Máy phân loại trục vít: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Một ngày nọ trong phòng thí nghiệm (FabLab Moscow), tôi thấy đồng nghiệp của tôi đang bận rộn phân loại một hộp đầy đủ ốc vít, đai ốc, vòng và các phần cứng khác. Dừng lại bên cạnh anh ấy, tôi quan sát một giây và nói: "Đó sẽ là một công việc hoàn hảo cho một cỗ máy." Sau khi xem nhanh trên google, tôi thấy rằng các hệ thống cơ khí khéo léo khác nhau đã tồn tại nhưng chúng không thể giải quyết vấn đề của chúng tôi vì trong hộp của chúng tôi là rất nhiều bộ phận. Làm một cái gì đó thuần túy máy móc sẽ khá phức tạp. Lý do chính đáng khác để chuyển sang một hệ thống "rô bốt" hơn là bởi vì điều này sẽ yêu cầu tất cả các lĩnh vực kỹ thuật mà tôi yêu thích: thị giác máy, cánh tay rô bốt và thiết bị truyền động cơ điện!

Máy này chọn các vít và đặt chúng vào các hộp khác nhau. Nó bao gồm một cánh tay robot xử lý một nam châm điện, một bàn làm việc mờ phía trên đèn và một máy ảnh ở phía trên. Sau khi rải một số ốc vít và đai ốc lên bàn làm việc, đèn được bật và chụp ảnh. Một thuật toán phát hiện các hình dạng bộ phận và trả về vị trí của chúng. Cuối cùng cánh tay có nam châm điện đặt từng bộ phận một vào các ô mong muốn.

Dự án này vẫn đang được phát triển nhưng bây giờ tôi đã thu được những kết quả tốt mà tôi muốn chia sẻ với các bạn.

Bước 1: Công cụ và vật liệu

Công cụ

• Máy cắt laser
• Máy xay góc
• Cưa sắt
• Cái vặn vít
• Kẹp (càng nhiều càng tốt)
• Súng bắn keo nóng

Vật liệu

• Ván ép 3mm (1 m2)
• Ván ép 6mm (300 x 200 mm)
• Nhựa trắng mờ 4mm (500 x 250 mm)
• Máy tính (tôi đang cố gắng chuyển sang mâm xôi pi)
• Webcam (Logitech HD T20p, bất kỳ ai cũng nên làm việc)
• Arduino với 4 đầu ra PWM / analogWrite (ba servo và cuộn dây nam châm điện) (Tôi sử dụng ProTrinket 5V)
• Ban tạo mẫu
• Dây điện tử (2m)
• Chuyển đổi bóng bán dẫn (bất kỳ bóng bán dẫn nào có thể điều khiển cuộn dây 2W) (Tôi có S8050)
• Diode (Schottky thì tốt hơn)
• 2 điện trở (100Ω, 330Ω)
• Nguồn điện 5V, 2A
• Servo micro (chiều rộng 13 chiều dài 29 mm)
• 2 tiêu chuẩn servo (chiều rộng 20 chiều dài 38 mm)
• Keo dán gỗ
• 4 góc kim loại có vít (tùy chọn)
• Thanh gỗ (30 x 20 x 2400)
• Keo nóng
• Dây đồng tráng men (đường kính 0,2, 0,3 mm, 5m) (máy biến áp cũ?)
• Bàn ủi mềm (16 x 25 x4 mm)
• 3 bóng đèn có ổ cắm
• Dải đầu nối (230V, 6 phần tử)
• Dây điện có ổ cắm (230V) (2 m)
• Vòng bi 625ZZ (đường kính trong 5mm, đường kính ngoài 16mm, cao 5mm)
• Vòng bi 608ZZ (đường kính trong 8mm, đường kính ngoài 22mm, cao 7mm)
• Vòng bi rb-lyn-317 (đường kính trong 3mm, đường kính ngoài 8mm, chiều cao 4mm)
• Đai thời gian GT2 (bước 2mm, rộng 6mm, 650mm)
• Vít M5 x 35
• Vít M8 x 40
• 8 vít M3 x 15
• 4 vít M4 x 60
• 6 vít gỗ 2 x 8 mm
• Vít M3 x 10
• Mô-đun bảng chuyển tiếp (có thể điều khiển trực tiếp bằng bộ điều khiển)

