Skruvsorteringsmaskin: 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

En dag i labbet (FabLab Moskva) såg jag min kollega upptagen med att sortera en full låda med skruvar, muttrar, ringar och annan hårdvara. När jag stannade bredvid honom tittade jag en sekund och sa: "Det skulle vara ett perfekt jobb för en maskin." Efter en snabb titt på google såg jag att olika sinnrika mekaniska system redan existerade men de kunde inte lösa vårt problem eftersom det finns en mängd olika delar i vår låda. Att göra något rent mekaniskt skulle vara ganska komplicerat. Den andra goda anledningen att gå till ett mer "robotiskt" system var för att detta skulle kräva alla de tekniska fält jag älskar: maskinsyn, robotarmar och elektromekaniska ställdon!

Denna maskin plockar skruvarna och lägger dem i olika lådor. Den består av en robotarm som hanterar en elektromagnet, ett genomskinligt arbetsbord ovanför lampor och en kamera på toppen. Efter att några skruvar och muttrar har spridits på arbetsbordet tänds lamporna och en bild tas. En algoritm detekterar delformerna och returnerar sina positioner. Slutligen placerar armen med elektromagneten delarna en efter en i de önskade lådorna.

Detta projekt är fortfarande under utveckling men nu får jag anständiga resultat som jag vill dela med dig av.

Steg 1: Verktyg och material

Verktyg

• Laserskärare
• Vinkelslip
• Bågfil
• Skruvmejsel
• Klämmor (ju fler desto bättre)
• Lim pistol

Material

• Plywood 3 mm (1 m2)
• Plywood 6 mm (300 x 200 mm)
• Vit genomskinlig plast 4 mm (500 x 250 mm)
• Dator (jag försöker flytta till hallon pi)
• Webbkamera (Logitech HD T20p, alla borde arbeta)
• Arduino med 4 PWM -utgång / analogWrite (tre servon och elektromagnetspolen) (jag använder ProTrinket 5V)
• Prototypplatta
• Elektronisk kabel (2m)
• Växlingstransistor (vilken transistor som helst som kan driva en 2W spole) (jag har S8050)
• Diod (Schottky är bättre)
• 2 motstånd (100Ω, 330Ω)
• Strömförsörjning 5V, 2A
• Servomikro (bredd 13 längd 29 mm)
• 2 servon standard (bredd 20 längd 38 mm)
• Trälim
• 4 metallhörn med skruvar (tillval)
• Trästav (30 x 20 x 2400)
• Varmt lim
• Emaljerad koppartråd (0,2, 0,3 mm diameter, 5m) (gammal transformator?)
• Mjukt järn (16 x 25 x 4 mm)
• 3 glödlampor med uttag
• Kontaktdon (230V, 6 element)
• Eltråd med uttag (230V) (2 m)
• Lager 625ZZ (innerdiameter 5 mm, ytterdiameter 16 mm, höjd 5 mm)
• Lager 608ZZ (innerdiameter 8 mm, ytterdiameter 22 mm, höjd 7 mm)
• Lager rb-lyn-317 (innerdiameter 3 mm, ytterdiameter 8 mm, höjd 4 mm)
• Kamrem GT2 (2 mm delning, 6 mm bred, 650 mm)
• Skruv M5 x 35
• Skruv M8 x 40
• 8 skruvar M3 x 15
• 4 skruvar M4 x 60
• 6 träskruvar 2 x 8 mm
• Skruv M3 x 10
• Reläkortsmodul (direkt styrbar av styrenhet)

Steg 2: Gör ljusboxen

Ljusboxen har fyra huvuddelar och några hängslen. Ladda ner dessa delar och limma ihop dem utom den genomskinliga plasten. Jag började med träskivan och den böjda väggen. Du måste hålla väggen spänd runt skivan under torkningen. Jag använde klämmor för att säkra den halva skivan och den krökta väggen. Sedan håller lite tejp kvar väggen runt halvskivan. För det andra limmade jag en kant för att klara det genomskinliga arbetsbordet. Slutligen läggs den platta väggen med trä (insida) och metalliska (utsida) högra kanter.

När lådan är klar behöver du bara lägga till glödlamporna och ansluta kabeln och uttaget med kontaktdonet. Klipp 230V -kabeln där det passar dig och sätt in relämodulen. Jag lade in reläet (230V!) I en trälåda av säkerhetsskäl.

Steg 3: Gör robotarmen

Ladda ner delarna och klipp dem. För att fästa bältet på servomotorn använde jag bitar av gem. Jag spikade de två delbältena på servomotorn och tillsatte lite lim för att vara säker på att inget rör sig.

För linjär vertikal styrning måste kolven slipas för att undvika blockering. Det måste glida smidigt. Efter montering kan höjden justeras genom att klippa vägledningen i önskad längd. Behåll den dock så länge som möjligt för att förhindra över-centrallås. Kolven limmas helt enkelt på armlådan.

Lagren är inneslutna inuti remskivorna. En remskiva är gjord av två lager plywood. Dessa två lager rör inte nödvändigtvis varandra, så istället för att limma ihop dem, limma dem på respektive armplatta. Övre och nedre armplattorna upprätthålls med fyra M3 x 15 skruvar och muttrar. Den första axeln (den stora) är helt enkelt M8 x 40 -skruven och den andra (den lilla) M5 x 35 -skruven. Använd muttrar som distanser och skåp för armdelarna.

Steg 4: Gör elektromagneten

En elektromagnet är helt enkelt en mjuk järnkärna med emaljerad trådkoppring runt den. Den mjuka järnkärnan styr magnetfältet på önskad plats. Strömmen i den emaljerade trådkoppen skapar detta magnetfält (det är proportionellt). Ju fler svängar du gör desto mer magnetfält har du. Jag konstruerade ett U-format järn för att koncentrera magnetfältet nära de fångade skruvarna och öka förhöjningskraften.

Skär en U-form i ett stycke mjukt järn (höjd: 25 mm, bredd: 15 mm, järntvärsnitt: 5 x 4 mm). Det är mycket viktigt att ta bort de vassa kanterna innan tråden lindas runt det U-formade järnet. Var noga med att hålla samma lindningsriktning (särskilt när du hoppar till andra sidan måste du ändra rotationsriktningen ur din synvinkel men du behåller samma riktning från den U-formade järnvyn) (https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) Innan du förgrenar spolen till kretsen, kontrollera spolmotståndet med en multimeter och beräkna strömmen med Ohms lag (U = RI). Jag har mer än 200 varv på min spole. Jag föreslår att du slingrar tills du bara har 2 mm utrymme inuti U-formen.

En trähållare har gjorts och det U-formade järnet har säkrats med varmt lim. Två slitsar gör det möjligt att fästa tråden i båda ändarna. Slutligen spikas två stift på trähållaren. De gör korsningen mellan den emaljerade kuvertråden och den elektroniska tråden. För att förhindra skador på spolen lade jag till ett lager varmt lim runt spolen. På den sista bilden kan du se en trädel som stänger det U-formade järnet. Dess funktion är att förhindra att några skruvar fastnar inuti det U-formade järnet.

Den emaljerade trådkoppen har tagits från en trasig transformator. Om du gör det, kontrollera att tråden inte är trasig eller har inga kortslutningar i den använda delen. Ta bort tejpen på den ferromagnetiska kärnan. Med en skärare lossar du alla järnskivorna en efter en. Ta sedan bort tejpen på spolen och linda till sist upp den emaljerade trådkoppen. Den sekundära lindningen (spolen med stor diameter) har använts (transformatoringång 230V, utgång 5V-1A).

Steg 5: Gör kretsen

På en prototypplatta byggde jag schemat ovan. En bipolär transistor (S8050) har använts för att växla elektromagnetspolen. Kontrollera att din transistor klarar strömmen beräknad i föregående steg. En MOSFET är förmodligen mer lämplig i den här situationen men jag tog det jag hade till hands (och jag ville ha ett lågt motstånd). Justera de två motstånden till din transistor.

I schemat ovan är VCC- och GND -ikonen ansluten till + och - på min strömförsörjning. Servomotorerna har tre ledningar: Signal, VCC och GND. Endast signalkabeln är ansluten till regulatorn, de andra är anslutna till strömförsörjningen. Styrenheten drivs av programmerarkabeln.

