De Tunnelling Ball Device is een goed voorbeeld van een cyber-physical system: computersturing in een fysisch systeem. Op willekeurige momenten laat een persoon een balletje van bovenin de toren vallen. Onderaan de toren draait een schijf met 2 gaten hard rond. Maar iedere keer valt het balletje precies door het gat in de schijf, in plaats van op de schijf te ketsen. Dankzij de computersturing van de schijf die hem zodanig bijregelt dat het gat precies onder het balletje gedraaid is als het balletje passeert.
http://chess.eecs.berkeley.edu/tbd/ is het apparaat zoals het in Berkeley bedacht en gemaakt is. Voor mijn studie ontwerp ik de aansturing, en realiseer het apparaat ook. Mijn versie is een stuk kleiner dan die van Berkeley. Daarmee is-ie niet alleen een stuk betaalbaarder, maar ook makkelijker mee te nemen naar conferenties.
Omdat de balletjes hard kunnen wegschieten als er iets misgaat in de aansturing, zit er een acrylaat doos om de motor met schijf. De doos bestaat uit een bodem met de motorhouder, waarop een "hoed" geschroefd wordt. Dit is zodat de motor nog bereikbaar blijft voor vervanging na assemblage. In de doos ligt een schuine plaat waardoor het balletje naar het gat naar buiten rolt. Het geheel staat op 4 stelpoten (eindigend in M6 draad, dus onder de onderkant worden 4 moeren met carroringen vastgelijmd waarop het hele apparaat rust). Het apparaat moet tenslotte goed waterpas gesteld kunnen worden. Hiervoor wordt een op maat gemaakt schietlood erin gehangen.
Omdat de toren vrij lang en hoog is en een reis in het bagageruim van eenvliegtuig moet overleven, plus dat er een vrij groot krachtmoment op de basisvan de toren kan komen door hefboomwerking, is ervoor gekozen de toren en deplaat die de toren draagt van PET te maken. Transparant PET mooi helderverlijmen is moeizaam, dus is de toren tot een schuifconstructie gemaakt. Ditis meteen handig voor vervoer. De hele toren kan ook uit de doos geschovenworden voor vervoer.
Op de toren zitten drie (van acrylaat gemaakte) platformen geschroefd. De hoogte kan vrij gekozen worden. Het bovenste platform heeft een gaatje waardoor het balletje kan. De 2 lagere platformen bevatten optische sensoren die het balletje detecteren doordat de lichtstraal van IR-LED naar fotogevoelige transistor onderbroken wordt.
De schijf met gaten zelf is slechts 2 mm dik en gedragen door een specifiek hiervoor ontworpen aluminium meenemer die op de motoras geschroefd is. Alles zo licht mogelijk. Er is voor een goedkope schijf gekozen zodat deze simpel te vervangen is als hij stuk gaat. Berkeley koos daarentegen voor een dure, zware, onbreekbare schijf.
Er zit een flinke tijd SolidWorks achter het ontwerp. Alles is te vinden in de zip-file (allemaal © 2013 Christiaan Endert en Peter Lebbing, CC BY-SA 3.0 gelicenseerd).
Schutfolie aan de voorkant van de platen heb ik eraf gehaald, aan de achterkant niet omdat anders de achterkant vies kan worden van roeten bij het snijden.
Acrylaat 5 mm was nog geen snij-instelling voor. Ik heb het testkruis op p=100,v=0.5 gedaan. Dat ging bij sommige lijnen door de plaat heen, maar niet overal. Ik wou conservatief afstellen om het materiaal zo mooi mogelijk te houden. p=100, v=0.45 ging met het testkruis goed. Daarna de hele batch met die instelling gedaan. Dat was een vergissing! Erg veel snijlijnen waren niet helemaal door. Gevolg: lelijke breuken bij het loshalen, met scherpe randen waar je je vingers aan open kunt halen. En zelfs een barstje bij het gat waar het balletje uit komt rollen. Misschien als ik goed naar de plaat gekeken had voor ik ’m uit de lasersnijder gehaald had, dat ik dan gezien had dat her en der de schutfolie aan de achterkant nog intact was op de snedes. Nadat ik ’m eruitgehaald had, was het niet meer mogelijk om de laatste stukjes nog door te snijden en moest ik wel gaan breken. Daarna heb ik met kleine vijltjes en grof schuurpapier alle randen weggewerkt.
PET 5 mm blijkt niet erg geschikt voor de lasersnijder. Het smelt veel te hard. Op p=100, v=0.4 wordt het doorgesneden, maar het vervormt en smelt ook weer aan elkaar. Op advies 4 keer p=100, v=1.6 gedaan met tussentijds af laten koelen. Ook dan smelt het wat aan elkaar, en er was nogal wat breekwerk nodig om eruit te krijgen.
De PET schuifconstructie ging wel perfect. Advies van de mensen van het FabLab was dat in elkaar schuivende delen (acrylaat, hout) over het algemeen gemaakt worden zonder enige rekening te houden met zaagverlies. Dat werkt goed. Maar heel wat schuifstukken in mijn constructie zijn maar voor de helft gesneden, en de andere helft is gewoon materiaaldikte. Zie bijgevoegde tekening. Als je alle vlakken snijdt zonder rekening met zaagverlies te houden, creëer je aan weerszijden een sleuf van 0,1 mm. Neem bijvoorbeeld een “tand” van 5 mm. Die wordt 4,9 mm. Wordt in plaats daarvan een plaat gebruikt die in theorie precies 5 mm is, dan moet je snijden op 5,1 mm uit elkaar. Gegoten acrylaat heeft een vrij grote diktetolerantie (PET weet ik niet uit m'n hoofd), maar een betere benadering dan “precies 5 mm” ga je niet krijgen, als je het beter wilt doen moet je te weinig snijden en daarna bijwerken.
Wat zaagverlies betreft: daar houdt Solid Works geen rekening mee! Overal behalve de schuifconstructie hebben we daar geen rekening mee gehouden, en 0,1 mm is natuurlijk ook te verwaarlozen. Bij de schuifconstructie hebben we er wel op gelet.
Voor de schijf wou ik een dun materiaal wat niet kleurloos transparant was. Alle gekleurde acrylaat wat het FabLab had liggen was 4 mm, dus ik ben voor 2 mm polystyreen (opaak wit) gegaan. Het geeft duidelijk minder mooie snijranden dan acrylaat.
Om de acrylaatdelen in elkaar te lijmen heb ik Acrifix 192 gebruikt. Zorg dat je niet met je neus boven je lijmwerk hangt! Het spul irriteert de luchtwegen flink, kan ik uit eigen ervaring zeggen. Ik kwam tot de conclusie dat Conrad de goedkoopste was met € 7,29, zelfs als je € 6,95 verzendkosten meerekent (als je meer dan € 25 bestelt geen verzendkosten). Ik heb alle randen afgeplakt met luxe schilderstape (niet die goedkope rommel). Over het algemeen door te ruim te plakken, dan de te lijmen plaat erop positioneren en een breekmes erlangs halen. Vervolgens kan je het overschot aan tape er langs de snijlijn aftrekken.
Dit plaatje toont het goed: het rechterdeel is op de juiste plek op het linkerdeel geplaatst en daarna is het afgedekte deel weggesneden.
Ik had nog een fles isopropylalcohol staan. Het leek mij een geschikt, mild middel om het acrylaat mee schoon te maken voor het lijmen. Dat beviel wel goed.
En hier zie je de allereerste stap: 3 grote onderdelen aan elkaar gezet.
Let op! Voor de grote onderdelen zijn lijmklemmen nodig, maar ik heb ondervonden dat het een slecht idee is om de kleine dingen te klemmen (ook al gebruik ik die kleine lijmklemmetjes die ook op de foto staan). In de praktijk blijken ze dingen scheef te duwen. Al het kleinere spul kan veel beter gewoon alleen met de kleefkracht van de lijm gebeuren.
De schuine plaat waarover de balletjes naar de uitgang lopen zit niet vastgelijmd. In plaats daarvan wordt hij op z’n plaats gehouden door 7 balkjes in de hoeken. 4 onder, 3 boven. Bij het gat waar het balletje uitkomt kan geen balkje. Ik heb de bak van boven naar onder gebouwd. 3 draagbalkjes boven vastlijmen en laten uitharden, schuine plaat erop leggen, de 4 draagbalkjes onder vastlijmen. Daarna zit de schuine plaat definitief in de constructie en kan niet meer verwijderd worden.
Even spelen leerde dat het gaatje voor de balletjes bovenin de toren veel te groot was. Verder valt het balletje niet recht naar beneden. Daarom heb ik een buisje gemonteerd zodat het balletje daarin nog even wat rond kan rammelen en dan wel recht naar beneden valt. Een buisje kopen is prijzig, maar met 4 stukjes acrylaat en secuur werken kun je die ook wel maken. Om te zorgen dat het buisje lekker strak om het balletje valt, maar het balletje nog wel door het buisje kan vallen, laat ik de eerste 3 stukjes acrylaat, die heel nauwkeurig geplaatst zijn, drogen terwijl er 5 balletjes in het buisje zitten. Zie foto (er staat een plaatje restmateriaal tegenaan om de balletjes erin te houden, dat hoort niet bij de constructie). Daarna de 4e kant erop gelijmd en opnieuw laten drogen met balletjes erin.
Deze extra stukjes zijn gesneden met p=100,v=0.35. Dat ging prima.
Ook met het 5 cm lange buisje van revisie 2 vallen de balletjes nog niet recht genoeg. Dus ik maak nu een buisje van 10 cm en ga heel grondig vloeken als het dan nog niet werkt. Omdat 10 cm nogal lang is om vrij te hangen, heb ik er een steuntje bijgemaakt dat zodanig tegen het buisje geplaatst wordt dat het buisje totaan de bovenste IR-sensor geschoven kan worden. Dit steuntje stut het buisje tegen de toren zodat het niet af kan knakken.
Ook nu weer gesneden op p=100, v=0.35. Maar de horizontale lange snijlijnen van 10 cm werden net niet helemaal doorgesneden. De lasersnijder heeft wel vaker wat moeite met lange horizontale lijnen. Door met een stevig stukje tape aan de uitgesneden stukjes te plukken, kon één van de medewerkers van het FabLab testen welke stukjes los wilden komen.
Ik weet niet of er een veel handigere manier is om in Inkscape vormen met precieze maten te maken, maar voor het steuntje deed ik het als volgt. Ik maak rechthoeken, en met “Transform” schaal ik ze naar bepaalde afmetingen in millimeters. Je kunt zien hoe groot een stukje is door het te selecteren, en in de “Transform” toolbox op Clear te drukken (schaal gaat naar 100%), en de eenheid van % te veranderen in mm: dan verandert 100% in de maat in millimeters. Vanuit daar kun je dan ook de rechthoek gewenste dimensies geven. Vervolgens met “Arrange” de rechthoeken op de gewenste manier rangschikken, en met de Bezier/straight line tool maak je een polygoon door knooppunten te maken op de gewenste hoeken van de rechthoeken waarmee je de maat bepaald hebt. Voor de vorm van het steuntje gebruikte ik rechthoeken met kanten van 50 mm, 5 mm, 20 mm en 18,4 mm. Die laatste maat had ik in de tekening gemeten, ook weer door een lijn te maken. Je hoeft de lijn niet eens af te maken: plaats het eerste punt, verplaats je muis naar het tweede punt en lees de afstand af in de statusbalk onderin beeld. Gratis informatie over de hoek.
Ik heb het buisje van rev 3 nog niet eens in elkaar gezet, maar ik heb nogal de indruk dat het wiebelen van de toren ervoor zorgt dat het balletje niet netjes recht valt. Ik heb besloten om te proberen de toren vast te trekken met een dwarsbalkje dat met boutjes met vleugelmoeren aangetrokken kan worden. Daarvoor moest ik niet alleen een balkje snijden, maar ook extra gaten snijden in bestaande onderdelen. Op aanraden van Sjors heb ik de bestaande snijlijnen 100% blauw gemaakt (en de nieuwe rood natuurlijk). Blauw is lijntype 3 in de Trotec software, en staat in het algemeen op “Overslaan”. Deze even tijdelijk op “Snijden” gezet. Door nu de laser precies op een hoek van het originele ontwerp te zetten, en in de software het ontwerp precies op diezelfde hoek onder de laser te zetten, kun je met een aardige precisie de nieuwe gaten bijplaatsen. Vervolgens blauw weer op “Overslaan” zetten, en je kunt de nieuwe stukken erbij snijden.
De platformen zijn niet stevig genoeg. Om de bestaande platformen steviger te maken heb ik acrylaat steuntjes gemaakt die aan weerszijden van de horizontale plaat van een platform worden geplaatst.
Als je complete platformen maakt is het niet logisch om de steuntjes op die manier te maken. Bij Downloads zit ook een lasersnijvorm voor het complete apparaat waarbij de horizontale platen smaller zijn en de steunen aan weerszijden uit één stuk. Dat is steviger, makkelijker te maken en mooier.
| Materiaal | Hoeveelheid | Winkel |
|---|---|---|
| Acrylaat 5 mm GS | 1× 730×430 mm 1× 730×250 mm |
http://www.perlaplast-kunststofshop.nl/ |
| PETG 5 mm GS | 1× 730×430 mm | http://www.perlaplast-kunststofshop.nl/ |
| Polystyreen 2 mm | 1× 320×215 mm | Van het FabLab |
| Acrifix 192 acrylaatlijm | Conrad art.nr. 539813 | |
| Pattex secondelijm Industrie | Karwei | |
| Schuurlinnen nat/droog korrel 85 | Karwei |
| Machine | Instellingen |
|---|---|
| Lasersnijder | Acrylaat 5 mm snijden: p=100,v=0.35 (v=0.45 leek voldoende maar was het niet) |
| Lasersnijder | Acrylaat 5 mm graveren: p=100, v=100, ppi/Hz=500 |
| Lasersnijder | PET 5 mm: p=100,v=1.6, 4 keer |
| Lasersnijder | Polystyreen 2 mm: p=100, v=0.65 |
Er zal hier nog meer komen. Ook wordt er nog meer vrijgegeven en gepubliceerd rond het project, daar zal ik naar linken. De aansturing gaat niet makkelijk na te maken zijn voor een hobbyist, aangezien de tooling en ontwikkelomgeving nogal experimenteel is (dat is nou net waarom dit project binnen de vakgroep loopt). Zelfs als ik iets zou geven zou dat waarschijnlijk alleen in een grote erg dure FPGA passen en zonder eerder genoemde experimentele software niet te calibreren zijn. Daar heb je dus eigenlijk niks aan.
Het FabLab Enschede heeft de oudere FabMoments niet overgezet naar de nieuwe website, en daarmee waren de bestanden ook niet meer beschikbaar. Daarom heb ik ze hier toegevoegd:
