Mô-đun chỉ đạo laser tự làm cho Arduino: 14 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Trong phần Có thể hướng dẫn này, tôi sẽ trình bày việc xây dựng mô-đun lái chùm tia laze hai trục, gương đơn bằng cách sử dụng các bộ phận in 3D và các bộ phận rẻ tiền từ eBay.

Dự án này có những điểm tương đồng với Arduino Laser Show với Full XY Control và Arduino Laser Show With Real Galvos nhưng tôi tin rằng đây là dự án đầu tiên sử dụng thiết kế in 3D với chất liệu điện tử rẻ tiền. Tôi đang đặt tất cả các tệp thiết kế theo GPLv3 để thiết kế có thể được nâng cao và cải thiện.

Mặc dù hiện tại tôi mới chỉ lắp ráp mô-đun và viết một số mã thử nghiệm rất cơ bản, nhưng hy vọng một ngày nào đó tôi có thể đưa nó lên cấp độ tiếp theo bằng cách kết hợp mã đồ họa vector từ Điện áp tương tự siêu nhanh có thể hướng dẫn trước đó của tôi từ Arduino.

Bước 1: Thu thập các bộ phận không được in 3D

Cụm laser bao gồm các bộ phận sau:

• 4 vi đế
• Một tấm gương 1/2 inch
• Bốn vít M3

Các loại solenoids cụ thể mà tôi đã sử dụng đã được mua trên eBay với giá $ 1,45 mỗi loại. Chiếc gương tròn được tìm thấy trên lối đi thủ công ở HobbyLobby - một gói 25 chiếc có giá chưa đến 3 đô la. Bạn cũng có thể tìm thấy gương trên eBay.

Bạn cũng sẽ cần một con trỏ laser rẻ tiền, một lần nữa, từ eBay. Một tia laser tím cùng với một tấm vinyl phát sáng trong bóng tối là một sự kết hợp tuyệt vời cho dự án này!

Một bộ tay trợ giúp là không cần thiết, nhưng sẽ rất hữu ích để giữ và định vị con trỏ laser. Một kẹp bìa cứng lớn có thể được sử dụng để giữ nút nguồn.

Bạn sẽ cần một Arduino (tôi đã sử dụng Arduino Nano) và một cách để điều khiển các solenoit. Như VajkF đã nêu trong các nhận xét, bạn có thể sử dụng cầu H được tạo sẵn, chẳng hạn như cầu nối dựa trên L298 hoặc L9110. Chúng có sẵn trên eBay với một vài đô la và cũng có thể được sử dụng để điều khiển động cơ và các dự án chế tạo người máy.

Vì tôi không có cầu nối H, tôi đã xây dựng trình điều khiển của riêng mình từ các thành phần rời rạc:

• Bốn bóng bán dẫn lưỡng cực NPN (tôi đã sử dụng MPS3704)
• Bốn điện trở (tôi đã sử dụng điện trở 1,2k ohm)
• Bốn điốt (tôi đã sử dụng 1N4004)
• Một pin 9V và đầu nối pin

Các linh kiện điện tử được lấy từ phòng thí nghiệm của tôi, vì vậy tôi không có chi phí chính xác cho chúng, nhưng trừ khi bạn đã có các bộ phận hoặc có thể nhặt chúng, có lẽ sẽ tiết kiệm chi phí hơn nếu sử dụng cầu H xây dựng trước. Tuy nhiên, tôi sẽ cung cấp các sơ đồ để xây dựng của riêng bạn.

Bước 2: In 3D Mô-đun điều khiển gương

Mô-đun lái la-de bao gồm hai phần được in 3D: một đế để gắn bốn solenoid và một bệ có khớp nối cho gương.

Tôi đã đính kèm hai tệp STL cho bạn để in 3D, cũng như tệp FreeCAD trong trường hợp bạn cần sửa đổi thiết kế. Tất cả nội dung đều thuộc GPLv3, vì vậy bạn có thể tự do thực hiện và chia sẻ các cải tiến của mình!

