История о том, как мы с другом дозатор красителей разрабатывали. В данном цикле статей хочу рассказать вам о том пути, который мы прошли в процессе разработки данного устройства, с какими трудностями столкнулись и как их решали. Для кого-то это будет просто интересным чтивом, а кто-нибудь возможно учтет наш опыт в собственных проектах. Всем, кому интересно - прошу под кат…
Часть первая. Механическая
Эта история началась зимой в далеком 2019 году, когда мы ещё не знали о таких страшных аббревиатурах как Covid и ей подобных. Люди жили своей жизнью, занимаясь каждый своим делом зарабатывая себе на жизнь и думали о развитии своего бизнеса. Один из таких ребят обратился ко мне через личные сообщения на Хабре с просьбой помочь ему с разработкой небольшого устройства для быстрой и удобной расфасовки небольших порций пищевого красителя для шампанского (да, была когда-то такая мода пить шампанское с блестками) в стеклянные бутылочки. После короткой переписки решили пообщаться уже по голосовой связи в Skype для детального обсуждения устройства. Как и предполагалось заказчик не располагал особыми подробностями в технических требованиях к устройству, но уже успел изучить предложения на рынке от производителей из Китая. Но готовые решения не сильно подходили, в первую очередь из-за стоимости, а также по некоторым критериям минимальных объемов дозирования. Выяснив все требования, которые определил для себя заказчик, я взял небольшую паузу что бы оценить собственные возможности, а также сделать оценки времени и финансов для разработки проекта. Я осознавал, что самостоятельно данный проект я не выполню, поэтому решил позвать к команду моего друга и по совместительству бывшего коллегу - Евгения. Он отличный инженер и не плохо разбирается в механике и 3д моделировании. Я предложил ему помочь с разработкой механической части дозатора, а на себя предполагал возложить разработку электроники и ПО. Помню у нас было несколько встреч с Женей, прежде чем мы приняли решение заняться данным проектом. Опыт работы с весами и дозаторами у нас был, но вот только взвешивали и дозировали эти устройства десятки и сотни тонн угля, но не граммы.
Мы долго обсуждали хватит ли нам опыта и сил чтобы не подвести заказчика. В итоге сформировав эскиз и предположительную конструкцию устройства мы все же согласились на разработку. Данный проект быт интересен тем, что заказчик сначала хотел одно устройство для тестов и если все заработает успешно, то таких дозаторов требовалось собрать еще 4 шт. Это выглядело привлекательным как со стороны чистого технического интереса, так и само собой заработка. Мы получили небольшую предоплату на разработку, и работа закипела.
Первым делом были сформированы конкретные технические требования, предъявляемые к устройству и согласованы с заказчиком это давало нам сразу несколько преимуществ: мы точно понимали, что нужно сделать и второе, мы могли доказать заказчику что устройство соответствует этим требованиям, а значит задача выполнена.
ТЗ
В перечень вошли следующие требования:
Дозируемый агент - порошковый краситель либо любое другое вещество порошкообразного вида.
Дозатор должен иметь возможность дозировать в широком диапазоне от 3 до 100 грамм с погрешностью не более 0.2 грамм на дозу.
Скорость дозирования должна быть не менее 1 грамма в секунду.
Индикация процесса работы и настройки устройства должны осуществляться при помощи встроенного сенсорного дисплея достаточного размера для комфортной работы.
Запуск процесса дозирования должен осуществляться при помощи педали в ручном режиме, либо по сигналу на дискретном входе в автоматическом.
Конструкция дозатора должна позволять частичную разборку и чистку (мойку) бункера и дозирующего модуля при смене цвета красителя.
Дозатор должен иметь систему самодиагностики и сообщать о неисправностях основных узлов пользователю при помощи сообщений на встроенном дисплее.
Конструкция дозатора должна позволять размещать в область дозирования тару различной конфигурации и высоты. Настройка под новый вид тары должна быть простой и быстрой.
Бункер для хранения дозируемого агента должен быть объемом не менее 2 л.
Система управления дозаторам должна вести подсчет оставшихся доз в бункере или отображать абсолютный остаток в граммах.
Система управления дозаторам должна иметь возможность производить процесс калибровки тензометрических датчиков.
Доступ к сервисным элементам управления должен быть ограничен при помощи пароля.
Блок управления дозатором должен иметь возможность обновления микропрограмм с usb носителя.
И самый, наверное, главный критерий – это дешевизна конструкции. Т.е. конструкция должна быть максимально, по возможности простой, потому что конкурировать в цене с нашими «братьями из поднебесной» мы естественно не могли.
Это конечно не полноценное техническое задание, но уже явно было от чего отталкиваться.
Начали разработку мы с изучения готовых конструкций на рынке и поиска статей и книг по теме. Много решений было на основе банальных шлюзовых заслонок и открывавшихся тупо по времени. Были конечно и шнековые решения, но все они упирались в дозирование за счёт вращения шнекового механизма в заранее установленном интервале времени, но нам это не подходило, так как невозможно было добиться нео��ходимой точности, не имея обратной связи. Также мы сочли такие решения крайне неудобными, т.к. необходимо каждый раз при смене дозируемого агента проводить калибровку и корректировать время открытия. В результате анализа мы пришли к выводу, что шнековый дозатор с обратной связью в виде электронных весов, будет самым оптимальным решением для получения требуемых характеристик. К счастью литературы для расчета шнековых механизмов достаточно и теория в целом не сложна.
После наших исследовательских работ начал формироваться концепт конструкции.