Bước 2: Làm Hộp đèn

Hộp đèn có bốn phần chính và một số thanh giằng. Tải các bộ phận này xuống và dán chúng lại với nhau ngoại trừ phần nhựa trong mờ. Tôi bắt đầu với nửa đĩa gỗ và bức tường cong. Bạn cần giữ chặt thành xung quanh đĩa trong quá trình sấy. Tôi đã sử dụng kẹp để cố định nửa đĩa và cơ sở thành cong. Sau đó, một số băng duy trì thành xung quanh nửa đĩa. Thứ hai, tôi dán một vành để chịu được bàn làm việc mờ. Cuối cùng, bức tường phẳng được thêm vào với các cạnh bên phải bằng gỗ (bên trong) và kim loại (bên ngoài).

Sau khi hoàn thành hộp, bạn chỉ cần thêm các bóng đèn và kết nối dây và ổ cắm với dải đầu nối. Cắt dây 230V ở nơi thuận tiện cho bạn và lắp mô-đun rơle vào. Tôi đã bao bọc rơ le (230V!) Trong một hộp gỗ vì lý do an ninh.

Bước 3: Làm cánh tay robot

Tải xuống các bộ phận và cắt chúng. Để cố định đai trên động cơ servo, tôi đã sử dụng các mẩu giấy bìa cứng. Tôi đóng đinh hai phần đai trên động cơ servo và thêm một ít keo để chắc chắn rằng không có gì di chuyển.

Đối với hướng thẳng đứng tuyến tính, pít tông phải được chà nhám để tránh bất kỳ sự tắc nghẽn nào. Nó phải trượt trơn tru. Sau khi lắp ráp, chiều cao có thể được điều chỉnh bằng cách cắt hướng dẫn ở độ dài mong muốn. Tuy nhiên, hãy giữ nó càng lâu càng tốt để ngăn chặn tình trạng khóa quá tâm. Pít tông được dán đơn giản vào hộp cánh tay.

Các vòng bi được bao bọc bên trong các ròng rọc. Một ròng rọc được làm bằng hai lớp ván ép. Hai lớp này không nhất thiết phải chạm vào nhau vì vậy thay vì dán chúng lại với nhau, hãy dán chúng vào tấm cánh tay tương ứng của chúng. Các tấm cánh tay trên và dưới được duy trì bằng bốn vít và đai ốc M3 x 15. Trục đầu tiên (trục lớn) chỉ đơn giản là vít M8 x 40 và trục thứ hai (trục nhỏ) là vít M5 x 35. Sử dụng đai ốc làm miếng đệm và khóa cho các bộ phận của cánh tay.

Bước 4: Chế tạo nam châm điện

Nam châm điện chỉ đơn giản là một lõi sắt mềm với ống dây tráng men xung quanh. Lõi sắt mềm dẫn đường cho từ trường đến nơi mong muốn. Dòng điện trong ống dây tráng men tạo ra từ trường này (nó tỷ lệ thuận). Ngoài ra, bạn càng quay nhiều thì càng có nhiều từ trường. Tôi đã thiết kế một thanh sắt hình chữ U để tập trung từ trường gần các vít bị bắt và tăng lực kích ứng trước.

Cắt hình chữ U thành một miếng sắt mềm (chiều cao: 25mm, chiều rộng: 15mm, tiết diện sắt: 5 x 4mm). Việc loại bỏ các cạnh sắc trước khi quấn dây xung quanh bàn ủi chữ U là rất quan trọng. Chú ý giữ nguyên hướng cuộn dây (cụ thể khi bạn nhảy sang phía bên kia, bạn cần thay đổi hướng quay theo quan điểm của mình nhưng vẫn giữ nguyên hướng quay theo quan điểm của bàn ủi chữ U) (https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) Trước khi phân nhánh cuộn dây vào mạch, hãy kiểm tra điện trở cuộn dây bằng đồng hồ vạn năng và tính cường độ dòng điện theo định luật Ôm (U = RI). Tôi có hơn 200 lượt trên cuộn dây của mình. Tôi khuyên bạn nên uốn lượn cho đến khi bạn chỉ còn 2 mm khoảng trống bên trong hình chữ U.