Bước 3: Lắp ráp mô-đun Laser

• Dùng keo nóng để dán bốn miếng đế vào miếng dưới.
• Dùng keo nóng để dán gương vào chính giữa miếng trên.
• Chèn các pít-tông kim loại vào các ống đệm và sau đó đặt miếng trên vào các trụ (nhưng không vặn nó xuống). Xoay nhẹ phần trên cùng và sử dụng một trình điều khiển vít nhỏ, nâng từng pít-tông vào vị trí. Môi của đĩa nên trượt vào rãnh trên piston. Hãy cẩn thận, vì bản lề in 3D rất dễ vỡ. Với sự kiên nhẫn và có thể một vài lần thử không thành công, bạn sẽ có thể định vị cả bốn piston mà không bị xoắn hoặc tạo áp lực lên bản lề.
• Khi tất cả các pít-tông đã được định vị, hãy lắp một phần các vít M3, nhưng trước khi vặn chặt chúng xuống, hãy ấn nhẹ từng pít-tông xuống và đảm bảo gương nghiêng tự do. Nếu nó không di chuyển tự do hoặc bị kẹt, có thể cần phải tháo tấm trên cùng, cạy lỏng một hoặc nhiều đế cắm và gắn lại ở một góc ra ngoài một chút (đặt miếng đệm giữa nó và trụ trung tâm có thể giúp ích cho việc này).

Bước 4: In cổ áo con trỏ laser

Vòng cổ của con trỏ laser vừa với đầu của con trỏ laser. Sau đó, bạn có thể sử dụng một bộ tay đỡ để nắm lấy cổ áo và cho phép bạn định vị tia laser một cách chính xác trên băng ghế của mình.

Bước 5: Lắp ráp mạch điều khiển

Mạch truyền động được hiển thị trong sơ đồ. Như đã nói trước đó, phiên bản của tôi được xây dựng từ các thành phần rời rạc, nhưng bạn cũng có thể sử dụng cầu H sẵn có. Nếu bạn chọn xây dựng mạch của riêng mình, bạn sẽ cần phải tạo bốn bản sao của mạch này, một bản cho mỗi mạch trong số bốn solenoids.

Mỗi mạch sẽ kết nối với một chân Arduino, hai chân để điều khiển solenoid trái và phải, và hai cho các solenoid lên và xuống. Chúng sẽ cần được kết nối với các chân có khả năng PWM, như sau:

• Chân 9: Lên Solenoid
• Chân 3: Xuống Solenoid
• Pin 11: Solenoid trái
• Pin 10: Solenoid bên phải

Một pin 9V duy nhất có thể được sử dụng để điều khiển tất cả bốn mạch trình điều khiển điện từ hoặc bạn có thể sử dụng nguồn điện để bàn. Arduino sẽ tắt nguồn USB và không được kết nối với cực dương của pin 9V. Tuy nhiên, mặt âm của pin được sử dụng làm tham chiếu nối đất và phải được nối với chân GND trên Arduino cũng như các chân phát trên bóng bán dẫn.

Bước 6: Tải lên mã mẫu

Mã mẫu đã được cập nhật với các tính năng sau:

• Điều chỉnh tần số PWM sao cho cơ chế gần như im lặng ở tốc độ thấp. Tiếng ồn ào trong Thử nghiệm chuyển động 1 đã hoàn toàn biến mất!
• Thêm dưới dạng phương trình điện áp dựa trên bài báo của Schimpf để "tuyến tính hóa" phản ứng phi tuyến tính của các solenoit.

Tôi cũng đã đưa vào triển khai một Bộ thu hút Lorenz dựa trên mã từ blog này.

Độ trung thực của kết quả để lại khá nhiều mong muốn, nhưng tôi vẫn đang tiếp tục nghiên cứu!:)

Các bước tiếp theo minh họa một số kỹ thuật được sử dụng trong mã.

