Daljinski kontrolisan kran

Ovo je bilo potpuno neočekivano – moj drug ima prijatelja koji ima još jednog prijatelja kome su potrebne bežične kontrole za njegov bager.

Samo mi je to trebalo da čujem, odmah sam bio zainteresovan. Projekat ne samo da zvuči veoma zanimljivo, već i izazovno, a taj bager izgleda ovako:

Više se radi o kranu nego o bageru, ali to meni ne menja ništa. Bitni zaključci iz videa su da postoje 6 kontrola, zapravo ručice koje se pomeraju gore-dole, što bar zvuči jednostavno. Evo kako sam mislio da to napravim:

Metode:

1. Pneumatska/hidraulička
2. Električni linearni aktuatori
3. Motori sa odgovarajućim sistemom zupčanika

Pre nego što počnem da objašnjavam kako bi sistemi izgledali, prvo ću navesti koje karakteristike očekujem od ovog sistema:

Karakteristike:

• Bezbedan

Mogućnost ručnog upravljanja

Sigurnosni prekidači

Sigurnost prenosa signala bez prekida i smetnji

Vracanje u pocetan polozaj u slučaju gubitka energije

• Otporan na udarce i vlagu

Pneumatika/hidraulika

Pneumatika koristi vazduh, dok hidraulika koristi tečnosti.

Ova metoda mi je prva pala na pamet zato što mi je zvučala najjednostavnije. Koristila bi cilindre koji bi pomerali ručice. Za one koji ne znaju, cilindri izgledaju ovako:

Cilindri su veoma jednostavni za upravljanje – kada postoji pritisak sa jedne strane, on pomera klip cilindra na drugu stranu. Takođe, kada se protok fluida zaustavi, cilindar ostaje fiksiran u tom položaju. Obično se koriste sa kompresorom ili pumpom, ali u ovom slučaju bih ih koristio u tzv. closed-loop konfiguraciji, gde su cevi napunjene fluidima i sistem je zatvoren.

Montirani sistem bi izgledao ovako:

Bitno je napomenuti da su ručice ugrađene direktno u ventil, što znači da nije moguće samo zameniti hidraulicke ventile za elektro-hidraulicke. Takođe, potrebno je primeniti određenu silu da bi se ručica pomerila. Međutim, ta sila nije konstantna tokom celog procesa, već postepeno raste u zavisnosti od položaja ručice. Zašto je to bitno? Biće vam jasno kad pokažem sledeće:

Ovako bi izgledala šema povezivanja sistema. Imali bismo ventil koji bi služio za promenu položaja i pomeranje cilindra, ali bismo koristili i senzor pritiska. Ako znamo koliki je pritisak, možemo otprilike znati i kolika je potrebna sila, što znači da možemo proceniti položaj ručice u prostoru – što je odlično.

Za one koji se pitaju zašto bi mi bio potreban položaj ručica u prostoru, razlog je jednostavan – svaki položaj ručice odgovara različitoj brzini, što je važno za kontrolu sistema.

Naravno, ovo sve lepo zvuči u teoriji, ali u praksi ništa ne garantuje da će pritisak biti različit na različitim pozicijama. Ipak, to zavisi od samog sistema, i moguće je implementirati kalibraciju pritiska/položaja radi preciznijeg upravljanja.

Mane:

• Otežano praćenje tačne pozicije

Prednosti:

• Otporno na spoljašnje uticaje – industrijske komponente
• Bezbedno – mogućnost ručnog pomeranja ventila za promenu položaja
• Relativno jeftine komponente
• Lako montiranje

Bas to otezano pracenje pozicije je velika mana i zbog toga nisam ni odabrao ovaj sistem. Prenego sto nastavim za one koje interesuje kolika sila bi bila potrebna napravio sam ovu skicu:

Električni aktuatori

Električni aktuatori se stalno koriste u robotici. To su motori koji obično imaju ugrađen neki sistem za povećanje izlazne snage motora. U našem slučaju, razmatraćemo samo linearne aktuatore koji izgledaju ovako:

Mudar čovek bi rekao da ovo izgleda isto kao cilindar, i ne samo da izgleda vec ima i istu funkcionalnost, jedina razlika je u tome što ga pokreće električni motor zajedno sa zupčanicima za prenos snage.

Znači, način implementacije je isti kao kod cilindra, a sjajna stvar je to što koristi elektromotor, što znači da se može ugraditi enkoder za precizno praćenje položaja sistema.

Enkoder je zapravo uređaj koji šalje signal mikrokontroleru na osnovu određenog stepena rotacije, što znači da sistem može pratiti rotaciju.

Takođe, ovakvi aktuatori se lako mogu pronaći sa svim potrebnim karakteristikama, ali jedna mana je što u srži koriste navojnu šipku uz zupčanike, što je sistem poznat kao pužni prenos snage.

Jedna karakteristična stvar kod ovog prenosa je što je kontaktna površina između zubaca velika, pa je prenos snaga pri prenosu veoma velika. Međutim, to je i mana jer želimo da možemo da pomeramo sistem kada je neaktivan, što je sa ovim prenosom skoro nemoguće.