Steg 6: Koden

Sist men inte minst: Koden. Du hittar det här:

Det finns ett program för styrenheten (arduino -typ) och ett annat som körs på datorn (förhoppningsvis snart på hallon). Koden på styrenheten är ansvarig för banplanering och den på datorn gör bildbehandlingen och skickar den resulterande positionen till styrenheten. Bildbehandlingen är baserad på OpenCV.

Datorns program

Programmet tar en bild med webbkameran och lamporna, detekterar det genomskinliga arbetsbordets mitt och radie och korrigerar eventuell bildrotation. Utifrån dessa värden beräknar programmet robotpositionen (Vi känner till robotpositionen enligt plattan). Programmet använder blobdetektorfunktionen för OpenCV för att upptäcka skruvar och bultar. De olika typerna av klossar filtreras med de tillgängliga parametrarna (yta, färg, cirkuläritet, konvexitet, tröghet) för att välja önskad komponent. Resultatet av blobdetektor är positionen (i pixlar) för de valda blobbarna. Sedan omvandlar en funktion dessa pixelpositioner till millimeterpositioner i armkoordinatsystemet (ortogonalt). En annan funktion beräknar den nödvändiga positionen för varje armförbindelse för att ha elektromagneten i önskad position. Resultatet består av tre vinklar som slutligen skickas till styrenheten.

Controllerns program

Detta program tar emot skarvvinklarna och flyttar armdelarna för att nå dessa vinklar. Den beräknar först topphastigheten för varje koppling för att utföra flytten under samma tidsintervall. Sedan kontrollerar det om dessa topphastigheter någonsin nåtts, i detta fall kommer flytten att följa tre faser: acceleration, konstant hastighet och retardation. Om topphastigheten inte uppnås kommer flytten endast att följa två faser: acceleration och retardation. De ögonblick då den måste gå från en fas till en annan beräknas också. Slutligen utförs flytten: Med jämna mellanrum beräknas och skickas de nya faktiska vinklarna. Om det är dags att gå över till bofasen fortsätter körningen till nästa fas.

Steg 7: Final Touches

Ramen

En ram lades till för att hålla kameran. Jag valde att göra den med trä eftersom den är billig, lätt att arbeta med, lätt att hitta, miljövänlig, trevlig att forma och den håller sig i den stil jag började med. Gör ett bildtest med kameran för att bestämma vilken höjd som behövs. Var också noga med att göra den stel och fixad eftersom jag märkte att den resulterande positionen är mycket känslig för eventuella kamerarörelser (åtminstone innan jag lade till funktionen för automatisk detektion av arbetsbordet). Kameran måste placeras i arbetsbordets mitt och i mitt fall 520 mm från den genomskinliga vita ytan.

Lådorna

Som du kan se på bilden ligger de flyttbara förvaringslådorna på den platta delen av arbetsbordet. Du kan göra så många lådor som behövs men med min egentliga installation är utrymmet ganska begränsat. Ändå har jag idéer för att förbättra denna punkt (jfr framtida förbättringar).

Framtida förbättringar

• För tillfället stängs tandremmen med en trädel men denna lösning begränsar det område som armen kan nå. Jag måste lägga till mer utrymme mellan den stora servon och armaxeln eller göra ett mindre stängningssystem.
• Lådorna ligger längs den platta arbetsbordskanten, om jag lägger den längs halvcirkelkanten skulle jag ha mycket mer utrymme att lägga till lådor och sortera många komponenttyper.
• Nu räcker blobdetekteringsfiltret för att sortera delarna, men eftersom jag vill öka antalet lådor behöver jag öka selektiviteten. Av denna anledning kommer jag att prova olika igenkänningsmetoder.
• Nu har servomotorerna jag använder inte tillräckligt med räckvidd för att nå hela arbetsbordet. Jag måste byta servon eller ändra reduktionsfaktorn mellan de olika remskivorna.
• Vissa problem uppstår ganska ofta så att förbättra tillförlitligheten är prioriteten. För det måste jag klassificera typen av problem och koncentrera mig på de mer sannolika. Detta är redan vad jag gjorde med den lilla träbiten som stänger det U-formade järnet och algoritmen för autodetektering, men nu blir problemen mer komplicerade att lösa.
• Gör ett kretskort för styrenheten och den elektroniska kretsen.
• Migrera koden till Raspberry pi för att ha en fristående station

Andra pris i organisationstävlingen