وحدة التوجيه بالليزر DIY لـ Arduino: 14 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

في هذا Instructable ، سأوضح بناء وحدة توجيه شعاع ليزر ثنائية المحور ومرآة واحدة باستخدام أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد ومكونات غير مكلفة من eBay.

يشتمل هذا المشروع على أوجه تشابه مع عرض ليزر Arduino مع التحكم الكامل XY وعرض ليزر Arduino مع Real Galvos ، لكنني أعتقد أنه أول من استخدم تصميمًا مطبوعًا ثلاثي الأبعاد مع ملفات لولبية غير مكلفة. أضع جميع ملفات التصميم تحت GPLv3 حتى يمكن تحسين التصميم وتحسينه.

على الرغم من أنني قمت في الوقت الحالي بتجميع الوحدة النمطية وكتابة بعض كود الاختبار الأساسي للغاية ، إلا أنني آمل أن أتمكن في يوم من الأيام من الانتقال بها إلى المستوى التالي من خلال دمج رمز الرسومات المتجهة من الفولتية التناظرية السابقة فائقة السرعة من Arduino.

الخطوة 1: اجمع الأجزاء غير المطبوعة ثلاثية الأبعاد

يتكون تجميع الليزر من الأجزاء التالية:

• 4 ملفات لولبية دقيقة
• مرآة 1/2 بوصة
• أربعة مسامير M3

تم شراء الملفات اللولبية الخاصة التي استخدمتها على موقع eBay مقابل 1.45 دولارًا لكل منها. تم العثور على المرآة المستديرة في ممر الحرف اليدوية في HobbyLobby - كلفني عبوة من 25 قطعة أقل من 3 دولارات. يمكنك أيضًا العثور على مرايا على موقع eBay.

ستحتاج أيضًا إلى مؤشر ليزر غير مكلف ، مرة أخرى ، من eBay. يعد الليزر البنفسجي جنبًا إلى جنب مع ورقة الفينيل المتوهجة في الظلام مزيجًا ممتازًا لهذا المشروع!

مجموعة من أيدي المساعدة ليست ضرورية ، ولكنها ستكون مفيدة جدًا لتثبيت مؤشر الليزر وتحديد موضعه. يمكن استخدام مشبك ربط كبير للضغط باستمرار على زر الطاقة.

ستحتاج إلى Arduino (استخدمت Arduino Nano) وطريقة لقيادة الملفات اللولبية. كما ذكر VajkF في التعليقات ، يمكنك استخدام جسر H مسبق الصنع مثل تلك القائمة على L298 أو L9110. هذه متاحة بسهولة على موقع eBay مقابل بضعة دولارات ويمكن استخدامها أيضًا لقيادة مشاريع المحركات والروبوتات.

نظرًا لأنه لم يكن لدي جسر H ، فقد صنعت برنامج التشغيل الخاص بي من مكونات منفصلة:

• أربعة ترانزستورات ثنائية القطب NPN (استخدمت MPS3704)
• أربع مقاومات (استخدمت مقاوم 1.2 كيلو أوم)
• أربعة ثنائيات (استخدمت 1N4004)
• بطارية 9 فولت وموصل بطارية

كانت المكونات الإلكترونية من مختبري ، لذلك ليس لدي تكلفة محددة لها ، ولكن ما لم يكن لديك بالفعل الأجزاء أو يمكنك تنظيفها ، فمن المحتمل أن يكون استخدام جسر H مسبوق الإنشاء أكثر فعالية من حيث التكلفة. ومع ذلك ، سأقدم المخططات لبناء مخططاتك الخاصة.

الخطوة 2: طباعة ثلاثية الأبعاد لوحدة التوجيه المرآة

تتكون وحدة التوجيه بالليزر من جزأين مطبوعين ثلاثية الأبعاد: قاعدة لتركيب أربعة ملفات لولبية ومنصة مفصلية للمرآة.

لقد قمت بإرفاق ملفي STL للطباعة ثلاثية الأبعاد ، بالإضافة إلى ملفات FreeCAD في حال احتجت إلى تعديل التصميم. جميع المحتويات تحت GPLv3 ، لذا فأنت حر في إجراء ومشاركة التحسينات الخاصة بك!