Zato uvodimo novi pojam, a to je sistem kvačila. Svi znamo da kvačilo u automobilu služi da odvoji pogonski deo od točkova. Takav sistem je potreban i ovde, kako bi ručice mogle da se vrate u početni položaj kada sistem nije aktivan. Iako bi to bilo idealno rešenje, cena takvog sistema u ovakvom aktuatoru bila bi između 80$ i 100$ što je van budžeta, pa idemo dalje.

Pomeranje zupčanika uz pomoć motora

Ova metoda je malo komplikovanija slična je aktuatoru, ali ja biram njegove delove ručno. To je s jedne strane dobro jer mogu da sklopim sistem tačno prema specifikacijama, ali s druge strane loše, jer nemam uslove da napravim tako nešto, a da ne zaboravimo sistem mora biti vodootporan.

U svakom slucaju ideja izgleda ovako:

Ova metoda takođe ima svoje mane. Motor mora biti vrlo specifičan, sposoban za precizno pomeranje i ručno upravljanje, što je iz nekog razloga teško naći. Evo nekoliko opcija koje su se pojavile tokom pretrage pravog motora:

Servo motor

Servo motori su poznati nekima, a nepoznati drugima. U suštini, sadrže enkoder (obično apsolutni), motor i reduktor u jednom pakovanju. Mikro-kontroler komunicira sa motorom preko pozicije, npr. može mu zadati da ode na 180 stepeni i zadrži tu poziciju.

Problem sa servo motorima je što se često pojavi nešto ovako na Aliexpressu...

Teoretski, ovo zadovoljava sve moje potrebe, ali je nemoguće postići sve to u tako malom formatu. Mislim snaga od 160 kg može podići čoveka, a dimenzije ovog uređaja su manje od šake.

Motor za prozore u automobilima

Zvuči nelogično, zar ne? Ali pazite ovo – dolaze sa dovoljno velikom snagom da pomeraju ručicu. Neki modeli čak imaju ugrađen Hallov senzor koji funkcioniše kao enkoder, a većina su i vodootporni. Dakle, praktično servo motor, ali u više koraka.

Zašto onda njih ne koristim?

Iako su na prvi pogled jeftini (1500-3000 dinara), kad se doda poštarina, cena postaje dvostruko veća. Pored toga, motor radi na svojoj maksimalnoj snazi, što smanjuje njegovu dugotrajnost i pouzdanost.

I kao i najbitnije sam pojam pomeranja rucica van rada sistema ostaje samo pojam.

Stepper motori / koračni motori

Koračni motori su poznati po korišćenju u CNC mašinama i 3D štampačima zbog svoje preciznosti. Oni su toliko precizni da enkoder nije potreban, jer znamo tačnu poziciju bez dodatnog senzora.

Zašto su toliko precizni?

Koriste tehnologiju "magnetnih zupčanika" – elektromagneti privlače i odbijaju zube, omogućavajući motoru da se kreće korak po korak..

Zbog toga su odlični jer nema napona kada motor ne radi, što omogućava ručici da se vrati u početni položaj.

Prednosti:

• Veoma precizan rad bez enkodera
• Bezbedan zbog principa rada
• Lako je nabaviti vodootporne modele

Mane:

• Snaga nije adekvatna za pomeranje poluge

Industriski motori dizajnirani baš za ovo

Šta je fora kod njih? Pa ništa, ovi motori su gotovo savršeni za ovaj projekat.

Prednosti:

• Ugrađen Hall senzor
• Velika snaga
• IP68 zaštita (visoka otpornost na vodu i prašinu)
• Dolaze sa svom opremom za kačenje i kvačilom

Mane:

• Cena

Kvačilo znači da, kada motor radi, generiše neku silu/snagu, a kada je isključen, ta sila ili nestaje ili se znatno smanjuje.

Mislim, cena nije ni toliko visoka. Našao sam ih na Alibabi, jedna kutija od 6 komada košta 260$, što se na prvi pogled čini mnogo, ali to je 6 perfektnih motora koji ne postoje nigde drugde. I plus, kada se računa po komadu, to je oko 43$, što je sasvim prihvatljivo. Naravno, tu je i dodatna poštarina od 300$, što na kraju izađe oko 59,710 dinara samo za motore.

Zaključak

S obzirom da ne postoji adekvatan motor bez prevelike cene zadnja stvar koju cu da probam jeste da napravim svoj motor

New age arc - kinda

E sad, kako sam zamislio pravljenje novog motora.

U suštini, tačnije je reći modifikovanje motora tako da se doda kvačilo. Kako ću to raditi? Pa preko solenoida.

Plan je da se ugrade solenoidi u motor, sličan onom koji se koristi za pokretanje prozora. Na kraju osovine solenoida biće pričvršćen jedan od zupčanika. Funkcija tog zupčanika je da, kada je sistem pod naponom, solenoid spoji zupčanik sa ostatkom sistema kako bi se prenos snage nastavio. Kada je sistem isključen, solenoid odvaja zupčanik, čime se prepolovi potrebna snaga za pomeranje osovine motora.

