Proiect Diploma Dracea Constantin Robert V4 Rev [311022]

[anonimizat]. UNIV. DR. ING. Nicu-George BÎZDOACĂ

DRD. ING. Dan ANDRIȚOIU

IULIE 2019

[anonimizat]. UNIV. DR. ING. Nicu-George BÎZDOACĂ

DRD. ING. Dan ANDRIȚOIU

IULIE 2019

CRAIOVA

„Învățătura este o comoară care își urmează stăpânul pretutindeni.”

[anonimizat], student: [anonimizat], Calculatoare și Electronică a [anonimizat], [anonimizat]:

[anonimizat].UNIV.DR.ING. NICU-GEORGE BÎZDOACĂ și DRD. ING. [anonimizat] 2019.

[anonimizat]:

reproducerea exactă a [anonimizat]-o [anonimizat]-o [anonimizat],

[anonimizat], [anonimizat] a unor aplicații realizate de alți autori fără menționarea corectă a [anonimizat] a [anonimizat].

Pentru evitarea acestor situații neplăcute se recomandă:

plasarea între ghilimele a citatelor directe și indicarea referinței într-o [anonimizat] a [anonimizat] a sursei originale de la care s-a [anonimizat] s-[anonimizat], figuri, imagini, statistici, [anonimizat], a căror paternitate este unanim cunoscută și acceptată.

Data, Semnătura candidat: [anonimizat],

PROIECTUL DE DIPLOMĂ

REFERATUL CONDUCĂTORULUI ȘTIINȚIFIC

În urma analizei lucrării candidat: [anonimizat]:

[anonimizat]:

Data, [anonimizat] a plecat de la dorința de a [anonimizat]. [anonimizat], becuri sau chiar ouă este un procedeu care a început încă din anul 1990 când a [anonimizat] o comunitate largă și un număr mare de proiecte care pot fi realizate cu aceasta structură.

Proiectul acesta “Sistem tridimensional pentru desenarea pe corpuri sferice” [anonimizat], [anonimizat]. Modelul imprimat este realizat cu ajutorul programului Inkscape.

Termenii cheie: Arduino, [anonimizat], Inkscape, Eggbot

MULȚUMIRI

În primul rând vreau sa îi mulțumesc Domnului PROF.UNIV.DR.ING. Nicu-[anonimizat] pentru încrederea pe care mi-a acordat-o acceptând să coordoneze acest proiect. Aceleași mulțumiri le împărtășesc si domnului DRD. ING. Dan ANDRIȚOIU pentru ajutorul și implicarea sa, observațiile punctuale și utile, care s-au dovedit a fi de mare ajutor, atât in partea practică cât si în elaborarea proiectului.

În același timp la sfârșitul perioadei mele de pregătire universitară cu ocazia susținerii lucrării de licență, mulțumesc întregului colectiv profesoral al Facultății de Automatică, Calculatoare și Electronică pentru toate noțiunile teoretice și practice predate în cadrul orelor de curs, seminariilor și laboratoarelor fără de care realizarea proiectului nu ar fi fost posibilă.

CUPRINSUL

LISTA FIGURILOR

Figura 1 Exemple sisteme mecatronice 16

Figura 2 Johannes Gutenberg 17

Figura 3 Realizare serigrafie 19

Figura 4 Utilaj tipografic 21

Figura 5 Gravura metalică cu vârf diamantat 23

Figura 6 Gravarea cu laser 24

Figura 7 Imprimanta 3D 25

Figura 8 Model CAD utilizat pentru printarea 3D 26

Figura 9 Aplicație printare 3D 30

Figura 10 Mod utilizare INKSCAPE (1) 33

Figura 11 Mod utilizare INKSCAPE (2) 33

Figura 12 Mod utilizare INKSCAPE (3) 34

Figura 13 Interfată program Kig 35

Figura 14 Interfată program Gimp 36

Figura 15 Interfată 3D Studio Max 37

Figura 16 Imagine informativă eggbot 40

Figura 17 Părți printate impimanta 3D 41

Figura 18 Planșă proiectare piesă (1) 42

Figura 19 Planșă proiectare piesă (2) 42

Figura 20 Plansă proiectare piesă (3) 43

Figura 21 Imagine placuță Arduino 44

Figura 22 Imagine informativă Arduino 45

Figura 23 Prezentare program Arduino. 48

Figura 24 Arduino UNO 49

Figura 25 Arduino Leonardo 50

Figura 26 Arduino MEGA 2560 R3 51

Figura 27 Arduino Due 52

Figura 28 Arduino Micro 52

Figura 29 Shield cu terminale cu șuruburi dispuse sub formă de aripi. 53

Figura 30 Shield Adafruit Motor 53

Figura 31 Shield Adafruit cu slot pentru card SD 53

Figura 32 Shield HackARobot Fabric 53

Figura 33 Stepper motor si driver 54

Figura 34 Unipolar și Bipolar Stepper motor 57

Figura 35 Aplicație reglarea turației unui motor pas cu pas 59

Figura 36 Micro servo motor SG90 60

Figura 37 ULN2003A pini ieșire 63

Figura 38 Asamblare suport inferior 64

Figura 39 Conectarea plăcuței Arduino si a driverelor cu ajutorul firelor 64

Figura 40 Asamblare braț fixare corp 65

Figura 41 Asamblare corp susținere motor 65

Figura 42 Asamblare braț mobil 66

Figura 43 Asamblare suport superior 66

Figura 44 Conectarea tuturor firelor 67

Figura 45 Prinderea si fixarea carcaselor 67

Introducerea în Mecatronică

Mecatronica. Aspecte introductive

Mecatronica este o etapă naturală în procesul evolutiv al ingineriei moderne. Dezvoltarea calculatorului, apoi a microcomputerului și a computerului înglobat într-un singur cip, în paralel cu procesele generale ale programării și tehnologiei informației, au facut ca știința mecatronicii sa devină un imperativ al zilelor noastre.

Privind în prespectiva secolului al XXI-lea și având în vedere așteptatele progrese ale sistemelor integrate bio-electro-mecanice, ale unei noi generații de calculatoare bazate pe alte principii de funcționare, ale dispozitivelor inteligente ultra-miniaturizate din așa numita categorie a nanosistemelor, precum și a tehnologiei încă nebanuite, se poate aprecia cu certitudine că viitorul mecatronicii este extrem de promițător.

Așadar, termenul de mecatornică s-a născut în mediul industrial și a fost utilizat de compania japoneză Yaskawa Electric Company în anul 1969 pentru a descrie fuziunea tehnologica Mecanică – Electronică – Informatică.

Definiții ale mecatronicii

Ulterior, definirea mecatronicii a făcut obiectul mai multor dezbaterii științifice și numeroase reformulări. Spre exemplu, după anul 1996 erau lansate oficial și succesiv în literatura de specialitate mai multe noi definiții:

Mecatronica este integrarea sinergetică a ingineriei mecanice cu electronica și controlul inteligent oferit de știința calculatoarelor, în scopul proiectării și fabricației produselor și proceselor industriale (1996);

Mecatronica este aplicarea în practică a deciziilor complexe pentru asigurarea funcționării sistemelor fizice (1996);

Mecatronica este o metodologie folosită pentru proiectarea optimă a produselor electromecanice (1997);

Un sistem mecatronic nu este numai o simplă uniune a sistemelor mecanice cu cele electrice și este mai mult decât un sistem de control. Sistemul mecatronic este o integrare completă a tuturor celor trei (1996);

Evident, toate definițiile prezentate anterior sunt corect integral, fiecare încercând de fapt să acopere cât mai mult din ceea ce înseamnă mecatronica. Conceptul de mecatronica, sub aspectul definirii termenului, al clasificării produselor mecatronice sau al dezvoltării unor programe de învățământ optimale în această direcție, este și va fi în continuare subiectul unor dezbateri ample la nivel internațional, ceea ce dovedește tocmai dinamica, vivacitatea, importanța și perspectivele acestui concept

Clasificarea sistemelor mecatronice

Prima clasificare:

Pentru clasificarea sistemelor mecatronice pot fi luate in considerare mai multe criterii. Unele clasificari se bazează pe sisteme mecanice înglobate, care constituie suportul fizic pentru configurarea unei structuri mecatronice:

Componente mecatronice (mecanice, hidraulice, pneumaice, electromecanice etc.);

Mașini mecatronice (generatoare sau consumatoare de energie);

Vehicule mecatronice (lagăre, comutatoare, relee, senzori, aparatură electrocasnică etc.);

A doua clasificare:

A doua clasificare propusă în literature de specialitate ia în considerație mai mult dimensiunile fizice ale structurilor și împarte sistemele mecatronice în:

Sisteme mecatronice convenționale;

Sisteme micromecatronice;

Sisteme nanomecatronice;

A treia clasificare:

A treia clasificare prezentată în acest paragraph analizează sistemele mecatronice din punct de vedere al caracteristicilor comportamentale, împațindu-le în:

Sisteme mecatronice automate;

Sisteme mecatronice inteligente;

Rețele mecatronice inteligente;

Exemple de produse și siteme mecatronice

Așadar, tot ceea ce numim azi în mod curent produse de înaltă tehnicitate sau dispozitive inteligente sunt produse mecatronice. Mai jos sunt prezentate numai câteva exemple semnificative de produse mecatronice, alese din diferite categorii de produse:

Automobilul modern;

Robotica(roboții industriali, mobili, submarini, zburatori, umanoizi) ;

Tehnica de calcul;

Tehnica de telecomunicații;

Aparatura biomedicală;

Sistemele de transport inteligent;

Aparatura de cercetare;

Aparatura electrocasnica;

Mașini agricole moderne;

Aeronautica;

Figura 1 Exemple sisteme mecatronice

Sisteme de printare

Johannes Gutenberg

Figura 2 Johannes Gutenberg

Johannes Gutenberg a fost un fierar, aurar, inventator, imprimator și editor german care a introdus tipărirea în Europa cu presa scrisă. Introducerea tipăririi tipografice mecanice mobile în Europa determinat revoluția de tipărire și este considerată o piatră de hotar a celui de-al doilea mileniu, care a adus în istoria modernă o istoriei a omenirii. A jucat un rol-cheie în dezvoltarea Renașterii, Reformei, Epoca Iluminării și revoluției științifice și a pus bazele materiale pentru economia modernă bazată pe cunoaștere și răspândirea învățării.

Gutenberg în 1439 a fost primul european care a folosit un proces de producție de tip mobil. Printre numeroasele sale contribuții la tipărire se numără: utilizarea de cerneală pe bază de ulei pentru tipărirea cărților, matrițe reglabile, tip mobil mecanic și utilizarea unei prese de lemn tipografice similare cu presele cu șuruburi agricole ale perioadei. Invenția sa epocală a fost combinarea acestor elemente într-un sistem practic care permite producția în masă de cărți tipărite și era viabil din punct de vedere economic atât pentru imprimante, cât și pentru cititori.

Metoda lui Gutenberg de fabricare a tipului este în mod tradițional considerată ca având inclus un aliaj de tip metalic și o matriță de mână pentru tipul de turnare. Aliajul a fost un amestec de plumb, staniu și antimoniu care s-a topit la o temperatură relativ scăzută pentru o turnare mai rapidă și mai economică, a aruncat bine și a creat un tip durabil.

Sosirea imprimării mecanice de tip mobil a introdus epoca comunicării în masă care a modificat permanent structura societății. Circulația relativ nerestricționată a informațiilor – inclusiv a ideilor revoluționare – a depășit granițele și a amenințat puterea autorităților politice și religioase. În secolul al XIX-lea, înlocuirea presei manuale de tip Gutenberg cu prese rotative cu abur a permis imprimarea pe scară industrială, în timp ce imprimarea în stil occidental a fost adoptată în întreaga lume, devenind practic unicul suport pentru imprimarea în masă modernă .

Utilizarea tipului mobil a reprezentat o îmbunătățire semnificativă a manuscrisului scris de mână, care era metoda existentă de producție a cărților în Europa și a tipăririi pe lemn, și a revoluționat cartea europeană. Tehnologia de imprimare a lui Gutenberg sa răspândit rapid în Europa și mai târziu în lume.

În 1455, Gutenberg și-a completat Biblia de 42 de linii, cunoscută sub numele de Biblia Gutenberg. Au fost tipărite aproximativ 180 de exemplare, majoritatea pe hârtie și unele pe vellum.

Între 1450 și 1455, Gutenberg a tipărit mai multe texte, dintre care unele rămân neidentificate; textele sale nu poartă numele sau data imprimării, deci atributul este posibil numai din dovezi tipografice și referințe externe.

Metode de printare mobile

Procesul de imprimare timpuriu al lui Gutenberg și textele tipărite cu tip mobil nu sunt cunoscute în detaliu. Bibliile sale ulterioare au fost tipărite în asa fel încât să fi necesitat cantități mari de tip, unele estimări sugerând mai mult de 100.000 de feluri individuale. Stabilirea fiecărei pagini ar dura, probabil, o jumătate de zi, și având în vedere toate lucrările de încărcare a presei, tipărirea tipului, tragerea impresiilor, suspendarea foilor, distribuirea tipului etc., se consideră că Gutenberg-Fust magazinul ar fi putut angaja până la 25 de meșteri.

În procesul standard de realizare a tipului, o lovitură de metal dur este lovită într-o bară de cupru mai moale, creând o matrice. Acesta este apoi plasat într-o matriță de mână și o bucată de tip sau "sortare" este turnată prin umplerea matriței cu metal de tip topit. Aceasta se răcește aproape o dată, iar bucata de tip rezultată poate fi scoasă din matriță. Matricea poate fi refolosită pentru a crea sute sau mii de tipuri identice, astfel încât același caracter care apare oriunde în cadrul cărții va apărea foarte uniform, dând naștere, în timp, dezvoltării unor stiluri distincte de fonturi. După turnare, tipurile sunt aranjate în cazuri de tip și folosite pentru a alcătui paginile imprimate, o procedură care poate fi repetată de sute sau mii de ori. Tipurile pot fi reutilizate în orice combinație, câștigând procesul denumirea de "tip mobil".

De asemenea, a fost pusă la îndoială dacă Gutenberg folosea tipuri mobile. În 2004, profesorul italian Bruno Fabbiani a susținut că examinarea Bibliei de 42 de linii a scos la iveală o suprapunere a literelor, sugerând că Gutenberg nu folosea de fapt un tip mobil (personaje individuale), ci mai degrabă folosea plăci întregi realizate dintr-un sistem oarecum asemănător unui modern mașină de scris, prin care literele au fost ștampilate succesiv pe placă și apoi imprimate.

Serigrafia

Serigrafierea a apărut pentru prima dată într-o formă recunoscută în China în timpul dinastiei Song (960-1279 d.Hr.). A fost apoi adaptată de alte țări asiatice, cum ar fi Japonia și a fost susținută prin crearea unor metode mai noi. Serigrafierea a fost introdusă în mare parte în Europa de Vest din Asia la sfârșitul secolului al XVIII-lea, dar nu a obținut acceptarea sau utilizarea în restul Europei, deoarece plasa de mătase era mai accesibilă pentru comerțul din est.

Serigrafierea este o tehnică de imprimare prin care o plasă este utilizată pentru a transfera cerneala pe un substrat, cu excepția suprafețelor impermeabile la cerneală, printr-un șablon de blocare. O lamă sau o racletă este deplasată pe ecran pentru a umple decupăturile deschise ale ochiurilor de plasă cu cerneală, iar cursa inversă determină ecranul să atingă momentan substratul de-a lungul unei linii de contact. Acest lucru face ca cerneala să ude substratul și să fie scos din deschiderile ochiurilor de plasă, pe măsură ce ecranul revine după ce lama a trecut. O singură culoare este imprimată, astfel încât mai multe ecrane pot fi folosite pentru a produce o imagine sau un design multicolor.

Există diverși termeni folosiți pentru ceea ce este în esență aceeași tehnică. În mod tradițional, procesul a fost numit imprimare în serigrafie, deoarece în proces a fost folosit mătase. În prezent, firele sintetice sunt utilizate în mod frecvent în procesul de tipărire prin sită. Cea mai populară plasă de uz general este din poliester. Există materiale de plasă de uz special de nailon și oțel inoxidabil disponibile pentru imprimarea de ecran. Există, de asemenea, diferite tipuri de dimensiuni ale ochiului de plasă care vor determina rezultatul și aspectul designului finit pe material.

Figura 3 Realizare serigrafie

In figura de mai sus este exemplificat pașii care trebuie urmați pentru a realiza o serigrafie

A – cerneală

B – racletă

C – Imaginea

D – Foto emulsie

E – Ecran

F – Imagine tiparită

Tehnica de printare

Un ecran este realizat dintr-o bucată de plasă întinsă peste un cadru. Plasa poate fi făcută dintr-un polimer sintetic, cum ar fi nailon și o deschidere mai fină și mai mică pentru plasă, ar fi utilizată pentru un design care necesită un grad mai mare și mai delicat de detalii. Pentru ca rețeaua să fie eficientă, aceasta trebuie montată pe un cadru și trebuie să fie tensionată. Rama care păstrează plasa poate fi realizată din diverse materiale, cum ar fi lemn sau aluminiu. Tensiunea plaselor poate fi verificată prin utilizarea unui tensiometru; o unitate comună pentru măsurarea tensiunii ochiului este Newton pe centimetru (N / cm).

Un șablon este format prin blocarea unor părți ale ecranului în imaginea negativă a desenului de imprimat; adică spațiile deschise sunt locul unde cerneala va apărea pe substrat.

Înainte de imprimare, cadrul și ecranul trebuie să fie supuse procesului de pre-imprimare, în care o emulsie este preprintată peste ochiuri. Odată ce această emulsie a fost uscată, este expusă selectiv la lumina ultravioletă, printr-un film imprimat cu designul necesar. Aceasta întărește emulsia în zonele expuse, însă lasă părțile neexpuse moi. Acestea sunt spălate apoi folosind un jet de apă, lăsând în urmă o zonă curată în plasă, având aceeași formă ca imaginea dorită, ceea ce va permite trecerea cernelei. Este un proces pozitiv.

În imprimarea țesăturilor, suprafața care susține materialul ce urmează a fi imprimat este acoperit cu o bandă largă de paleți. Acest lucru contribuie la protejarea "paletei" de eventualele scurgeri de cerneală nedorite prin ecran și potențial la colorarea "paletei" sau la transferarea cernelei nedorite pe următorul substrat. Ecranul și rama sunt căptușite cu o bandă pentru a împiedica cerneala să ajungă la marginea ecranului și a cadrului. Tipul de bandă utilizat în acest scop depinde adesea de cerneala care urmează a fi imprimată pe substrat. Mai multe benzi sunt utilizate în general pentru cerneluri UV și pe bază de apă, datorită vâscozităților scăzute ale cernelii și tendinței mai mari de a creea sub bandă.

Tipografia

Deși în mod obișnuit se aplică materialelor tipărite, publicate, difuzate și reproduse în vremurile contemporane, toate cuvintele, literele, simbolurile și numerele scrise alături de cele mai vechi desene naturalistice de către oameni pot fi numite tipografie. Cuvântul, tipografia, este derivat din cuvintele grecești "form" sau "impresie" și scrie "graphein" pentru a scrie, își trasează originea până la primele lovituri și moare folosite pentru a face sigiliile, monede în antichitate, fiind realizat conceptul de imprimare. De asemenea, tipografia a fost pusă în aplicare în discul Phaistos, un articol din Creta, care datează între 1850 și 1600 î.H. Sa sugerat că inscripțiile romane de plumb au fost create cu tipărire tip mobil.

Tipografia este arta și tehnica de aranjare pentru a face limba scrisă lizibilă atunci când este afișată. Aranjamentul de tip implică selectarea tipurilor de fonturi, a dimensiunilor punctelor, a lungimilor liniei, a distanței liniei, a spațierii cu litere, dar și ajustarea spațiului dintre perechile de litere. Termenul de tipografie se aplică, de asemenea, stilului, dispunerii și aspectului literelor, numerelor și simbolurilor create de proces. Proiectarea de tip este o ambarcațiune strâns legată, uneori considerată parte a tipografiei. Cei mai mulți tipografi nu proiectează fonturi, iar unii designeri de tip nu se consideră tipografi. De asemenea, tipografia poate fi folosită ca un dispozitiv decorativ, fără legătură cu comunicarea informaților.

Figura 4 Utilaj tipografic

Tipografia este lucrarea scriitorilor (cunoscuți și ca drept compozitori), tipografi, designeri grafici, artiști, artiști de benzi desenate etc. Până în epoca digitală, tipografia era o ocupație specializată. Digitalizarea a deschis tipografia noilor generații de designeri și utilizatori care nu au avut legătură. Deoarece capacitatea de a crea tipografie a devenit omniprezentă, aplicarea principiilor și a celor mai bune practici dezvoltate de-a lungul generațiilor de lucrători și profesioniști calificați a scăzut. Astfel, într-un moment în care tehnicile științifice pot sprijini tradițiile dovedite (de exemplu, o mai mare lizibilitate cu utilizarea literelor mari, mici, contrast etc.) prin înțelegerea limitărilor viziunii umane, tipografia întâlnită adesea poate să nu reușească obiectiv principal: comunicare eficientă.

Trei aspecte fundamentale ale tipografiei sunt redactarea, lizibilitatea și estetica. Deși într-un sens non-tehnic "lizibil" și "redactabil" sunt adesea folosite sinonim, tipografic ele sunt concepte separate, dar legate. Lizibilitatea și redactarea au tendința de a susține aspectele estetice ale unui produs.

Gravura

Gravura reprezintă un gen al artelor vizuale ale cărei tehnici constau în săparea, incizarea, perforarea sau obturarea prin diverse procedee fizice ori chimice a unei suprafețe de regulă plane, fie în vederea imprimării și multiplicării ulterioare a imaginii, fie pentru obținerea unui obiect artistic de sine stătător. Artistul care se ocupă cu practicarea acestui gen de artă poartă numele de gravor.

În cazul gravurii destinate imprimării, gravarea se face pe un suport numit clișeu, confecționat din metal, lemn, linoleum sau alte materiale. Clișeul reprezintă negativul gravurii, pe acesta aplicându-se cerneala ce urmează a fi imprimată. Peste clișeul cerneluit se aplică o foaie de hârtie iar apoi sunt trecute printr-o presă tipografică. Cerneala reținută de clișeu este transferată pe coala de hârtie ca urmare a aplicării presiunii. Imaginea imprimată constituie pozitivul gravurii. Termenul „gravură” este folosit deopotrivă pentru a desemna negativul (clișeul) și pozitivul (imaginea imprimată).

În mod normal, gravura destinată imprimării se realizează fie prin metoda tiparului adânc (gravură în adâncime) fie prin cea a tiparului înalt (gravură în relief sau în înălțime). Însă, ca urmare a faptului că denumirea de „gravură” a fost aplicată și imaginiilor imprimate, acest termen a ajuns să fie extins și generalizat. Astfel, tehnici ale tiparului plan (litografia, monotipia) sau alte tipuri (serigrafia), au fost incluse în familia gravurii (gravură în plan).

În cazul gravurii de sine stătătoare, aceasta are scopul inscripționării sau ornamentării diverselor obiecte cu figuri sau motive decorative. Atunci când acestea sunt gravate pe materiale prețioase, semiprețioase ori mulaje pentru monede sau medalii. Gravarea poate fi realizată atât mecanic, cu ajutorul unor freze speciale cu vârf de diamant, cât și cu laser, obținându-se rezultate de o mare fidelitate a detaliilor și o durabilitate extraordinară în timp.

Gravarea mecanică cu vârf diamantat

Gravarea mecanică este procedeul de imprimare a unui model pe suprafațe dure prin săparea repetată de șanțuri mici pe un suport din material plastic, lemn, metal, sticlă, etc. In general, se pretează foarte bine pe metalele de duritate medie (aluminiu, alamă, bronz), în special fară acoperiri electrochimice.

Suprafața de gravat este, cel mai adesea, plană, însă ea poate fi și curbă, iar datorită complexitații tehnice, freza cu diamant prin care se realizează procesul de gravare este comandată de un calculator care asistă intreaga operațiune. Datorită tehnicilor moderne, gravarea mecanica cu freză cu vârf diamantat garantează rezultate impresionante prin fidelitatea detaliilor, mai ales daca luam in calcul materialele dure pe care este frecvent utilizată.

Figura 5 Gravura metalică cu vârf diamantat

Mașinile de gravat moderne sunt cu comandă numerică, comandate de calculator, ceea ce asigură  precizia prelucrării si calitatea ridicată a design-ului aplicat produselor personalizate.

Gravarea mecanică are rezultate excelente in cazul înscripționării obiectelor din metal, iar profunzimea gravării este, de obicei, un pic mai mare decât in cazul gravării laser și poate fi controlată. Pot fi personalizate astfel și obiecte din lemn sau sticlă, cu rezultate deosebite.

Gravarea laser

Gravarea laser este o tehnica specială de personalizare a obiectelor din metal, lemn, plastic, a cărui principiu de funcționare este asemanator cu cel al unei imprimante cu jet, dar la care jetul de cerneala este înlocuit cu un fascicul de lumină trimis pe material. Acest fascicul focalizat pe material se deplasează în funcție de modelul realizat de un software specializat, vaporizând un strat superficial din materialul respectiv, iar prin reglarea parametrilor se poate obține o gravare superficială sau profundă.

Prin gravarea cu laser, adâncimea de inscripționare poate fi variabilă, gravarea realizându-se atât superficial, cât și în profunzime. Folosînd această tehnică, se obțin gravuri precise, cu o fidelitate mare față de desenul original. Totuși, in cazul laserului, profunzimea si rezoluția depind în mare masură de reacția materialului ce este gravat.

Figura 6 Gravarea cu laser

Prin gravarea laser directă pe suprafața unui obiect metalic, în funcție de tipul de metal, se obține modificarea aspectului exterior al acestuia. Practic, se îndepartează stratul de la suprafață, expunând metalul curat.

O alta metoda de gravare cu laser implică aplicarea unei substanțe speciale, iar sub acțiunea razei laser aceasta fuzionează cu metalul, rămânând gravură in culoare neagra.

Avantajele gravării cu laser sunt numeroase:

se poate imprima o gamă largă de materiale, cu orice suprafață;

se pot realiza fotogravuri, mai ales pe plastic metalizat;

este o tehnica ecologică, nefiind folosiți solvenți, vopsele sau acizi;

obiectul de personalizat prin gravare cu laser nu se încinge și nu are nevoie de fixare ca în cazul altor tehnici, el nefiind atins decât de raza laser;

Procedura de inscripționare prin gravarea laser poate fi complexă, însă oferă durabilitate în timp și lucrări de o acuratețe deosebită, producând imagini permanente, detaliate și fine.

Printarea 3D

Figura 7 Imprimanta 3D

Termenul de imprimare 3D acoperă o varietate de procese în care materialul este îmbinat sau solidificat sub controlul calculatorului pentru a crea un obiect tridimensional, împreună cu materialul adăugat (cum ar fi moleculele lichide sau boabele de pulbere care se topesc împreună) după strat. În anii 1990, tehnicile 3D de tipărire au fost considerate adecvate doar pentru producerea de prototipuri funcționale sau estetice și un termen mai potrivit a fost prototipul rapid. Astăzi, precizia, repetabilitatea și gama de materiale au crescut până la punctul în care unele procese de imprimare 3D sunt considerate viabile ca o tehnologie de producție industrială, prin care procesul de fabricare a aditivilor poate fi utilizat sinonim cu imprimarea 3D. Unul dintre avantajele cheie ale tipăririi 3D este capacitatea de a produce forme sau geometrii foarte complexe și o condiție prealabilă pentru producerea oricărei părți imprimate 3D este un model 3D digital sau un fișier CAD.

Procesul de imprimare 3D cel mai frecvent utilizat fiind o tehnică de extrudare a materialelor denumită modelare de depozitare topită. Pulberea cu pulbere de metal a câștigat o importanță deosebită în ultima vreme în timpul aplicațiilor imense de piese metalice în industria de imprimare 3D. În imprimarea 3D, un obiect tridimensional este construit dintr-un model de proiectare asistată de calculator (CAD), de obicei prin adăugarea succesivă a stratului de material pe strat, spre deosebire de procesul obișnuit de prelucrare, în cazul în care materialul este îndepărtat dintr-un obiect stoc, procese de forjare care datează din antichitate.

Principii generale

Modelarea

Figura 8 Model CAD utilizat pentru printarea 3D

Modelele tipărite 3D pot fi create cu ajutorul unui pachet de proiectare asistată de calculator (CAD), prin intermediul unui scanner 3D sau printr-un software digital simplu. Modelele tipărite 3D create cu CAD au ca rezultat erori reduse și pot fi corectate înainte de imprimare, permițând verificarea în proiectarea obiectului înainte de imprimare. Procesul de modelare manuală de pregătire a datelor geometrice pentru grafica 3D a computerului este similar cu artele plastice, cum ar fi sculptura. Scanarea 3D este un proces de colectare a datelor digitale cu privire la forma și aspectul unui obiect real, creând un model digital bazat pe acesta.

Modelele CAD pot fi salvate în formatul de fișiere stereolitografice (STL), un format de fișiere CAD pentru fabricarea aditivilor care stochează date bazate pe triangularea suprafeței modelelor CAD. STL nu este adaptat pentru fabricarea aditivilor deoarece generează dimensiuni mari de fișiere ale componentelor optimizate ale topologiei și ale structurilor datorită numărului mare de suprafețe implicate. Un format de fișier CAD mai nou, în anul 2011 a fost introdus formatul fișierului de aditivare (AMF) pentru a rezolva această problemă.

Printarea

Înainte de a imprima un model 3D dintr-un fișier STL, trebuie mai întâi să fie examinat pentru erori. Majoritatea aplicațiilor CAD produc erori în fișierele STL de ieșire dintre următoarele tipuri:

găuri;

se confruntă cu normale;

auto-intersecții;

acoperiri de zgomot;

erori multiple;

Un pas în generația STL cunoscut sub numele de "reparare" rezolvă astfel de probleme în modelul original. În general, STL-urile care au fost produse dintr-un model obținut prin scanarea 3D au deseori multe dintre aceste erori. Acest lucru se datorează modului în care funcționează scanarea 3D – cum este adesea prin achiziția punct-punct, reconstrucția 3D va include erori în majoritatea cazurilor.

Odată finalizat, fișierul STL trebuie procesat de un software denumit "slicer", care transformă modelul într-o serie de straturi subțiri și produce un fișier cu cod G care conține instrucțiuni adaptate la un tip specific de imprimantă 3D (FDM imprimante). Acest fișier cu cod G poate fi apoi tipărit cu software-ul client de imprimare 3D (care încarcă codul G și îl folosește pentru a instrui imprimanta 3D în timpul procesului de imprimare 3D).

Rezoluția imprimantei descrie grosimea stratului și rezoluția X-Y în puncte per inch (dpi) sau micrometre (μm). Grosimea tipică a stratului este de aproximativ 100 μm (250 DPI), deși unele mașini pot imprima straturi subțiri de 16 μm (1.600 DPI). Rezoluția X-Y este comparabilă cu cea a imprimantelor laser. Particulele (puncte 3D) au diametrul de 50 până la 100 μm (510 până la 250 DPI). Pentru această rezoluție a imprimantei, specificând o rezoluție a ochiurilor de 0,01-0,03 mm și o lungime a coardei ≤ 0,016 mm, generează un fișier STL optim de ieșire pentru un anumit fișier de intrare model. Specificarea unor rezoluții mai mari duce la obținerea de fișiere mai mari, fără a crește calitatea imprimării.

Construcția unui model cu metode contemporane poate dura de la câteva ore până la câteva zile, în funcție de metoda utilizată și de mărimea și complexitatea modelului. Sistemele de aditivi pot reduce de obicei acest timp până la câteva ore, deși variază foarte mult în funcție de tipul de mașină utilizat și de dimensiunea și numărul de modele produse simultan.

Tehnicile tradiționale, cum ar fi turnarea prin injecție, pot fi mai puțin costisitoare pentru fabricarea produselor polimerice în cantități mari, dar producția de aditivi poate fi mai rapidă, mai flexibilă și mai puțin costisitoare atunci când se produc cantități relativ mici de piese. Imprimantele 3D oferă designerilor și echipelor de dezvoltare a conceptului capacitatea de a produce modele de piese și concepte folosind o imprimantă de dimensiuni de birou.

Finalizarea

Deși rezoluția produsă de imprimantă este suficientă pentru multe aplicații, o precizie mai mare poate fi obținută prin imprimarea unei versiuni ușor supradimensionate a obiectului dorit în rezoluția standard și apoi prin înlăturarea materialului, folosind un proces subtractiv de rezoluție mai mare.

Structura stratificată a tuturor proceselor de aditivare produce în mod inevitabil un efect de întindere a suprafețelor care sunt curbate sau înclinate în raport cu platforma de construcție. Efectele depind foarte mult de orientarea unei părți a suprafeței în interiorul procesului de construcție.

Unii polimeri tipăriți, cum ar fi ABS, permit finisarea suprafeței să fie netezită și îmbunătățită folosind procedee de vapori chimici pe bază de acetonă sau solvenți asemănători.

Unele tehnici de fabricare a aditivilor sunt capabile să folosească mai multe materiale în cursul construcției pieselor. Aceste tehnici pot imprima în mai multe culori și combinații de culori simultan și nu ar necesita neapărat vopsirea.

Unele tehnici de imprimare necesită suporturi interne pentru a fi construite pentru caracteristici în relief în timpul construcției. Aceste suporturi trebuie îndepărtate mecanic sau dizolvate la finalizarea imprimării.

Toate imprimantele 3D metalice comercializate implică tăierea componentei metalice de pe substratul metalic după depunere. Un nou proces pentru imprimarea 3D permite modificarea suprafeței substratului pentru îndepărtarea aluminiului sau a oțelului.

Imprimarea cu materiale multiple

Imprimarea cu materiale multiple permite ca obiectele să fie compuse din aranjamente complexe și eterogene ale materialelor. Este necesar ca un material să fie specificat direct pentru fiecare voxel din interiorul volumului obiectului. Procesul este plin de dificultăți, datorită algoritmilor izolați și monolitici. Există multe modalități diferite de a rezolva aceste probleme, cum ar fi construirea unui traducător. Sau utilizate microstructuri pentru a controla elasticitatea în imprimarea 3D. Există, de asemenea, o soluție cu privire la modul de tipărire a unei picturi 3D multi-material: reproducerea profundă a multispectralului de pictură prin intermediul imprimării cu mai multe straturi, cu cerneală personalizată.

Imprimarea 3D multi-material este un element fundamental pentru dezvoltarea tehnologiilor viitoare. A fost deja aplicat industriei variabile, alta decât aplicațiile obișnuite în industriile mici de producție, pentru a produce jucării, încălțăminte, mobilier, casete telefonice, instrumente sau chiar lucrări de artă. Cu ajutorul mașinii BAAM (Big Area Additive Manufacturing), produse de mari dimensiuni, cum ar fi case tipărite 3D sau mașini, sunt destul de fezabile. De asemenea, a fost utilizat pe scară largă în industria de înaltă tehnologie. Cercetătorii se dedică producerii de instrumente de temperatură ridicată cu BAAM pentru aplicații aerospațiale.

În industria medicală, recent a apărut un concept de pilule și vaccinuri tipărite 3D. Cu acest concept nou, medicamentele multiple sunt capabile să se unească împreună, ceea ce va reduce în consecință multe riscuri. Cu tot mai multe aplicații de tipărire 3D multi-material, costurile vieții de zi cu zi și dezvoltarea tehnologiilor avansate vor deveni ireversibil mai mici.

Sunt cercetate și materiale metalografice de imprimare 3D. Prin clasificarea fiecărui material, CIMP-3D poate efectua sistematic imprimarea 3D cu materiale multiple.

Aplicații printare 3D

În scenariul actual, imprimarea 3D sau producția de aditivi a fost utilizată în sectoarele de producție, medicale, industriale și socio-culturale, care facilitează imprimarea 3D sau producția de aditivi pentru a deveni o tehnologie comercială de succes. Mai recent, imprimarea 3D a fost utilizată, de asemenea, în sectorul umanitar și de dezvoltare pentru a produce o gamă de articole medicale, proteze, piese de schimb și reparații. Prima aplicație de fabricare a aditivilor se găsea la sfârșitul spectrului de fabricație. De exemplu, prototiparea rapidă a fost una dintre primele variante de aditivi, iar misiunea sa a fost de a reduce timpul și costul de dezvoltare a prototipurilor de piese și dispozitive noi, lucru care anterior a fost realizat numai cu metode de scule subtitrate, cum ar fi frezarea, precizie de măcinare etc. În anii 2010, producția de aditivi a intrat în producție într-o măsură mult mai mare.

Fabricarea aditivilor de alimente se dezvoltă prin stoarcerea hranei, strat cu strat, în obiecte tridimensionale. O mare varietate de alimente sunt candidați potriviți, cum ar fi ciocolată, bomboane și alimente plate, cum ar fi biscuiți, paste și pizza. NASA analizează tehnologia pentru a crea hrană tipărită 3D pentru a limita deșeurile alimentare și pentru a face alimente care sunt proiectate să se potrivească nevoilor dietetice ale astronauților.

Imprimarea 3D a intrat în lumea îmbrăcămintei, designerii de modă experimentând bikini, pantofi și rochii imprimate 3D. În producția comercială, Nike utilizează tipărirea 3D pentru prototipuri și fabricarea pantofului de fotbal Vapor Laser Talon pentru jucătorii de fotbal american, iar noul Balance este un producător de pantofi 3D pentru fabricarea de pantofi pentru atleți. Imprimarea 3D a ajuns la punctul în care companiile imprimă ochelari de protecție pentru consumatori, cu o formă și stil la comandă (deși nu pot imprima lentilele). Personalizarea la comandă a ochelarilor este posibilă prin prototipuri rapide.

Vanessa Friedman, director de modă și critic de modă șef la The New York Times, spune că tipărirea 3D va avea o valoare semnificativă pentru companiile de modă, mai ales dacă se transformă într-un instrument tipărit pentru cumpărători. "Este adevărat că acest lucru nu se va întâmpla în curând", spune ea, "dar se va întâmpla și va crea o schimbare dramatică în modul în care ne gândim atât la proprietatea intelectuală, cât și la modul în care se află în lanțul de aprovizionare". Ea adauga: "Desigur, unele dintre fabricatiile pe care brandurile le pot folosi vor fi schimbate dramatic prin tehnologie."

În mașini, camioane și aeronave, producția de aditivi începe să transforme atât proiectarea și producția unibody și fuselajelor, cât și proiectarea și producția de motoare.

Figura 9 Aplicație printare 3D

Printarea pe corpuri tridimensionale

Soft utilizat INKSCAPE

Inkscape este o aplicație de editare grafică vectorială. Aceasta este dezvoltată în regim open source și distribuită gratuit, sub licență GNU GPL. Scopul său este de a deveni un instrument puternic de grafică prin implementarea completă a suportului pentru standardul Scalable Vector Graphics. Inkscape este o aplicație cross-platform, din codul său sursă fiind compilate pachete de distribuție care au fost testate și rulează pe Mac OS X, sistemele de operare din familia Unix și pe Microsoft Windows. Inkscape aplică parțial standardele SVG și CSS. Încă nu are suport pentru animație, sau fonturi SVG, deși a fost pusă în aplicare crearea de fonturi SVG începând cu versiunea 0.47. Inkscape are suport multi-lingvistic, în special pentru scripturi complexe, ceea ce lipsește în prezent la mai multe aplicații comerciale specializate în grafică vectorială.

Scurt istoric inkscape

Inkscape a început în anul 2003 ca ​​o parte de cod al proiectului Sodipodi. Apoi Inkscape a fost schimbat, de la limbajul de programare C++, la setul de instrumente GTK+ C++; a fost reproiectată interfața cu utilizatorul și au fost adăugate un număr de caracteristici noi. Punerea sa în aplicare conform standardului SVG a demonstrat îmbunătățirea treptată, care este încă incompletă. Dezvoltatorii săi au depus eforturi pentru a încuraja o cultură egalitaristă și dezvoltatori cu abilități individuale și implicare activă în proiect. Ca urmare, proiectul permite accesul deplin la codul sursă a tuturor dezvoltatorilor activi și participarea unei comunități open source mai mari (de multe ori sub formă de inițiative inter-proiect). Deși fondatorii proiectului sunt încă bine reprezentați în procesul de luare a deciziilor, mulți dintre nou-veniți joacă un rol important. Printre aceștia este și "bulia byak", arhitect al schimbărilor radicale la interfața cu utilizatorul, care a dat aspectul actual al aplicației Inkscape. Noua interfață este modelată după interfața Xara Xtreme.

Avantaje si dezavantaje ale aplicației

Avantaje Inkscape:

Principal: program de tip Open Source – gratuit; este ideal din această cauză în mediul academic;

Evoluție rapidă si constantă, datorat unei comunitați mari de utilizatori-dezvoltatori;

Multiplatform: Windows, Linux, MacOS;

Formatul fișierelor este standard .SVG (Scalable Vector Graphics), deci pot fi importate/exportate ușor în orice aplicație care suportă acest standard;

Exportă versiuni rasterizate la orice rezoluție, in format .PNG;

Poate exporta direct conținutul și ca .EPS sau .PDF, avand opțiunea de a transforma font-urile în path-uri (și evita orice incompatibilitate cu printerele). Lista completa de formate suportate este:

.SVG – Scalable vector Graphics (plain, standard sau compressed svgz);

.PS,  .EPS, .EPSI – (Encapsulated) PostScript;

.PDF – Adobe Portable Document Format;

.ODG – OpenOffice Document Drawing ;

.TEX – Latex PStricks;

.DXF – Desktop Cutting Plotter ;

.AI – Adobe Illustrator v.8;

.XCF – Gimp (pastrează și layerele)

Utilizare foarte ușoară în special în problemele tipice de aliniere, distribuție multiplă de obiecte pe pagină. Modul de aliniere a textului este foarte bine pus la punct (se poate face aliniere nu numai într-un "bloc" de text, ci în orice "shape" (orice forma) ;

Un avantaj major: câteva mii de clipart-uri sunt disponibile gratuit pe internet (in format .svg);

Help-ul programului conține și un tutorial bine scris; de asemenea, există carți complete și gratuite despre modul de folosire al acestui program;

Dezavantaje Inkscape:

Necesită (ca orice program vectorial) mult RAM numai pentru el (min. 512Mb pentru performate decente la un document A0);

Exportul în spațiul CMYK lipsește;

ObjectBrowser-ul este text-only, facând utilizarea lui descurajantă pentru începătorii care vor sa organizeze documente mai complexe;

Modul de utilizare

a) După intrarea in program, pentru a creea un spațiu de lucru, aceesam Fisier-> Templates->Eggbot.

Figura 10 Mod utilizare INKSCAPE (1)

b) În fereastră deschisă putem desena, adaugă imagini sau scrie modelul pe care dorim sa îl desenam. Observarție: Pentru scrisuri și imagini este necesar sa accentuam conturul pentru litere sau imagine din modul Traseu->Contur la traseu.

Figura 11 Mod utilizare INKSCAPE (2)

c) După alegerea modelului pe care dorim sa il desenam, accesam Extensii->Eggbot->Eggbot Control…. În fereastra deschisă putem selecta mai mulți parametrii prestabiliți pentru un desen cât mai reușit. După care apsăm butonul Aplică.

Figura 12 Mod utilizare INKSCAPE (3)

Exemple programe editare grafică

Mai jos sunt atașate cateva exemple de programe (software) compatibile și ele cu structura noastră fiind prezentate avatajele și dezavantajele acestora:

Kig – Acest program este folosit în mare parte pentru rezolvarea grafică a unor probleme sau crearea unor diagrame de geometrie, in care să se poată modifica rapid unghiurile, punctele de intersecție, etc. KDE's Interactive Geometry este o unealtă perfectă pentru aceasta.

Figura 13 Interfată program Kig

Avantaje Kig:

Principal: Program Open Source – gratuit;

Poate exporta graficele ca .SVG (Scalable Vector Graphics), XFIG, LATEX, sau PBM;

Coordonate polare sau carteziene;

Multe tipuri de obiecte predefinite (segmente, poligoane, cercuri, elipse, conice, etc);

Rezolv[ rapid probleme de bisectoare, transformări afine, proiecții, etc.;

Este foarte ușor de  folosit și intuitive;

Dezavantaje Kig:

Nu este disponibil pentru Windows intr-o versiune ușor de instalat. (este preinstalat doar pe distribuțile KDE, deci este mai greu de instalat si configurat pe alte sisteme de operare în afara de GNU/Linux);

Gimp – (GNU Image Manipulation Program) este un program de grafică (asemănător cu Adobe Photoshop), folosit pentru retușare foto, manipulare de imagine, etc. Deși nu poate concura (complet) cu Photoshop-ul, poate fi folosit cu același success in locul acestuia în multe proiecte.

Figura 14 Interfată program Gimp

Avantaje Gimp:

Principal: Program Open Source – gratuit;

Multiplatform: Windows, Linux, MacOS, etc;

Are majoritatea facilitaților si filtrelor care pot fi găsite în Photoshop;

Exportul în format .JPG este extrem de detaliat și se pot obține imagini de calitate mare dar cu dimensiuni  mici, prin ajustarea fină a parametrilor. Multe dintre imaginile de pe acest site sunt realizate cu GIMP. De altfel, poate importa/exporta documentele intr-un numar impresionant de formate de imagine raster sau rasterizabile (38 de formate in total, inclusiv cele uzuale: .bmp, .jpg, .tiff, .tga, .png, .pcx, .ico, .pnm, .psd, .txt, .html, .h, .c). Poate exporta imagini ca text, ca ascii art, sau encoding pentru cod sursă în limbaj C;

Suportă multe plug-in-uri adiționale (separat față de distribuția de bază);

Suportă lucrul cu imagini animate (.GIF), fiecare frame fiind importat într-un layer;

Un pachet mare de  templateuri  și de efecte  deosebite dedicate  generării de imagini pentru  web (roll-overs, glows, image-maps, etc);

Dezavantaje Gimp:

In instalarea implicită, nu are suport pentru automatizarea acțiunilor repetitive, ceea ce il face greu de utilizat pentru seturi mari de imagini;

O filozofie diferită de utilizare, ceea ce impune neaparat petrecerea catorva ore bune de citit manuale si how-to-uri;

Necesită un ecran cu rezoluție mare, interfata neexecelând în ergonomie;

Trebuie spus însă că aceste dezavantaje pot fi depașite prin diverese tehnici, astfel ca GIMP ramâne unul dintre cele mai puternice programe de prelucrare grafică-raster gratuite existente.

3D Studio Max – Este unul din programele standard industriale de grafică 3D tip CAD (Computer Aided Design). Este destinat să fie un modelator de suprafețe (nu de volume) de uz general (artistice, arhitectură, inginerie si animație).

Figura 15 Interfată 3D Studio Max

Avantaje:

Are o istorie îndelungată și este considerat ca fiind un program fiabil;

Deoarece este foarte folosit în medii industriale (design, jocuri pe calculator, efecte speciale în filme), numarul de opțiuni și de funcții este enorm. Există module adiționale pentru sarcini mai puțin uzuale;

Animația poate fi realizată parametric (se scrie sau se specifică ecuația de mișcare a obiectului, parametric). Aceasta este motivul principal pentru care l-am folosit în câteva proiecte în care era necesară o animație științifică precisă ;

Documentație excelentă in Help (atât ca tutoriale, cât și ca manual tehnic. Parcurgera documentației este o experiență educațională în sine, punând intr-un mod clar împreună cunoștințe de geometrie 2D și 3D, optică, fizică, modelare, mecanică;

Dezavantaje:

Un preț destul de mare – chiar pentru companii medii. De aceea, alegerea lui 3DSmax pentru un proiect trebuie analizată înainte. Din fericire, există licențe educaționale / academic;

Numărul de opțiuni si de funcții este de-a dreptul intimidant la primul contact cu el, si poate parea frustrantă încercarea de a-l folosi fară documentație;

Nu este foarte potrivit pentru modelarea "organica" (desi se poate realiza cu succes, necesită mai multa muncă decat cu alte programe dedicate);

Structura de printare propusă

EggBot CNC.

Scurt istoric

În anul 1990 Bruce Shapiro a creat originalul EggBot CNC, când a devenit prima dată fascinat de motoarele pas cu pas controlate de la computerul său. Designul original a fost motivat de simplitate: desenul pe un obiect rotund nu necesită nici o mecanică complicată.

De atunci, Bruce a creat numeroase piese de artă și mașini de cumpărături, inclusiv instalații permanente în S.U.A. și Europa. A creat chiar o versiune hi-res a ouălui, numită Ovagraph. Pentru Bruce, mișcarea controlată de computer este o nouă frontieră pentru artă, dar este, de asemenea, un instrument de învățare excelent. A predat cursuri la Muzeul de Științe din Minnesota, San Francisco Exploratorium, și în altă parte, folosind ouă pentru a preda electronica, programarea și robotica. Aceste clase iau mult de lucru pentru a se pregăti, dar feedback-ul este întotdeauna uimitor.

Unul dintre scopurile Eggbot este de a preda electronica, mecanica și software-ul necesar pentru a vă construi propriile proiecte de control al mișcării. Sperăm că acest proiect vă inspiră să explorați domeniul emergent al roboticii la domiciliu ca mediu pentru profesori, artiști și producători.

În 2009, Bruce a colaborat cu fiul său, Ben Trombley și Brian Schmalz, pentru a transforma ouăle. Brian, un inginer de sisteme încorporate, a creat EggBotBoard care leagă ouăle de computer de un computer prin USB – una dintre numeroasele plăci cu sursă deschisă pe care le-a proiectat pentru conectarea PC-ului la lumea exterioară. Ben a fost apoi un absolvent Stanford recent absolvent de științe informatice și a creat prima versiune a software-ului care vă permite să creați desene în Inkscape și să le desenați pe ouă.

În 2010, echipa Eggbot și-a unit forțele cu Windell Oskay și Lenore Edman de la Evil Mad Scientist Laboratories pentru a introduce noul kit Eggbot 2.0 – o nouă versiune cu o serie de rafinamente care fac mai ușor obținerea de rezultate excelente cu Eggbot.

Ce este un EggBot

Figura 16 Imagine informativă eggbot

EggBot este o aplicație de desenare sau imprimare, ușor de utilizat, care poate fi folosit pe obiecte în formă de sferă sau în formă de ou. Super reglabil, conceput pentru a atrage toate tipurile de lucruri care în mod normal sunt "imposibil" de imprimat. Nu doar ouăle, ci mingi de golf, becuri, mini dovleci etc. – cu puțină muncă pot fi imprimate ușor. Poate fi utilizat pentru multe proiecte, pentru a personaliza ornamentele de Crăciun sau pentru a impresiona prietenii cu capodopere ale ouălelor de Paște. EggBot nu este doar un gadget cool, este, de asemenea, o introducere minunată în controlul numeric CNC (mașină-unealtă cu comandă numerică) și robotică.

Software-ul EggBot permite să controlezi "botul din interiorul Inkscape – un superb program de ilustrare gratuită – pe calculatoare Mac, Windows sau Linux. Poți să desenazi o imagine directă, să creezi o fotografie sau un model sau să imporți modele din alte programe. De asemenea, poți controla EggBot direct din multe alte programe care au capacitatea de a trimite comenzi seriale pe un port USB.

Folosind accesoriul opțional electro-kistka (distribuitor de ceară fierbinte), poți crea ouă decorate tradițional folosind metoda rezistentă la ceară și vopsea. Există, de asemenea, un instrument de gravare diamant disponibil care poate grava materiale dure, cum ar fi sticlă și piatră.

Piese necesare asamblare eggbot

Listă piese printate imprimanta 3D:

Figura 17 Părți printate impimanta 3D

1. Partea inferioară;

2. Partea superioară;

3. 2x Nituri prindere șuruburi;

4. Capat prindere carcasă;

5. Capat prindere carcasă și servo motor;

6. Suport prindere stepper motor;

7. Suport prindere creion;

8. Ax prindere corp;

9. Suport prindere corp;

10. Suport prindere corp pentru servo motor;

11. 3 inele ghidare;

Mai jos sunt atașate planșele care conțin proiectarea piselor dispuse în imagini după modelul de mai sus:

Figura 18 Planșă proiectare piesă (1)

Figura 19 Planșă proiectare piesă (2)

Figura 20 Plansă proiectare piesă (3)

Componente neprintate:

1. 2x Capete rotunde silicon 24mm;

2. 2x Rulmenți 10cm x 10cm x 10cm;

3. 2x Piulită M5;

4. 12x Piulită M3;

5. Arc;

6. 8x Șuruburi M3x10;

7. 5x Șuruburi M3x16;

8. 12x Șuruburi M2x5 ;

Componente electrice:

1x Arduino UNO;

2x 28byj-48-5v Stepper MOTOR + ULN2003 Stepper Motor Driver;

1x SG90 Micro Servo;

1x USB Cablu pentru conexiunea cu PC-ul;

Fire;

Arduino. Scurt istoric

Figura 21 Imagine placuță Arduino

Arduino a început în 2005 ca un proiect al unui student al Institutului de Interacțiune a Designului din Ivrea, Italia. La acea vreme studenții foloseau o plăcuță de dezvoltare BASIC Stamp care costa 100 de dolari, ceea ce era considerat foarte scump pentru studenți. Massimo Banzi, unul dintre fondatori, era student la Ivrea. Numele "Arduino" provine de la un bar din Ivrea, locul unde o parte din fondatori obișnuiau să se întâlnească.

Studentul columbian Hernando Barragán a creat platforma de dezvoltare Wiring care a servit ca bază pentru Arduino. După finalizarea platformei Wiring, mai multe versiuni, mai light și mai ieftine, au fost create și puse la dispoziția comunităților open-source. Din echipa inițială Arduino au făcut parte Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino și David Mellis.

Una dintre primele plăcuțe Arduino cu interfață de comunicații serială RS-232 și un microcontroler Atmel ATmega8 este prezentată in figura de mai sus. Cei 14 pini digitali de intrare/ieșire sunt localizați în partea de sus, iar cele 6 intrări analogice sunt pe partea dreaptă, jos sub microcontroler.

Ce este Arduino si la ce se utilizează.

Figura 22 Imagine informativă Arduino

Arduino este o companie open-source care produce atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități sau procese în lumea reală.

Proiectul este bazat pe designul plăcilor cu microcontroler produse de câțiva furnizori, folosind diverse tipuri de microcontrolere. Aceste plăci pun la dispoziția utilizatorului pini I/O, digitali și analogici, care pot fi interfațați cu o gamă largă de plăcuțe numite scuturi (shield-uri) și/sau cu alte circuite. Plăcile au interfețe de comunicații seriale, inclusiv USB pe unele modele, pentru a încărca programe din calculatorele personale.

Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino vine cu un mediu de dezvoltare integrat (IDE) bazat pe proiectul Processing, care include suport pentru limbaje de programare ca C și C++.

Primul Arduino a fost lansat în 2005, având ca țintă asigurarea unei soluții ieftine și simple pentru începători și profesioniști spre a crea dispozitive capabile să interacționeze cu mediul, folosind senzori și sisteme de acționare. Cele mai comune exemple sunt dispozitivele pentru utilizatorii începători precum: roboții simpli, termostatele și/sau detectoarele de mișcare.

Plăcuțele Arduino sunt disponibile comercial sub formă preasamblată sau sub forma unor kituri de asamblat acasă. Specificațiile schemelor sunt disponibile pentru orice utilizator, permițând oricui să fabrice plăcuțe Arduino. Adafruit Industries estimase la mijlocul anului 2011 că peste 300.000 de plăcuțe oficiale Arduino au fost produse, iar în 2013 700.000 de plăcuțe oficiale erau în posesia utilizatorilor.

Componente Hardware

O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVR de 8, 16 sau 32 de biți (deși începând cu 2015 s-au folosit microcontrolere de la alți producători) având componente, complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite.

Un aspect important la Arduino este că acesta dispune de conectori standard, care permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module inter-schimbabile numite shield-uri. Unele shield-uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, iar altele sunt adresabile individual prin magistrala serială permițând utilizarea mai multor module în paralel.

Până în anul 2015 plăcuțele Arduino oficiale au folosit cipuri Atmel din seria megaAVR, în special ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 și ATmega2560, iar în 2015 au fost adăugate cipuri de la alți producători. O multitudine de alte procesoare au fost folosite de dispozitive compatibile Arduino. Multe plăcuțe includ un regulator liniar de 5 V și un oscilator cu cuarț de 16 MHz (sau un rezonator ceramic în unele variante), deși anumite plăcuțe, cum ar fi LilyPad, funcționează la 8 MHz și nu necesită regulator, datorită restricțiilor de formă.

Un microcontroler instalat pe Arduino vine preprogramat cu un bootloader care simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, în comparație cu alte dispozitive care necesită programatoare externe. Acest aspect face Arduino o soluție simplă, permițând programarea de pe orice computer ordinar. În prezent, bootloader-ul optiboot este bootloader-ul implicit instalat pe Arduino UNO.

La nivel conceptual, când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino, programarea tuturor plăcuțelor se face prin conexiune serială. Implementarea acesteia diferă în funcție de versiunea hardware. Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și cele TTL. Plăcuțele Arduino din prezent sunt programate prin USB, având integrate cipuri de conversie USB-serial, cum ar fi FTDI FT232. Unele modele UNO, mai noi, folosesc un cip AVR separat programat să funcționeze ca un convertor USB-serial, care poate fi reprogramat printr-un port ICSP dedicat. Alte variante, cum ar fi Arduino Mini și versiunea neoficială Boarduino, folosesc adaptoare detașabile USB-serial, cabluri, Bluetooth sau alte metode.

Plăcuța Arduino are expuși mulți dintre pinii de intrare/ieșire ai microcontrolerului, pentru ca aceștia să fie folosiți de alte circuite. UNO oferă 14 pini digitali de intrare/ieșire, dintre care 6 pot produce semnale PWM și 6 intrări analogice care, de asemenea, pot fi folosite ca intrări/ieșiri digitale. Acești pini sunt accesibili prin partea superioară a plăcuței, prin intermediul unor barete mamă cu pasul între pini de 2,54 mm.

Arduino Software

Programele Arduino pot fi scrise în orice limbaj de programare cu un compilator capabil să producă un cod mașină binar. Atmel oferă un mediu de dezvoltare pentru microcontrolerele sale, AVR Studio și mai nou, Atmel Studio.

Proiectul Arduino oferă un mediu integrat de dezvoltare (IDE), care este o aplicație cross-platform, scrisă în Java. Acesta își are originile în mediul de dezvoltare pentru limbajul de programare Processing și în proiectul Wiring. Este proiectat pentru a introduce programarea în lumea artiștilor și a celor nefamiliarizați cu dezvoltarea software. Include un editor de cod cu funcții ca evidențierea sintaxelor, potrivirea acoladelor și spațierea automată și oferă mecanisme simple cu un singur click, pentru a compila și a încărca programele în plăcuța Arduino. Un program scris în IDE pentru Arduino se numește sketch.

Arduino IDE suportă limbajele de programare C și C++ folosind reguli speciale de organizare a codului. Arduino IDE oferă o librărie software numită Wiring, din proiectul Wiring, care oferă multe proceduri comune de intrare și ieșire. Un sketch tipic Arduino scris în C/C++ este compus din două funcții care sunt compilate și legate cu un ciot de program main(), într-un program executabil cu o execuție ciclică:

setup: o funcție care este rulată o singură dată la începutul programului, când se inițializează setările;

loop: o funcție apelată în mod repetat până la oprirea alimentării cu energie a plăcuței;

După compilarea și legarea cu GNU, de asemenea, în IDE, mediul de dezvoltare Arduino trimite comandă către programul avrdude pentru a converti codul executabil într-un fișier text codat hexazecimal, care poate fi încărcat în placa Arduino de un program de încărcare.

Figura 23 Prezentare program Arduino.

Arduino și Shield-uri

Plăcuțele originale Arduino erau produse de compania italiană Smart Projects. O parte dintre plăcuțele cu brandul Arduino au fost proiectate de companiile americane SparkFun Electronics și Adafruit Industries. 16 versiuni de hardware Arduino au fost produse în scop comercial până la această dată. Exemple plăcuțe dezvoltare Arduino și figurile acestora:

Arduino UNO

Specificatii :

Microcontroler: ATmega328

Tensiune de lucru: 5V

Tensiune de intrare (recomandat): 7-12V

Tensiune de intrare (limita):  6-20V

Pini digitali: 14 (6 PWM output)

Pini analogici: 6

Curent per pin I/O: 40 mA

Curent 3.3V: 50 mA

Memorie Flash: 32 KB (ATmega328)  0.5 KB pentru bootloader

SRAM: 2 KB (ATmega328)

EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Clock Speed: 16 MHz

Figura 24 Arduino UNO

Arduino Leonardo

Specificatii:

Microcontroller folosit: ATmega32u4;

Frecvență de funcționare: 16MHz;

Tensiune de operare: 5V;

Tensiune de alimentare: 7V – 12V;

Număr porturi I/O: 20;

Număr porturi de intrare analogice: 12 (din cele 20 de I/O);

Număr porturi capabile să genereze semnal PWM: 7 (din cele 20 de I/O);

Memorie Flash: 32kB (4kB sunt ocupați de bootloader);

Memorie SRAM: 2.5kB;

Memorie EEPROM: 1kB.

Figura 25 Arduino Leonardo

Arduino Mega

Specificatii:

Tensiune de functionare: 5V;

Tensiune de alimentare Jack: 7V – 12V;

Pini I/O: 54;

Pini PWM: 15 (din cei de I/O);

Pini analogici: 16;

4 x UART;

Memorie flash: 256KB, din care 8KB ocupati de bootloader;

Frecventa de functionare: 16MHz.

Figura 26 Arduino MEGA 2560 R3

Arduino Due

Specificatii:

Procesor: AT91SAM3X8E

Tensiune de lucru: 3.3 V

Tensiune de alimentare : 7-12 V

Pini IO digitali: 54 (12  PWM)

Pini de intrare analogici: 12

Pini de iesire analogici: 2 (digital to analog converter)

Memorie: 512 KB disponibili

Viteză procesor: 84 MHz

Pini compatibili cu shield-urile existente pentru Arduino Mega.

Figura 27 Arduino Due

Arduino Micro

Specificații:

Microcontroller ATmega32u4

Tensiunea de functionare 5V

Tensiunea de alimentare (recomandat) 7-12V

Tensiunea de alimentare  (limita) 6-20V

Pini Digitali  I/O  20

Canale PWM  7

Pini analogici 12

DC Current per I/O Pin 40 mA

DC Current for 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 32 KB (ATmega32u4)  4 KB   bootloader

SRAM 2.5 KB (ATmega32u4)

EEPROM 1 KB (ATmega32u4)

Figura 28 Arduino Micro

Arduino și plăcuțele Arduino-compatibile folosesc plăcuțe de expansiune cu circuite imprimate numite shield-uri, care se conectează la pinii disponibili pe Arduino. Shield-urile au capacități de a controla motoare, GPS, Internet, LCD sau de prototipare. Un număr de shield-uri pot fi create în regim de amator (DIY). Exemple Shield-uri si figurile acestora:

Shield cu terminale cu șuruburi dispuse sub formă de aripi.

Figura 29 Shield cu terminale cu șuruburi dispuse sub formă de aripi.

Shield Adafruit Motor cu terminale cu șurub pentru conectarea motoarelor.

Figura 30 Shield Adafruit Motor

Shield Adafruit pentru înregistrarea datelor cu slot pentru card SD și cip ceas RTC.

Figura 31 Shield Adafruit cu slot pentru card SD

Shield HackARobot Fabric – proiectat pentru Arduino Nano, cu posibilitatea de a conecta motoare și senzori, ca un giroscop sau un GPS și alte module cum ar fi: WiFi, Bluetooth, RF, etc.

Figura 32 Shield HackARobot Fabric

Motor pas cu pas (Stepper motor)

Figura 33 Stepper motor si driver

Motorul pas cu pas, cunoscut și sub denumirea de stepper motor, este un motor electric de curent continuu (DC motor) fără perii, care împarte o rotație completă într-un număr de pași egali. Poziția motorului poate fi apoi comandată să se deplaseze și să se mențină la unul din acești pași fără niciun senzor de poziție (un regulator cu buclă deschisă), atâta timp cât motorul este dimensionat cu grijă în funcție de cuplu și viteză. Motoarele reductante comutate sunt motoare pas cu pas foarte mari, cu un număr redus de poluri și, în general, sunt comutate cu buclă închisă.

Principii de funționare motor pas cu pas

Motoarele de curent continuu (DC motor) se rotesc în mod continuu când tensiunea DC este aplicată la terminalele lor. Motorul pas cu pas este cunoscut datorita proprietatilor sale de a converti o trena de impulsuri (impulsuri dreptunghiulare) intr-o miscare precis definite a axului motorului. Fiecare impuls schimba pozitia axului motor cu un unghi fix.

Dispunerea circulara a electromagnetilor este divizata in grupe, fiecare grupa avand denumirea de faza, existand un numar egal de electromagneti pe fiecare faza. Electromagnetii fiecarei grupe sunt intretesuti cu electromagnetii celorlalte grupe pentru a forma un model de aranjare uniform. De exemplu dacă motorul pas cu pas are 2 grupe identificate ca fiind A si B și 10 electromagneti per total atunci gruparea modelelor va fi ABABABABAB

Electromagneții din cadrul aceluiași grup sunt energizați împreună. Din acest motiv, motoarele pas cu pas cu mai multe faze au de obicei mai multe fire (sau cabluri) pentru a controla motorul.

Tipuri de motoare pas cu pas

Există trei tipuri principale de motoare pas cu pas:

Cu magnet permanent (Permanent magnet stepper)

Cu trepte cu reluctanță variabilă

Cu trepte sincrone hibride

Motoarele cu magnet permanent folosesc un magnet permanent (PM) în rotor și operează pe atracția sau respingerea dintre rotorul PM și electromagneții statorului. Motoarele cu reductanță variabilă (VR) au un rotor simplu de fier și funcționează pe baza principiului că reluctanța minimă are loc cu un spațiu minim, astfel încât punctele rotorului sunt atrase spre stâlpii de magnet stator. În timp ce hibride sincrone sunt o combinație între magnetul permanent și tipurile de reluctanță variabilă, pentru a maximiza puterea într-o mărime mică.

Există două aranjamente de înfășurare de bază pentru bobinele electromagnetice într-un motor pas cu pas în două faze: bipolar și unipolar.

Motoare unipolare

Fiecare secțiune de înfășurări este pornită pentru fiecare direcție a câmpului magnetic. Deoarece în acest aranjament un pol magnetic poate fi inversat fără comutarea direcției curentului, circuitul de comutare poate fi realizat foarte simplu (de exemplu, un singur tranzistor) pentru fiecare înfășurare. În mod obișnuit, dat fiind o fază, robinetul central al fiecărei înfășurări este comun: dând trei conductori pe fază și șase conductori pentru un motor tipic cu două faze. Adesea, aceste două comunități de fază sunt unite intern, astfel încât motorul are doar cinci conducte.

Un microcontroler sau un controler de motor pas cu pas poate fi folosit pentru a activa tranzistoarele de acționare în ordinea corectă, iar această ușurință de funcționare face ca motoarele unipolare să fie populare pentru pasionații.este cea mai ieftina metoda pentru a avea o miscare unghiulara precisa.

Înfășurările pot fi identificate prin atingerea firelor terminale împreună în motoarele PM. Dacă sunt conectate bornele unei bobine, arborele devine mai greu de rotit. O modalitate de a distinge robinetul central (fir comun) de un fir de bobină este prin măsurarea rezistenței. Rezistența dintre firul comun și firul de bobină este întotdeauna jumătate din rezistența dintre firele de bobină. Acest lucru se datorează faptului că există de două ori lungimea bobinei între capete și doar jumătate din centru (sârmă comună) până la capăt. O modalitate rapidă de a determina dacă motorul pas cu pas funcționează este scurtcircuitarea la fiecare două perechi și încercați să rotiți arborele. Ori de câte ori este resimțită o rezistență mai mare decât cea normală, aceasta indică faptul că circuitul înfășurării particulare este închis și că faza funcționează.

Motoare bipolare

Motoarele bipolare au o singură înfășurare pe fază. Curentul dintr-o bobină trebuie să fie inversat pentru a inversa un pol magnetic, deci circuitul de conducere trebuie să fie mai complicat, de obicei cu un aranjament H-bridge (cu toate acestea există mai multe cipuri disponibile pentru a face acest lucru o simplă afacere). Există doi conductori pe fază, niciunul nu este comun.

Un model tipic de conducere pentru un motor de pas cu pas bipolar cu două bobine ar fi: A+ B+ A- B-. I.E. rotind bobina A cu curent pozitiv, apoi îndepărtând curentul de la bobina A; apoi acționând bobina B cu curent pozitiv, apoi îndepărtând curentul de la bobina B; apoi acționând bobina A cu curent negativ (polaritatea de răsturnare prin comutarea firelor, de exemplu, cu o punte H), apoi îndepărtând curentul de la bobina A; apoi acționând bobina B cu curent negativ (din nou, polaritatea se răstoarnă ca și bobina A); ciclul este complet și începe din nou.

Efectele statice de frecare utilizând o punte H au fost observate cu anumite topologii de antrenare.

Deoarece înfășurările sunt mai bine utilizate, ele sunt mai puternice decât un motor unipolar de aceeași greutate. Acest lucru se datorează spațiului fizic ocupat de înfășurări. Un motor unipolar are de două ori mai multă cantitate de sârmă în același spațiu, dar numai jumătate este folosit în orice moment, deci este eficient de 50% (sau aproximativ 70% din puterea de cuplu disponibilă). Chiar dacă un motor pas cu pas bipolar este mai complicat de comandat, abundanța modulelor de comandă face ca acționarea lor sa fie mult mai facilă.

Un motor pas cu pas de 8 conductori este ca un pas cu pas unipolar, dar conductorii nu sunt uniți la curentul intern al motorului. Acest tip de motor poate fi cablat în mai multe configurații:

Unipolar;

Bipolar cu înfășurări în serie. Aceasta oferă o inductanță mai mare, dar un curent mai mic per înfășurare;

Bipolar cu înfășurări paralele. Acest lucru necesită un curent mai mare, dar poate funcționa mai bine cu cât este redusă inductanța înfășurării;

Bipolar cu o singură înfășurare pe fază. Această metodă va executa motorul numai pe jumătate din înfășurările disponibile, ceea ce va reduce cuplul disponibil la viteză mică dar va necesita mai puțin curent;

Figura 34 Unipolar și Bipolar Stepper motor

Driver motorare pas cu pas

Performanța motorului pas cu pas depinde în mare măsură de conducerea circuitul. Curbele de cuplu pot fi extinse la viteze mai mari dacă stâlpii statorului pot fi inversați mai repede, factorul limitator fiind o combinație a inductanței de înfășurare. Pentru a depăși inductanța și pentru a comuta repede înfășurările, trebuie să creșteți tensiunea de antrenare. Aceasta conduce în continuare la necesitatea de a limita curentul pe care aceste tensiuni înalte pot altfel să îl inducă.

O limitare suplimentară, adesea comparabilă cu efectele inductanței, este EMF-ul motorului. Pe măsură ce se rotește rotorul motorului, se generează o tensiune sinusoidală proporțională cu viteza (viteză pas). Această tensiune AC este scăzută din forma de undă de tensiune disponibilă pentru a induce o modificare a curentului.

Circuitele driverului înainte și înapoi

Circuitele driverului de rotație înainte și înapoi sunt denumite și dispozitive de tensiune constantă deoarece se aplică o tensiune constantă pozitivă sau negativă la fiecare înfășurare pentru a seta pozițiile pasului. Cu toate acestea, este curentul de bobinaj, nu tensiunea care aplică cuplul la arborele motorului pas cu pas. Curentul I în fiecare înfășurare este legat de tensiunea aplicată V prin inductanța de înfășurare L și rezistența de înfășurare R. Rezistența R determină curentul maxim conform legii Ohm I = V / R. Inductanța L determină viteza maximă de schimbare a curentului în bobină conform formulei pentru o inductanță dI / dt = V / L. Astfel, atunci când este controlat de o unitate L / R, viteza maximă a unui motor pas cu pas este limitată de inductanța sa, deoarece la o anumită viteză, tensiunea U se va schimba mai repede decât curentul pe care îl pot ține pasul. În mod simplu, rata de schimbare a curentului este înainte și înapoi (de exemplu, o inductanță de 10 mH cu rezistență de 2 ohmi va dura 5 ms pentru a ajunge la aproximativ 2/3 din cuplul maxim sau aproximativ 24 ms pentru a atinge 99% din cuplul maxim). Pentru a obține un cuplu ridicat la viteze mari necesită o tensiune mare de antrenare cu o rezistență scăzută și o inductanță redusă.

Cu o unitate este posibil să se controleze un motor rezistiv de joasă tensiune cu o tensiune mai mare prin simpla adăugare a unui rezistor extern în serie cu fiecare înfășurare. Aceasta va pierde puterea în rezistoare și va genera căldură. Prin urmare, este considerată o opțiune de performanță scăzută, deși simplă și ieftină.

Modurile de conducere moderne de tensiune depășesc unele dintre aceste limitări prin aproximarea unei forme de undă de tensiune sinusoidală la fazele motorului. Amplitudinea formei de undă de tensiune este setată să crească cu viteza de trecere.

Aplicații ale motoarelor pas cu pas

Motoarele pas cu pas controlate de calculator sunt un tip de sistem de poziționare a mișcării. Acestea sunt în mod tipic controlate digital ca parte a unui sistem cu buclă deschisă pentru utilizare în aplicații de menținere sau de poziționare.

În domeniul laserelor și al opticelor, acestea sunt frecvent utilizate în echipamente de poziționare de precizie, cum ar fi dispozitivele de acționare liniare, etapele liniare, etapele de rotație, goniometrele și suporturile pentru oglinzi. Alte utilizări sunt în echipamentele de ambalare și poziționarea etapelor pilot de supape pentru sistemele de control al fluidelor.

Motoarele comercializate pe scară largă sunt utilizate în unități de dischetă, scanere plate, imprimante de calculator, plottere, mașini de joc, scanere de imagini, unități de disc compact, iluminare inteligentă, lentile de cameră, mașini CNC și, mai recent, în imprimante 3D.

Figura 35 Aplicație reglarea turației unui motor pas cu pas

Servo motoare

Figura 36 Micro servo motor SG90

Un servomotor este un sistem de acționare rotativ sau un sisitem de acționare liniară care permite un control precis al poziției, vitezei și accelerației unghiulare sau lineare. De asemenea, este nevoie de un controler relativ sofisticat, adesea un modul dedicat, proiectat special pentru utilizarea cu servomotoare.

Servomotoarele nu sunt o clasă specifică a motorului, deși servomotorul este adesea folosit pentru a se referi la un motor adecvat pentru a fi utilizat într-un sistem de control cu buclă închisă. Servomotoarele sunt utilizate în aplicații precum robotică, mașini CNC sau fabricarea automată.

Mecanism servo motoare

Un servomotor este un servomecanism cu buclă închisă care utilizează feedback-ul poziției pentru a-și controla mișcarea și poziția finală. Intrarea la controlul său este un semnal (fie analogic sau digital) reprezentând poziția comandată pentru arborele de ieșire.

Motorul este asociat cu un anumit tip de codificator pentru a furniza feedback-ul poziției și vitezei. În cel mai simplu caz, se măsoară numai poziția. Poziția măsurată a ieșirii este comparată cu poziția de comandă, intrarea externă către controler. Dacă poziția de ieșire diferă de cea necesară, se generează un semnal de eroare care face ca motorul să se rotească în ambele direcții, după cum este necesar pentru a aduce arborele de ieșire în poziția corespunzătoare. Pe măsură ce se apropie pozițiile, semnalul de eroare se reduce la zero și motorul se oprește.

Servomotoarele cele mai simple utilizează un senzor de poziție numai printr-un potențiometru și un control al motorului; motorul se rotește întotdeauna la viteză maximă (sau este oprit). Acest tip de servomotor nu este utilizat pe scară largă în controlul mișcării industriale, ci formează baza servoarelor simple și ieftine utilizate pentru modelele cu comandă radio.

Servomotoarele mai sofisticate utilizează encodere optice rotative pentru a măsura viteza arborelui de ieșire și un dispozitiv de turație variabilă pentru a controla turația motorului. Ambele aceste îmbunătățiri, de obicei în combinație cu un algoritm de control PID, permit servomotorului să fie adus la poziția comandată mai repede și mai precis, cu o mai mică depășire.

Acționare servo motoare

Modelul de motor nu este critic pentru un servomotor și pot fi utilizate diferite tipuri. La cele mai simple, sunt folosite motoare de current continuu cu magneți permanenți, datorită simplității lor și a costurilor reduse. Pentru servomotoarele industriale mari, motoarele de inducție de curent alternativ sunt utilizate în mod obișnuit, adesea cu transmisii de frecvență variabile pentru a permite controlul vitezei acestora.

Modulele de acționare pentru servomotoare sunt o componentă industrială standard. Designul lor este o ramură a electronicii de putere, bazată, de obicei, pe o punte trifazată MOSFET sau IGBT H. Aceste module standard acceptă ca intrări o singură direcție și numărul de impulsuri (distanță de rotație). Acestea pot include, de asemenea, caracteristici de monitorizare a temperaturii. Deoarece tipul de codificator, raportul capătului de angrenaj și dinamica generală a sistemului sunt specifice aplicației, este mai dificil să se producă controlerul global ca un modul universal și astfel sunt adesea implementate ca parte a controlerului principal.

Servo motore sau Motore pas cu pas

Servomotoarele sunt utilizate în general ca o alternativă de înaltă performanță față de motorul pas cu pas. Motoarele pas cu pas (Stepper) au o anumită capacitate inerentă de a controla poziția, deoarece au pași de ieșire încorporați. Acest lucru le permite adesea să fie utilizate ca un control al poziției în buclă deschisă, fără niciun encoder de feedback, deoarece semnalul lor de antrenare specifică numărul de pași de mișcare de rotire, dar pentru aceasta controlerul trebuie să "cunoască" poziția motorului pas cu pas la pornire. Prin urmare, la prima punere în funcțiune, controlerul va trebui să activeze motorul pas cu pas și să-l transforme într-o poziție cunoscută, de ex. până când activează un întrerupător de limită de capăt. Acest lucru poate fi observat la pornirea unei imprimante cu jet de cerneală; controlerul va mișca purtătorul cu jet de cerneală la extrema stângă și dreapta pentru a stabili pozițiile finale. Un servomotor va activa imediat la orice unghi pe care controlerul îl instruiește, indiferent de poziția inițială la pornire.

Lipsa de reacție a unui motor pas cu pas limitează performanța acestuia, deoarece motorul pas cu pas poate conduce numai o sarcină care este în limitele capacității sale, în caz contrar ratările sub sarcină pot duce la erori de poziționare, iar sistemul ar putea fi necesar să fie repornit sau recalibrat. Codificatorul și controlerul unui servomotor reprezintă un cost suplimentar, dar optimizează performanța sistemului global (pentru toată viteza, puterea și precizia) în raport cu capacitatea motorului de bază. Cu sisteme mai mari, în care un motor puternic reprezintă o proporție crescândă a costului sistemului, servomotoarele au avantajul.

În ultimii ani au crescut popularitatea în motoarele stepper cu buclă închisă. Acestea acționează ca servomotoare, dar au unele diferențe în controlul software-ului pentru a obține o mișcare ușoară. Principalul beneficiu al unui motor pas cu pas cu buclă închisă este costul său relativ scăzut. De asemenea, nu este necesar să se regleze controlerul PID pe un sistem pas cu pas cu buclă închisă.

Multe aplicații, cum ar fi mașinile de tăiat cu laser, pot fi oferite în două intervale, gama de prețuri reduse cu motoare pas cu pas și seria de înaltă performanță cu ajutorul servomotoarelor.

Driver motor UNL2003A

Figura 37 ULN2003A pini ieșire

ULN2003A este o serie de șapte tranzistoare NPN Darlington capabile să producă 500 mA, ieșire de 50 V. Dispune de diode flyback comune pentru comutarea sarcinilor inductive. Poate vin în ambalaje PDIP, SOIC, SOP sau TSSOP. Dinn aceeași familie sunt ULN2002A, ULN2004A, precum și ULQ2003A și ULQ2004A, concepute pentru diferite niveluri de intrare logică.

ULN2003A este similar cu ULN2001A (4 intrări) și ULN2801A, ULN2802A, ULN2803A, ULN2804A și ULN2805A, care diferă doar în nivelurile de intrare logică (TTL, CMOS, PMOS) și numărul de intrări / ieșiri (4/7/8).

ULN2003 driver este cunoscut pentru capacitatea sa de curent înalt, de înaltă tensiune. Driverele pot fi paralele pentru o ieșire de curent chiar mai mare. Chiar și mai mult, stivuirea unui cip deasupra altui, atât din punct de vedere electric cât și fizic, a fost făcută. În general, acesta poate fi utilizat și pentru interfațarea cu un motor pas cu pas, în care motorul necesită ratinguri ridicate care nu pot fi furnizate de alte dispozitive de interfațare.

Specificații principale:

Curent colector nominal 500 mA (ieșire unică);

Ieșire de 50 V (există o versiune care acceptă o ieșire de 100 V);

Include diode flyback de ieșire ;

Intrări compatibile cu TTL și 5-V CMOS logică;

Asamblare Eggbot

a) Prima dată atașam pe suportul de jos placa Arduino si cele două drivere UNL2003A pe care le fixăm cu 4 șuruburi.

Figura 38 Asamblare suport inferior

b) După fixarea plăcii Arduino și a driverelor le interconectăm cu ajutor unor fire.

Figura 39 Conectarea plăcuței Arduino si a driverelor cu ajutorul firelor

c) Asamblarea brațului de fixare a corpului. Acesta se compune din 2 rulmenți, un arc,o bucată silicon, o tija și corpul de susținere.

Figura 40 Asamblare braț fixare corp

d) Asamblarea corpului care susține motorul pas cu pas care ajută la rotirea corpului.

Figura 41 Asamblare corp susținere motor

e) Asamblarea brațului mobil. Acesta se compune dintr-un corp pe care este atașat motorul pas cu pas, un corp pe care este atașat servo motorul și un corp pe care se prinde instrumentul de printat (marker, creion etc.).

Figura 42 Asamblare braț mobil

f) Fixarea pe carcasa superioară a brațului de fixare si a brațului mobil.

Figura 43 Asamblare suport superior

g) Conectarea firelor de la motoarele pas cu pas la drivere si conectarea servo motorului la placuța Arduino.

Figura 44 Conectarea tuturor firelor

h) Fixarea carcasei superioare si a celei inferioare de cele 2 capete de susținere și prinderea lor in șuruburi.

Figura 45 Prinderea si fixarea carcaselor

Concluzii

În concluzie, acest proiect "Sistem tridimensional pentru desenarea pe corpuri sferice" este un proiect amplu care îmbină multe dintre cursurile si informatiile dobândite în acești ani.

Încă de la începutul acestui proiect am fost convins că pentru realizarea acestuia va fi nevoie de foarte multe ore de muncă, cercetare în domeniu și de foarte multe încercări pentru finalizarea acestei sarcini. Deși a fost primul meu contact cu o astfel de structură robotică, am reușit să realizez un robot funcțional.

Prin realizarea acestui proiect am avut foarte multe de învățat deoarece aici a fost primul meu contact cu programul Inkscape și a fost nevoie să învăț de la comenzile de bază, până la modul de instalare al aplicațiilor și folosirea acestora. Fiind prima pornire a acestei structuri au aparut si mici probleme neașteptate cum ar fi lipsa informațiilor, lipsa comunicării cu structura etc.

În realizarea aplicației există și puncte minus cum ar fi faptul că piesle imprimate la imprimanta 3D nu sunt foarte exacte, de aceea imprimarea obiectului poate fi ușor neclară.

În încheiere, vreau să adaug că proiectul a adus cu el plăcerea de a lucra și studia pentru finalizarea obiectivului propus, precum și încrederea că pe viitor mă pot gândi și la alte proiecte chiar cu un grad de complexitate mai ridicat.

Bibliografie

1. Mircea Ivănescu, Sisteme avansate de conducere în robotică, Editura Scrisul Românesc, Craiova, 1994.

2. Ivănescu, M. – Roboți industriali, Ed. Universitaria Craiova, 1994.

3. Ivănescu, M. – Sisteme de conducere a roboților, Ed. Scrisul Românesc,Craiova, 2007.

4. Nițulescu, M., Sisteme robotice educaționale, Ed. Sitech, 1999.

6. Nițulescu, M., Sisteme robotice cu capacitate de navigație, Ed.Universitaria, 2002.

7. Liptak, Bela G. (2005). Instrument Engineers' Handbook: Process Control and Optimization. CRC Press. p. 2464.

8. Tarun, Agarwal. "Stepper Motor – Types, Advantages & Applications".

9. Bennett, Stuart (1986-01-01). A History of Control Engineering, 1800–1930. IET. pp. 98–100.

10. G. W. Younkin, Industrial Servo Control Systems – Fundamentals and Applications – Second Edition, Taylor and Francis, 2007.

11. Excell, Jon. "The rise of additive manufacturing". The Engineer. Retrieved 30 October 2013.

12. "Most used 3D printing technologies 2017–2018 | Statistic". Statista. Retrieved 2 December 2018.

Referințe web

https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino

https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric

https://ro.wikipedia.org/wiki/Inkscape

http://www.acelectric.ro/servomotoare.html

What is an EggBot?

History of the EggBot

https://apollo-frankfurt.akamaized.net/v1/files/gj4h7hdyxtez2-RO/image;s=644×461

https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing#Printers

https://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor

https://en.wikipedia.org/wiki/Servomotor

https://en.wikipedia.org/wiki/ULN2003A

https://apollo-frankfurt.akamaized.net/v1/files/akompv90bad21-RO/image;s=644×461

https://microcontrolere.files.wordpress.com/2014/12/arduino-ide.jpg

https://reader008.staticloud.net/reader008/html5/20180917/55cf9a2f550346d033a0c48a/bg1.png

https://i1.wp.com/www.circuitspecialists.com/blog/wp-content/uploads/2012/01/bipolar-vs-unipolar-stepper-motors-circuit-specialists-blog.gif?resize=451%2C305&ssl=1

https://www.robofun.ro/arduino/arduino_leonardo_compatibil

https://www.robofun.ro/arduino/arduino_mega_compatibil

https://www.robofun.ro/arduino/arduino_uno_r3_compatibil

https://www.robofun.ro/arduino/arduino-due

https://www.robofun.ro/arduino/arduino_micro

https://en.wikipedia.org/wiki/Johannes_Gutenberg

http://freshprint.ro/images/utilaj-tipografie-flyere-bucuresti.jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/Typography

https://en.wikipedia.org/wiki/Screen_printing

https://ro.wikipedia.org/wiki/Gravur%C4%83

https://www.samdam.ro/blog/2016/08/11/gravarea-tehnica-de-personalizare-a-promotionalelor-cu-rezultate-durabile-in-timp/

https://elephantmedia.ro/wp-content/uploads/2018/05/Gravura-laser-durabilitate-%C3%AEn-timp-%C8%99i-acurate%C8%9Be-lucr%C4%83rilor.jpg

https://adius.ro/misc/graphic-app/index.html

https://i.ytimg.com/vi/cKbK2G-ELWI/maxresdefault.jpg

https://3d4all.ro/wp-content/uploads/2016/06/3d-printing.jpg

https://i.ytimg.com/vi/_bjBE690qNY/maxresdefault.jpg

CODUL SURSĂ

#include "AccelStepper.h" //

#include "VarSpeedServo.h" //

#include "SerialCommand.h" //

#include <avr/eeprom.h>

#include "button.h"

#define initSting "EBBv13_and_above Protocol emulated by Eggduino-Firmware V1.x"

#define BOARD_ULN2003

//#define BOARD_ZAGGO

//#define BOARD_CNCSHIELD

#ifdef BOARD_ULN2003

// Mini Spherebot using 28BYJ-48 Steppers with ULN2003 Drivers

// http://www.thingiverse.com/thing:1461709

#define rotMicrostep 16

#define penMicrostep 16

#define servoPin 13

#define engraverPin 12

// These values work for my 28BYJ-48's, Your's might

// be different and may need adjustment.

#define rotStepsPerRev 4096

#define penStepsUseable 1100

//Buttons (uncomment to enable)

//#define prgButton 2 // PRG button

//#define penToggleButton 12 // pen up/down button

//#define motorsButton 4 // motors enable button

#endif

#ifdef BOARD_ZAGGO

//Zaggo SphereBot design: http://pleasantsoftware.com/developer/3d/spherebot/

//Rotational Stepper:

#define step1 11

#define dir1 10

#define enableRotMotor 9

#define rotMicrostep 16 //MicrostepMode, only 1,2,4,8,16 allowed, because of Integer-Math in this Sketch

//Pen Stepper:

#define step2 8

#define dir2 7

#define enablePenMotor 6

#define penMicrostep 16 //MicrostepMode, only 1,2,4,8,16 allowed, because of Integer-Math in this Sketch

//Servo

#define servoPin 3

#define engraverPin 5

//Buttons (uncomment to enable)

//#define prgButton 2 // PRG button

//#define penToggleButton 12 // pen up/down button

//#define motorsButton 4 // motors enable button

#endif

#ifdef BOARD_CNCSHIELD

//CNC Shield: http://blog.protoneer.co.nz/arduino-cnc-shield/

//Rotational Stepper: ("X")

#define step1 2

#define dir1 5

#define enableRotMotor 8

#define rotMicrostep 16 //MicrostepMode, only 1,2,4,8,16 allowed, because of Integer-Math in this Sketch

//Pen Stepper: ("Y")

#define step2 3

#define dir2 6

#define enablePenMotor 8

#define penMicrostep 16 //MicrostepMode, only 1,2,4,8,16 allowed, because of Integer-Math in this Sketch

//Servo

#define servoPin 12 // "SpnEn"

#define engraverPin 13 // "SpnDir"

//Buttons

#define prgButton A0 // PRG button ("Abort")

#define penToggleButton A1 // pen up/down button ("Hold")

#define motorsButton A2 // motors enable button ("Resume")

#endif

//––––––––––––––––––––––––––––––––––––

#define penUpPosEEAddress ((uint16_t *)0)

#define penDownPosEEAddress ((uint16_t *)2)

#define penUpRateEEAddress ((uint16_t *)4)

#define penDownRateEEAddress ((uint16_t *)6)

void setprgButtonState();

void doTogglePen();

void toggleMotors();

void makeComInterface();

void initHardware();

void moveOneStep();

//make Objects

#ifdef BOARD_ULN2003

AccelStepper rotMotor(AccelStepper::HALF4WIRE, 2,4,3,5, true);

AccelStepper penMotor(AccelStepper::HALF4WIRE, 8,10,9,11, true);

//AccelStepper penMotor(AccelStepper::HALF4WIRE, 2,4,3,5, true);

//AccelStepper rotMotor(AccelStepper::HALF4WIRE, 8,10,9,11, true);

#else

AccelStepper rotMotor(1, step1, dir1);

AccelStepper penMotor(1, step2, dir2);

#endif

VarSpeedServo penServo;

SerialCommand SCmd;

//create Buttons

#ifdef prgButton

Button prgButtonToggle(prgButton, setprgButtonState);

#endif

#ifdef penToggleButton

Button penToggle(penToggleButton, doTogglePen);

#endif

#ifdef motorsButton

Button motorsToggle(motorsButton, toggleMotors);

#endif

// Variables… be careful, by messing around here, everything has a reason and crossrelations…

int penMin=0;

int penMax=0;

int penUpPos=5; //can be overwritten from EBB-Command SC

int penDownPos=20; //can be overwritten from EBB-Command SC

int servoRateUp=0;

int servoRateDown=0;

long rotStepError=0;

long penStepError=0;

int penState=penUpPos;

uint32_t nodeCount=0;

unsigned int layer=0;

boolean prgButtonState=0;

uint8_t rotStepCorrection = 16/rotMicrostep ; //devide EBB-Coordinates by this factor to get EGGduino-Steps

uint8_t penStepCorrection = 16/penMicrostep ; //devide EBB-Coordinates by this factor to get EGGduino-Steps

float rotSpeed=0;

float penSpeed=0; // these are local variables for Function SteppermotorMove-Command, but for performance-reasons it will be initialized here

boolean motorsEnabled = 0;

//float rotScale = (float)rotStepsPerRev / 3200.0;

//float penScale = (float)penStepsUseable / 800.0;

void setup() {

Serial.begin(9600);

makeComInterface();

initHardware();

}

void loop() {

moveOneStep();

SCmd.readSerial();

#ifdef penToggleButton

penToggle.check();

#endif

#ifdef motorsButton

motorsToggle.check();

#endif

#ifdef prgButton

prgButtonToggle.check();

#endif

}

CD / DVD

Autorul atașează în această anexă obligatorie, versiunea electronică a aplicației, a acestei lucrări, precum și prezentarea finală a tezei.