الخطوة 3: قم بتجميع وحدة الليزر

• استخدم الغراء الساخن لإلصاق الملفات اللولبية الأربعة بالقطعة السفلية.
• استخدم الغراء الساخن لتثبيت المرآة في منتصف القطعة العلوية.
• أدخل المكابس المعدنية في الملفات اللولبية ثم ضع القطعة العلوية على القوائم (لكن لا تقم بلفها لأسفل). قم بتدوير القطعة العلوية قليلاً وباستخدام مفك لولبي صغير ، ارفع كل مكبس إلى موضعه. يجب أن تنزلق شفة القرص في تجويف المكبس. كن حذرًا ، لأن المفصلات المطبوعة ثلاثية الأبعاد هشة للغاية. بالصبر وربما بعض المحاولات الفاشلة ، يجب أن تكون قادرًا على وضع المكابس الأربعة دون التواء أو الضغط على المفصلات.
• بمجرد أن يتم وضع جميع المكابس ، أدخل مسامير M3 جزئيًا ، ولكن قبل شدها لأسفل ، اضغط على كل مكبس برفق وتأكد من إمالة المرآة بحرية. إذا لم يتحرك بحرية أو يمسك ، فقد يكون من الضروري إزالة اللوحة العلوية ، وإزالة واحد أو أكثر من الملفات اللولبية المفكوكة وإعادة تثبيتها بزاوية خارجية طفيفة (قد يساعد وضع الفواصل بينها وبين العمود المركزي في ذلك).

الخطوة 4: اطبع طوق مؤشر الليزر

طوق مؤشر الليزر يناسب رأس مؤشر الليزر. يمكنك بعد ذلك استخدام مجموعة من يد المساعدة لإمساك الياقة والسماح لك بوضع الليزر بدقة على مقعدك.

الخطوة 5: قم بتجميع حلبة القيادة

تظهر دائرة القيادة في التخطيطي. كما ذكرنا سابقًا ، تم إنشاء إصداري من مكونات منفصلة ، ولكن يمكنك أيضًا استخدام جسر H متاح بسهولة. إذا اخترت إنشاء ملفاتك الخاصة ، فستحتاج إلى إنشاء أربع نسخ من هذه الدائرة ، واحدة لكل ملف من الملفات اللولبية الأربعة.

ستتصل كل دائرة بدبوس Arduino ، اثنان للتحكم في الملف اللولبي الأيمن والأيسر ، واثنان للملفات اللولبية لأعلى ولأسفل. ستحتاج إلى أن تكون متصلاً بدبابيس قادرة على PWM ، مثل:

• دبوس 9: حتى الملف اللولبي
• دبوس 3: أسفل الملف اللولبي
• دبوس 11: الملف اللولبي الأيسر
• دبوس 10: الحق الملف اللولبي

يمكن استخدام بطارية واحدة 9 فولت لقيادة جميع دوائر تشغيل الملف اللولبي الأربعة أو يمكنك استخدام مصدر طاقة على الطاولة. سيقوم Arduino بإيقاف تشغيل طاقة USB ويجب ألا يتم توصيله بالجانب الإيجابي لبطارية 9V. ومع ذلك ، يتم استخدام الجانب السلبي للبطارية كمرجع أرضي ويجب توصيله بسلك GND على Arduino وكذلك إلى دبابيس الباعث على الترانزستورات.

الخطوة 6: تحميل نموذج التعليمات البرمجية

تم تحديث نموذج التعليمات البرمجية بالميزات التالية:

• يضبط تردد PWM بحيث تكون الآلية شبه صامتة عند السرعات المنخفضة. انتهى كل الصخب في اختبار الحركة 1!
• يضيف كمعادلات جهد استنادًا إلى ورقة كتبها Schimpf من أجل "خطي" الاستجابة غير الخطية للملفات اللولبية.

لقد قمت أيضًا بتضمين تطبيق Lorenz Attractor بناءً على الكود من هذه المدونة.

دقة النتائج تترك الكثير مما هو مرغوب فيه ، لكنني ما زلت أعمل على ذلك!:)

توضح الخطوات اللاحقة بعض التقنيات المستخدمة في الكود.