Евгений начал делать первую модель в 3д. Произвели расчет шнека:
Бункер установили на пару тензометрических датчиков. Во внутрь бункера пришлось установить ворошитель для постоянного перемешивания дозируемого вещества, так как краситель был очень лёгким и липким, и не всегда хотел ссыпаться под своим весом, что могло остановить работу питателя.
Для установки тары, разработали весовую платформу, а для формирования потока была установлена воронка с дополнительным вибратором для исключения зависания вещества в ней.
По длине и ширине для устанавливаемой тары у нас практически не было ограничений, а вот для настройки высоты тары, что бы ничего не просыпалось мимо, был разработан простой механизм подъема всего дозирующего узла вместе с бункером в довольно широком диапазоне. Такое решение позволило устанавливать тару практически любой конфигурации. В его основе использован ходовой винт с многозаходной трапецеидальной резьбой и стандартная ходовая гайка с механизмом выборки люфта. Это обеспечивало плавный ход всей конструкции и не требовало дополнительных фиксаторов высоты после настройки. В качестве направляющих использовали стандартные калиброванные валы диаметром 8 мм и ответные линейные подшипники. Получилось очень надежно и при этом просто.
В качестве основы всей конструкции Евгений использовал алюминиевый, конструкционный профиль, с этим материалом очень удобно работать, он жесткий и легко соединяется при помощи стандартного крепежа. В целом в конструкции было задействовано максимум стандартных компонентов, которые возможно было приобрести, но все же многие части пришлось проектировать и изготавливать индивидуально.
Одним из самых интересных узлов был шнековый питатель, подающий порции материала из бункера в воронку. Все детали данного узла были разработаны максимально просто, на сколько нам это удалось и позволяли все разбирать и собирать обратно без особого труда. Ниже представлены фото основных узлов.
В движение шнек приводился при помощи шагового двигателя через клиноременную передачу с зубчатым ремнем. Соотношение диаметров шкивов было выбрано таким образом, чтобы сформировать понижающую передачу. Такое решение позволило увеличить момент на валу шнека, а также увеличить плавность хода.
Первые, экспериментальные версии бункера решили напечатать на 3д принтере, т.к. это позволяло максимально дёшево понять, какая форма бункера нам понадобится, и в дальнейшем изготовить из нержавеющей стали. Печать осуществляли из пластика PLA и на первых итерациях он представлял из себя обычный цилиндр, а формирование воронки было сделано на нижней крышке бункера, в тот момент мы считали, что этого будет достаточно, но как мы ошибались …
На верхней крышке бункера был установлен двигатель привода ворошителя с редуктором.
Когда проектирование всех основных узлов было завершено, Евгений приступил к их изготовлению, а также закупили и заказали все готовые узлы, которые мы применили в конструкции.
Часть деталей Евгений изготавливал самостоятельно на своем ЧПУ фрезерном станке, но некоторые узлы шнекового питателя и сам шнек мы заказали у знакомых на производстве. Скрежет, режущего алюминий станка, еще долго преследовал Женю после окончания всех фрезерных работ.
Большинство деталей были спроектированы таким образом, что они изготавливались с одной установки на ЧПУ, но для задней крышки питателя, к которой еще крепитлся шаговый двигатель привода, пришлось дополнительно изготовить шаблон для переворота, так как было необходимо фрезеровать с обоих сторон и ничего не испортить.
Не смотря на автоматизацию процесса фрезерования деталей, в части из них, отверстия и резьбы мы изготавливали вручную, потому что так было дешевле, хотя это было не всегда так просто.
И вот буквально через месяц на столе образовалась приличное количество деталей готовых к предварительной сборке. Я до сих пор помню свое удивление этой фотографии, не верилось, что совсем не давно это было только на экране компьютера.
Начался процесс сборки. Сначала Евгений собрал узел дозирования:
Затем приступил к основной раме и механизму подъема:
Затем "поженили" питатель с рамой:
Добавили направляющую воронку и получили половинку готового дозатора:
Печать бункера заняла больше 8 часов и под конец в принтере начали умирать подшипники, думали, что не допечатает, но все получилось, хотя и с жутким скрежетом.
В печать также были отправлены первая версия лопастей для ворошителя, элементы крепления воронки, а также корпус крепления мотор-редуктора ворошителя.
Одним из сложных элементов конструкции была весовая платформа. Т.к. взвешивание должно проходить в динамическом, а не статическом режиме нам было необходимо получать максимально «чистый» сигнал с датчика, что оказалось довольно затруднительно на платформе с 2 вращающимися моторами, да еще и вибромотором на воронке. Для попытки борьбы с вибрацией, разработанную платформу мы установили на резиновые виброподушки и уже через них произвели крепление платформы к раме дозатора. Сама платформа была выфрезерована из алюминия и скрывала сам датчик внутри себя. Сверху планировалась установка дополнительной направляющей для удобного и точного позиционирования тары. Эта накладка должна была быть съемной для быстрой установки необходимой накладки под разный вид тары. Но в первой итерации мы эту накладку не изготавливали.
Готовый вид платформы вы можете видеть ниже:
После окончательной сборки всех механических частей во едино получилась первая версия нашего дозатора, готовая к реальным испытаниям с электроникой управления и реальным дозируемым веществом, а также несколько итераций по улучшению конструкции и исправлению ошибок, но об этом в следующих частях.
Спасибо всем, кто дочитал до конца, надеюсь было интересно. Продолжение следует…