Bước 7: Giảm âm lượng

Trong Thử nghiệm chuyển động 1 của tôi, bạn có thể nghe thấy tiếng vo ve lớn, đặc biệt là khi chuyển động lên và xuống. Nó chỉ ra rằng điều này là do tần số cắt PWM mặc định của Arduino nằm trong phạm vi có thể nghe được. Việc bật và tắt điện áp cuộn dây nhanh chóng sẽ khiến chúng dao động ở tần số đó, biến chúng thành những chiếc loa nhỏ cực nhỏ.

Để giải quyết vấn đề này, tôi đã tăng tần số PWM trong mã:

#define PWM_FREQ_31372Hz 0x01 // Đặt tần số PWM thành 31372,55 Hz # xác định PWM_FREQ_3921Hz 0x02 // Đặt tần số PWM thành 3921,16 Hz #define PWM_FREQ_980Hz 0x03 // Đặt tần số PWM thành 980,39 Hz & 0b11111000) | tần số; // Đặt tần số timer1 (chân 9 & 10) TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | tần số; // Đặt tần số timer2 (chân 3 & 11)}

Đặt tần số Arduino PWM là một thủ thuật hữu ích để làm dịu các mô-tơ hoặc mạch điện duy nhất. Thử nghiệm với các lựa chọn tần số khác nhau để xem tần số nào mang lại cho bạn kết quả tốt nhất. Mặc dù nó liên quan đến một số chương trình nâng cao hơn, nhưng vẫn có một tài nguyên tốt về cách hoạt động của bộ định thời.

Bước 8: Điều chỉnh điện áp để giảm méo

Các thử nghiệm chuyển động ban đầu của tôi cho thấy rằng sự biến dạng đáng kể trong phản ứng của các solenoit. Trong Thử nghiệm chuyển động 3 (hình bên trái), thứ được cho là một hình xoắn ốc tròn thay vào đó đã trở thành một mạng lưới hình chữ nhật với các cạnh răng cưa.

Việc giải quyết vấn đề này đòi hỏi một chút toán học, nhưng tôi đã có thể tìm thấy một bài báo tuyệt vời trên web đã giúp tôi hiểu vấn đề đủ tốt để giải quyết nó trong phần mềm.

Bạn sẽ làm gì theo các bước trong quá trình tôi đã trải qua để điều chỉnh hệ thống và cải thiện sự xuất hiện của các dấu vết kết quả!

Bước 9: Hoàn thiện phần mềm, với môn Toán

Bí quyết điều chỉnh hệ thống hóa ra lại là một bài báo xuất sắc có tên "Giải thích chi tiết về lực điện từ" của Paul H. Schimpf thuộc Đại học Đông Washington (liên kết). Đặc biệt, phương trình 17 đã cho tôi lực điện từ theo các thuật ngữ khác nhau.

Các thuật ngữ sau đây rất dễ đo lường:

• R - Điện trở của điện từ của tôi
• l - Chiều dài của cuộn dây điện từ
• x - Sự dịch chuyển của pít-tông trong điện từ
• V - Điện áp trên điện từ

Tôi cũng biết rằng lực do bộ điện từ tạo ra phải cân bằng lực từ lò xo in 3D trên gương hai trục. Lực của lò xo được điều chỉnh bởi định luật Hooke, được phát biểu như sau:

F = -kx

Mặc dù tôi không biết giá trị của k, nhưng ít nhất tôi biết rằng lực mà tôi rút ra từ phương trình 17 từ bài báo của Schimpf phải bằng lực từ định luật Hooke.

Giá trị của alpha (α) là một giá trị khó. Mặc dù phương trình 13 và 14 đã chỉ ra cách tính các giá trị này từ diện tích của điện từ (A), số vòng (N) và giá trị từ thẩm (μ), tôi không muốn phải xé nhỏ một điện từ để đếm số vòng quay, tôi cũng không biết vật liệu làm lõi điện từ của tôi được tạo ra.