الخطوة 7: خفض مستوى الصوت

في اختبار الحركة 1 الخاص بي ، يمكنك سماع أزيز عالي ، خاصة أثناء الحركة لأعلى ولأسفل. اتضح أن هذا كان ناتجًا عن تردد تقطيع PWM الافتراضي لـ Arduino ضمن النطاق المسموع. إن التبديل السريع لجهد الملف وإيقاف تشغيله سيؤدي إلى اهتزازها عند هذا التردد ، مما يجعلها مكبرات صوت صغيرة جدًا.

لحل هذه المشكلة ، قمت بزيادة تردد PWM في الكود:

#define PWM_FREQ_31372Hz 0x01 // يعين تردد PWM إلى 31372.55 Hz # حدد PWM_FREQ_3921Hz 0x02 // يعين تردد PWM إلى 3921.16 Hz #define PWM_FREQ_980Hz 0x03 // يعين تردد PWM إلى 980.39quzTwint Frequency & 0b11111000) | تردد؛ // ضبط جهاز ضبط الوقت 1 (دبابيس 9 و 10) تردد TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | تردد؛ // ضبط تردد المؤقت 2 (الدبابيس 3 و 11)}

يعد ضبط تردد Arduino PWM خدعة مفيدة لتهدئة الملفات اللولبية أو المحركات. جرب الاختيارات المختلفة للترددات لترى أيها يمنحك أفضل النتائج. على الرغم من أنه يتضمن بعض البرمجة الأكثر تقدمًا ، إلا أنه يوجد هنا مورد جيد حول كيفية عمل المؤقتات.

الخطوة 8: ضبط الفولتية لتقليل التشويه

أظهرت اختبارات الحركة الأولية التي أجريتها أن التشوه كان كبيرًا في استجابة الملفات اللولبية. في اختبار الحركة 3 (الشكل الأيسر) ، ما كان من المفترض أن يكون حلزونيًا دائريًا أصبح شبكة مستطيلة ذات حواف خشنة.

يتطلب حل هذه المشكلة القليل من الرياضيات ، لكنني تمكنت من العثور على ورقة رائعة على الويب ساعدتني في فهم المشكلة جيدًا بما يكفي لحلها في البرنامج.

ما يلي الخطوات التي قمت بها خلال العملية التي قمت بها لضبط النظام وتحسين مظهر الآثار الناتجة!

الخطوة 9: إتقان البرنامج باستخدام الرياضيات

تبين أن سر ضبط النظام هو ورقة بحثية ممتازة بعنوان "شرح مفصل لقوة الملف اللولبي" بقلم بول إتش. شيمبف من جامعة شرق واشنطن (رابط). على وجه الخصوص ، أعطتني المعادلة 17 قوة الملف اللولبي من حيث المصطلحات المختلفة.

كانت المصطلحات التالية سهلة القياس:

• R - مقاومة الملف اللولبي الخاص بي
• ل - طول الملف اللولبي
• x - إزاحة المكبس في الملف اللولبي
• V - الجهد عبر الملف اللولبي

علمت أيضًا أن القوة التي يبذلها الملف اللولبي يجب أن توازن القوة من الينابيع المطبوعة ثلاثية الأبعاد على المرآة ثنائية المحور. تخضع قوة الزنبرك لقانون هوك ، والذي ينص على ما يلي:

F = -kx

على الرغم من أنني لم أكن أعرف قيمة k ، إلا أنني عرفت على الأقل أن القوة التي خرجت منها من المعادلة 17 من ورقة شيمبف يجب أن تساوي القوة من قانون هوك.

كانت قيمة ألفا (α) صعبة. على الرغم من أن المعادلتين 13 و 14 أوضحتا كيفية حساب هذه القيم من منطقة الملف اللولبي (A) ، وعدد الدورات (N) وقيم النفاذية المغناطيسية (μ) ، لم أكن أرغب في تمزيق الملف اللولبي لحساب عدد المنعطفات ، ولم أكن أعرف المادة التي صنع منها قلب الملف اللولبي.

