Дмитрий Мамичев - Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника

• Название: Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника
• Автор: Дмитрий Мамичев
• Издательство: "СОЛОН-Пресс"
• Жанр: Радиотехника
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-91359-185-2

Книга состоит из описаний простых конструкций, содержащих электронные компоненты. Тематика изделий — электронные игрушки и сувениры.

Содержание книги является логическим продолжением содержания двух первых книг — «Роботы своими руками. Игрушечная электроника» и «Игрушечная электроника NEXT», опубликованных в издательстве СОЛОН-ПРЕСС.

Книга будет полезна начинающим электронщикам разного возраста, как пособие по изготовлению практических изделий.

---

«Радикальный» вариант, снижающий потребление тока схемой до 5–6 мА, но требующий изготовление новой платы и отказ от микросхемы изображен на пятом рисунке. На транзисторе VT2 и трансформаторе Т1 собран повышающий преобразователь напряжения. Транзистор VT1 управляет его работой. При освещении батареи G1 транзистор открывается и закрывает транзистор VT2 — светодиод гаснет, а аккумулятор через диод начинает заряжаться.

Трансформатор для этой конструкции намотан вдвое сложенным проводом ПЭЛ 0,2 (20 витков) на кольцевом магнитопроводе из феррита проницаемостью 1000…2000 с внешним диаметром 7, внутренним 5,5 и толщиной 2 мм. С наступлением сумерек транзистор закрывается, разрешая работу преобразователя.

При желании число светодиодов можно увеличить (включая последовательно) два, три. Это позволит, изменив конструкцию светильника, менять интенсивность свечения по разным направлениям. Потребляемый ток при этом также увеличится. Ещё один вариант модернизации изделия это включение в цепочку светодиодов одного «мигающего» (светодиод со встроенным генератором).

Ещё один концепт, не реализованный автором на практике, происходит из следующих противоречий: светильник (в идеале) горит всю ночь, но тускло; иногда нужно кратковременно осветить территорию ярким светодиодом, например, проводить гостей. Концепт: можно разработать и сделать светильник-факел с двумя режимами свечения светодиода (светодиодовов) — слабый и яркий.

Данные по значениям силы тока и КПД различных вариантов схем сведены в таблицу.

В заключение — забавное наблюдение по светильнику пятой схемы. Частично зарядил аккумулятор дома на подоконнике (до сумерек, в течении 3 часов) и, дождавшись свечения, лёг спать. Ночью под рассвет проснулся от раскатов грома. Светодиод не горел. В паузах между вспышками, после 4–5 разрядов молнии, он вновь стал светиться. Вывод: светильники можно заряжать и ночью, правда, нужна гроза.

Глава 4 МЕХАНИКА САМОДЕЛЬНЫХ ИГРУШЕК

При изготовлении подвижных игрушек не обойтись без механики. От её реализации зависят не только внешний вид изделия и функциональность, но и его выразительность, «забавность» — если хотите. Иные «игрушечные проекты» полностью строятся не столько на особенностях управляющей схемы, сколько на оригинальности механики изделия.

Передача движения в механизмах игрушек

Вначале немного теории. Все возможные виды механического движения можно свести к поступательному, вращательному движению или их комбинации. Движение элементов механизмов в основном вращательное.

Большинство изделий «игрушечной направленности» в своей механике содержат, кроме двигателя, исполнительного механизма, ещё один важный элемент — редуктор. Это механизм, передающий и преобразующий крутящий момент от двигателя игрушки к исполнительному устройству. К основным характеристикам редуктора в рамках заявленной темы можно отнести коэффициент полезного действия, передаточное отношение, передаваемую мощность, максимальные угловые скорости валов, количество пар, осуществляющих передачу вращения.

Основная практическая задача игрушечных редукторов — понижать угловую скорость вращения от двигателя к исполнительному механизму в десятки, сотни раз, в зависимости от необходимого. Такие редукторы называют понижающими (демультипликатор). Если на выходном валу его угловая скорость выше, чем угловая скорость входного вала, то такой редуктор называют повышающим (мультипликатор).

Договоримся условно называть пару, осуществляющую вращательное движение, колесами. Колесо, от которого передается вращение, принято называть ведущим, а колесо, получающее движение, — ведомым.

По способу передачи движения от ведущего колеса к ведомому их можно разделить на передачи трением (фрикционные, ременные) и зацеплением (цепные, зубчатые, червячные). На рисунке 1 изображён пример фрикционной передачи, на рисунке 2 — ременной.

Колёса в этом случае называют шкивами. Их отличительная особенность наличие канавки (ручейка) в которой движется (течёт) ремень (резиновый пассик). Рисунок 3 иллюстрирует принцип действия зубчатой передачи, а рис. 4 — червячной (винтовой). Колёса зубчатой передачи это шестерни.

Здесь сделаю небольшое отступление. Набив в «поисковике» словосочетание «шестерня происхождение слова», был невольно вовлечён в жаркую дискуссию с неоднозначными выводами. Одни утверждают, что шестерёнка- это малое шестизубчатое колесо, другие, что любое зубчатое колесо — это шестерня, и произошло оно от слова шест. Из палочек — шестов делали первые зубья. Третьи говорят, что в основе слова цифра 6. Именно столько зубьев взаимодействующей пары колёс входит в постоянное зацепление при их вращении. Я склонюсь, пожалуй, к последнему: любое колесо с зубьями — это шестерня.

Сказал, и тут же ошибся во всём (рис. 5а). Получается вовсе не колесо и совсем не шесть, а пять. Так что вопрос остаётся открытым.

Пример «готового редуктора» представлен на рис. 5.

Направление движения элементов указано стрелками. Быстрое вращательное движение вала ротора двигателя (точка А) преобразуется им в медленное возвратно-поступательное движение ползуна (точка Б). Пары обозначены числами 1–1, 2–2 и т. д. Другими важными элементами редуктора являются вал и ось.

Вал — это деталь редуктора или полного механизма, имеющая форму стержня (цилиндра) и служащая для передачи на другие детали данного механизма крутящего момента (вращения), тем самым создавая общее движение всех расположенных на нем деталей: например шкивов, шестерен, колес. На рисунке 5 это элемент А (вал двигателя).

Ось — это деталь редуктора, предназначенная для соединения и скрепления между собой деталей данного механизма. Ось воспринимает только поперечные нагрузки (напряжение изгиба). На рисунке 5 это элемент В. Ось чаще всего жёстко закреплена к основанию (корпусу) редуктора, хотя может и вращаться. Однако в передаче вращения от двигателя к «исполнителю» она не участвует. В этом заключается её отличие от вала.

Итак, обобщим: механика многих игрушек может содержать редуктор. В его состав входит корпус-основание, колёса, передающие вращение, валы и оси.

Общие количественно-качественные характеристики выбора редуктора при изготовлении самоделок

Первым условием выбора, конечно, является передаточное число (отношение) редуктора. Его можно определить как отношение числа оборотов ведущего колеса или входного вала к числу оборотов выходного вала или колеса за одно и то же время. Иными словами — это дробь, в числителе которой частота вращения вала мотора игрушки, в знаменателе — частота вращения конечной (выходной) шестерни редуктора (вала на которой она закреплена). Чем больше эта величина, тем медленнее движения исполнительного механизма, но больше его усилие. Говоря совершенно просто, паровозик поедет медленно, но потянет за собой много вагонов. Так, если мы имеем мотор с номинальной частотой вращения 1200 оборотов в минуту, а хотим чтобы колесо робота совершало 60 оборотов в минуту, значит, нам понадобится редуктор с отношением, равным 200.

Как его оценить в готовом редукторе? Самый простой и оправданный способ, особенно если «внутренности» редуктора недоступны глазу, поступить так: поставить риски-метки на входной и выходной валы или передаточные колёса; прокручивая входной вал подсчитать число его оборотов до того момента пока выходной вал не сделает полный оборот. Подсчитанное число и есть передаточное.

А как быть, если метки ставить неудобно или редуктор не прокручивается или нужны точные данные? Здесь придётся проникать в его «недра» и проводить теоретические вычисления. Вновь вернёмся к редуктору — взглянем на рис. 6.

Нетрудно сообразить, что любая крайняя точка колёс любой взаимодействующей пары движется с одинаковой по модулю линейной скоростью (V(A) = V(B)). В противном случае колёса проскальзывали бы друг относительно друга, чего в исправном редукторе не бывает. Пока точка В совершит один оборот точка А сделает примерно три, ведь пути точек из-за равенства скоростей одинаковые и длина обода шкива А в три раза меньше длины обода шкива В. Такое же соотношение имеют диаметры пар колёс. Вывод: во сколько раз диаметр одного взаимодействующего колеса, больше диаметра другого, во столько раз меньше частота его вращения по сравнению с частотой вращения другого. То есть первая пара (рис. 5) понижает частоту вращения втрое, вторая грубо тоже втрое, третья и четвёртая так же. В итоге редуктор снижает частоту вращения шестерни С (рис. 6) в 81 (перемножение получившихся отношений) раз по сравнению с частотой вращения вала (шкив А) мотора. Более точно передаточное число находится при измерении диаметров шестерён и шкивов (колёс) штангельциркулем и вычислении на калькуляторе их отношений.