多组分输送机

多组分输送机分配器的实现

在当前的文章中，我想展示一种自动的多组分物质输送机自动分配器的可能实现方式，并分享我的经验。 最初的技术任务非常简单，包括4个并行的计量通道，这些通道由按钮和PC软件通过USB控制。 主要成分是相当粘稠的液体-丙二醇，香料，甘油等。 最后的设备应该位于员工工作的办公室-即 尽可能安静。 每个剂量通道的设计应尽可能简单并且成本最低。 乍看之下，一切看起来都非常简单，但是随着项目的发展，规格也随之增加，结果，出现了整个输送机配料机。 这样的话题对谁来说有趣-我要猫。 这篇文章使用了大量的文本信息，图像和素材。

入门部分和主要原型

首先，对现有解​​决方案进行监视，包括现成的现成的自动加液站以及单个手持式设备和单元。 由于我以前没有处理过此类主题，因此我建议在食品和医疗行业中也存在类似的任务。 找到了这样的解决方案，但是由于多种原因，它们不适合。 在食品工业中，它们处理的体积较大，在当前任务中，指定的框架范围为100毫升。 最高1升 这种系统的成本非常高。 在医疗行业中有合适的解决方案，但是成本很高。 所有这些解决方案都有一个缺点-每个通道都是功能齐全的设备，并且仅针对一个组件进行设计。 当然，您可以在更换物质时实现用蒸馏水冲洗通道，但是在调味后要清洗所有东西非常困难。 他们使用了大约40件。 如果为每个组件选择一个单独的通道，那么最终设计将具有巨大的规模和巨大的成本。

还有一种通用解决方案-使用蠕动泵。 它们采用不同的设计，不同的精度和进给速度。 最优选的是使用步进电机和硅胶管更换夹具的泵。 但是，配量剂的体积可以从0.1毫升变化。 最多10毫升。 精度很高。 因此，在更换不同直径的软管时，无需重新配置夹具或校准即可使用厚硅胶管和薄硅胶管。 从结构上讲，这并非在所有泵中都可用。 是的，可靠性较低的带有控制电子设备的中国蠕动泵也不便宜。

由于我对类似设备没有实际经验，因此我决定开发自己的分配器通道。 我必须马上说，在实施该项目之后，已经对流程有一定的经验和理解，获得了使用3D打印和所用物质的物理特性的经验，因此使用自己设计的蠕动泵会更加合理。 这将大大简化最终设计，减少加料时间和每个通道更换物质的时间。 但是，只有经过大量时间，精力和经验的积累，所有这些才变得显而易见。

作为最简单，最准确的加药装置，采用了传统的医用注射器。 工作单元是一台旧式矩阵打印机的简单步进电机。 紧定套是用一根厚软管和一个M5螺母制成的。 5ml注射器。 由铝角固定。 引擎通过L298N驱动程序连接到基于AT91SAM7SX256微控制器的调试板，该调试板通过USB连接到PC。



开发了简单的C ++软件，用于通过USB连接，加载分配器预设，控制和校准每种使用的注射器类型的每个通道。



经过长时间的系统测试，当前任务和所使用的方法的许多方面都变得清晰起来。 首先，不可能用一个注射器确保所有数值范围的高剂量精度。 必须使用1、5、10、20、50毫升的注射器。 由于混合过程中物质的布局可能在成分和剂量方面发生很大变化，因此最终模块必须能够更换带有软管和固定尖端的注射器。 其次，很明显，物质收集的速度很大程度上取决于其粘度，使用快速而强大的步进电机根本没用。 第三，使用不同类型的注射器达到所需的剂量量具有很高的准确性。 但是事实证明，这种模块的设计非常不可靠-M5上的不锈钢螺母迅速消失，并开始跳过发动机的操作步骤。 而且，即使不断使用硅脂，铝制拐角所走过的聚合物基也会随着时间而变形。 根据结果​​，决定将这种方法与注射器和步进电机一起使用，并以不同的方式实现分配器通道的机械原理。