الخطوة 10: جهاز اختبار المكونات غير المكلف يوفر لك اليوم

ومع ذلك ، اتضح أن المعادلتين 15 و 16 أعطاني ما أحتاجه. كان لدي جهاز اختبار مكون M328 غير مكلف اشتريته من eBay مقابل 10 دولارات. لقد كان قادرًا على استخدامه لقياس محاثة الملف اللولبي الخاص بي ووجدت أنه من خلال دفع المحرك في أعماق مختلفة أعطاني قيمًا مختلفة للحث.

أعطاني قياسه مع إدخال المحرك بالكامل قيمة L (0).

كان طول الملف اللولبي 14 مم ، لذلك قمت بقياس المحاثة مع المحرك في خمسة مواضع وهذا أعطاني قيمًا مختلفة لـ L (x):

• L (0.0) = 19.8 مللي أمبير
• لتر (3.5) = 17.7 مللي أمبير
• لتر (7.0) = 11.1 مللي أمبير
• لتر (10.5) = 9.3 مللي أمبير
• لتر (14) = 9.1 مللي أمبير

ثم استخدمت جدول بيانات لرسم القيم الخاصة بي مقابل قيمة المعادلة 15 و 16 ، لاختيار معين من μr ثم قمت بتغيير خياري حتى وجدت تطابقًا جيدًا. حدث هذا عندما كانت μr 2.9 ، كما هو موضح في الرسم البياني.

الخطوة 11: أوجد ثابت الزنبرك K ، حل المشكلة

المجهول الوحيد المتبقي كان K ، ثابت الربيع. قمت بقياس ذلك عن طريق تطبيق 9V على أحد الملفات اللولبية في تجميعي ثنائي المحور وقياس المسافة التي تم فيها سحب المرآة لأسفل. بهذه القيم ، تمكنت من حل معادلات K ، التي وجدت أنها كانت حوالي 10.41.

لدي الآن القيم التي أحتاجها لحساب سحب الملف اللولبي في مواضع مختلفة على طول السكتة الدماغية. من خلال ضبط F (x) مساوية لقوة الزنبرك من قانون هوك ، يمكنني حل الجهد المطلوب V.

يوضح الرسم البياني الجهد المطلوب لتحريك الملف اللولبي إلى أي موضع مرغوب فيه x.

على اليمين ، حيث يكون الجهد صفرًا والموضع 3 مم ، فهذا يتوافق مع نقطة السكون المحايدة للملف اللولبي عندما تكون المفصلات المطبوعة ثلاثية الأبعاد مسترخية تمامًا. يتطابق التحرك يسارًا على الرسم البياني مع سحب المحرك إلى الملف اللولبي مقابل سحب المفصلات المطبوعة ثلاثية الأبعاد - وهذا يتطلب في البداية مزيدًا من الجهد ، ولكن مع تعمق المحرك في الملف اللولبي ، يزداد السحب ويتناقص جهد القيادة المطلوب.

هذه العلاقة غير خطية بالتأكيد ، ولكن مع المعادلات من ورقة Schimpf ، يمكنني كتابة كود Arduino الخاص بي لإخراج الفولتية الصحيحة بحيث يكون انحراف الحزمة خطيًا:

الموضع العائم إلى الجهد (عائم س) {

// استعادة القوة التي تمارسها المفصلات (قانون هوك) في x المطلوب. const float spring_F = -spring_K * (x - spring_X0) ؛ // الجهد بحيث تتطابق قوة سحب الملف اللولبي مع // قوة الاستعادة للمفصلات التي ترجع الجذر التربيعي (-2 * R * R * (- spring_F) * solenoid_len / (a * L_0 * exp (-a * x / solenoid_len)))) ؛ }

هذا يؤدي إلى حلزوني دائري أكثر بكثير مما كان عليه في اختبار الحركة الأصلي. تمت المهمة!

الخطوة 12: أسئلة وأجوبة حول حلبة السائق باستخدام مكونات منفصلة

لماذا لا يمكنني توصيل الملف اللولبي مباشرة بـ Arduino؟

إنها مسألة مقدار التيار الذي يمكن أن يوفره Arduino دون التعرض للضرر. هذا حوالي 40 مللي أمبير لكل دبوس. مع العلم أن Arduino يعمل عند 5 فولت ، يمكننا استخدام قانون أوم لحساب المقاومة الدنيا المطلوبة للحمل (في هذه الحالة ، الملف اللولبي). بقسمة 5 فولت على 0.040 أمبير ، نحصل على 125 أوم. إذا كان للحمل مقاومة أكبر ، فيمكننا توصيله مباشرة بـ Arduino ، وإلا فإننا لا نستطيع ذلك. عادةً ما يكون للملف اللولبي الصغير مقاومة 50 أوم ، لذلك لا يمكننا قيادته مباشرة من Arduino. إذا فعلنا ذلك ، فسوف يسحب 100 مللي أمبير ، وهو ما من الواضح أنه أكثر من اللازم.

