Разработка автоматизированного станка для наматывания катушек

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Разработка автоматизированного станка для наматывания катушек

Мазунин Д.А. 1
1Лицей№38
Еделев А.Ю. 1
1Лицей№38
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Работу над этим проектом я начал в сентябре 2023 года. На тот момент я увлекался радиоэлектроникой и задумал создать станок для изготовления трансформаторов и катушек индуктивности. Такой станок, в принципе, будет востребован постоянно, ведь индуктивность — это незаменимый базовый радиокомпонент.

Сначала я попытался найти готовые решения в интернете, но их оказалось очень мало. Кроме того, у всех вариантов мне не понравилась одна особенность: для работы с катушкой в конструкции обязательно требовалось определённое отверстие. Мне же нужен был более универсальный и автоматизированный станок (половина найденных моделей не имела никакой автоматики). Поэтому я решил собрать станок для наматывания катушек своими руками на основе Arduino.

Цель: Разработать станок для наматывания катушек, сочетающий автоматизацию, универсальность и экономичность.

Задачи:

  1. Создать универсальный станок для наматывания катушек без жестких ограничений.

  2. Автоматизировать процесс намотки катушек.

  3. Оптимизировать стоимость итогово продукта.

1 История создания станка

Работа над созданием станка была начата в сентябре прошлого года. Целью проекта являлась разработка принципиально новой конструкции, способной стать функциональным устройством, соответствующим техническим требованиям и пригодным для представления на конференции. Несмотря на рекомендации знакомых воздержаться от подобного решения, я принял решение реализовать задуманное. Однако в установленные сроки завершить проект не удалось из-за необходимости доработки отдельных узлов и устранения выявленных недостатков.

В текущем году работы были возобновлены и продолжались, несмотря на нехватку времени. В процессе разработки в конструкцию станка неоднократно вносились изменения, направленные на улучшение его характеристик и оптимизацию функциональности. Это позволило устранить ряд технических недочётов и приблизить устройство к заявленным требованиям.

На данный момент проект находится на завершающем этапе. Станок готов к представлению на предстоящей конференции, однако работа над его совершенствованием продолжается. Доработка устройства будет осуществляться и после презентации, с целью дальнейшего повышения его эффективности и соответствия современным требованиям. Проект остаётся в активной фазе развития, что позволяет учитывать новые идеи и технологические решения.

Особое внимание в проекте уделено инновационным технологиям, которые отличают данный станок от существующих аналогов. Во-первых, в устройстве используется уникальная технология зажима заготовки для катушки, которая обеспечивает повышенную точность и надёжность фиксации в процессе обработки. Во-вторых, в конструкции применены щёточные двигатели вместо традиционных шаговых. Это решение позволило уменьшить стоимость станка, увеличить его мощность и значительно упростить управление. Такие технологические решения делают устройство более доступным, эффективным и удобным в эксплуатации.

2 Механическое устройство станка

В рамках разработки станка была реализована конструкция, основанная на комбинированном использовании современных материалов и технологий, что позволило достичь оптимального баланса между прочностью, долговечностью и экономической эффективностью. Основание станка (подложка) выполнено из композитного материала, состоящего из слоёв алюминия и резины. Такая структура обеспечивает высокую жёсткость и устойчивость к вибрациям, что критически важно для обеспечения точности работы станка. Алюминиевые слои обеспечивают прочность и стабильность конструкции, а резиновый слой выполняет функцию демпфирования, снижая влияние внешних вибраций и шумов.

Основной объем деталей станка был изготовлен с использованием технологии 3D-печати PETG-пластиком. Этот материал обладает рядом преимуществ по сравнению с другими типами филаментов, такими как PLA или ABS. Во-первых, PETG отличается высокой прочностью и ударной вязкостью, что делает его идеальным для использования в условиях механических нагрузок. Во-вторых, он обладает хорошей химической стойкостью и устойчивостью к воздействию влаги, что расширяет область его применения. В-третьих, PETG имеет низкую усадку при печати, что обеспечивает высокую точность геометрии деталей. Кроме того, этот материал легко поддаётся постобработке и обладает хорошей адгезией между слоями, что минимизирует риск расслоения. Важным преимуществом PETG является его устойчивость к ультрафиолетовому излучению, что делает его устойчивым к воздействию солнечного света. В отличие от органических пластиков, таких как PLA, PETG не рассыхается и не теряет своих свойств при длительном воздействии ультрафиолета.

Для деталей, подвергающихся значительным механическим нагрузкам, а именно двух опорных элементов, был использован алюминий. Этот материал был выбран в основном благодаря его доступной цене, простоте обработки и повышенной прочности по сравнению с PETG-пластиком. Использование алюминия позволило обеспечить необходимую надёжность и долговечность критически важных узлов станка при сохранении экономической целесообразности.

Комплектующие элементы, такие как направляющие, ремни, шестерни и винты, были приобретены у специализированных поставщиков. Это позволило гарантировать высокое качество и точность данных компонентов, что является важным фактором для обеспечения стабильной работы станка в целом.

Таким образом, комбинирование композитных материалов, 3D-печати PETG-пластиком и металлических элементов позволило создать конструкцию, которая сочетает в себе высокие эксплуатационные характеристики, технологичность и экономическую эффективность. Данный подход может быть рекомендован для использования в аналогичных проектах, где требуется оптимизация конструкции по критериям прочности, точности и стоимости.

3 Код, программное обеспечение и их структура1)

Данный код представляет собой программное обеспечение для управления станком, предназначенным для намотки катушек. Программа написана на языке Arduino и использует библиотеку LiquidCrystal для управления ЖК-дисплеем.

Основная задача станка — наматывать проволоку на катушку с заданными параметрами: толщиной проволоки, шириной катушки и количеством витков.

3.1 Основные компоненты и их функции

1. LiquidCrystal lcd (8, 9, 4, 5, 6, 7);

  • Инициализация ЖК-дисплея для отображения информации о процессе намотки. Дисплей используется для вывода текущих параметров, таких как толщина проволоки, ширина катушки и количество витков.

2. Переменные для хранения параметров:

  • `WireThickness` — толщина проволоки.

  • `CoilWidth` — ширина катушки.

  • `NumberOfTurns` — количество витков.

  • `Time` — время, необходимое для намотки одного ряда.

  • `TurnsInARow` — количество витков в одном ряду.

  • `Row` — количество рядов.

  • `RowPerTime` — время на один ряд.

3. Управление моторами:

Два мотора управляют процессом намотки:

  • Мотор A отвечает за вращение катушки.

  • Мотор B отвечает за перемещение проволоки вдоль катушки.

Моторы управляются через ШИМ (широтно-импульсная модуляция) с использованием портов 10, 11, 12, 13 и пинов 2, 3.

1) Этот анализ кода провела нейросеть DeepSeek

3.2 Этапы работы программы

Этап 0: Инициализация параметров и сброс значений.

Этап 1: Ввод толщины проволоки.

Этап 2: Ввод ширины катушки.

Этап 3: Ввод количества витков.

Этап 4: Расчет параметров намотки (количество витков в ряду, время на ряд и т.д.).

Этап 5: Непосредственно процесс намотки.

Этап 6: Завершение работы и вывод сообщения об окончании.

3.3 Описание работы программы

1. Инициализация:

В функции `setup()` происходит инициализация портов для управления моторами и ЖК-дисплеем. Также выполняется "декоративная загрузка" на дисплее, которая имитирует процесс загрузки системы.

2. Основной цикл `loop()`:

Программа проходит через несколько этапов (стадий), на каждом из которых пользователь задает параметры намотки:

Этап 1: Пользователь задает толщину проволоки с помощью аналогового входа A0. Значение переменных изменяется в зависимости от показаний аналогового датчика.

Этап 2: Пользователь задает ширину катушки. Аналогично, значение изменяется в зависимости от показаний аналогового датчика.

Этап 3: Пользователь задает количество витков. Здесь также используется аналоговый вход для изменения значения.

