Agregue un tacómetro óptico basado en Arduino a un enrutador CNC: 34 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Construya un indicador óptico de RPM para su enrutador CNC con un Arduino Nano, un sensor de fotodiodo IR LED / IR y una pantalla OLED por menos de $ 30. Me inspiré en Measure RPM - Instructable del tacómetro óptico de eletro18 y quería agregar un tacómetro a mi enrutador CNC. Simplifiqué el circuito del sensor, diseñé un soporte impreso en 3D personalizado para mi enrutador CNC Sienci. Luego escribí un boceto de Arduino para mostrar un dial digital y analógico en una pantalla OLED

Unas pocas piezas simples y un par de horas de su tiempo, y puede agregar una pantalla de RPM digital y analógica a su enrutador CNC.

Aquí está la lista de piezas disponible para envío en 2 días. Probablemente pueda obtener las piezas por menos si está dispuesto a esperar más.

Lista de partes

$ 6.99 Arduino Nano

$ 5.99 Fotodiodo IR LED / IR (5 pares)

$ 7.99 Pantalla OLED 0.96 amarillo / azul I2C

$ 4.99 Cables de puente

$ 1.00 30 pulgadas (75 cm) de alambre trenzado de 3 conductores. Se puede comprar en su tienda local de artículos para el hogar (Home Depot, Lowes) en la sección de compra por pie

$ 0.05 Resistencia de 220 ohmios ($ 6.99 si desea 750 resistencias surtidas)

$ 0.50 Tubo termorretráctil ($ 5.99 si desea un surtido completo)

Soportes impresos en 3D

Arduino IDE (gratis)

Nota: Inicialmente agregué un capacitor de.01μF después de asegurar todos los cables y notar algunos valores de RPM erráticos cuando el CNC se estaba moviendo. El condensador funcionó bien para RPM más bajas <20K pero suavizó demasiado la señal para algo más alto. Seguí el ruido hasta encender el Nano y mostrarlo directamente desde el escudo del CNC. Un suministro separado funciona para todas las RPM. Dejé los pasos por ahora, pero debes usar una fuente de alimentación USB separada.

Paso 1: imprima el soporte 3D

Imprima el soporte 3D para sujetar el LED de infrarrojos y los fotodiodos de infrarrojos. Los archivos 3D están aquí y en Thingiverse.

www.thingiverse.com/thing:2765271

Para el molino Sienci, el soporte en ángulo se usa para montar el sensor en las barras de ángulo de aluminio, pero el soporte plano puede ser mejor para su proyecto.

Paso 2: Opcionalmente, imprima en 3D el soporte de la pantalla OLED y la carcasa electrónica

Elijo conectar el OLED a un soporte de pantalla en ángulo que atornillé en la parte superior de un gabinete de electrónica Sienci.

Aquí están los enlaces a las piezas impresas en 3D que utilicé.

Pieza 3D del recinto de la electrónica de Sienci

Soporte de montaje para pantalla OLED de 0,96"

El gabinete era un buen lugar para montar el soporte de la pantalla OLED y sostiene muy bien el Arduino Nano, además de que cabe en la parte posterior del Sienci Mill. Perforé un par de agujeros en la parte superior del gabinete para colocar el soporte OLED.

También hice un par de agujeros en la parte inferior para pasar una pequeña brida para sujetar firmemente el mazo de cables.

Paso 3: construya el conjunto de cables del sensor de infrarrojos

El cable de 3 conductores se utilizará para conectar el sensor. Un cable será una conexión a tierra común tanto para el LED de infrarrojos como para el fotodiodo de infrarrojos, y cada uno de los otros dos irá a su componente respectivo.

Paso 4: agregue una resistencia limitadora de corriente para el LED de infrarrojos

El LED de infrarrojos requiere una resistencia limitadora de corriente. La forma más sencilla es incorporar la resistencia en el conjunto de cables.

Dobla las puntas de cada uno en forma de U y entrelaza. Engarce con un par de alicates y luego suelde.

Paso 5: Empalme los cables de puente

Puede empalmar cables de puente para conectarlos en los pines del cabezal Arduino.

Corte un trozo de tubo termorretráctil y deslícelo sobre el cable antes de conectarlos.

Deslice el tubo termorretráctil hacia atrás sobre la conexión (o la resistencia completa) y encoja el tubo usando una pistola de calor o pasando una llama rápidamente sobre el tubo hasta que se encoja. Si usa una llama, manténgala en movimiento rápidamente o puede comenzar a derretirse.

