Freestyle Robot klasy SCARA "Mustang"

[wn2001]

Wstęp

O projekcie myślałem od czerwca poprzedniego roku, to jest 2018. Postępy prac opisywałem tu - cel projektu stanowiła budowa robota klasy SCARA - dwuosiowego ramienia robotycznego manipulującego efektorem w płaszczyźnie XY, z funkcją grawerowania laserowego oraz mini- wrzecionem modelarskim, rysowania mazakiem i pick&place realizowanym techniką próżniową. SCARA to akronim słów Selective Compliance Articulated Robot Arm, co oznacza, że robot w osiach X i Y porusza się obrotowo względem siebie i liniowo w osi Z. Dzięki temu, SCARA jest szybsza (w porównaniu do maszyny pracującej w układzie kartezjańskim), pozwala na osiągnięcie zadanego w obszarze roboczym punktu dwoma trajektoriami, a także umożliwia łatwy montaż połączony z niewielkimi rozmiarami w porównaniu do pola roboczego, który oferuje (klasyczna konfiguracja XYZ cechuje się faktem, że pole robocze musi być mniejsze od rozmiarów samej konstrukcji). Nie może natomiast przenosić dużych sił, a samo sterowanie wymaga zastosowania równań trygonometrycznych oraz interpolowania w momencie, kiedy końcówka ma wykonać ruch po linii prostej. Ponadto, roboty tej klasy cechują się mniejszą sztywnością. Całość sprawia, że ramiona robotyczne tego typu są idealne dla lekkich aplikacji, gdzie często wymagana jest szybkość, higieniczność (małe natężenie hałasu) oraz łatwość instalacji połączona z niewielką ilością miejsca, czyli w zastosowaniach "podnieś i przenieś" lub operacjach montażowych, chociaż z powodzeniem może posiadać koncówkę roboczą typową dla tradycyjnych maszyn CNC.

Mechanika i elektronika

Prostokątna podstawa robota o wymiarach 320x240mm została numerycznie wyfrezowana, z plexi o grubości 16mm. Otwory, służące zamocowaniu silnika oraz dysku łożyskującego I stopień swobody zostały nagwintowane gwintem M5. Wszystkie elementy 2D, które osobiście frezowałem, projektowałem w Solid Edge 2019. Najwięcej problemów miałem z przekładniami (zwiększenie momentów obrotowych silników oraz rozdzielczości (stosunek ilość kroków/obrót) oraz konieczność przenoszenia dużych sił, zgodnie z równaniem dźwigni jednostronnej) - właściwe ramię jest przymocowane do koła zębatego, które łożyskowane jest przez dysk z poliamidu (przeniesienie sił osiowych) oraz wciskane łożyska 6008RS (przeniesienie sił promieniowych). Oś koła stanowi imbusowa śruba M10, przykręcona nakrętką samohamowną z podkładką. W obydwóch stopniach swobody, przekładnie pasowe działają w oparciu o zamknięte paski zębate o module HTD 3mm, które pochodzą ze znanych robotów kuchennych "KASIA". Koła zębate, podobnie jak inne wydruki 3D, wykonano przy pomocy drukarki Zortrax M200. Wykorzystałem bardzo dobry filament ABS firmy Spectrum. Drugi stopień swobody działa i założyskowany jest identycznie z tą różnicą, iż wykorzystano jedno łożysko kulkowe, a dysk wykonano z ABS-u. Warto zaznaczyć, że każdy z uchwytów silników krokowych posiada podłużne otwory, tak zwane "fasolki", które pozwalają na regulację naprężenia paska. Średnice osi silników krokowych to odpowiednio 6,35mm oraz 5mm, niezawodne połączenie małych zębatek z gładkim wałem uzyskano poprzez wcisk na gorąco oraz ścisk dwoma śrubkami imbusowymi M3. Drugie z ramion można łatwo zmienić, w zależności od tego, jaką funkcję ma pełnić robot (na zdjęciu koncówka z modułem lasera IR 500mW). Każde z ramion ma długość 200mm, zatem maksymalny obszar roboczy konstrukcji (bez uwzględnienia faktu ograniczenia go przez wieże silników i podstawę) to koło o średnicy 800mm. Wymiana ramienia (a co za tym idzie - funkcji) jest łatwa i przyjemna, zajmuje mniej niż 5 minut. W robocie nie zastosowano czujników krańcowych, pozycję zerową ustawiam ręcznie w linii prostej. W precyzyjnym ustawieniu pozycji zerowej pomocne są specjalne znaczniki (zdjęcie poniżej), zakładane tylko na czas zerowania. Drugie zdjęcie przedstawia budowę, a trzecie - mosiężne emblematy, jakimi ozdobiłem podstawę  Wykorzystałem silniki krokowe, NEMA23 i NEMA17

Osobny blok funkcjonalny robota stanowi sterownik, którego zdjęcie przedstawiono poniżej - połączenia z urządzeniami zewnętrznymi (silniki krokowe oraz efektor) zrealizowane zostały złączami JST-BEC (bądź 3-pinowym złączem 0,1" jeżeli efektorem jest serwomechanizm modelarski). Do zasilacza sterownika (1) podłączany jest przewód zasilający sieciowy. Napięcie wyjściowe wynosi 12V DC, a wydajność prądowa zasilacza to 5A. Celem sterowania robotem (kiedy nie jest wgrana zaprogramowana sekwencja ruchów) należy podłączyć przewodem USB typu B do komputera PC płytkę Arduino UNO (6), która stanowi "mózg" sterownika - podaje ona sygnały sterujące pracą silników krokowych (HY-DIV268N oraz TB6560 - odpowiednio 2 i 3), serwomechanizmu i/lub przekaźnika (7), który może załączać palnik laserowy lub elektrozawór. Płytka (5) posiada bezpiecznik, diodę - wskaźnik napięcia (na płycie znajduje się również woltomierz (9)), kondensatory chroniące przed chwilowym spadkiem napięcia zasilania oraz umożliwia podłączenie każdego modułu odpowiednio pod linię 12V DC lub 5V DC (dla logiki), za którą odpowiedzialny jest moduł stabilizatora szeregowego (8) - LM7805. Zadaniem wentylatora (4) jest chłodzenie sterowników silników krokowych. Sterownik przeszedł drobny lifting i obecnie wygląda tak, jak na II zdjęciu

Software

Dla funkcji rysowania, palenia laserem oraz grawerowania wykorzystano udostępniane na zasadach open-source oprogramowanie firmy Makeblock - mDraw, rozszerzony o funkcję sterowania przekaźnikiem. Natomiast dla aplikacja pick&place napisałem własny program, z funkcją odwrotnego liczenia kinematyki, oraz zamykania/otwierania elektrozaworu, co pozwala na zaprogramowanie pełnego cyklu "podnieś i przenieś". Składa się on z prostych procedur, typu PrzejdzDoPunktu(x,y), Chwyc(), Pusc(), SilownikZ(pozycja) i tak dalej. Trzecią oś swobody stanowi bowiem dla rysowania i grawerowania niewielka prowadnica podnoszona za pomocą linki przez serwo, natomiast przy chwytaniu podciśnieniowym wspomogłem się https://www.thingiverse.com/thing:3170748

Tak wygląda moduł generujący podciśnienie, wykorzystałem pompę próżniową

Film - podsumowanie zawierające ujęcia z budowy oraz działania konstrukcji

Robot otrzymał wyróżnienie na tegorocznych zawodach Robotic Arena oraz został zgłoszony do konkursu "Elektronika, by żyło się łatwiej". Przy okazji, pragnę podziękować mojemu sponsorowi - firmie MONDI Polska, która umożliwiła realizację całości projektu. 

Pozdrawiam,
Wiktor Nowacki wn2001

(dla ścisłości - spostrzegawczy z pewnością zauważą rozbieżności w detalach pomiędzy różnymi zdjęciami oraz ujęciami z filmu - wykonałem je po prostu w różnym czasie, kiedy udoskonalałem jeszcze i poprawiałem konstrukcję )

Edytowano Styczeń 24, 2019 przez Treker
Poprawiłem formatowanie.

[Treker (Damian Szymański)]

@wn2001, właśnie zaakceptowałem opis. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum