El abridor y vertedor de cerveza: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:39

Para este proyecto, la demanda era idear un invento o un sistema que ya se había inventado, pero que requería algunas mejoras. Como algunos sabrán, Bélgica es muy popular por su cerveza. En este proyecto, la invención que necesitaba algunas mejoras es un sistema combinado que podría comenzar abriendo una cerveza y luego verter la cerveza en un vaso adecuado elegido por el cliente. Este invento no es muy conocido ya que podría ser realizado más fácilmente a mano por una persona "sana" que por una máquina, pero sigue siendo muy interesante para otra categoría de personas. Hoy, lamentablemente, algunos de nosotros no podemos hacer esto. Más explícitamente, las personas con un problema grave en los brazos o los músculos, los ancianos o las personas con una enfermedad como Parkinson, A. L. S., etc., no pueden hacerlo. Gracias a este mecanismo, podrán beber solos una cerveza bien servida sin tener que esperar a que venga alguien y les ayude con estas dos tareas.

Nuestro sistema también está dedicado al consumidor simple que quiere disfrutar de una cerveza solo o con sus amigos y disfrutar de la experiencia belga. Servir bien una cerveza no es para todos y, de hecho, nuestra práctica es conocida internacionalmente y es un placer compartirla con todo el mundo.

Suministros:

Componentes principales:

• Arduino UNO (20,00 euros)
• Convertidor reductor de tensión: LM2596 (3,00 euros)
• 10 borneros de 2 pines (6,50 euros en total)
• Interruptor SPST ON / OFF de 2 pines (0,40 euros)
• Condensador de 47 micro Faradios (0,40 euros)
• Madera: MDF 3 mm y 6 mm
• PLA-plástico
• Filamento de impresión 3D
• 40 tornillos y tuercas: M4 (0,19 euros cada uno)
• Actuador lineal - Nema 17: 17LS19-1684E-300G (37,02 euros)
• Motor paso a paso híbrido Sanyo Denki (58.02 euros)
• 2 controlador paso a paso: DRV8825 (4,95 euros cada uno)
• 2 botones (1,00 euro cada uno)
• 3 microinterruptores (2,25 euros cada uno)
• 5 rodamientos de bolas ABEC-9 (0,75 euros cada uno)

Software y hardware:

• Inventor de Autodesk (archivos CAD)
• impresora 3d
• Cortador láser
• Suministro de voltaje de 24 voltios

Paso 1: construcción de madera

Construcción de madera

Para la configuración del robot, se utiliza una construcción exterior para proporcionar rigidez y hacer que el robot sea robusto. En primer lugar, el mecanismo de apertura está completamente rodeado por esta estructura para poder agregar un cojinete en la parte superior del axisto para estabilizar el mecanismo. Además, hay un plano en la parte inferior de la torre para montar el motor paso a paso. En los laterales de la torre se han previsto orificios para evitar que el abridor gire, de forma que baje directamente a la cápsula para abrir la botella. En los planos laterales, también hay agujeros para sujetar un soporte para bloquear el abridor para que caiga completamente. En segundo lugar, se proporciona un plano adicional detrás de la torre del mecanismo de apertura para montar el motor y la transmisión del mecanismo de vertido.

En la parte inferior del soporte de vidrio, se proporciona un plano para sostener el vidrio cuando desciende. Esto es necesario, ya que el vaso se ha levantado para crear el espacio ideal entre la parte superior de la botella y la parte superior del vaso. En este plano, se ha previsto un orificio para colocar un microinterruptor como efector final. También se proporcionaron orificios en los planos de madera para tener un cableado limpio de los sensores y motores. Además, se proporcionaron algunos orificios en el plano inferior de la construcción de madera para nivelar la altura de las botellas en el mecanismo de apertura y proporcionar algunos espacios para las piezas de madera laterales del mecanismo de vertido, así como un espacio para los pernos en la parte inferior. del portabotellas en el mecanismo de vertido.

Mecanismo de rompecabezas

Se ha añadido un ejemplo del método de montaje en las imágenes de esta etapa. Da una vista del mecanismo del rompecabezas y los agujeros provistos para ensamblar los planos entre sí.

Paso 2: mecanismo de apertura

Este modelo está compuesto por un abrebotellas (que también hace abrelatas, para la parte superior redondeada), una enorme barra de metal trapezoidal, un portaabridores (placa de madera con 2 pequeñas bisagras por donde pasa una pequeña barra de metal), una pinza para el abrebotellas y un husillo de bolas. En la barra de metal (acoplada a un motor), el soporte del abridor está encima del tornillo de bola. Gracias a la rotación de la barra metálica, creada por el motor, el husillo de bolas puede subir y bajar, impulsando con ellos el movimiento del soporte del abridor con el abridor acoplado. La pequeña barra de metal encajada entre 4 columnas evita la rotación del soporte del abridor. En ambos extremos de la barra pequeña, se colocan dos "bloqueadores". De esa forma, la barra pequeña no puede moverse horizontalmente. Al principio, el abridor se mantiene pegado a la botella. El abridor sube y se desliza sobre la botella (gracias a su parte redondeada) hasta que el agujero del abridor queda atrapado por la lata de la botella. En este punto, el abridor aplicará un par de torsión para abrir la botella.

1. Bisagra grande (1 pieza)
2. Plato de madera (1 pieza)
3. Bloqueador de barras pequeño (2 piezas)
4. Barra de metal pequeña (1 pieza)
5. Bisagra pequeña (2 piezas)
6. Abridor (1 pieza)
7. Cojinete (1 pieza)
8. Bloqueador abridor (1 pieza)
9. Motor + barra trapezoidal + husillo de bolas (1 pieza)

Paso 3: mecanismo de equilibrio

Verter el sistema de equilibrio

Este sistema consta de un sistema de equilibrio que a cada lado tiene un sistema de portabotellas y un sistema de portavasos. Y en el medio hay un sistema de montaje para sujetarlo al eje.

1. Soporte para botella

El diseño del portabotellas consta de 5 grandes placas que se unen a los lados del sistema de equilibrio con una configuración de rompecabezas, y también hay una sexta placa en la parte inferior, unida con pernos M3 para sujetar el oso Jupiler, por lo que no no ir a través. El montaje de las placas de madera laterales también se facilita con una configuración de perno más tuerca, 4 por cada placa de madera (2 a cada lado).

También se ha implementado un soporte de cuello de botella para sujetar la parte superior de la botella, esta pieza se une al sistema de montaje del eje, que se explica más adelante.

Además, se implementan 10 cilindros impresos en 3D a lo largo del conjunto, para agregar rigidez a la estructura. Los tornillos que pasan por estos cilindros son M4 y con sus respectivas tuercas.

Por último, implementamos dos sensores de conmutación para detectar la botella que se encuentra dentro del soporte, para ello usamos un soporte de cuerpo impreso en 3D que se fija a las placas de madera debajo y encima del mismo.

2. Soporte de vidrio

El diseño del portavasos está formado por 2 placas de madera unidas de la misma forma que las placas portabotellas. También hay 5 cilindros impresos en 3D para agregar rigidez. Para sostener el fondo del vaso Jupiler, hay una pieza semicilíndrica en la que se apoya el vaso. Este lo adjunté a través de 3 brazos que se ensamblan con pernos M4.

Para soportar las partes superiores de los vasos, se implementan dos piezas, una para la parte superior del vaso, para que al girar el sistema de equilibrado no se caiga y otra que sujeta la parte lateral del vaso.

3. Sistema de montaje de ejes

Se requería un sistema para sujetar el sistema de equilibrio al eje de rotación. Usamos una configuración en la que las barras longitudinales (un total de 4) se presionan entre sí con pernos y tuercas M4. Y a través de estas barras hay 10 piezas impresas en 3D que tienen un diámetro de eje ligeramente mayor. Para aumentar el agarre hay dos tiras de goma longitudinales entre el eje y las piezas impresas en 3D.

4. Equilibrar las placas de madera

Hay 2 placas de madera laterales que sujetan todos los soportes y se unen al eje mediante el sistema de ejes explicado anteriormente.

Transmisión

El sistema de equilibrio explicado por relés sobre el movimiento del eje, se trata de una barra metálica de 8mm que se monta en la estructura con la ayuda de 3 rodamientos y sus correspondientes porta rodamientos.

Con el fin de lograr un par de torsión suficiente para realizar el movimiento giratorio del vertido, se utiliza una transmisión por correa. Para la polea de metal pequeña, se ha utilizado una polea con un diámetro de paso de 12,8 mm. La polea grande ha sido impresa en 3D para alcanzar la relación requerida. Al igual que la polea de metal, se ha proporcionado una pieza adicional a la polea para sujetarla al eje de rotación. Para aplicar tensión en la correa, se utiliza un cojinete externo en un aplicador de tensión móvil para crear diferentes cantidades de tensión dentro de la correa.

Paso 4: Electrónica y código Arduino

Para los componentes electrónicos, se recomienda volver a consultar la lista de requisitos y ver cuál debería ser la cinemática de este sistema. El primer requisito que tienen nuestros sistemas, es el movimiento vertical del abridor. Otro requisito es la fuerza que se debe aplicar sobre el brazo para separar la tapa de la botella. Esta fuerza es de alrededor de 14 N. Para la parte de vertido, los cálculos se resuelven a través de Matlab y dan como resultado un par máximo de 1,7 Nm. El último requisito que se ha señalado es la facilidad de uso del sistema. Por lo tanto, el uso de un botón de arranque será útil para iniciar el mecanismo. En este capítulo, se elegirán y explicarán las partes separadas. Al final del capítulo, también se representará todo el diseño de la placa de pruebas.

El mecanismo de apertura

Para empezar, se requiere el sistema de apertura para abrir una botella de cerveza. Como ya se ha dicho en la introducción de este capítulo, el par necesario para separar la tapa de la botella de la botella es de 1,4 Nm. La fuerza que se aplicará sobre el brazo del abridor es de 14 N si el brazo mide alrededor de 10 cm. Esta fuerza es creada por una fuerza de fricción creada al hacer girar un hilo a través de una tuerca. Manteniendo la tuerca atascada en su movimiento de rotación, la única forma en que la tuerca puede moverse ahora es hacia arriba y hacia abajo. Para esto, se requiere torque para asegurarse de que la tuerca pueda moverse hacia arriba y hacia abajo y, con eso, también debe surgir una fuerza de 14 N. Este par se puede calcular mediante la fórmula siguiente. Esta fórmula describe el torque requerido para mover un objeto hacia arriba y hacia abajo con una cierta cantidad de torque. El par necesario es de 1,4 Nm. Este será el requisito de par mínimo para el motor. El siguiente paso es buscar qué tipo de motor sería el más adecuado en esta situación. El abridor gira una gran cantidad de revoluciones y mirando el par que se necesita, una buena idea es elegir un servomotor. La ventaja de un servomotor es que tiene un par elevado y una velocidad moderada. El problema aquí es que un servomotor tiene un cierto rango, menos de una revolución completa. Una solución sería que el servomotor pudiera ser 'pirateado', esto da como resultado que el servomotor tenga una rotación total de 360 ° y también siga girando. Ahora, una vez que el servomotor es 'pirateado', es casi imposible deshacer esas acciones y volverlo normal nuevamente. Esto da como resultado que el servomotor no se pueda reutilizar en otros proyectos más adelante. Una mejor solución es que la elección sea mejor para un motor paso a paso. Es posible que este tipo de motores no sean los que tienen más pares de torsión, pero giran de forma controlada en contraste con un motor de CC. Un problema que se encuentra aquí es la relación precio / par. Este problema se puede resolver utilizando una caja de cambios. Con esta solución, la velocidad de rotación de la rosca se reducirá pero el par será mayor con respecto a las relaciones de transmisión. Otra ventaja de utilizar un motor paso a paso en este proyecto es que el motor paso a paso se puede reutilizar posteriormente para otros proyectos de los próximos años. La desventaja de un motor paso a paso con caja de cambios es la velocidad resultante, que no es tan alta. Teniendo en cuenta que el sistema requiere un actuador lineal en el que esto se evita mediante el mecanismo de tuerca y rosca que también lo hará más lento. Por lo tanto, la elección pasó a un motor paso a paso sin caja de cambios e inmediatamente conectado por una rosca con una tuerca lisa incluida.