Iz istraživanja o zupčanicima zaključio sam da nisu svi isti u smislu otpora prema pokretanju i da postoji nešto što se zove "backdrive efficiency" (efikasnost povratnog pokreta).

Menjač (gearbox) služi da napravi razmeru između ulaznih i izlaznih parametara – u ovom slučaju brzine i snage. Dakle, ako se motor rotira veoma brzo pri maloj snazi, može se povezati na menjač sa razmerom 1, pa će izlaz biti veća snaga i manja brzina.

Kod menjača, ova efikasnost je korisna jer može da poveća snagu na izlazu kada motor radi. Međutim, u ovom slučaju predstavlja problem, jer kada pokušamo da rotiramo izlaznu stranu dok motor ne radi, potrebna je velika sila da bi se postiglo pomeranje zupčanika.

Ta "backdrive efficiency" zapravo služi da, što je veća efikasnost, lakše se rotira izlazna/pogonska osovina kada motor ne radi. Dakle, ako je efikasnost visoka, manje sile će biti potrebno da se zupčanici okrenu u suprotnom smeru.

Različite vrste zupčanika imaju različite nivoe te efikasnosti. Na primer:

• Puževi zupčanici (pužni par) imaju veoma nisku povratnu efikasnost, što znači da je potrebno mnogo više sile da bi se rotirali u suprotnom smeru. Međutim, njihova prednost je odličan prenos snage zbog velike kontaktne površine – dodiruju više zuba odjednom, što omogućava precizan i snažan prenos. Ali ta niska efikasnost znači da je teško rotirati izlaznu/pogonsku osovinu kada motor ne radi.

Zakazao sam konsultacije sa profesorom na fakultetu o ovoj temi kako bih ustanovio kolika je snaga solenoida potrebna, kao i da vidim da li on možda ima preporuku za bolji ili efikasniji sistem za obavljanje iste funkcije.

Konsultacije sa profesorom

Konsultacije sa profesorom su prošle malo obeshrabrujuće. Dobio sam odgovore na neka pitanja, ali ništa konkretno u smislu kako bih mogao sve to da izračunam i projektujem. Takođe, nisam dobio neku alternativu kojoj sam se nadao. Profesor je više puta ponavljao kako ćemo to učiti u sledećem semestru, što mi baš i nije pomoglo, ali dobro – hvala mu u svakom slučaju.

Elektromagnetna kvačila

Ovo bih dodao samo da ljudi ne pomisle da ne znam šta je ovo, ali u suštini izgleda ovako:

I da, tako je – izgled ne vara, ovo je skupo. Može koštati čak koliko i sam motor, zbog čega ih nisam ni koristio. Ali, veoma kul stvarčica, samo ime sve objašnjava, nema potrebe da ulazim u štreberski mod.

Odzivna špica

Msm da samo odjednom kraj bloga zapravo sam nazvao čoveka i rekao mu da nisam sposoban da mu napravim sistem, jer nisam hteo da radim bez svih sigurnosnih komponenti koje sam već naveo. Iako je bio zabavan projekat, nažalost, morao sam da odustanem. Projekat je trajao malo manje od dva meseca, iako možda ne izgleda tako. Upoznao sam tog čoveka, bio sam u Somboru, lik je zapravo veoma opušten i kul. Zaista mi je žao što ne mogu da nastavim rad na projektu, ali šta da se radi.

Možda se ljudi pitaju: "Čekaj malo, upravo si smislio ideju, sve što je ostalo jeste da naručiš delove i napraviš je. Takođe, čak i ako ne želiš to da radiš, još uvek imaš onu prvu ideju – možeš naručiti delove i testirati da li bi radila."

Sve to je tačno, ali bitno je i znati koliko bi mi vremena trebalo za sve to. Dok delovi stignu, može proći još dva meseca, a znajući iz iskustva sa mojih prethodnih projekata, verovatno ću dok sklapam sve to nešto pokvariti ili shvatiti da mi treba još neki deo. To bi značilo dodatno čekanje. Sama projekcija i pravljenje prototipa traje mnogo duže nego što se planira, i zato nisam želeo da čovek čeka pola godine samo da bih ja testirao da li moje teorije funkcionišu.

U međuvremenu, možda napravim još neki post u kojem ću testirati te ideje, a možda ga i kontaktiram ako smislim finalni sistem koji bi mogao da služi svrsi. Do tada, vratio sam mu sav novac i sada on može odlučiti kako će iskoristiti svoje vreme i sredstva.

Takodje naravno smislio sam i ceo elektricni deo ali to je manje zabavno.

Hvala vam puno na pažnji! Trebalo mi je dosta vremena da sastavim ovaj blog post – ne samo zato što je ovo moj prvi blog post ikada, već i zato što sam odlučio da napravim vebsajt od nule, pa svake nedelje rešavam bugove koje verovatno samo ja primećujem, ali nema veze. Hvala puno i pozdrav!!