Paso 6: Determine los cables del fotodiodo y el LED de infrarrojos

Tanto el LED de infrarrojos como el fotodiodo de infrarrojos tienen un aspecto similar, cada uno con un cable largo (ánodo o positivo) y un cable corto (cátodo o negativo).

Paso 7: inserte los diodos en el soporte

Tome el LED IR (diodo transparente) e insértelo en uno de los orificios del soporte del LED. Gire el LED para que el cable largo quede hacia afuera. En la foto, puede ver el LED transparente en el orificio superior con su cable largo en la parte superior.

Tome el fotodiodo IR (diodo oscuro) e insértelo en el otro orificio. Gire el fotodiodo para que su cable largo quede en el centro.

Como se muestra en la foto, el cable corto del LED y el cable largo del fotodiodo estarán en el centro. Estos dos cables se empalmarán a un cable común de regreso al arduino. (Consulte las notas técnicas al final si desea más detalles)

Tome un pequeño trozo de 1.75 filamento e insértelo detrás de los diodos. Esto bloqueará los diodos en su lugar y evitará que giren o salgan.

Pasé por varias iteraciones de diseños antes de decidirme por este. Hacer que los diodos sobresalieran un poco mejoró enormemente la tolerancia al alinearlos con la tuerca de la boquilla.

Paso 8: fusionar el filamento de bloqueo con el soporte

Querrá recortar la pieza de bloqueo de filamento a solo un poco más que el ancho del soporte.

Calentar un clavo durante unos segundos en un tornillo de banco o sujetarlo con unos alicates.

Paso 9: presione los extremos del filamento contra la cabeza del clavo calentada

Mantenga su dedo en el extremo opuesto del filamento y presione para derretir y fusionar el pasador de bloqueo en el soporte.

Paso 10: Soporte de diodo terminado

Al ras y limpio

Paso 11: conecte el arnés de cableado a los diodos

Recorte el cable a la longitud adecuada para su aplicación. Para el molino Sienci, necesitará aproximadamente 30 pulgadas (~ 75 cm) en total (cables + puentes) y tendrá holgura para que el enrutador se mueva.

Doble el cable y las puntas de los cables en forma de U para entrelazarlos y facilitar la soldadura.

Tome un tubo delgado termorretráctil y recorte dos piezas cortas y dos piezas un poco más largas. Deslice las piezas más cortas sobre los cables del diodo exteriores. Deslice las piezas más largas sobre los dos cables centrales.

Tener dos longitudes diferentes compensa las uniones de empalme y compensa las uniones más gruesas entre sí para reducir el diámetro del cableado. También evita cualquier cortocircuito entre los diferentes empalmes de cables.

Corte tres piezas de tubo termorretráctil de un diámetro ligeramente mayor y colóquelas sobre cada uno de los tres cables en el arnés de cableado.

Es importante asegurarse de que haya un pequeño espacio entre los extremos del tubo termorretráctil en los cables y el punto de empalme. Los cables se calentarán y, si el tubo termorretráctil está demasiado cerca, comenzarán a encogerse al final, lo que podría hacerlos demasiado pequeños para deslizarse sobre la junta.

Paso 12: asegúrese de que el cable con la resistencia esté conectado al cable largo del LED de infrarrojos

La resistencia limitadora de corriente (220 ohmios) incorporada en el arnés de cableado debe conectarse al cable largo (ánodo) del LED IR transparente. El cable que conecta los dos cables comunes se conectará a tierra, por lo que es posible que desee utilizar un cable negro o desnudo para esa conexión.

Suelde las conexiones para hacerlas permanentes.

Paso 13: encoja el tubo termorretráctil

Después de soldar las uniones, primero use un fósforo o un encendedor para encoger el tubo en los cables del diodo. Primero, mueva el tubo termorretráctil de los cables lo más lejos posible del calor.

Mantenga la llama moviéndose rápidamente a medida que se encoge y gire para obtener todos los lados por igual. No se demore o el tubo se derretirá en lugar de encogerse.

Una vez que los cables del diodo se hayan encogido, deslice el tubo termorretráctil ligeramente más grande de los cables, sobre las juntas y repita el encogimiento.

Paso 14: Prepare el bloque de montaje

Dependiendo de su aplicación, elija el bloque de montaje que se adapte a su aplicación. Para Since Mill, seleccione el bloque de montaje en ángulo.

Tome una tuerca M2 y un tornillo M2. Atornille la tuerca apenas hasta el final del tornillo.