Một giá đỡ bằng gỗ đã được làm và sắt chữ U đã được cố định bằng keo nóng. Hai khe cho phép cố định dây ở cả hai đầu. Cuối cùng hai chốt được đóng đinh trên giá đỡ bằng gỗ. Chúng tạo ra phần tiếp giáp giữa dây cooper tráng men và dây điện tử. Để tránh bất kỳ hư hỏng nào của cuộn dây, tôi đã phủ thêm một lớp keo nóng xung quanh cuộn dây. Trên hình cuối bạn có thể quan sát một bộ phận bằng gỗ đóng sắt hình chữ U. Chức năng của nó là ngăn không cho bất kỳ con ốc vít nào bị kẹt bên trong bàn ủi chữ U.

Coper dây tráng men đã được lấy từ một máy biến áp bị hỏng. Nếu bạn làm như vậy, hãy kiểm tra để đảm bảo rằng dây không bị đứt hoặc không có mạch ngắn trong phần đã sử dụng. Tháo băng trên lõi sắt từ. Với một máy cắt, hãy tách từng lát sắt một. Sau đó tháo băng dính trên cuộn dây và cuối cùng tháo cuộn dây tráng men. Đã sử dụng cuộn thứ cấp (cuộn có đường kính lớn) (đầu vào máy biến áp 230V, đầu ra 5V-1A).

Bước 5: Tạo mạch

Trên một bảng tạo mẫu, tôi đã xây dựng sơ đồ ở trên. Một bóng bán dẫn lưỡng cực (S8050) đã được sử dụng để chuyển đổi cuộn dây nam châm điện. Kiểm tra xem bóng bán dẫn của bạn có thể xử lý dòng điện được tính ở bước trước hay không. MOSFET có lẽ phù hợp hơn trong tình huống này nhưng tôi đã lấy những gì tôi có trong tay (và tôi muốn có mức kháng cự thấp). Điều chỉnh hai điện trở cho bóng bán dẫn của bạn.

Trong sơ đồ trên, biểu tượng VCC và GND được kết nối với + và - của nguồn điện của tôi. Các động cơ servo có ba dây: Tín hiệu, VCC và GND. Chỉ có dây tín hiệu được kết nối với bộ điều khiển, các dây khác được kết nối trên nguồn điện. Bộ điều khiển được cấp nguồn bằng cáp lập trình.

Bước 6: Mã

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng: Mã. Bạn sẽ tìm thấy nó ở đây:

Có một chương trình cho bộ điều khiển (loại arduino) và một chương trình khác chạy trên máy tính (hy vọng sẽ sớm có trên raspberry). Mã trên bộ điều khiển chịu trách nhiệm lập kế hoạch quỹ đạo và mã trên máy tính thực hiện xử lý hình ảnh và gửi vị trí kết quả đến bộ điều khiển. Quá trình xử lý hình ảnh dựa trên OpenCV.

Chương trình của máy tính

Chương trình chụp ảnh bằng webcam và đèn, phát hiện tâm và bán kính bàn làm việc bị mờ và hiệu chỉnh việc xoay hình ảnh cuối cùng. Từ các giá trị này, chương trình tính toán vị trí rô bốt (Ta biết vị trí rô bốt theo tấm). Chương trình sử dụng chức năng dò đốm màu của OpenCV để phát hiện các ốc vít và bu lông. Các loại đốm màu khác nhau được lọc với các thông số có sẵn (diện tích, màu sắc, độ tuần hoàn, độ lồi, quán tính) để chọn thành phần mong muốn. Kết quả của máy dò đốm màu là vị trí (tính bằng pixel) của các đốm màu đã chọn. Sau đó, một hàm biến đổi các vị trí pixel này thành các vị trí milimet trong hệ tọa độ nhánh (trực giao). Một chức năng khác tính toán vị trí cần thiết của mỗi khớp nối cánh tay để có nam châm điện ở vị trí mong muốn. Kết quả bao gồm ba góc độ cuối cùng được gửi đến bộ điều khiển.

