель 28BYJ-48 с драйвером ULN2003	×1
Arduino UNO	×1
Сервопривод TowerPro MG955	×1
I2C LCD 1602 (модуль с I2C-адаптером)	×1
Step-down модуль (понижающий преобразователь)	×1
NEMA 17 Stepper Motor (OpenBuilds)	×1

Инструменты

• Лазерный резак
• Набор фрез для Dremel (ротационная инструмент)

Приложения и ПО

• Arduino IDE
• Microsoft Visual Studio 2015 (для сопутствующего ПО)

О проекте

Введение

Идея пришла случайно при изучении возможностей манипуляторов. Область автоматизированной пайки/сварки мало охвачена открытыми проектами. Предыдущий опыт похожих проектов помог, но этот получился максимально полезным и эффективным.

Перед дизайном изучал промышленные решения и open-source проекты — помогли найти правильную форму. Важно: визуальное восприятие мозгом определяет эргономику.

Шаг 1: Проектирование

Сначала смотрел профи проекты — слишком сложны для повторения. Решил сделать свой, вдохновленный ими, в Google SketchUp 2017 Pro. Каждая деталь спроектирована для сборки в строгом порядке.

Виртуальная 3D-модель итогового устройства в натуральную величину — гайд для выбора паяльника и проверки габаритов.

Шаг 2: Эксплуатация и проблемы

1. Ручки слишком тяжелые для малых шаговых. Исправили в следующей версии лазерной резки.

2. Высокое трение вращающейся базы (пластик на пластике) — движения рывками. Первое решение: купить более мощный шаговый и переделать базу. Не помогло — трение пластика + невозможность точной настройки тока драйвера (настройка по напряжению на реф. пине, а не «на глаз»).

Второе решение: полностью переработать базу — поставить металлическое шестеренчатое серво вместо шестеренного механизма.

3. Питание

Arduino можно питать: DC джек (7-12V), USB (5V), VIN (7-12V). Подача на 5V/3.3V обходит стабилизатор. Купили специальный USB-кабель с 5V от ПК/БП. Все компоненты работают от 5V — поставили step-down модуль (buck converter) для стабильности.

Шаг 3: Модификации

Уменьшили размеры рук, сделали отверстие под шестерню сервопривода. Серво с металлической шестерней крутит вес 180° корректно — высокий крутящий момент.

I2C для LCD — удобно: 2 пина, до 8 устройств на одной шине. Минус: нужно использовать hardware I2C пины.

Шаг 4: Крепление паяльника (гриппер)

Металлическое серво держит вес паяльника. Проблема: дрожание/вибрация сервы. Решение — ограничение углов в коде:

servo.attach(9, 1000, 2000);
servo.write(constrain(angle, 10, 160));

Не все сервы дают полные 180°. Метод: servo.writeMicroseconds() (диапазон 1000-2000, многие работают 600-2400). Подбирайте значения до появления жужжания (конец хода). Устанавливайте лимиты в servo.attach(pin, min, max). Функция constrain() предотвращает выход за пределы.

Шаг 5: Программирование

Arduino расширяется библиотеками. Используемые:

#include <AccelStepper.h>
#include <MultiStepper.h>
#include <Servo.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

Код (управление шаговиками X, Y, Z)

#include "AccelStepper.h"

AccelStepper stepperX(1, 2, 3);  // 1=EasyDriver, Pin2=STEP, Pin3=DIR
AccelStepper stepperZ(1, 5, 6);  // Pin5=STEP, Pin6=DIR
AccelStepper stepperY(1, 7, 8);  // Pin7=STEP, Pin8=DIR (Note: было 7,8,9 в оригинале, исправлено)

long TravelX, TravelZ, TravelY;
int move_finished = 1;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Enter Travel distance separated by comma: X,Z,Y");
  Serial.print("Enter Move Values Now: ");
  stepperX.setMaxSpeed(500); stepperX.setAcceleration(500);
  stepperZ.setMaxSpeed(250); stepperZ.setAcceleration(250);
  stepperY.setMaxSpeed(250); stepperY.setAcceleration(250);
}

void loop() {
  while (Serial.available() > 0) {
    move_finished = 0;
    TravelX = Serial.parseInt(); Serial.print(TravelX); Serial.print(" X Travel, ");
    TravelZ = Serial.parseInt(); Serial.print(TravelZ); Serial.print(" Z Travel, ");
    TravelY = Serial.parseInt(); Serial.print(TravelY); Serial.println(" Y Travel");
    stepperX.moveTo(TravelX);
    stepperZ.moveTo(TravelZ);
    stepperY.moveTo(TravelY);
    delay(1000);
    Serial.print("Moving Steppers into position...");
  }
  if ((stepperX.distanceToGo() != 0) || (stepperZ.distanceToGo() != 0) || (stepperY.distanceToGo() != 0)) {
    stepperX.run(); stepperZ.run(); stepperY.run();
  }
  if ((move_finished == 0) && (stepperX.distanceToGo() == 0) && (stepperZ.distanceToGo() == 0) && (stepperY.distanceToGo() == 0)) {
    Serial.println("COMPLETED!");
    Serial.println("");
    Serial.println("Enter Next Move Values (0,0,0 for reset): ");
    move_finished = 1;
  }
}

Схемы