Para este proyecto, un buen motor paso a paso para la aplicación es el Nema 17 con un par de 44 Ncm y un precio de 32 euros. Este motor paso a paso está, como ya se ha dicho, combinado con una rosca y una tuerca. Para controlar el motor paso a paso, se utiliza un puente en H o un controlador de motor paso a paso. Un puente H tiene la ventaja de recibir dos señales de la consola Arduino, y con la ayuda de un suministro externo de voltaje de CC, el puente H puede transformar señales de bajo voltaje en voltajes más altos de 24 voltios para alimentar el motor paso a paso. Debido a esto, el motor paso a paso puede ser controlado fácilmente por Arduino a través de la programación. El programa se puede encontrar en el Apéndice. Las dos señales provenientes del Arduino son dos señales digitales, una es responsable de la dirección de rotación y la otra es una señal PWM que determina la velocidad. El controlador utilizado en este proyecto para el mecanismo de vertido y el mecanismo de apertura es un 'controlador DRV8825 de palanca de pasos' que puede convertir señales PWM del Arduino en voltajes de 8.2 V a 45 V y cuesta alrededor de 5 euros cada uno. Otra idea a tener en cuenta es el lugar del abridor con referencia a la apertura de la botella. Para simplificar la parte de programación, el portabotellas está hecho de tal manera que ambos tipos de aberturas para botellas de cerveza estén a la misma altura. Debido a esto, el abridor y el motor paso a paso indirecto que está conectado a través del hilo, ahora se pueden programar para ambas botellas para la misma altura. De esa forma, aquí no es necesario un sensor para detectar la altura de la botella.

El mecanismo de vertido

Como ya se indicó en la introducción de este capítulo, el par necesario para inclinar el sistema de equilibrado es de 1,7 Nm. El par se calcula a través de Matlab estableciendo una fórmula para el equilibrio del par en función del ángulo variable en el que giran el vaso y la botella. Esto se hace para poder calcular el par máximo. Para el motor de esta aplicación, el mejor tipo sería un servomotor. La razón de esto se debe a su alta relación par / precio. Como se dijo en el párrafo anterior del mecanismo de apertura, un servomotor tiene un cierto rango en el que puede girar. Un problema menor que se puede resolver es su velocidad de rotación. La velocidad de rotación de un servomotor es superior a la necesaria. La primera solución que se puede encontrar para este problema es agregar una caja de cambios en la que se mejorará el par y se disminuirá la velocidad. Un problema que viene con esta solución es que debido a la caja de cambios, el rango del servomotor también disminuye. Esta disminución da como resultado que el sistema de equilibrio no podrá girar su rotación de 135 °. Esto se podría solucionar volviendo a 'hackear' el servomotor, pero eso daría como resultado la irreutilización del servomotor que ya se explica en el párrafo anterior 'El mecanismo de apertura'. La otra solución para su alta velocidad de rotación radica más en el funcionamiento de un servomotor. El servomotor se alimenta a través de una tensión de 9 voltios y es controlado por la consola Arduino a través de una señal PWM. Esta señal PWM da una señal con el ángulo deseado del servomotor. Dando pequeños pasos para cambiar el ángulo, se puede reducir la velocidad de rotación del servomotor. Sin embargo, esta solución parece prometedora, un motor paso a paso con caja de cambios o transmisión por correa puede hacer lo mismo. Aquí, el par que proviene del motor paso a paso debe ser mayor, mientras que la velocidad debe reducirse. Para ello se utiliza la aplicación de una transmisión por correa ya que no hay holgura para este tipo de transmisión. Esta transmisión tiene la ventaja de ser flexible con respecto a una caja de cambios, donde ambos ejes se pueden colocar donde se quiera siempre que la correa tenga tensión. Esta tensión es necesaria para el agarre de ambas poleas para que la transmisión no pierda energía al resbalar sobre las poleas. La relación de la transmisión se ha elegido con cierto margen para anular problemas involuntarios que no se tuvieron en cuenta. En el eje del motor paso a paso, se ha seleccionado una polea con un diámetro de paso de 12,8 mm. Para realizar el margen del par de torsión se ha elegido una polea con un diámetro de paso de 61,35 mm. Esto da como resultado una reducción de la velocidad de 1 / 4,8 y, por lo tanto, un par mayor de 2,4 Nm. Estos resultados se lograron sin tener en cuenta la eficiencia de transmisión, ya que no se conocían todas las especificaciones de la correa t2.5. Para proporcionar una mejor transmisión se agrega una polea externa para aumentar el ángulo de contacto con la polea más pequeña y aumentar la tensión dentro de la correa.

Otras partes electrónicas

Las otras partes presentes en este diseño son tres microinterruptores y dos botones de arranque. Los dos últimos botones hablan por sí mismos y se utilizarán para iniciar el proceso de apertura de la cerveza mientras que el otro inicia el mecanismo de vertido. Una vez iniciado el sistema de vertido, este botón no será útil hasta el final. Al final del proceso, se puede presionar nuevamente el botón y esto asegurará que la parte de vertido pueda volver a su estado inicial. Los tres microinterruptores se utilizan como sensores para detectar los dos tipos de botellas de cerveza y en el otro lado la botella de vidrio cuando el sistema de vertido llega a su posición final. Aquí los botones que se utilizan cuestan alrededor de 1 euro cada uno y los microinterruptores cuestan 2,95 euros cada uno.

Para alimentar, el Arduino se necesita la necesidad de un suministro de voltaje externo. Por lo tanto, se utiliza un regulador de voltaje. Este es un regulador de conmutación reductor LM2596 que permite convertir un voltaje de 24 V a 7,5 V. Este 7,5 V se utilizará para alimentar el Arduino para que no se utilice ninguna computadora en el proceso. para la corriente que se proporciona o se puede proporcionar. La corriente máxima es de 3 A.

El diseño de la electrónica

En esta sección, se ocupará de la configuración de la electrónica. Aquí, en la figura de la placa de pruebas, se muestra el diseño o la distribución. La mejor manera de comenzar aquí es ir desde el suministro de voltaje presente en la esquina inferior derecha e ir al Arduino y los subsistemas. Como se puede ver en la figura, lo primero que se encuentra en el camino entre el suministro de voltaje y la placa de pruebas es un interruptor manual agregado al que cualquier cosa se puede alimentar instantáneamente con solo presionar un interruptor. Posteriormente, se coloca un condensador de 47 micro Faradios. Este condensador no es obligatorio debido al uso de una fuente de voltaje y su característica para dar inmediatamente la corriente requerida, lo que no ocurre en ocasiones con otros modelos de suministro. A la izquierda de los condensadores, se colocan dos controladores LM2596 (no las mismas imágenes pero la misma configuración) para controlar el motor paso a paso. Lo último que se conecta al circuito de 24 V es el regulador de voltaje. Esto se presenta en esta figura por el cuadrado azul oscuro. Sus entradas son la tierra y la de 24 V, sus salidas son de 7,5 V y la tierra que está conectada con la tierra de la entrada de 24 V. La salida o los 7.5 V del regulador de voltaje luego se conecta con el Vin de la consola Arduino. Luego, el Arduino se enciende y puede entregar un voltaje de 5 V. Esta tensión de 5 V se envía a los 3 microinterruptores representados por los botones del lado izquierdo. Estos tienen la misma configuración que los botones, dos de los cuales se colocan en el medio. En caso de que se presione el botón o interruptor, se envía un voltaje de 5V a la consola Arduino. En caso de que los sensores o botones no estén presionados en el suelo y la entrada de Arduino esté vinculada entre sí, lo que representaría un valor de entrada bajo. Los últimos subsistemas son los dos controladores paso a paso. Estos están vinculados con el circuito de alto voltaje de 24 V pero también deben conectarse con los 5 V del Arduino. En la figura de la placa de pruebas, también se puede ver un cable azul y verde, los cables azules son para una señal PWM que regula y establece la velocidad del motor de estepa. Los cables verdes establecen la dirección en la que el motor paso a paso debe girar.

En la segunda figura, la figura con el controlador paso a paso, se muestra la conexión de los controladores del motor paso a paso. Aquí se puede ver que hay tres conexiones M0, M1 y M2 que no están conectadas. Estos deciden cómo se debe dar cada paso. De la forma en que está configurado ahora, los tres están conectados a tierra por una resistencia interna de 100 kilo Ohmios. Poner las tres entradas en bajo creará un paso completo con cada pulso PWM. Configurar todas las conexiones en Alto cada pulso PWM dará como resultado 1/32 de paso. En este proyecto se elige la configuración de paso completo, para proyectos futuros, esto puede ser útil en caso de reducir la velocidad.

Paso 5: Probar el sistema

El último paso es probar los Mecanismos y ver si realmente funcionan. Por lo tanto, el suministro de voltaje externo está conectado con el circuito de alto voltaje de la máquina mientras que las tierras también están conectadas. Como se ve en los dos primeros videos, ambos motores paso a paso parecen estar funcionando, pero tan pronto como todo está conectado entre sí en la estructura en algún lugar de nuestro circuito, parece ocurrir un cortocircuito. Debido a la mala elección del diseño de tener un pequeño espacio entre los planos, la parte de depuración es muy difícil. En cuanto al tercer video, también se presentaron algunos problemas con la velocidad del motor. La solución para esto fue aumentar el retraso en el programa, pero tan pronto como el retraso es demasiado alto, el motor paso a paso parece estar vibrando.

Paso 6: consejos y trucos

Para esta parte, queremos concluir algunos puntos que aprendimos a través de la realización de este proyecto. Aquí, se explicarán consejos y trucos sobre cómo comenzar a fabricar y cómo resolver problemas menores. Desde comenzar con el ensamblaje hasta hacer todo el diseño en una PCB.

Consejos y trucos:

Montaje:

• Para la impresión 3D, con la función de ajuste en vivo en las impresoras 3D Prusa, se puede ajustar la distancia entre la boquilla y la cama de impresión.
• Como se ve en nuestro proyecto, intentamos optar por una estructura con la mayor cantidad de madera posible, ya que son las más rápidas realizadas con un cortador láser. En caso de piezas rotas, se pueden reemplazar fácilmente.
• Con la impresión en 3D, intente hacer que su objeto sea lo más pequeño posible y sin dejar de tener las propiedades mecánicas que necesita. En caso de una impresión fallida, no tardará tanto en volver a imprimir.

Electrónica:

• Antes de comenzar su proyecto, comience con la búsqueda de todas las hojas de datos de cada componente. Esto llevará algo de tiempo al principio, pero a la larga valdrá la pena.
• Al hacer su PCB, asegúrese de tener un esquema del PCB con todo el circuito. Un esquema de tablero podría ayudar, pero la transformación entre ambos a veces puede ser un poco más difícil.
• Trabajar con electrónica a veces puede comenzar fácilmente y convertirse en algo complejo con bastante rapidez. Por lo tanto, intente usar algún color en su PCB con cada color correspondiente a un cierto significado. De esa manera, en caso de un problema, esto podría resolverse más fácilmente.
• Trabaje en una placa de circuito impreso lo suficientemente grande para que pueda evitar cables cruzados y mantenga una visión general del circuito, esto puede reducir la posibilidad de cortocircuito.
• En caso de algunos problemas con el circuito o cortocircuito en la PCB, intente depurar todo en su forma más simple. De esa manera, su problema o problemas podrían resolverse más fácilmente.
• Nuestro último consejo es trabajar en un escritorio limpio, nuestro grupo tenía cables cortos en todo nuestro escritorio que crearon un cortocircuito en nuestro circuito de voltaje superior. Uno de estos pequeños cables fue la causa y rompió uno de los controladores paso a paso.

Paso 7: Fuentes accesibles

Todos los archivos CAD, el código Arduino y los videos de este proyecto se pueden encontrar en el siguiente enlace de dropbox:

Además, también vale la pena consultar las siguientes fuentes:

- OpenSCAD: polea paramétrica - muchos perfiles de dientes por droftarts - Thingiverse

- Grabcad: esta es una gran comunidad para compartir cadfiles con otras personas: GrabCAD: comunidad de diseño, biblioteca CAD, software de impresión 3D

- Cómo controlar un motor paso a paso usando un controlador paso a paso: