Zasilacz pneumatyczny (nazwa tymczasowa)

[H1M4W4R1]

Wstęp

Założeniem projektu było stworzenie zasilacza do ręcznego chwytaka podciśnieniowego do przenoszenia elementów, który jest względnie cichy. Teoretycznie można było się pokusić o tanie pompki próżniowe od chińczyka, ale są one niemiłosiernie hałaśliwe. Poza tym pewnej osobie bardzo się nudziło i szukała sobie zajęcia. Tak oto powstał on, zasilacz pneumatyczny.

Zasilacz w całej swej okazałości (wersja pierwsza)

Opis mechanizmu

Urządzenie składa się z siłownika pneumatycznego SC63x150        oraz silnika (NEMA23 3Nm lub IHSV57 180W, wyjaśnienia nieco później) oraz pomniejszych części pneumatycznych, i mechanicznych.

Silnik napędza zębatkę (ostatecznie wyszło na zębatkę GT2 6mm 40T), która poprzez pasek GT2 6mm zamienia ruch obrotowy wału silnika w ruch liniowy wózka wydrukowanego z PETG (w sumie PLA byłoby lepsze, bo PETG jest ciut zbyt giętkie). Wózek ten jest przymocowany na stałe do dwóch prowadnich MGN12H (HGR15 też mogą być, ale wymagają przeprojektowania urządzenia). Drugi koniec prowadnic jest przymocowany do tłoczyska siłownika dzięki czemu ruch wózka powoduje ruch tłoczyska. Prowadnice w celu usztywnienia są przymocowane do przedniej pokrywy siłownika poprzez wózki liniowe. W ten sposób konstrukcja jest względnie sztywna (o tym chwilę potem).

Ocena działania

Zasilacz był testowany na zakresie pracy (długości posuwu) 60mm z wężem butylowym o średnicy 14/10mm (ścianka 2mm). Za odbiornik podciśnienia wykorzystany został szczelny próżniowo pojemnik o pojemności ok. 0.2L. Na tej długości posuwu docelowy odbiornik osiągał podciśnienie o wartości -0.2bar.

Zasilacz z wykorzystaniem silnika NEMA23 3Nm osiągnął maksymalny zakres posuwu 70mm (powyżej silnik gubił kroki) oraz częstotliwość 2.5Hz przy długości posuwu równej 60mm.

W związku z ograniczaniem sprzętu silnik krokowy został zastąpiony serwosilnikiem IHSV57 180W ze względu na stały moment obrotowy serwosilników. Pomimo tego, że był on mniejszy zasilacz dał radę bez większych problemów osiągnąć pełen posuw (pomijając to, że ktoś nie potrafi liczyć i ustawił 170mm zamiast 150mm w oprogramowaniu przez co serwo zaliczyło kraksę). W przypadku testowego zakresu pracy (60mm) zasilacz osiągnął maksymalną częstotliwość pracy krótkotrwałej (3s) w wysokości 8.5Hz, a w przypadku pracy stałej ta częstotliwość spada do ok. 6-6.5Hz.

Poniżej filmik przedstawiający urządzenie (wersja 2) pracujące z częstotliwością 8.5Hz.

Wersja 2?

Wersja 2 względem wersji 1 różni się kilkoma szczegółami - przede wszystkim zębatka GT2 20T została zastąpiona zębatką 40T, by zwiększyć maksymalną częstotliwość pracy poprzez redukcję przyspieszenia wymaganego do osiągnięcia danej częstotliwości.

Dodatkowo w trakcie testów okazało się, że wspornik wolnego koła paska został wydrukowany ze zbyt małą ilością ścian (4 ściany, 3 sufity/podłogi bez żeber wspierających) przez co mocno się uginał. Został zastąpiony wzmocnioną wersją wydrukowaną z 10 ścianami oraz 5 sufitami/podłogami oraz dodatkowymi żebrami redukującymi uginanie.