Этап 4: Программа рассчитывает параметры намотки, такие как количество витков в ряду, время на один ряд и количество рядов.

Этап 5: Начинается процесс намотки. Моторы управляются в зависимости от рассчитанных параметров. Программа попеременно меняет направление движения мотора B для равномерного распределения проволоки по катушке.

Этап 6: После завершения намотки программа выводит сообщение "DONE!" на дисплей и возвращается к начальному этапу.

3. Управление моторами:

Моторы управляются через ШИМ, что позволяет регулировать скорость вращения. В зависимости от толщины проволоки и ширины катушки, программа рассчитывает необходимую скорость для каждого мотора.

3.4 Преимущества программы

  • Простота и понятность кода

Программа легко читается и модифицируется, что делает её удобной для дальнейшего развития и улучшения.

  • Интуитивный процесс настройки

Использование аналогового входа для задания параметров делает процесс настройки простым и понятным для пользователя.

  • Автоматизация процесса намотки

Программа позволяет автоматизировать процесс намотки, что снижает вероятность ошибок при ручной намотке и повышает точность.

Резюмирую: данный код представляет собой простую, но эффективную реализацию управления станком для намотки катушек. Он позволяет автоматизировать процесс намотки, что значительно упрощает работу и снижает вероятность ошибок. Программа сочетает в себе элементы программирования, электроники и механики, что делает её интересным примером автоматизированной системы.

4 Электротехническое устройство станка

4.1 Основные компоненты устройства

1. Микроконтроллер Arduino – центральный управляющий элемент системы. Он отвечает за обработку данных, введённых пользователем, и передачу управляющих сигналов на драйвер двигателя.

2. Драйвер L298N – модуль, предназначенный для управления двигателями постоянного тока. С его помощью регулируется скорость и направление вращения двигателя, что обеспечивает точность процесса намотки.

3. Двигатели – в устройстве используются щёточные двигатели постоянного тока с напряжением питания 18 В и мощностью 3,6 Вт. Эти двигатели обеспечивают достаточный крутящий момент для выполнения задач намотки.

4. LCD Keypad Shield – модуль, совмещающий в себе экран 16x2 и 5 кнопок. Он подключается непосредственно к Arduino и служит для ввода параметров намотки, таких как ширина катушки, диаметр проволоки и количество витков.

5. Источник питания – обеспечивает стабильное питание всех компонентов системы.

4.2 Принцип работы устройства

1. Пользователь задаёт необходимые параметры намотки (ширину катушки, диаметр проволоки и количество витков) через интерфейс, состоящий из экрана и кнопок.

2. Микроконтроллер Arduino обрабатывает введённые данные и формирует управляющие сигналы для драйвера L298N.

3. Драйвер L298N регулирует напряжение и ток, подаваемые на двигатель, что позволяет контролировать скорость и направление его вращения.

4. Двигатель приводит в движение шпиндель, на который наматывается материал (например, проволока или нить).

4.3 Преимущества использования Arduino и L298N

  • Гибкость управления

Arduino позволяет легко программировать различные режимы работы, что делает устройство универсальным и адаптируемым под разные задачи.

  • Простота сборки

Применение готовых модулей (Arduino, L298N, LCD KEYPAD SHIELD) значительно упрощает процесс сборки и настройки устройства.

  • Низкая стоимость

Все компоненты системы доступны и имеют невысокую стоимость, что делает устройство экономически выгодным.

  • Масштабируемость

Систему можно легко модернизировать, добавляя новые функции или подключая дополнительные датчики.

4.4 Перспективы развития устройства

  • Добавления датчиков для автоматического контроля натяжения материала, что повысит точность намотки.

  • Интеграции с компьютером для реализации более сложных алгоритмов управления и хранения данных.

  • Использования более мощных драйверов и двигателей для работы с материалами большей толщины и увеличения производительности.

4.5 Итог:

Разработанный станок для намотки демонстрирует оптимальность, простоту и надёжность системы, достигнутые за счёт рационального подбора компонентов и их взаимодействия.

Оптимальность обеспечивается использованием доступных и эффективных элементов (Arduino, L298N, двигатели 18 В/3,6 Вт), что позволяет решать задачи намотки без избыточных затрат.

-Простота системы проявляется в минимальном количестве компонентов, лёгкой сборке и интуитивном управлении через LCD KEYPAD SHIELD.

- Надёжность гарантируется стабильной работой Arduino и драйвера L298N, а также устойчивостью конструкции к типовым нагрузкам.

Для дальнейшего развития системы возможны следующие модернизации:

1. Автоматизация контроля параметров — добавление энкодера для точного подсчёта витков или датчика натяжения проволоки.

2. Интеграция с ПО — подключение к компьютеру через интерфейс UART/Bluetooth для сохранения настроек, визуализации данных и удалённого управления.

3. Улучшение точности — использование шаговых двигателей вместо щёточных для более точного позиционирования.

4. Беспроводное управление — внедрение модуля Wi-Fi/GSM для работы со смартфона или планшета.

5 Математическая логика работы станка

Формулы в коде (4-й этап) предназначены для расчёта параметров, необходимых для корректной работы системы намотки катушки. Их назначение:

1. TurnsInARow = CoilWidth / WireThickness

Определяет количество витков в одном ряду катушки. Ширина катушки (CoilWidth) делится на толщину проволоки (WireThickness), чтобы вычислить, сколько витков поместится в ряд без перекрытия.

2. motorA и motorB (управление скоростью моторов)

  • Если толщина проволоки меньше 1:

  • `motorA = 256` (максимальная скорость мотора намотки),

  • `motorB = 256 * WireThickness` (скорость распределителя пропорциональна толщине).

  • Если толщина проволоки ≥ 1:

  • `motorA = 256 / WireThickness` (скорость намотки обратно пропорциональна толщине),

  • `motorB = 256` (максимальная скорость распределителя).

Эти формулы обеспечивают синхронизацию моторов: чем толще проволока, тем медленнее должен вращаться мотор намотки, чтобы избежать перекосов.

3. z = RowPerTime * motorB / 256

Рассчитывает скорость перемещения распределителя за единицу времени.

`RowPerTime = 41.6` — константа, связанная с калибровкой системы.

4. Time = TurnsInARow / z * 100

Определяет время, необходимое для намотки одного ряда витков. Умножение на 100, вероятно, преобразует единицы измерения (например, из секунд в миллисекунды).

5. Row = NumberOfTurns / TurnsInARow

Вычисляет количество рядов, исходя из общего числа витков (NumberOfTurns) и витков в одном ряду.

Итог: формулы обеспечивают автоматизацию намотки:

  • Корректируют скорость моторов под параметры проволоки.

  • Рассчитывают время работы для каждого ряда.

  • Определяют структуру катушки (ряды и витки).

Без этих расчётов система не сможет равномерно распределить витки, что приведёт к перекосам или обрывам проволоки.

6 Принцип работы станка

Пошаговая инструкция работы станка для наматывания катушек:

1.Подготовка заготовки:

  • Установите пустую катушку-заготовку на шпиндель станка.

  • Зафиксируйте её зажимным механизмом для предотвращения смещения.

  • Проверьте соосность и правильное позиционирование катушки.

2. Подготовка и закрепление нити:

  • Проверьте нить на отсутствие узлов, перегибов и повреждений.

  • Заправьте нить в подающий механизм через направляющие ролики и натяжные элементы.

  • Убедитесь, что нить свободно перемещается и не запутана.

  • Закрепите конец нити на заготовке (например, завязав узел или зафиксировав в специальном пазу).

3. Задание параметров:

  • Укажите на панели управления:

  • Ширина катушки (в миллиметрах).

  • Диаметр катушки (в миллиметрах).

  • Количество витков (по требованию).

4. Запуск процесса:

  • Запустите процесс намотки через интерфейс управления.

  • Проконтролируйте, чтобы нить равномерно укладывалась на заготовку.

5. Завершение работы и обрезка нити:

  • Наблюдайте за процессом до его полного завершения.

  • В случае аварийной ситуации (обрыв нити, заклинивание) отключите питание станка.

  • После остановки механизмов отрежьте нить, соединяющую катушку с подающим механизмом.

6. Извлечение катушки:

  • Ослабьте зажимной механизм и аккуратно снимите катушку со шпинделя.

  • Проверьте равномерность намотки, отсутствие перекосов и провисаний.

Дополнительные рекомендации:

  • Перед началом работы убедитесь в чистоте механизмов и отсутствии препятствий для движения нити.

  • После завершения процесса очистите станок от остатков нити и пыли.

Примечание: проверка свободного перемещения нити перед её закреплением на заготовке позволяет убедиться в отсутствии помех в системе подачи. Однако после фиксации нити на катушке рекомендуется повторно проверить натяжение и корректность укладки.

7 Заключение

В рамках данного исследования была достигнута основная цель — разработка автоматизированного станка для наматывания катушек, сочетающего функциональность, точность и экономическую эффективность.

Реализация проекта позволила решить следующие задачи:

  • Создание универсальной конструкции станка, адаптированной для работы с различными типами катушек без жёстких ограничений по геометрии.

  • Интеграция механических, электротехнических и программных компонентов в единую систему, обеспечивающую автоматизацию процесса намотки.

  • Оптимизация стоимости устройства за счёт применения доступных материалов (PETG-пластик, алюминий) и компонентов (Arduino, L298N).

Ключевыми результатами работы стали:

  1. Внедрение инновационных технических решений, таких как комбинированная конструкция из композитных материалов и 3D-печати, обеспечивающая устойчивость к вибрациям и высокую точность.

  2. Использование щёточных двигателей вместо шаговых, что упростило управление и снизило стоимость системы.

  3. Разработка программного обеспечения на базе Arduino, позволяющего гибко настраивать параметры намотки (толщину проволоки, количество витков, ширину катушки) и автоматизировать процесс.

  4. Реализация математической модели, синхронизирующей работу моторов и исключающей перекосы при укладке витков.

Полученные результаты имеют практическую значимость для радиотехники, электроники и смежных областей, где требуются катушки индуктивности и трансформаторы. Автоматизация процесса снижает зависимость от ручного труда, минимизирует ошибки и повышает воспроизводимость изделий.

Перспективы развития проекта включают:

  1. Повышение точности за счёт внедрения шаговых двигателей и датчиков натяжения проволоки.

  2. Интеграцию с компьютерными системами (через UART/Bluetooth) для удалённого управления и анализа данных.

  3. Расширение функциональности — добавление модулей для работы с материалами повышенной толщины, многослойной намотки.

Таким образом, разработанный станок демонстрирует потенциал для дальнейшей модернизации и внедрения в промышленные процессы. Проект подтверждает возможность создания доступных и эффективных решений в области автоматизации, соответствующих современным технологическим требованиям.

8 Список литературы

  • Сайт платформы ”Arduino” , с описанием библиотеки “liquidcrystal” URL: https://reference.arduino.cc/reference/en/libraries/liquidcrystal (дата обращения:10.01.2025).

  • Сайт форума “3DROB” URL: https://3drob.ru/stati/pro_arduino/moduli_1/drayver_l298n (дата обращения:19.01.2025).

  • Сайт форума “3DToday” URL:https://3dtoday.ru/blogs/drprog/osnovnye-vidy-plastikov-dlya-fdm-3d-pecati (дата обращения:20.01.2025).

  • Horowitz, P., Hill, W. The Art of Electronics. 3rd Edition. Cambridge University Press, 2015. ISBN: 978-0521809269. URL: https://artofelectronics.net (Дата обращения: 10.01.2025).

  • Сайт нейросети “DeepSeek” URL: https://deepseek.ai (дата обращения:20.01.2025).

  • Сайт интернет-ресурса “Androidinsider.ru” URL: https://androidinsider.ru/obzory-prilozhenij/chto-umeet-kitajskaya-nejroset-deepseek-na-android-i-chem-ona-luchshe-chatgpt.html (дата обращения:20.01.2025).

Просмотров работы: 42