Dé la vuelta al bloque de montaje y pruebe el ajuste de la tuerca M2 en el orificio.

Retire y caliente la tuerca ligeramente con un fósforo o una llama y luego insértela rápidamente en la parte posterior del bloque de montaje.

Desatornille el tornillo, dejando la tuerca incrustada en el bloque de montaje de plástico. Para mayor resistencia, aplique una gota de superpegamento en el borde de la tuerca para sujetar firmemente la tuerca al bloque.

Paso 15: asegúrese de que el tornillo M2 tenga la longitud adecuada

Asegúrese de que el tornillo no sea demasiado largo o el sensor no se apretará contra el bloque de montaje. Para el bloque de montaje en ángulo, asegúrese de que el tornillo M2 sea 9 mm o un poco más corto.

Paso 16: coloque el bloque de montaje en el enrutador CNC

Para el molino Sienci, coloque el bloque de montaje en ángulo en la parte inferior del interior del riel Z con un par de gotas de superpegamento.

Paso 17: conecte el sensor al bloque de montaje

Coloque el brazo ajustable en el bloque de montaje

Inserte el tornillo M2 con una arandela a través de la ranura del brazo de montaje ajustable y atorníllelo en la tuerca.

Deslice el brazo ajustable hasta que el LED y los fotodiodos estén al mismo nivel que la tuerca de la boquilla del enrutador

Apretar el tornillo

Paso 18: agregue cinta reflectante a un lado de la tuerca del collar

Utilice una pequeña tira de cinta de aluminio (utilizada para conductos de hornos) y fíjela a una de las caras de la tuerca de la boquilla. Esta cinta reflectante permitirá que el sensor óptico de infrarrojos capte una sola revolución del eje.

Paso 19: asegúrese de que la cinta reflectante no sobrepase el borde de las facetas adyacentes

La cinta debe estar en un lado de la tuerca de la boquilla únicamente. La cinta es lo suficientemente delgada y liviana como para que no interfiera con la llave para cambiar las fresas ni afectar el equilibrio del eje.

Paso 20: Pase el cable del sensor a lo largo del interior del riel en Z

Con tiras de cinta adhesiva de aluminio, coloque el cable en el interior del riel en Z. Es mejor pasar la cinta cerca del borde del riel angular para despejar el conjunto de la tuerca del tornillo guía.

Paso 21: conecte el sensor al Arduino Nano

Conecte los cables al Arduino de la siguiente manera:

• LED IR (con resistencia integrada) -> Pin D3
• Fotodiodo IR -> Pin D2
• Cable común -> Pin GND

Paso 22: conecte los cables de puente a la pantalla OLED

Retire un juego de cables de puente de 4 hilos

Enchufe los cables en los 4 pines para la interfaz I2C:

• VCC
• GND
• SCL
• SDA

Paso 23: conecte la pantalla OLED al Arduino

Conecte los cables de puente a las siguientes clavijas. Nota: Estos cables no se conectan todos a las clavijas adyacentes ni en el mismo orden.

• VCC -> Pin 5V
• GND -> Pin GND
• SCL -> Pin A5
• SDA -> Pin A4

Paso 24: coloque la pantalla OLED en su soporte

Usando los soportes que imprimió anteriormente, coloque la pantalla OLED en su soporte

Luego, conecte la pantalla al marco del CNC.

Paso 25: Prepare el IDE de Arduino para cargar el boceto de Arduino

Un programa para Arduino se llama boceto. El entorno de desarrollo integrado (IDE) para Arduinos es gratuito y debe usarse para cargar el programa para detectar el sensor y mostrar las RPM.

Si aún no lo tiene, aquí hay un enlace para descargar el IDE de Arduino. Elija la versión descargable 1.8.5 o superior.

Paso 26: agregue las bibliotecas OLED necesarias

Para ejecutar la pantalla OLED, necesitará un par de bibliotecas adicionales, la biblioteca Adafruit_SSD1306 y la biblioteca Adafruit-GFX. Ambas bibliotecas son gratuitas y están disponibles a través de los enlaces proporcionados. Siga el tutorial de Adafruit sobre cómo instalar las bibliotecas en su computadora.

Una vez que las bibliotecas están instaladas, están disponibles para cualquier boceto de Arduino que cree.

Las bibliotecas Wire.hy Math.h son estándar y se incluyen automáticamente en la instalación de su IDE.

Paso 27: conecta el Arduino a tu computadora

Con un cable USB estándar, conecte el Arduino Nano a su computadora con el IDE de Arduino.

1. Lanzar el IDE
2. En el menú Herramientas, seleccione Tablero | Arduino Nano
3. En el menú Herramientas, seleccione Puerto |

Ahora está listo para cargar el boceto, compilarlo y cargarlo en el Nano.

Paso 28: Descarga el boceto de Arduino

El código de Arduino Sketch se adjunta y también está disponible en mi página de GitHub, donde se publicarán las mejoras futuras.

Descargue el archivo OpticalTachometerOledDisplay.ino y colóquelo en un directorio de trabajo con el mismo nombre (menos el.ino).

Desde el IDE de Arduino, elija Archivo | Abierto…

Navega a tu directorio de trabajo

Abra el archivo OpticalTachometerOledDisplay.ino.ino.

Paso 29: compila el boceto

Haga clic en el botón "Verificar" o seleccione Boceto | Verificar / Compilar en el menú para compilar el boceto.

Debería ver el área de compilación en la parte inferior, con una barra de estado. En unos segundos aparecerá el mensaje "Compilación terminada" y alguna estadística sobre la cantidad de memoria que ocupa el boceto. No se preocupe por el mensaje "Memoria baja disponible", no afecta nada. La biblioteca GFX utiliza la mayor parte de la memoria necesaria para dibujar las fuentes en la pantalla OLED y no el boceto en sí.

Si ve algunos errores, lo más probable es que sean el resultado de bibliotecas faltantes o problemas de configuración. Verifique que las bibliotecas se hayan copiado en el directorio correcto para el IDE.

Si eso no soluciona el problema, consulte las instrucciones sobre cómo instalar una biblioteca y vuelva a intentarlo.

Paso 30: Sube al Nano

Presione el botón 'Flecha' o elija Sketch | Cargue desde el menú para compilar y cargar el boceto.

Verá el mismo mensaje 'Compilando …', seguido de un mensaje 'Subiendo …' y finalmente un mensaje 'Carga completada'. El Arduino comienza a ejecutar el programa tan pronto como se completa la carga o tan pronto como se aplica energía después.

En este punto, la pantalla OLED debería cobrar vida con una pantalla RPM: 0 con el dial en cero.

Si ha vuelto a armar el enrutador, puede encender el interruptor y ver la pantalla leer las RPM a medida que ajusta la velocidad.

¡Felicidades!

Paso 31: utilice una fuente de alimentación dedicada

NOTA: Esta fue la fuente del ruido de la señal que causó las pantallas erráticas de RPM. Estoy investigando poner algunas tapas de filtro en los puentes de alimentación, pero por ahora necesitarás alimentarlo a través de un cable USB separado.

Puede ejecutar la pantalla conectada a su computadora con el cable USB, pero eventualmente querrá una fuente de alimentación dedicada.

Tiene un par de opciones, puede obtener un cargador de pared USB estándar y ejecutar el Arduino desde él.

O puede ejecutar el Arduino directamente desde la electrónica de su enrutador CNC. La pantalla Arduino / OLED solo consume 0.04 amperios, por lo que no sobrecargará su electrónica existente.

Si tiene componentes electrónicos Arduino / CNC Router Shield (como el molino Sienci), puede usar un par de pines sin usar para aprovechar los 5 voltios de potencia necesarios.

En el lado superior izquierdo del escudo del enrutador CNC, puede ver que hay un par de pines sin usar etiquetados como 5V / GND. Conecte un par de cables de puente a estos dos pines.

Paso 32: Conecte el Arduino a los Power Jumpers

Este es fácil, pero no tan bien etiquetado.

En el Arduino Nano, hay un conjunto de 6 pines al final de la placa. No están etiquetados, pero he incluido el diagrama de pines y puede ver que los dos pines externos que están más cerca de los indicadores LED están etiquetados como GND y 5V en el diagrama.

Conecte el puente del pin de 5V en el blindaje del CNC al pin más cercano al que tiene la etiqueta VIN (no lo conecte al VIN, sino al pin de la esquina interior del grupo de 6 pines). VIN es para alimentar el Nano con una potencia de 7V-12V.

Conecte el puente del pin GND en el blindaje del CNC al pin más cercano al pin TX1.

Ahora, cuando encienda la electrónica del enrutador CNC, también se encenderá la pantalla OLED RPM.

Paso 33: Notas técnicas sobre el circuito

El circuito del sensor utiliza un par de fotodiodos IR LED / IR.

El LED IR funciona como cualquier LED normal. El cable positivo (el más largo o ánodo) está conectado a voltaje positivo. En un Arduino Nano, es un pin de salida configurado en ALTO. El cable negativo (más corto o cátodo) está conectado a tierra para completar el circuito. Dado que los LED son sensibles a demasiada corriente, se coloca una pequeña resistencia en serie con el LED para limitar la cantidad de corriente. Esta resistencia puede estar en cualquier parte del circuito, pero tiene más sentido colocarla en el lado positivo del circuito, ya que el cable negativo comparte una conexión a tierra con el fotodiodo.

El fotodiodo IR se comporta como cualquier otro diodo (incluidos los LED de diodos emisores de luz) en el sentido de que solo conducen la electricidad en una dirección, bloqueando la electricidad en la dirección opuesta. Por eso es importante obtener la polaridad correcta para que los LED funcionen.

La diferencia importante con los fotodiodos es que cuando detectan la luz, los fotodiodos permitirán que la electricidad fluya en ambos sentidos. Esta propiedad se utiliza para hacer un detector de luz (en este caso, luz infrarroja o IR). El fotodiodo IR está conectado en una polaridad opuesta (llamada polarización inversa) con el positivo 5V en el pin Arduino conectado al cable negativo del fotodiodo y el cable positivo está conectado a través de un cable común junto con el LED IR a tierra.

Sin luz IR, el fotodiodo IR bloquea la electricidad, lo que permite que el pin Arduino con su resistencia pull-up interna esté en estado ALTO. Cuando el fotodiodo IR detecta luz IR, permite que la electricidad fluya, conectando a tierra el pin y haciendo que el valor ALTO en el pin del fotodiodo caiga hacia el suelo causando un borde CAÍDO que el Arduino puede detectar.

Este cambio de estado en el pin Arduino se usa en el boceto para contar las revoluciones.

La tira de cinta de aluminio en la tuerca de la boquilla refleja la luz IR del LED IR siempre encendido al fotodiodo IR cada vez que pasa el sensor.

Paso 34: Notas técnicas sobre el boceto de Arduino

El boceto de Arduino controla la pantalla OLED y reacciona simultáneamente al sensor de fotodiodo IR LED / IR.

El Sketch inicializa la pantalla OLED a través del protocolo I2C (Inter-Integrated Circuit). Este protocolo permite que múltiples pantallas / sensores compartan una conexión y puedan leer o escribir en un dispositivo conectado específico con un mínimo de cables (4). Esta conexión reduce la cantidad de conexiones entre el Arduino y la pantalla OLED.

Luego enciende el LED de infrarrojos configurando ese pin en ALTO que proporciona los 5 V necesarios para el LED.

Adjunta una función de interrupción a un pin que se llama cuando detecta un cambio en el estado de ese pin. En este caso, se llama a la función incrementRevolution () siempre que se detecta un borde FALLING en el Pin 2.

Una función de interrupción hace exactamente lo que implica, interrumpe todo lo que se está haciendo actualmente, ejecuta la función y luego reanuda la acción exactamente donde fue interrumpida. Las funciones de interrupción deben ser lo más cortas posible, en este caso solo agrega una a una variable de contador. El pequeño Arduino Nano funciona a 16 Mhz, 16 millones de ciclos por segundo, lo suficientemente rápido como para manejar la interrupción de 30, 000 RPM, que son solo 500 revoluciones por segundo.

La función Loop () es la función de acción principal para cualquier boceto de Arduino. Se llama continuamente, una y otra vez, siempre que Arduino tenga energía. Obtiene la hora actual, comprueba si ha transcurrido un intervalo especificado (1/4 de segundo = 250 milisegundos). Si es así, llama a la función updateDisplay () para mostrar el nuevo valor de RPM.

La función de bucle también atenuará la pantalla después de 1 minuto y apagará la pantalla después de 2 minutos, totalmente configurable en el código.

Las funciones updateDisplay () llaman a la función calculateRpm (). Esa función toma el recuento de revoluciones que la función de interrupción ha aumentado constantemente y calcula las RPM determinando la velocidad de revoluciones por intervalo de tiempo y extrapolando eso al número de revoluciones por minuto.

Muestra el valor numérico y usa algunos disparos de la escuela secundaria para dibujar un dial analógico y el brazo indicador para reflejar los mismos valores.

Las constantes en la parte superior del boceto se pueden modificar, si desea un dial de RPM con diferentes valores mayores y menores.

El intervalo de actualización y el intervalo medio también se pueden modificar.