لماذا تستخدم 9 فولت للملف اللولبي ، ولكن 5 فولت للاردوينو؟

يعمل Arduino بسرعة 5 فولت ، لكن هذا قليل جدًا بالنسبة للملف اللولبي. يسمح لنا استخدام الترانزستور باختيار جهد للملف اللولبي مستقل عن 5V المستخدم في Arduino.

كيف أعرف ما إذا كان الترانزستور مناسبًا لهذا المشروع؟

تمامًا مثل Arduino ، فإن المطلب الرئيسي هو أن التيار المتدفق عبر الملف اللولبي لا يتجاوز الحد الأقصى لتصنيفات الترانزستور (على وجه الخصوص ، تيار المجمع). يمكننا بسهولة حساب السيناريو الأسوأ عن طريق قياس مقاومة الملف اللولبي ثم قسمة جهد الإمداد على ذلك. في حالة وجود تيار إمداد 9 فولت للملفات اللولبية ، ومقاومة الملف اللولبي بمقدار 50 أوم ، فإن السيناريو الأسوأ يضعنا عند 180 مللي أمبير. تم تصنيف MPS3704 ، على سبيل المثال ، لتيار جامع أقصى يبلغ 600 مللي أمبير ، مما يعطينا هامشًا يبلغ حوالي 3.

كيف يمكنني تحديد الحد الأدنى لقيمة المقاومة لوضعها بين خرج Arduino وقاعدة الترانزستور؟

سيقوم خرج Arduino بتوصيل الساق الأساسية للترانزستورات ثنائية القطب من خلال المقاوم الحالي المحدد. نظرًا لأن Arduino يعمل عند 5 فولت ، يمكننا مرة أخرى استخدام قانون أوم لحساب المقاومة المطلوبة للحد من التيار أقل من 40 مللي أمبير. أي ، قسّم 5 فولت على 0.04 أمبير للحصول على قيمة لا تقل عن 125 أوم. تعمل قيم المقاومة الأعلى على تقليل التيار ، مما يمنحنا هامش أمان أكبر.

وهل هناك قيمة قصوى لتلك المقاومة لا يجب أن أتجاوزها؟

اتضح ، نعم. يحتوي الترانزستور على ما يُعرف باسم المكسب الحالي. على سبيل المثال ، إذا كان الكسب 100 ، فهذا يعني أنه إذا وضعنا 1 مللي أمبير في القاعدة ، فسوف يتدفق ما يصل إلى 100 مللي أمبير عبر الحمل الذي يتحكم فيه الترانزستور. إذا وضعنا 1.8 مللي أمبير في القاعدة ، فسوف يتدفق ما يصل إلى 180 مللي أمبير خلال الحمل. نظرًا لأننا حسبنا سابقًا أنه عند 9 فولت ، يتدفق 180 مللي أمبير عبر الملف اللولبي ، فإن تيار القاعدة 1.8 مللي أمبير هو "البقعة الحلوة" ، وأقل ولن يتم تشغيل الملف اللولبي بالكامل.

نحن نعلم أن Arduino يخرج 5 فولت ونريد تدفق تيار 1.8 مللي أمبير ، لذلك نستخدم قانون أوم (R = V / I) لحساب المقاومة (R = V / I). 5V مقسومة على 1.8mA يعطي مقاومة 2777 أوم. لذا ، بالنظر إلى الافتراضات التي وضعناها ، نتوقع أن المقاومة يجب أن تقع بين 125 و 2777 - اختيار شيء مثل 1000 أوم يمنحنا هامش أمان جيد إلى حد ما في كلتا الحالتين.