Bước 10: Trình kiểm tra thành phần không tốn kém Tiết kiệm trong ngày

Tuy nhiên, hóa ra, phương trình 15 và 16 đã cho tôi những gì tôi cần. Tôi đã có một máy kiểm tra thành phần M328 rẻ tiền mà tôi đã mua từ eBay với giá 10 đô la. Nó có thể sử dụng nó để đo độ tự cảm của cuộn dây điện từ của tôi và tôi thấy rằng bằng cách đẩy phần ứng vào ở các độ sâu khác nhau đã cho tôi các giá trị cảm ứng khác nhau.

Đo nó với phần ứng được lắp vào hoàn toàn cho tôi giá trị L (0).

Chiều dài của cuộn dây điện từ của tôi là 14mm, vì vậy tôi đã đo độ tự cảm với phần ứng ở năm vị trí và điều này mang lại cho tôi các giá trị khác nhau cho L (x):

• 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

Sau đó, tôi sử dụng một bảng tính để vẽ các giá trị của mình so với giá trị của phương trình 15 và 16, cho một lựa chọn cụ thể của μr và sau đó thay đổi lựa chọn của tôi cho đến khi tôi tìm thấy một kết quả phù hợp. Điều này xảy ra khi μr là 2,9, như được hiển thị trong đồ thị.

Bước 11: Tìm hằng số lò xo K, giải quyết vấn đề

Ẩn số duy nhất còn lại là K, hằng số lò xo. Tôi đo điều này bằng cách áp dụng 9V cho một trong các đế cắm trong cụm trục kép của tôi và đo khoảng cách mà gương được kéo xuống. Với những giá trị này, tôi đã có thể giải phương trình cho K, mà tôi tìm thấy là khoảng 10,41.

Bây giờ tôi đã có các giá trị cần thiết để tính toán lực kéo của cuộn dây điện từ ở các vị trí khác nhau dọc theo hành trình. Bằng cách đặt F (x) bằng lực lò xo theo định luật Hooke, tôi có thể giải được điện áp V yêu cầu.

Biểu đồ cho thấy điện áp cần thiết để di chuyển điện từ đến bất kỳ vị trí mong muốn x nào.

Ở bên phải, nơi điện áp bằng 0 và vị trí là 3 mm, điều này tương ứng với điểm nghỉ trung tính của bộ điện từ khi bản lề in 3D được thả lỏng hoàn toàn. Di chuyển sang trái trên biểu đồ tương ứng với việc kéo phần ứng vào điện từ so với lực kéo của bản lề in 3D - điều này ban đầu yêu cầu nhiều điện áp hơn, nhưng khi phần ứng đi sâu hơn vào điện từ, lực kéo tăng lên và điện áp truyền động cần thiết giảm dần.

Mối quan hệ này chắc chắn là không tuyến tính, nhưng với các phương trình từ bài báo của Schimpf, tôi có thể viết mã Arduino của mình để xuất ra các điện áp chính xác để độ lệch chùm là tuyến tính:

float positionToVoltage (float x) {

// Khôi phục lực tác động bởi bản lề (Định luật Hooke) tại x mong muốn. const float spring_F = -spring_K * (x - spring_X0); // Điện áp sao cho lực kéo của solenoid khớp với // lực phục hồi của bản lề return sqrt (-2 * R * R * (- spring_F) * solenoid_len / (a * L_0 * exp (-a * x / solenoid_len))); }

Điều này dẫn đến một hình xoắn ốc tròn hơn nhiều so với trong thử nghiệm chuyển động ban đầu của tôi. Nhiệm vụ đã hoàn thành!

Bước 12: Câu hỏi và câu trả lời về mạch trình điều khiển sử dụng các thành phần rời rạc

Tại sao tôi không thể kết nối điện từ trực tiếp với Arduino?