第一版多通道点胶机的实施

事实证明，在我的外围城市中，最常见，价格适中且非常便宜的组件是为3D打印机的技工准备的。 这些是滚珠丝杠副，带轴承的导向器和支架。 最初，我决定使用一个导向器和滚珠丝杠来减小分配器通道的宽度。 但是经过一段时间的发展，出现了振动。



我还开始尝试为分配器通道的底部使用各种材料，以减少总体振动并降低噪音，但同时又要有足够的刚度。 我尝试了两种聚合物基料，厚胶合板以及不同厚度的铝板。 用10毫米厚的玻璃纤维可获得最好的结果-它具有良好的刚度并能抑制大多数振动。 还决定使用两个指南。



为了减小分配器通道的尺寸，将步进电机移至底座的下部，并用皮带制成传动装置。 它还简化了电动机相对于滚珠丝杠的定位，并减少了振动。





然后，我开始实施具有更换注射器功能的固定器。 当时使用的是手工具-铝角，一块2 mm厚的铝板，不锈钢紧固件以及大量使用钢锯，锉刀和螺丝刀的手动作业。 另外，在步进电机上放置了一个用于增加齿数的皮带轮，以提高推动器的运动速度。 1ml以下一个模块的最终视图。 注射器如下所示。





对于控制电子设备，选择了AT91SAM7X128微控制器。 它具有大量的输入/输出线，一个USB端口，在调试器上为其实现的固件，并且在上一个项目之后就可以使用，就像大多数组件一样。 为了控制步进电机，使用了L298N驱动器。 控制板提供了一个按钮的连接以及每个通道的两个LED的连接。 24V电机的电源电压。 驱动器位于电路板的最边缘，可以紧贴铝盒的侧壁。 该板由JLCPCB制造。







组装了用于泵送物质的测试台。 经过几次启动和长时间停机后，硅胶软管系统中开始形成气泡，这是不可接受的。 为了消除这一点，使用了更昂贵的止回阀，使软管的长度最小化，使用了较小直径的软管以与注射器更紧密地连接。

使用3D打印和3D建模

分配器通道的当前实施方式对此工作没有任何抱怨，但是需要大量的精力来制造夹具。 而且注射器的夹具必须制成1、5、10、20、50毫升以下。 和所有四个渠道。 最初，我计划提供这些夹具的一部分，以便用机器进行激光切割和弯曲。 但是在测试实例的制造中，由于计算中的误差为1-1.5毫米，因此我将所有细节重做了3次。 导致注射器没有紧紧握住，活塞开始弯曲，结果导致剂量精度不稳定。 多次订购激光切割零件并不便宜且快速。 然后是时候熟悉3D打印技术了。 用于铝的激光切割和弯曲的预算金额足以购买Grabber i3 3D打印机的零件。 购买了所有必要的零件，然后开始了组装，调试和刷新打印机的过程。





组装和设置工作后，我开始研究3D建模。 一段时间后，我意识到为开发人员使用3D打印机实际上带来了无限的可能性。 任何非标准的紧固件，夹具，闩锁，电子设备盒，复杂的预制结构-所有这些都变得易于访问，并在开发人员忙于其他任务时自动实现。 开始寻求在塑料类型，打印速度和质量，耐用性，填充物等之间做出折衷。



对于所有零件，均使用ABS塑料。 对于较简单的零件，以便宜的价格购买塑料，对于较大和较精密的零件，则分别使用更昂贵的塑料。 为了固定注射器，开发了闩锁，根本不可能用铝来实现。 夹具尺寸针对每种类型的注射器进行了优化。 测试零件已印刷，第一个原型固定器已组装并正常工作。 为了停止推动器的运动，使用了霍尔传感器和带磁铁的可调支架。





组装好的测试通道分配器的总体视图采用以下形式：







在为所有类型的注射器开发零件之后，为其余三个通道订购了零件，并开始打印夹具零件。





在组装并校准了所有四个通道的机械结构后，得出了分配器的以下视图和大致尺寸：







一切准备就绪，可以将通道安装在铝型材的通用框架上，铺设电线并安装电子设备，但是客户对项目的职责范围进行了调整。 首先，在更换注射器类型或更换物质本身时，尽量减少物质的消耗。 在当前的实现中，首先，该物质是通过硅胶软管和止回阀从大罐中取出的，然后将物料排放到第二止回阀和尖端。 在加药之前，必须完全填充所使用的系统，并且在更换时将其倒回储罐或倒入工作罐中。 这在经济上是不合理的，需要额外的时间浪费，并且还增加了污染工作场所的可能性。 其次，考虑到使用3D打印提高分配器通道的组装速度，请增加5个附加通道并将它们全部组合到一个输送机中。 此实现完全涵盖了混合物质的所有可能选项。 乍一看，这些更改并不重要，但是为了实现它们，我不得不完全重做该项目。

第二种选择多通道点胶机的实施

为了避免在硅胶软管和阀门系统中填充某种物质，决定制造一种具有可互换尖端的气动系统。 将所需体积的尖端浸入装有该物质的容器中，进行围栏，然后将尖端移至广口瓶中进行混合，并进行排放。 该物质没有进入硅胶软管，没有止回阀，并且在更换材料时仅更换尖端就足够了。 为了将尖端固定在带有物质的容器中，采用了液体接触传感器。 它由连接到逻辑元件K176LA9的2个薄不锈钢触点组成。



为了在装有物质的容器和易拉罐之间移动吸嘴，开发了一种操纵器，该操纵器使用了2个伺服器和一个带闩锁的基座。



所开发的输送机的总体设计包括2个带有分配器通道的臂，一个装满罐子的活动部分的单元，2个带尖端的操纵器和2个带物质的容器下方的夹具的隔间。 带有分配器通道和机械手的肩部彼此相对放置，并且在它们之间有一个带有活动部分的块。



这样的实现使得可以一次给每罐添加2种物质。 在最小化结构的所有可能尺寸之后，获得以下形式的铝框架：



下一步是开发已装满罐的活动部分。 该部分设计用于10罐，由步进电机通过两端固定的皮带驱动。 截面的移动是通过6对锥形滚轮沿着铝制框架的外边缘移动来实现的。 每个辊在移动部分的侧面都装有轴承。 该部分的底部由铝制成，并通过机架固定。 为皮带驱动装置提供了支撑辊和张紧器。 该部分的所有详细信息也都在3D打印机上打印。



然后，对装有物质的容器实施了可调节的夹具：





在开发了自动多组分物质输送机分配器的所有部分之后，获得了以下一般视图：

输送机控制电子

实施用于控制电子设备的输送机时，要求也发生了变化：
-增加了控制4个伺服器的需求；
-对装满的罐子的运动部分的步进电机进行控制，并查询该部分的位置传感器；
-询问与液体接触的传感器；
-询问已安装模块的识别传感器（4个霍尔传感器-16个可能的模块）；
-控制9个频道。

基于以上更改，无法使用多个先前开发的4通道控制电子模块。 决定为每个通道开发一个通用通用模块，并使用RS485协议将它们集成到网络中。 结果，每个模块必须包括2个伺服器的控制，步进电机控制，轮询5个霍尔传感器（4个用于插入式模块和1个用于停止推动器），轮询液体接触传感器，轮询2个时钟按钮，控制3个LED，通过RS485设置设备地址和数据传输模块。 控制微控制器为ATmega8A，步进电机驱动器为DRV8825，RS485数据传输模块为HW-0519。 步进电机的电源电压为-24V，逻辑为5V。 该板由JLCPCB制造。







对于控制电子设备，还设计了用于3D打印的外壳。 铝板安装在外壳盖上，用作步进电机驱动器的散热器。 使用热垫来接触板和驱动器。 密封电缆入口用于连接传感器，控制线和电源线。 所有连接都另外密封。 外壳中有一个控制电子板，一个电压转换器和一个带有用于液体接触传感器的逻辑芯片的板。 所有板均涂有聚氨酯清漆。