الخطوة 13: تحليل المشاكل الحالية والحلول الممكنة

يُظهر النموذج الأولي الحالي إمكانات ، ولكن تظل هناك العديد من المشكلات:

1. لا يبدو أن الحركة على المحورين X و Y متعامدة.
2. هناك قفزة عندما تغير المرآة اتجاهها.
3. الدقة منخفضة للغاية وهناك أنماط واضحة لخطوات السلم.
4. عند سرعات الحركة العالية ، يتشوه مسار الليزر بالاهتزازات والرنين.

المشكلة 1) قد يكون سببها تصميم المفصلات المرنة المطبوعة ثلاثية الأبعاد والتي تنقل الحركة على طول محور واحد إلى المحور العمودي.

المشكلة 2) بسبب الركود في الاقتران بين مكابس القيادة ومنصة المرآة ، مما يتسبب في اهتزاز المرآة وتخطي الانتقالات بين المحور X و Y. تؤدي هذه الحركة المفاجئة إلى فجوة مظلمة على شكل X حيث تقوم نقطة الليزر بحركة أسرع لا يمكن السيطرة عليها.

المشكلة 3) يحدث لأن Arduino PWM الافتراضي يحتوي فقط على 255 مستوى ويتم إهدار عدد قليل منها بسبب شكل منحنى الجهد. يمكن تحسين ذلك بشكل كبير عن طريق استخدام جهاز ضبط الوقت 1 ، والذي يبلغ 16 بت ويمكنه الحصول على 65536 قيمة فريدة.

المشكلة 4) تحدث لأن المرآة وحافظة الملف اللولبي المنزلق (المكابس) تشكلان كمية كبيرة من الكتلة المتحركة.

نظرًا لأن المسألتين 1) و 2) مرتبطان بالتصميم الميكانيكي ، فقد يكون أحد الاحتمالات هو إزالة المكابس المعدنية واستبدالها بمغناطيسات أرضية نادرة صغيرة يتم لصقها مباشرة على لوحة الإمالة. ستكون الملفات اللولبية عبارة عن ملف مفتوح يجذب أو يطرد المغناطيس دون إجراء اتصال جسدي. سيؤدي ذلك إلى حركة أكثر سلاسة والقضاء على إمكانية الاهتزاز ، مع تقليل الكتلة الإجمالية.

يعد تقليل الكتلة هو الحل الأساسي للمشكلة 4) ، ولكن يمكن استهداف أي مشاكل متبقية مباشرةً في البرنامج من خلال تنفيذ ملف تعريف للتحكم في الحركة في البرنامج لتسريع وإبطاء المرآة بطريقة مسيطر عليها. يتم هذا بالفعل على نطاق واسع في البرامج الثابتة للطابعة ثلاثية الأبعاد وقد تعمل الطرق المماثلة هنا أيضًا. فيما يلي بعض الموارد المتعلقة بالتحكم في الحركة حيث تنطبق على الطابعات ثلاثية الأبعاد:

• "رياضيات ملفات تعريف التحكم في الحركة" ، تشاك لوين (رابط)
• "شرح الحركة التي يتم التحكم فيها بالنفضة" ، (رابط)

أظن أن إضافة ملف تعريف التحكم في الحركة شبه المنحرف سيسمح بدفع المرآة بسرعات أعلى بكثير دون رنين أو اهتزازات.

الخطوة 14: العمل المستقبلي والتطبيقات الممكنة

على الرغم من أن تطوير حلول لهذه المشكلات سيستغرق قدرًا كبيرًا من العمل ، إلا أنني آمل أن تصبح وحدة توجيه الحزمة مفتوحة المصدر هذه بديلاً ميسور التكلفة للمشاريع القائمة على الجلفانومتر في تطبيقات مثل:

• عروض ليزر غير مكلفة للدي جي و VJs.
• عرض متجه كهربائي ميكانيكي للعبة أركيد قديمة مثل Vectrex.
• يمكن لطابعة SLA ثلاثية الأبعاد من نوع الراتينج DIY والتي تعمل بروح حركة RepRap طباعة وحدة توجيه الليزر الخاصة بها.
• التحريك الرقمي أو التثبيت البصري للصور للكاميرات.

الجائزة الثانية في مسابقة Arduino 2017