Vấn đề là Arduino có thể cung cấp bao nhiêu dòng điện mà không gây ra thiệt hại. Đây là khoảng 40mA cho mỗi chân. Biết rằng Arduino hoạt động ở 5V, chúng ta có thể sử dụng định luật Ohm để tính điện trở tối thiểu cần thiết của tải (trong trường hợp này là điện từ). Chia 5 volt cho 0,040 ampe sẽ cho chúng ta 125 ohms. Nếu tải có điện trở lớn hơn, chúng ta có thể nối trực tiếp nó với Arduino, nếu không thì không thể. Một bộ điện từ nhỏ thường có điện trở 50 ôm, vì vậy chúng tôi không thể điều khiển nó trực tiếp từ Arduino. Nếu chúng tôi làm vậy, nó sẽ kéo 100mA, rõ ràng là quá nhiều.

Tại sao bạn sử dụng 9V cho điện từ, nhưng 5V cho Arduino?

Arduino chạy ở 5V, nhưng điều này hơi quá ít đối với một điện từ. Sử dụng bóng bán dẫn cho phép chúng tôi chọn điện áp cho điện từ độc lập với điện áp 5V được sử dụng cho Arduino.

Làm cách nào để biết liệu một bóng bán dẫn có phù hợp với dự án này hay không?

Cũng giống như Arduino, yêu cầu chính là dòng điện chạy qua điện từ không vượt quá định mức tối đa cho bóng bán dẫn (cụ thể là dòng điện thu). Chúng ta có thể dễ dàng tính toán trường hợp xấu nhất bằng cách đo điện trở của bộ điện từ và sau đó chia điện áp cung cấp cho nó. Trong trường hợp dòng điện cung cấp 9V cho các solenoid và điện trở của solenoid là 50 ohms, trường hợp xấu nhất đặt chúng ta ở mức 180mA. Ví dụ, MPS3704 được đánh giá cho dòng điện cực đại là 600 mA, cho chúng ta biên độ khoảng 3.

Làm cách nào để xác định giá trị tối thiểu của điện trở để đặt giữa đầu ra của Arduino và đế của bóng bán dẫn?

Đầu ra của Arduino sẽ kết nối chân đế của các bóng bán dẫn lưỡng cực thông qua một điện trở hạn chế dòng điện. Vì Arduino hoạt động ở 5V, một lần nữa chúng ta có thể sử dụng định luật Ohm để tính toán điện trở cần thiết để giới hạn dòng điện dưới 40mA. Tức là, chia 5 vôn cho 0,04 ampe để thu được giá trị ít nhất là 125 ôm. Giá trị điện trở cao hơn sẽ làm giảm dòng điện, do đó mang lại cho chúng ta một biên độ an toàn lớn hơn.

Có giá trị lớn nhất cho điện trở đó mà tôi không nên vượt quá không?

Hóa ra là có. Một bóng bán dẫn có những gì được gọi là một hiện tại. Ví dụ, nếu độ lợi là 100, có nghĩa là nếu chúng ta đặt 1mA vào đế, thì lên đến 100mA sẽ chạy qua tải mà bóng bán dẫn đang điều khiển. Nếu chúng ta đặt 1,8mA vào đế, thì lên đến 180mA sẽ chạy qua tải. Vì chúng tôi đã tính toán trước đó rằng ở 9V, 180mA chạy qua điện từ, khi đó dòng điện cơ bản 1,8mA là "điểm ngọt", và ít hơn và điện từ của chúng tôi sẽ không bật hoàn toàn.

Chúng ta biết Arduino đặt ra 5V và chúng ta muốn dòng điện chạy 1,8mA, vì vậy chúng ta sử dụng định luật Ohm (R = V / I) để tính điện trở (R = V / I). 5V chia cho 1,8mA cung cấp điện trở 2777 ohms. Vì vậy, với các giả định mà chúng tôi đã đưa ra, chúng tôi kỳ vọng mức kháng cự phải nằm trong khoảng từ 125 đến 2777 - chọn một cái gì đó như 1000 ohms cho chúng tôi một biên độ an toàn khá tốt theo cả hai cách.