Chương trình của bộ điều khiển

Chương trình này nhận các góc nối và di chuyển các bộ phận của cánh tay để đạt được các góc này. Đầu tiên, nó tính toán tốc độ tối đa của mỗi phép nối để thực hiện chuyển động trong cùng một khoảng thời gian. Sau đó, nó sẽ kiểm tra xem có bao giờ đạt tới các tốc độ tối đa này hay không, trong trường hợp này, chuyển động sẽ tuân theo ba giai đoạn: tăng tốc, tốc độ không đổi và giảm tốc. Nếu không đạt được tốc độ tối đa, chuyển động chỉ diễn ra theo hai giai đoạn: tăng tốc và giảm tốc. Các khoảnh khắc mà nó phải chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác cũng được tính toán. Cuối cùng động thái được thực hiện: Theo khoảng thời gian đều đặn, các góc thực tế mới được tính toán và gửi đi. Nếu đã đến lúc chuyển sang giai đoạn tổ, việc thực thi sẽ tiếp tục sang giai đoạn tiếp theo.

Bước 7: Những lần chạm cuối cùng

Khung

Một khung đã được thêm vào để giữ máy ảnh. Tôi chọn làm nó bằng gỗ vì nó rẻ, dễ gia công, dễ kiếm, thân thiện với môi trường, dễ tạo hình và nó vẫn theo phong cách mà tôi đã bắt đầu. Thực hiện kiểm tra hình ảnh bằng máy ảnh để quyết định chiều cao cần thiết. Ngoài ra, hãy đảm bảo làm cho nó cứng và cố định vì tôi nhận thấy rằng vị trí kết quả rất nhạy cảm với bất kỳ chuyển động nào của máy ảnh (ít nhất là trước khi tôi thêm chức năng tự động phát hiện bảng làm việc). Máy ảnh phải được đặt ở trung tâm bàn làm việc và, trong trường hợp của tôi, cách bề mặt trắng mờ 520 mm.

Những cái hộp

Như bạn có thể thấy trong hình, các hộp lưu trữ có thể di chuyển nằm trên phần phẳng của bàn làm việc. Bạn có thể tạo bao nhiêu hộp nếu cần nhưng với thiết lập thực tế của tôi, không gian khá hạn chế. Tuy nhiên, tôi có ý tưởng để cải thiện điểm này (xem những cải tiến trong tương lai).

Cải tiến trong tương lai

• Hiện tại, đai thời gian được đóng bằng một bộ phận bằng gỗ nhưng giải pháp này giới hạn khu vực mà cánh tay có thể tiếp cận. Tôi cần thêm không gian giữa servo lớn và trục cánh tay hoặc tạo một hệ thống đóng nhỏ hơn.
• Các hộp nằm dọc theo cạnh bàn làm việc phẳng, nếu tôi đặt nó dọc theo cạnh nửa hình tròn, tôi sẽ có nhiều không gian hơn để thêm các hộp và sắp xếp nhiều loại thành phần.
• Bây giờ bộ lọc phát hiện đốm màu là đủ để phân loại các phần nhưng khi tôi muốn tăng số lượng hộp, tôi sẽ cần tăng độ chọn lọc. Vì lý do này, tôi sẽ thử các phương pháp nhận dạng khác nhau.
• Bây giờ các động cơ servo tôi sử dụng không có đủ phạm vi để tiếp cận tất cả các bảng làm việc nửa đĩa. Tôi cần thay đổi servo hoặc thay đổi hệ số giảm giữa các puli khác nhau.
• Một số vấn đề xảy ra khá thường xuyên vì vậy việc nâng cao độ tin cậy là ưu tiên hàng đầu. Vì vậy, tôi cần phải phân loại các loại vấn đề và tập trung vào những vấn đề có nhiều khả năng xảy ra hơn. Đây đã là những gì tôi đã làm với mảnh gỗ nhỏ đóng thanh sắt hình chữ U và thuật toán trung tâm phát hiện tự động nhưng bây giờ các vấn đề trở nên phức tạp hơn để giải quyết.
• Tạo PCB cho bộ điều khiển và mạch điện tử.
• Di chuyển mã sang Raspberry pi để có một trạm độc lập

Giải nhì cuộc thi Tổ chức