Tambahkan Tachometer Optik berbasis Arduino ke Router CNC: 34 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Buat indikator RPM optik untuk router CNC Anda dengan Arduino Nano, sensor IR LED/IR Photodiode, dan layar OLED dengan harga kurang dari $30. Saya terinspirasi oleh eletro18's Measure RPM - Optical Tachometer Instructable dan ingin menambahkan tachometer ke router CNC saya. Saya menyederhanakan sirkuit sensor, merancang braket cetak 3D khusus untuk router Sienci CNC saya. Kemudian saya menulis sketsa Arduino untuk menampilkan dial digital dan analog pada layar OLED

Beberapa bagian sederhana dan beberapa jam waktu Anda, dan Anda dapat menambahkan tampilan RPM digital dan analog ke router CNC Anda.

Berikut daftar suku cadang yang tersedia untuk pengiriman 2 hari. Anda mungkin dapat membeli suku cadang dengan harga lebih murah jika Anda bersedia menunggu lebih lama.

Daftar Suku Cadang

$6,99 Arduino Nano

$5,99 IR LED/Fotodioda IR (5 pasang)

$7,99 layar OLED 0,96 kuning/biru I2C

$4,99 Kabel jumper

$1,00 30 inci (75 cm) 3 kawat beruntai konduktor. Dapat dibeli dari toko perlengkapan rumah lokal Anda (Home Depot, Lowes) di bagian beli-by-the-foot

$0,05 220 ohm resistor ($6,99 jika Anda ingin 750 resistor yang berbeda)

$0,50 Heat shrink tubing ($5,99 jika Anda menginginkan pilihan yang lengkap)

Tanda kurung cetak 3D

Arduino IDE (gratis)

Catatan: Saya awalnya menambahkan kapasitor.01μF setelah saya mengamankan semua kabel dan memperhatikan beberapa nilai RPM yang tidak menentu saat CNC bergerak. Kapasitor bekerja dengan baik untuk RPM yang lebih rendah <20K tetapi memuluskan sinyal terlalu banyak untuk sesuatu yang lebih tinggi. Saya melacak kebisingan hingga memberi daya pada Nano dan menampilkan langsung dari pelindung CNC. Pasokan terpisah berfungsi untuk semua RPM. Saya meninggalkan langkah-langkah untuk saat ini, tetapi Anda harus menggunakan sumber daya USB terpisah.

Langkah 1: Cetak Braket 3D

Cetak braket 3D untuk menahan LED IR dan Fotodioda IR. File 3D ada di sini dan di Thingiverse.

www.thingiverse.com/thing:2765271

Untuk Sienci Mill, pemasangan sudut digunakan untuk memasang sensor ke batang sudut aluminium, tetapi pemasangan datar mungkin lebih baik untuk proyek Anda.

Langkah 2: Opsional Cetak 3D OLED Display Holder dan Electronic Enclosure

Saya memilih untuk memasang OLED ke dudukan layar miring yang saya pasang di bagian atas Sienci Electronics Enclosure.

Berikut adalah tautan ke bagian cetakan 3D yang saya gunakan.

Bagian 3D Kandang Elektronik Sienci

Braket Pemasangan Layar OLED 0,96"

Enclosure adalah tempat yang bagus untuk memasang braket display OLED dan menahan Arduino Nano dengan baik, ditambah lagi pas di bagian belakang Sienci Mill. Saya mengebor beberapa lubang di bagian atas penutup untuk memasang braket OLED.

Saya juga mengebor beberapa lubang di bagian bawah untuk menjalankan dasi ritsleting kecil untuk memasang tali kawat dengan kuat

Langkah 3: Bangun Rakitan Kawat Sensor IR

Kabel 3-konduktor akan digunakan untuk memasang sensor. Satu kabel akan menjadi landasan bersama untuk LED IR dan Fotodioda IR, dengan masing-masing dari dua lainnya menuju ke komponennya masing-masing.

Langkah 4: Tambahkan Resistor Pembatas Arus untuk LED IR

LED IR membutuhkan resistor pembatas arus. Cara termudah, adalah dengan memasukkan resistor ke dalam rakitan kawat.