Bước 13: Phân tích các vấn đề hiện tại và các giải pháp khả thi

Nguyên mẫu hiện tại cho thấy tiềm năng, nhưng vẫn còn một số vấn đề:

1. Chuyển động dọc theo trục X và Y dường như không vuông góc.
2. Có một bước nhảy khi gương đổi hướng.
3. Độ phân giải khá thấp và có thể nhìn thấy các mẫu bậc cầu thang.
4. Ở tốc độ chuyển động cao hơn, đường đi của tia laser bị biến dạng do rung và kêu.

Vấn đề 1) có thể do thiết kế của bản lề linh hoạt in 3D đang truyền chuyển động dọc theo một trục sang trục vuông góc.

Vấn đề 2) là do khớp nối giữa các pít-tông truyền động và bệ gương bị chùng, điều này làm cho gương bị giật và bỏ qua khi chuyển tiếp giữa trục X và Y. Chuyển động đột ngột này dẫn đến một khoảng trống hình chữ X bị tối, nơi chấm laser đang di chuyển nhanh hơn một cách mất kiểm soát.

Vấn đề 3) xảy ra do Arduino PWM mặc định chỉ có 255 mức và khá nhiều mức trong số đó bị lãng phí do hình dạng của đường cong điện áp. Điều này có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng timer1, 16-bit và có khả năng chứa 65536 giá trị duy nhất.

Vấn đề 4) xảy ra do gương và phần ứng trượt của solenoid (piston) tạo thành một khối lượng chuyển động đáng kể.

Vì các vấn đề 1) và 2) liên quan đến thiết kế cơ khí, một khả năng có thể là tháo các pít-tông kim loại và thay thế chúng bằng các nam châm đất hiếm nhỏ được gắn trực tiếp vào tấm nghiêng. Các solenoit sẽ là một cuộn dây mở có thể hút hoặc đẩy các nam châm mà không cần tiếp xúc vật lý. Điều này sẽ dẫn đến chuyển động mượt mà hơn và loại bỏ khả năng bị giật, đồng thời giảm tổng khối lượng.

Giảm khối lượng là giải pháp chính cho vấn đề 4), nhưng mọi vấn đề còn lại có thể được nhắm mục tiêu trực tiếp trong phần mềm bằng cách triển khai cấu hình điều khiển chuyển động trong phần mềm để tăng và giảm tốc gương một cách có kiểm soát. Điều này đã được thực hiện rộng rãi trong chương trình cơ sở máy in 3D và các phương pháp tương tự cũng có thể hoạt động ở đây. Dưới đây là một số tài nguyên liên quan đến điều khiển chuyển động vì nó áp dụng cho máy in 3D:

• "Toán học của cấu hình điều khiển chuyển động", Chuck Lewin (liên kết)
• "Giải thích chuyển động có điều khiển giật", (liên kết)

Tôi nghi ngờ rằng việc thêm một cấu hình điều khiển chuyển động hình thang sẽ cho phép gương được điều khiển ở tốc độ cao hơn nhiều mà không có hiện tượng đổ chuông hoặc rung.

Bước 14: Công việc trong tương lai và các ứng dụng khả thi

Mặc dù việc phát triển các giải pháp cho những vấn đề này sẽ mất một lượng công việc đáng kể, nhưng tôi hy vọng rằng mô-đun lái chùm mã nguồn mở này có thể trở thành một giải pháp thay thế hợp lý cho các dự án dựa trên điện kế trong các ứng dụng như:

• Một màn trình diễn laser rẻ tiền dành cho các DJ và VJ.
• Màn hình vector điện cơ cho một trò chơi thùng cổ điển như Vectrex.
• Một máy in 3D SLA loại nhựa tự làm theo tinh thần của phong trào RepRap, có thể in mô-đun chỉ đạo laser của riêng nó.
• Panning kỹ thuật số hoặc ổn định hình ảnh quang học cho máy ảnh.

Giải nhì cuộc thi Arduino 2017