Również układ manometru został usunięty ze względu na brak smaru próżniowego, co przekładało się na nieszczelności w obiegu zamkniętym.

Co warto mieć na uwadze?

• Przy budowie takiego urządzenia należy mieć na uwadze oczekiwane podciśnienie oraz szybkość pracy - jeżeli obie wartości są dość duże konieczne będzie zastosowanien serwosilnika zamiast krokowca.
• Wąż należy podłączyć do złącza przy dolnej pokrywie tłoka - w ten sposób nie tracimy pojemności zasilacza na tłoczysko, co ma miejsce w przypadku podłączenia pod górną pokrywą.
• Najlepiej wydrukować części z PLA - PETG jest zdecydowanie zbyt elastyczne do pracy przy takich siłach.

Jak można zastosować taki zasilacz?

Podstawowym zastosowaniem jest podłączenie go do chwytaka podciśnieniowego, aczkolwiek taki zasilacz można również w dość prosty sposób przerobić na pompę próżniową lub kompresor. Wystarczy dodać zawory zwrotne lub elektrozawory, które będą odcinały zasilacz w cyklu zasysania lub wypychania powietrza. Przeróbka jest względnie prosta i raczej każdy domorosły konstruktor sobie z nią poradzi  

Ale to forum elektroniczne...

No dobra, niech Wam będzie.  Silnik zasilany jest z zasilacza przemysłowego 36V 10A (standardowy jak wszystkie w drukarkach 3D etc.). Samym silnikiem steruje aktualnie prototypowy moduł CAN (obecnie zwykle spinam go do komputera poprzez adapter USB).

Moduł ten jest wyposażony w mikrokontroler STM32F103CBT6 (C8 też jest OK, po prostu taki miałem pod ręką) pracujący z częstotliwością 64MHz taktowany z wewnętrznego zegara (ma zewnętrzny kwarc, ale jestem leniwy).

Do sterowania silnikiem krokowym wykorzystywana jest zmodyfikowana biblioteka AccelStepper, która przestawia piny za pomocą rejestrów procesora (HAL jest na to zdecydowanie zbyt wolny i silnik zaczyna pracować nierównomiernie). Obecnie muszę jeszcze napisać sterownik CAN na rejestrach, bo on też jest zbyt wolny by skorzystać z HAL'a  With great power comes great coding requirement.

Te płytki najpewniej będą opisane jako osobny projekt, ale wrzucę fotkę dla zasady  

iCAN STEP - płytka z wbudowanym złączem CAN, 4 wyprowadzeniami oraz podłączeniem przycisku ESTOP. Lutowanie beznadziejne, ale działa.

Pliki CAD?

Urządzenie jest średnio zaprojektowane (działa, ale ma parę wad, głównie mocowanie i napinanie paska zębatego oraz wcześniej wspomniany wózek), ale proszę... może ktoś sobie poprawi  (wymaga Fusion 360 *.f3z)

Pneumatic PSU.zip

Tak więc... to chyba byłoby na tyle.

[H1M4W4R1]

Dorzucę jeszcze filmik z testowania zakresu pracy po częściowym dopracowaniu płytki sterującej i ekranu, który służy do wprowadzania parametrów  

Wreszcie urządzenie można spokojnie odpalić z pozycji krańcowej i serwo się nie wbije w pokrywę tłoka.

Będę musiał pewnie kupić worek cementu by to dociążyć, bo inaczej wyleci na Marsa... A to tylko serwo 180W, pomyśleć jakbym dał 600W  

Regulacja jest płynna tylko dane są przekazywane raz na 100ms (AccelStepper działa na rdzeniu procesora zamiast PWM, więc niestety nie można sobie pozwolić na zbyt dużą ilość danych by nie zaciąć mechanizmu w trakcie pracy, chociaż CAN działa całkiem sprawnie).

Edytowano Luty 10, 2025 przez H1M4W4R1