多通道输送机的生产

设计完成后，便开始了各个输送机模块的制造，组装和调试阶段。 最初，打印缺少的组件，并组装所有分配器通道。 然后，切割铝型材，并焊接由2个台肩和一块移动部分组成的输送机框架。







组装的下一个阶段是带有技巧的操纵器。 尖端的所有组件都可折叠，并安装在闩锁上。 这大大简化了提示的更改。





组装过程中劳动强度最大的阶段之一是灌装罐的活动部分。 印刷零件必须进行加工，彼此紧紧调整并组装在一起，切出铝制底座并固定在该部分上，以调整圆锥形滚子的位置，以便在铝制框架上均匀定位，安装步进电机，驱动器，带电子设备的气密盒，导板和皮带张紧器，以及该部分的一组位置传感器（初始位置，物质供应，位置-丙二醇，位置-甘油，最终位置）。 当前模块选择了功能更强大的步进电机。 步进电机驱动器是TB6600。







为了减少振动，所有紧固件也都打印在3D打印机上。 经过所有校准后，活动隔间与铝制框架肋之间的距离不超过1-2毫米。








使用3D打印的可能性和范围令人印象深刻-除了所有注射器固定器，电子设备和发动机支架，带PCB的电子设备盒，橡胶垫圈外，还打印和组装了整个部分。组装输送机的最后一个组件是一个用于传感器的夹具：4个用于检查安装夹具类型的传感器和一个用于连接推杆停止传感器的连接器。



其余的电子设备包装盒也被预压，然后我进行了机械手单个肩膀的最终组装。





组装并安装第一个模块后，进行测量，并准备所有需要长度的电线，并安装连接器。



在安装了电源和其余模块之后，将电源线，传感器和通信电缆铺设​​好，并将它们堆叠在盒子中并固定在框架上，下面是其中一个肩部的视图：










组装好两个臂，校准所有通道，选择部分的位置和传感器的位置，铺设硅胶软管的所有电缆和系统之后，自动传送带多组分分配器的最终形式为：

软件实施

输送机软件还使用C ++进行了新开发，包括处理带有预设的文件，动态显示所有分配器通道，机械手和移动部分，指示容器中的物质水平，显示统计信息并调整所有单位。



软件根据所选预设进行必要的设置。如果安装了错误的模块，或者完全不存在，则会出现指示和相应的消息。当储罐中的物质水平达到临界值时，也会发生警告。还计算了发动机的失步数，当值超过设定的限制时，将发出一条消息，指出通道号及其维护需求。单元的设置可以校正计量电机的步长值，更改机械手的位置，检查传送带的中间条件，检查传感器的操作，所用物质的量，成品以及操作过程中的错误。

结论

这个项目是我在业余时间从主要工作中开发的，从初稿到调试大约用了一年的时间。经过调试和一些累积的时间后，当前实现的限制变得显而易见。即使在安装了精确的伺服器之后，机械手尖端的定位误差仍显着降低，但考虑到设计肩部，该误差仍然很大。在当前形式下，输送机只能填充大罐。我看到了两种解决此限制的方法：第一种方法是向操纵器添加水平移动轴，并在装有物质的容器和装满的广口瓶中实现尖端的垂直浸入；第二个是改变通道分配器本身，已经通过蠕动泵实现了这一点，该蠕动泵具有多个可调节的闩锁，用于不同直径的硅胶软管。如果我再次重复这种设计-我将使用分配器通道的第二个实施例。对于每个通道使用通用蠕动泵，我不仅可以将加药速度提高一倍，而且还可以将倾斜的尖端牢固地固定在可动部分上，并避免了机械手的复杂运动。还可以使用一个大型通用蠕动泵和用于每个分配通道的一组自动闩锁，使用几种类型的硅胶软管，以及用于可再装罐的鼓组。但是，正如我在本文开头所写的那样，所有这些决定，只有在实施多组分输送机配料机中获得经验后，才能变得显而易见。

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