Координатное устройство для рисования жидкостями

Поделиться:
Координатное устройство для рисования жидкостями

Как-то на праздник мне нужно было купить торт. Смотрю, лежит торт с надписью «Ленинградский», однако глазомер кондитера немножко подвел, и последние буквы уже не вместились – получилось что-то вроде «Ленинградскш». Вот, думаю, использовали бы для нанесения надписей какую-нибудь машину, и такого брака не было бы. И чтобы рисунок для печати можно было нарисовать в какой-нибудь простой и бесплатной программе типа Incscape.
О том, как был сделан работающий прототип такого устройства ниже и описано.

Отказ от ответственности (он же дисклаймер). У любителей точной механики, идеальных комплектующих и профессионального станочного оборудования пост может вызвать гнев и негодование. В устройстве использовались только простейшие и доступные детали. Ни в коем случае не повторяйте ни всю конструкцию, ни ее отдельную часть. Это может привести к непредсказуемым проблемам. Автор текста не несет ответственности за последствия чтения Вами данного поста. Кроме того, автор просит прощения за то, что, вопреки обычаям, ничего не заказывал в китайских интернет-магазинах.

Было решено собрать прототип устройства аналогичного 3D-принтеру, который смог бы выдавливать кондитерский крем по заданному рисунку. Схема довольно обычная для портальных ЧПУ станков. Рабочий стол перемещается по оси Y, а над ним ось X, по которой гуляет рабочий инструмент с выдавливателем – ось Z. Наличие рабочей оси Z как бы говорит о том, что это 3D-принтер. Но так как перемещается только шток поршня, который подает жидкость, а сам материал выдавливается на ровную поверхность, то это уже нечто иное, что было решено назвать АКУ - автоматическое координатное устройство.
Механика
Корпус устройства был сделан из фанеры ФСФ толщиной 6, 9 и 12 мм. Комбинация трех видов фанеры позволила сделать жесткий коробчатый корпус, в котором заодно спрятались все провода. Ни одного провода нигде снаружи не висит, не торчит и не болтается. Все три двигателя – трехфазные реактивные с обмотками по 8 Ом, были сделаны самостоятельно. Кстати, реактивные – не значит, что у них есть сопло, откуда вырываются газы. Так называются двигатели, не имеющие постоянных магнитов, как гибридные, и магнитный момент там возникает только при возбуждении фаз.
Рабочий стол и каретка с навеской двигаются по двум валам из обычной стали Ст3 диаметром 20 мм. По ним катаются латунные разрезные втулки заключенные в фанерную обойму. Зажатие обойм позволило полностью выбрать люфты. Все это приводится в движение ходовыми винтами 10 мм с обычной метрической резьбой (т.н. шпилька) и удлиненными гайками, соединенными с деталями перемещения. Винты соединены с валами двигателей муфтами в виде удлиненных гаек на 6 мм зажатых с помощью шайб Гровера.
При шаге резьбы 1,5 мм и 60 шагах на 1 оборот двигателя теоретическое разрешение устройства – 25 микрон. Так как печать ведется сметаной, йогуртом и прочими съедобными жидкостями, то установить отклонение практических значений от теоретических не представляется возможным.
Вот так выглядит готовое устройство (пока без наклейки панели управления):

Приношу извинения за низкое качество изображения, но общее представление оно дает.
Электроника
Электроника вполне под стать механике – проще некуда. Устройство работает под управлением микроконтроллера ATmega8A. Причем ресурсов этого простейшего микроконтроллера (МК) за 90 руб. хватает с избытком и для общения с компьютером по USB и для управления тремя двигателями, 8 кнопками и тремя светодиодами. Прошивка весит всего 3406 байт.
Все шесть фаз двигателей X и Y висят на одном порту D, поэтому станок может двигать инструмент не только по прямым микроотрезкам, но и по диагональным, когда оба двигателя делают шаг одновременно.
Электроника была разделена на две платы. Нижняя – МК с обвязкой, схема связи с компьютером по USB и девять (по три на ШД) ключевых транзисторов IRLZ34N с защитными диодами. Транзисторы взяты с большим запасом, ток в фазе не больше 1,5 А, и они могли бы выдержать даже индукционный выброс от обмоток без диодов. Но это дешево, надежно и не греется.
Схема питается через стабилизатор напряжения на 3,3 В. Это нужно для USB. Кварцевый резонатор, кстати, прекрасно работает на 12 МГц и при 3,3 В (даже 3,27). Также как и транзисторы: благодаря букве L (logical) в названии они отлично переключаются при этом напряжении.
Верхняя плата – шесть кнопок управления движения по осям, кнопки Старт и Стоп и три индикаторных светодиода. Верхняя плата соединена с нижней шлейфиком на 10 проводов, который можно отсоединить.
Вся силовая часть питается от блока питания «для светодиодных лент» на 8 А напряжением 12 В.
Реализация алгоритмов
Возможно, нужно было написать «Программное обеспечение», как общепринятое название, но это было бы уместно, если бы для управления устройством использовалось чужое ПО. А оно все своё (ради чего все, собственно, и затевалось).
Были реализованы следующие алгоритмы (в скобках указаны языки программирования на которых это было реализовано):
12 Алгоритм разбора файла типа SVG с составлением списка объектов (ПРОФТ).
2) Алгоритм преобразования списка объектов в управляющую программу (далее УП) (ПРОФТ).
3) Алгоритм Брезенхема для выполнения пошагового перемещения между координатами (ПРОФТ).
4) Алгоритм передачи УП к устройству по протоколу USB (Си).
5) Алгоритм получения УП устройством от компьютера (Си/Ассемблер).
6) Алгоритм выполнения полученной управляющей программы (Ассемблер).
7) Алгоритм управления перемещения с помощью кнопок и индикации процессов (Ассемблер).
Всё это вылилось в итоге в три программы: прошивка для микроконтроллера, консольная aku.exe и основная АКУРА, две последние есть на сайте.
Теперь давайте посмотрим, как все это хозяйство использовать. Допустим, мы хотим сделать торт с логотипом сайта 3DToday.ru. И чтобы этот логотип был написан кремом на поверхности торта, чтобы удивлять всех достижениями аддитивных технологий.
1. Берем логотип в виде картинки и располагаем его в любом месте на листе в программе Incscape. Делаем его полупрозрачным, чтобы облегчить обводку.
2. Выбираем инструмент «Рисовать прямые линии и кривые Безье» и обводим контуры. Фактически это и есть управляющая программа. Так, как вы обведете рисунок, так и будет двигаться шприц с кремом.
3. Сохраняем файл в формате SVG (то есть, как обычно).
4. Открываем АКУРА, далее Редактор УП, Открыть SVG. В левой части откроется файл SVG в текстовом виде. Нажимаем «Преобразовать», задаем настройки преобразования и жмем «Выполнить». В правой части появится таблица с управляющей программой. Сохраняем УП с подходящим названием.
5. Закрываем редактор. Нажимаем «Открыть УП», выбираем сохраненный файл. Жмем «Отправить». Откроется консольное окно aku.exe, которое начнет слать программу на устройство, но пока оно будет в режиме ожидания.
6. Кладем заготовку на рабочий стол, устанавливаем наполненный кремом инструмент в крепление и подводим его к месту начала рисования.
7. Нажимаем на устройстве кнопку «Старт» и несколько минут наблюдаем за магической «рукой» выводящей линии.

При рисовании загорается оранжевый индикатор «Занят». По завершении программы автоматически включится зеленый индикатор «Готов», а инструмент вернется в исходное положение. Это позволяет положить на тоже место следующую заготовку, нажать на компьютере еще раз «Отправить», а на устройстве «Старт» и процесс повторится.
Пока проблемой остается растекание жидкости. Сопло – 0,5 мм, из него, например, сметана, выходит ровненько, однако в магазинной сметане столько воды, что она начинает растекаться по стеклу в разные стороны, портя рисунок. Но уверен, что это проблему можно решить на производстве, используя тот же крем, что кондитеры используют для нанесения рисунков вручную с помощью кондитерского шприца.
Несмотря на неказистость прототипа, работает он хорошо, устойчиво и мы возлагаем на эту технологию большие надежды. Область применения достаточно широка. Например, создание уникальных тортов, не требующих квалифицированных кондитеров, выпуск разных пряников и других хлебо-булочных изделий с оригинальными рисунками. Еще сейчас появилось много кофеен, а этот аппарат пригоден также и для латте-арта: достаточно заправить инструмент сливками и можно рисовать на кофейной пене.
К сожалению, у нас нет ресурсов, чтобы сделать готовое устройство на продажу, но мы всё же надеемся получить заказ на создание такого устройства под конкретную задачу. Конечно, оно уже будет сделано из профессиональных комплектующих, но с нашей программой.
Источник: 3dtoday.ru
2018 3dtrands.ru - самые последние тренды в 3D мире.