Tekuk ujung masing-masing menjadi bentuk U dan hubungkan. Crimp dengan tang dan kemudian solder bersama-sama.

Langkah 5: Sambungkan Kabel Jumper

Anda dapat menyambungkan kabel jumper untuk menghubungkannya pada pin header Arduino.

Potong sepotong tabung panas menyusut dan geser di atas kawat sebelum menghubungkannya.

Geser tabung panas menyusut kembali ke sambungan (atau seluruh Resistor) dan kecilkan tabung dengan menggunakan senapan panas atau nyalakan api dengan cepat di atas tabung sampai menyusut. Jika menggunakan api, tetap bergerak cepat atau bisa mulai meleleh.

Langkah 6: Tentukan LED IR dan Photodiode Leads

Baik LED IR dan Fotodioda IR terlihat serupa, masing-masing memiliki kabel panjang (anoda atau positif) dan kabel pendek (katoda atau negatif).

Langkah 7: Masukkan Dioda Ke Dudukan

Ambil LED IR (clear diode) dan masukkan ke salah satu lubang dudukan LED. Putar LED sehingga ujung panjang berada di luar. Dalam foto, Anda dapat melihat LED bening di lubang atas dengan ujung panjangnya di bagian paling atas.

Ambil fotodioda IR (dark diode) dan masukkan ke lubang lainnya. Putar fotodioda sehingga ujung panjangnya berada di tengah.

Seperti terlihat pada foto, kabel pendek LED dan kabel panjang fotodioda berada di tengah. Kedua sadapan ini akan disambungkan ke kabel biasa kembali ke arduino. (Lihat catatan teknis di akhir jika Anda ingin lebih detail)

Ambil sepotong kecil filamen 1,75 dan masukkan di belakang dioda. Ini akan mengunci dioda pada tempatnya dan mencegahnya berputar atau keluar.

Saya melalui beberapa iterasi desain sebelum memutuskan yang satu ini. Memiliki dioda sedikit menonjol sangat meningkatkan toleransi saat menyelaraskannya dengan mur collet.

Langkah 8: Fuse Filamen Pengunci ke Holder

Anda ingin memotong bagian pengunci dari filamen menjadi sedikit lebih panjang dari lebar dudukannya.

Panaskan paku selama beberapa detik di catok atau pegang dengan tang.

Langkah 9: Tekan Ujung Filamen Terhadap Kepala Kuku yang Dipanaskan

Jaga jari Anda di ujung filamen yang berlawanan dan tekan untuk melelehkan dan menyatukan pin pengunci di dudukannya.

Langkah 10: Pemegang Dioda Selesai

Siram dan rapi

Langkah 11: Pasang Wiring Harness ke Dioda

Potong kawat menjadi panjang untuk aplikasi Anda. Untuk Pabrik Sienci, Anda membutuhkan total sekitar 30 inci (~75cm) (kawat + jumper) dan memiliki kelonggaran agar router dapat bergerak.

Tekuk kawat dan ujung timah menjadi bentuk U untuk menguncinya dan membuat penyolderan lebih mudah.

Ambil beberapa tabung heat-shrink tipis dan potong dua bagian pendek dan dua bagian yang sedikit lebih panjang. Selipkan potongan yang lebih pendek di atas kabel dioda luar. Selipkan potongan yang lebih panjang di atas dua lead tengah.

Memiliki dua panjang yang berbeda mengimbangi sambungan sambungan dan mengimbangi sambungan yang lebih tebal satu sama lain sehingga diameter kabel berkurang. Ini juga mencegah korsleting antara sambungan kawat yang berbeda

Potong tiga potong tabung heat-shrink berdiameter sedikit lebih besar dan letakkan di atas masing-masing dari tiga kabel di wiring harness.

Sangat penting untuk memastikan bahwa ada sedikit celah antara ujung tabung heat shrink pada kabel dan titik sambungan. Kabel akan menjadi panas, dan jika tabung panas menyusut terlalu dekat, ujungnya akan mulai menyusut, berpotensi membuatnya terlalu kecil untuk meluncur di atas sambungan.

Langkah 12: Pastikan Kawat Dengan Resistor Terlampir pada Ujung Panjang LED IR

Resistor pembatas arus (220 ohm) yang terpasang pada rangkaian kabel, perlu disambungkan ke ujung panjang (anoda) dari LED IR bening. Kabel yang menghubungkan dua kabel umum akan terhubung ke ground, jadi Anda mungkin ingin menggunakan kabel hitam atau telanjang untuk koneksi itu.

Solder koneksi untuk membuatnya permanen.

Langkah 13: Kecilkan Tabung Heat-shrink

Setelah sambungan disolder, gunakan korek api atau korek api untuk mengecilkan pipa pada kabel dioda terlebih dahulu. Pertama-tama pindahkan tabung heat-shrink pada kabel sejauh mungkin dari panas.

Jaga nyala api bergerak cepat saat menyusut dan putar untuk mendapatkan semua sisi secara merata. Jangan berlama-lama atau tabung akan meleleh bukannya menyusut.

Setelah kabel dioda menyusut, geser tabung heat-shrink yang sedikit lebih besar dari kabel, di atas sambungan dan ulangi penyusutan.

Langkah 14: Siapkan Blok Pemasangan

Tergantung pada aplikasi Anda, pilih blok pemasangan yang sesuai dengan aplikasi Anda. Untuk Since Mill, pilih blok pemasangan sudut.

Ambil mur M2 dan sekrup M2. Kencangkan mur hanya sedikit di ujung sekrup.

Balikkan blok pemasangan dan uji paskan mur M2 ke dalam lubang.

Lepaskan dan panaskan mur sedikit dengan korek api atau nyala api lalu masukkan dengan cepat ke bagian belakang blok pemasangan.

Buka sekrup, biarkan mur tertanam di blok pemasangan plastik. Untuk menambah kekuatan, oleskan setetes lem super ke tepi mur untuk menempelkan mur ke balok dengan aman.

Langkah 15: Pastikan Sekrup M2 Memiliki Panjang yang Tepat

Pastikan sekrup tidak terlalu panjang atau sensor tidak akan mengencang pada blok pemasangan. Untuk blok pemasangan sudut, pastikan sekrup M2 lebih pendek 9mm atau sedikit.

Langkah 16: Pasang Blok Pemasangan ke Router CNC

Untuk Sienci Mill, pasang blok pemasangan sudut ke bagian bawah bagian dalam Z Rail dengan beberapa tetes lem super.

Langkah 17: Pasang Sensor ke Blok Pemasangan

Tempatkan lengan yang dapat disesuaikan ke dalam blok pemasangan

Masukkan sekrup M2 dengan mesin cuci melalui slot di lengan pemasangan yang dapat disesuaikan dan kencangkan ke dalam mur.

Geser lengan yang dapat disesuaikan hingga LED dan Fotodioda sejajar dengan mur collet router

Kencangkan sekrup

Langkah 18: Tambahkan Pita Reflektif ke Satu Sisi Collet Nut

Gunakan strip kecil pita aluminium (digunakan untuk saluran tungku) dan tempelkan ke salah satu sisi mur collet. Pita reflektif ini akan memungkinkan sensor optik IR untuk mengambil satu putaran spindel.

Langkah 19: Pastikan Pita Reflektif Tidak Melewati Tepi ke Sisi yang Berdekatan

Pita perekat harus berada di satu sisi mur collet saja. Pita itu tipis dan cukup ringan sehingga tidak mengganggu kunci pas untuk mengganti gilingan akhir atau memengaruhi keseimbangan spindel.

Langkah 20: Jalankan Kawat Sensor di Sepanjang Bagian Dalam Rel Z

Menggunakan strip selotip aluminium, pasang kabel ke bagian dalam Z Rail. Yang terbaik adalah menjalankan selotip di dekat tepi rel sudut untuk membersihkan rakitan mur sekrup utama.

Langkah 21: Pasang Sensor ke Arduino Nano

Hubungkan kabel ke Arduino sebagai berikut:

• IR LED (dengan resistor terintegrasi) -> Pin D3
• IR Fotodioda -> Pin D2
• Kawat umum -> Pin GND

Langkah 22: Pasang Kabel Jumper ke Layar OLED

Tarik satu set kabel jumper 4-kawat

Colokkan kabel ke 4 pin untuk antarmuka I2C:

• VCC
• GND
• SCL
• SDA

Langkah 23: Pasang Layar OLED ke Arduino

Pasang kabel jumper ke pin berikut. Catatan: Kawat ini tidak semuanya menempel pada pin yang berdekatan, atau dalam urutan yang sama.

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

Langkah 24: Pasang Layar OLED ke Dudukannya

Dengan menggunakan tanda kurung yang Anda cetak sebelumnya, pasang layar OLED ke dudukannya

Kemudian pasang layar ke bingkai CNC.

Langkah 25: Siapkan Arduino IDE untuk Memuat Sketsa Arduino

Program untuk Arduino disebut sketsa. Lingkungan Pengembangan Terpadu (IDE) untuk Arduino gratis dan harus digunakan untuk memuat program untuk mendeteksi sensor dan menampilkan RPM.

Jika Anda belum memilikinya, berikut tautan untuk mengunduh Arduino IDE. Pilih versi yang dapat diunduh 1.8.5 atau lebih tinggi.

Langkah 26: Tambahkan Perpustakaan OLED yang Diperlukan

Untuk menjalankan tampilan OLED, Anda memerlukan beberapa pustaka tambahan, pustaka Adafruit_SSD1306 dan Adafruit-GFX-Library. Kedua perpustakaan gratis dan tersedia melalui tautan yang disediakan. Ikuti tutorial Adafruit tentang cara menginstal perpustakaan untuk komputer Anda.

Setelah pustaka diinstal, pustaka tersebut tersedia untuk sketsa Arduino apa pun yang Anda buat.

Pustaka Wire.h dan Math.h adalah standar dan secara otomatis disertakan dalam instalasi IDE Anda.

Langkah 27: Hubungkan Arduino ke Komputer Anda

Menggunakan kabel USB standar, sambungkan Arduino Nano ke komputer Anda dengan Arduino IDE.

1. Luncurkan IDE
2. Dari menu Alat, pilih Papan | Arduino Nano
3. Dari menu Alat, pilih Port |

Sekarang Anda siap untuk memuat sketsa, kompilasi dan unggah ke Nano

Langkah 28: Unduh Sketsa Arduino

Kode Sketsa Arduino terlampir dan juga tersedia di halaman GitHub saya di mana perbaikan di masa mendatang akan diposting.

Unduh file OpticalTachometerOledDisplay.ino dan letakkan di direktori kerja dengan nama yang sama (dikurangi.ino).

Dari Arduino IDE, pilih File | Membuka…

Arahkan ke direktori kerja Anda

Buka file OpticalTachometerOledDisplay.ino.ino.

Langkah 29: Kompilasi Sketsa

Klik tombol 'Periksa' atau pilih Sketsa | Verifikasi/Kompilasi dari menu untuk mengkompilasi sketsa.

Anda akan melihat area kompilasi di bagian bawah, dengan bilah status. Dalam beberapa detik pesan "Selesai Kompilasi" dan beberapa statistik tentang berapa banyak memori yang dibutuhkan sketsa akan ditampilkan. Jangan khawatir tentang pesan "Memori Rendah Tersedia", itu tidak mempengaruhi apa pun. Sebagian besar memori digunakan oleh perpustakaan GFX yang diperlukan untuk menggambar font pada layar OLED dan bukan sketsa itu sendiri.

Jika Anda melihat beberapa kesalahan, kemungkinan besar itu adalah hasil dari pustaka yang hilang, atau masalah konfigurasi. Periksa kembali apakah pustaka telah disalin ke direktori yang benar untuk IDE.

Jika itu tidak memperbaiki masalah, periksa instruksi tentang cara menginstal perpustakaan dan coba lagi.

Langkah 30: Unggah ke Nano

Tekan tombol 'Panah' atau pilih Sketsa | Unggah dari menu untuk mengkompilasi dan mengunggah sketsa.

Anda akan melihat pesan 'Mengkompilasi..' yang sama, diikuti dengan pesan 'Mengunggah..' dan terakhir pesan 'Selesai Mengunggah'. Arduino mulai menjalankan program segera setelah Unggahan selesai atau segera setelah daya diterapkan setelahnya.

Pada titik ini, tampilan OLED akan menjadi hidup dengan tampilan RPM: 0 dengan dial nol.

Jika Anda telah memasang kembali router, Anda dapat menghidupkan sakelar dan melihat layar membacakan RPM saat Anda menyesuaikan kecepatan.

Selamat!

Langkah 31: Gunakan Sumber Daya Khusus

CATATAN: Ini adalah sumber gangguan sinyal yang menyebabkan tampilan RPM tidak menentu. Saya sedang menyelidiki menempatkan beberapa tutup filter pada jumper daya, tetapi untuk saat ini Anda harus menyalakannya melalui kabel USB terpisah.

Anda dapat menjalankan layar yang terhubung ke komputer Anda dengan kabel USB, tetapi pada akhirnya Anda akan membutuhkan sumber daya khusus.

Anda memiliki beberapa opsi, Anda bisa mendapatkan pengisi daya dinding USB standar dan menjalankan Arduino darinya.

Atau Anda dapat menjalankan Arduino langsung dari elektronik router CNC Anda. Layar Arduino/OLED hanya menarik 0,04 amp, jadi tidak akan membebani perangkat elektronik Anda yang sudah ada.

Jika Anda memiliki elektronik Arduino/CNC Router Shield (seperti Sienci Mill), maka Anda dapat menggunakan beberapa pin yang tidak digunakan untuk memanfaatkan daya 5 volt yang dibutuhkan.

Di sisi kiri atas pelindung router CNC, Anda dapat melihat bahwa ada beberapa pin yang tidak digunakan berlabel 5V/GND. Pasang sepasang kabel jumper ke dua pin ini.

Langkah 32: Hubungkan Arduino ke Power Jumper

Yang ini mudah, tetapi tidak diberi label dengan baik.

Pada Arduino Nano, ada satu set 6 pin di ujung papan. Mereka tidak diberi label, tetapi saya telah menyertakan diagram pin out dan Anda dapat melihat bahwa dua pin luar yang paling dekat dengan LED indikator diberi label GND dan 5V pada diagram.

Hubungkan jumper dari pin 5V pada pelindung CNC ke pin terdekat dengan yang berlabel VIN (jangan sambungkan ke VIN, tetapi ke pin sudut bagian dalam grup 6 pin). VIN adalah untuk memberi daya pada Nano dengan daya 7V-12V.

Hubungkan jumper dari pin GND pada pelindung CNC ke pin terdekat dengan pin TX1.

Sekarang ketika Anda menghidupkan elektronik router CNC, tampilan RPM OLED juga akan menyala.

Langkah 33: Catatan Teknis di Sirkuit

Rangkaian sensor menggunakan pasangan IR LED/IR Photodiode.

LED IR berfungsi seperti LED biasa. Ujung positif (lebih panjang atau anoda) dihubungkan ke tegangan positif. Pada Arduino Nano, ini adalah pin keluaran yang disetel ke TINGGI. Kabel negatif (lebih pendek atau katoda) dihubungkan ke ground untuk menyelesaikan rangkaian. Karena LED sensitif terhadap terlalu banyak arus, resistor kecil ditempatkan secara seri dengan LED untuk membatasi jumlah arus. Resistor ini dapat berada di mana saja di sirkuit, tetapi paling masuk akal untuk menempatkannya di sisi positif sirkuit, karena kabel negatif berbagi koneksi ke ground dengan fotodioda.

IR Photodiode berperilaku seperti dioda lainnya (termasuk LED Light Emitting Diodes) di mana mereka hanya menghantarkan listrik dalam satu arah, menghalangi listrik dalam arah yang berlawanan. Itulah mengapa penting untuk mendapatkan polaritas yang benar agar LED berfungsi.

Perbedaan penting dengan Fotodioda, adalah ketika mereka mendeteksi cahaya, fotodioda akan memungkinkan listrik mengalir ke arah mana pun. Properti ini digunakan untuk membuat detektor cahaya (dalam hal ini cahaya Inframerah atau IR). Fotodioda IR terhubung dalam polaritas yang berlawanan (disebut bias terbalik) dengan 5V positif pada pin Arduino terhubung ke kabel negatif fotodioda dan kabel positif terhubung melalui kabel bersama dengan LED IR ke ground.

Tanpa cahaya IR, fotodioda IR memblokir listrik, memungkinkan pin Arduino dengan resistor pull-up internalnya berada pada status TINGGI. Ketika fotodioda IR mendeteksi cahaya IR, itu memungkinkan listrik mengalir, membumikan pin dan menyebabkan nilai TINGGI pada pin fotodioda turun ke tanah menyebabkan tepi JATUH yang dapat dideteksi Arduino.

Perubahan keadaan pada pin Arduino ini digunakan dalam sketsa untuk menghitung putaran.

Pita pita aluminium pada mur collet, memantulkan cahaya IR dari LED IR yang selalu menyala kembali ke fotodioda IR setiap kali berputar melewati sensor.

Langkah 34: Catatan Teknis pada Sketsa Arduino

Sketsa Arduino menggerakkan tampilan OLED dan bereaksi secara simultan terhadap sensor IR LED/IR Photodiode.

Sketch menginisialisasi tampilan OLED di seluruh protokol I2C (Inter-integrated Circuit). Protokol ini memungkinkan beberapa tampilan/sensor untuk berbagi koneksi dan dapat membaca atau menulis ke perangkat tertentu yang terhubung dengan kabel minimal (4). Koneksi ini mengurangi jumlah koneksi antara Arduino dan layar OLED.

Kemudian menyalakan LED IR dengan mengatur pin HIGH yang menyediakan 5V yang dibutuhkan untuk LED.

Ini melampirkan fungsi interupsi ke pin yang dipanggil ketika mendeteksi perubahan status pin itu. Dalam hal ini fungsi incrementRevolution() dipanggil setiap kali tepi FALLING terdeteksi pada Pin 2.

Fungsi interupsi melakukan apa yang tersirat, ia menginterupsi apa pun yang sedang dilakukan, menjalankan fungsi dan kemudian melanjutkan tindakan tepat di tempat ia diinterupsi. Fungsi interupsi harus sesingkat mungkin, dalam hal ini hanya menambahkan satu ke variabel penghitung. Arduino Nano kecil berjalan pada 16Mhz - 16 juta siklus per detik - cukup cepat untuk menangani interupsi 30.000 RPM, yang hanya 500 putaran per detik.

Fungsi Loop() adalah fungsi aksi utama untuk sketsa Arduino apa pun. Itu terus dipanggil, berulang-ulang selama Arduino memiliki kekuatan. Itu mendapatkan waktu saat ini, memeriksa untuk melihat apakah interval yang ditentukan telah berlalu (1/4 detik = 250 milidetik). Jika demikian, ia akan memanggil fungsi updateDisplay() untuk menampilkan nilai RPM baru.

Fungsi loop juga akan meredupkan tampilan setelah 1 menit dan mematikan tampilan setelah 2 menit - sepenuhnya dapat dikonfigurasi dalam kode.

Fungsi updateDisplay() memanggil fungsi calRpm(). Fungsi itu menghitung putaran, fungsi interupsi terus bertambah dan menghitung RPM dengan menentukan laju putaran per interval waktu dan mengekstrapolasikannya ke jumlah Putaran per Menit.

Ini menampilkan nilai numerik dan menggunakan beberapa trigonometri SMA untuk menggambar dial analog dan lengan indikator untuk mencerminkan nilai yang sama.

Konstanta di bagian atas sketsa dapat dimodifikasi, jika Anda menginginkan putaran RPM dengan nilai mayor dan minor yang berbeda.

Interval pembaruan dan interval rata-rata juga dapat dimodifikasi.