Tinkercad学校机器人:激光切割行走机器!

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介绍:Tinkercad学校机器人:激光切割行走机器!

关于:我是Mario Caicedo Langer(简称M.C.),哥伦比亚STEAM教育工作者,居住在阿塞拜疆,海军科学学士,前海军军官。我是一个CAD和3D打印爱好者和一个艺术家专门在六月…

大家好,欢迎来到我的“学校修补匠机器人”系列的新一集!通常我把这个空间用于3D打印项目。然而,几个月前,我第一次使用了一台Snapmaker台式激光切割机。我对项目的第一个想法?一个基本的行走机器人,可以在学校里建造。

当一个教育中心想要为其创客空间购买设备时,第一个想到的小工具是3D打印机。但是激光切割机呢?每一种机器都有其优点和缺点。3D打印机(增材制造)可以创建形状更复杂、材料浪费更少的3D模型,但打印过程可能需要数小时甚至数天;3D打印材料更贵,更难找到。激光切割机(减法制造)是一种更快的方法,实现更直接的结果(甚至在几分钟内);而且它可以使用更便宜、更容易获得的材料(木材、亚克力、皮革、纸板)。然而,模型的复杂性可能会比3D打印的模型更有限,专业的机器可能需要更多的工作空间来操作,可能会浪费更多的材料,并且不要忘记保护眼睛和防火的基本考虑。

最好的选择是什么?这取决于你在课堂上开发的项目类型。最理想的情况是在你的创客空间里同时拥有一台激光切割机和一台3D打印机。但是考虑一下:如果你想教一节CAD和机器人的课,你有16个学生,你想让每个人都带一个机器人回家,但你只有两天的时间来完成任务;用3D打印单个机器人部件所需的时间,您的激光切割机可以为16个快乐的孩子创建机器人部件。

在今天的课程中,我们将使用Tinkercad设计一个行走机器,然后,我们将使用Snapmaker CNC machine的激光模式将其带入生活。

有趣的事实

  • 世界上的“激光”是“光放大受激发射辐射”的首字母缩写。自1960年发明以来,它们已被用于数千种不同的应用领域,包括消费电子、信息技术、通信、科学、医学、工业、太空探索、执法、娱乐和军事。
  • 波士顿动力公司是一家美国工程和机器人设计公司,成立于1992年。他们以四条腿和两条腿的行走机器人Spot、Handle和Atlas而闻名。他们可以在任何地形上行走,在不同的情况下保持平衡,甚至在跌倒后自己站起来!


定义

  • 计算机辅助设计:运用计算机技术设计物体。
  • 计算机辅助制造:利用计算机技术控制机床来制造物体。
  • CNC(计算机数控):通过计算机自动控制加工工具(如激光切割机、钻头、车床、铣床、路由器和3D打印机)。数控机床按照计算机中创建的编码指令自动加工一块材料(金属、塑料、木材、陶瓷)。
  • 激光切割机:使用高功率激光束熔化、燃烧或蒸发材料的数控机床,留下具有高质量表面光洁度的边缘。
  • 机器人:能通过自动或半自动控制来完成某项任务的机器。

激光步行机

供应

设备和材料:

  • 1台CNC Snapmaker原件,带有1600mW激光切割模块(或任何其他可用的激光切割机)
  • 1台有Wi-Fi连接的笔记本电脑。
  • 1激光护目镜
  • 5块120mm × 120mm × 3.15mm的木板
  • 1个业余齿轮箱(黄色电机)
  • 1节AA电池座,可装两节电池
  • 2 AA电池
  • 1木材用PVA胶水
  • 2个金属垫圈
  • 1根橡皮筋
  • 4个小活页夹
  • 游标卡尺
  • 1尺
  • 可选:切割机,小砂纸,彩色记号笔,强力胶水(氰基丙烯酸酯)。


软件:

第一步:预习

  1. 下载Snapmaker和Inkscape程序到教室的电脑上,熟悉这些软件。
  2. 查看Snapmaker用户手册。检查操作指导书和安全措施。
  3. 在课程开始前,在Snapmaker CNC机床和软件中连接、测试和执行所有设置校准。为了节省时间并获得良好的切割效果,了解如何在每个Snapmakers上实现正确的校准尤其重要,特别是在z轴上。稍后将详细介绍这个主题。
  4. 创建这个行走机器人的样本,这样你就可以在这个项目中训练自己,并向学生展示他们将设计和建造什么。
  5. 准备材料。
  6. 核对每块木板的尺寸。用卡尺检查厚度。本课将使用3.15mm的厚度,记住这个值是非常重要的。如果你的木片有不同的厚度,在设计时使用这个值,并在切割过程中考虑它。

步骤2:侧板和变速箱

  1. Tinkercad开放。学生必须从基本形状库中携带一个盒子。目前,这个盒子的长度是50mm × 80mm。现在,在接下来的课程中,有一个非常关键的维度需要考虑:木板的厚度(在这种情况下,它将成为盒子的高度)。向学生解释这个行走机器人将被组装成一个乐高积木,为了实现这一点,每一块的孔必须和连接部分的厚度一样宽;准确测量厚度的最好方法是使用卡尺。如果你的木片有不同的厚度(例如:3.80mm),那么每次我们使用该尺寸时使用该值而不是3.15。
  2. 激活标尺工具(放置在工作平面和Notes工具之间),并将其放置在方框的左下角。
  3. 从电路/组件库中带来一个业余爱好齿轮电机,并将其放在盒子的左侧。
  4. 更改为正字法视图。本课大部分内容将使用正字法。同样,将栅格从1.0mm改为0.1mm。转到视图立方体并选择顶视图。使用CTRL +向下箭头键,将减速电机向下,直到黄色框超过红色框。
  5. 切换到俯视图。放置减速电机6.00毫米远离左边框的盒子,8.00毫米从下边框。
  6. 带一个箱孔到齿轮电机的左边。尺寸为20mm(长)× 3.15mm(宽,等于木板厚度)。距离箱体左边2.30mm,距离箱体下边20.00 mm。
  7. 复制那个孔盒,并把它放在齿轮电机的另一边。这将是像30mm从左边的边界的盒子。
  8. 检查齿轮电机是完全之间的两个孔,没有重叠任何他们。

第三步:放置电池座

  1. 带一个68毫米(长)x 35毫米(宽)x 22.30毫米(高)的盒子,并把它换成黑色。它将代表AA电池洞的空间。把它放在我们创建的最后一个洞框之后。如果你检查真正的减速电机和AA电池座,你会意识到,有或多或少相同的厚度。所以去前视图,检查同样发生在Tinkercad。
  2. 检查电池座的下部是否与减速电机的下部对齐。本例中电池座下方距离红色框左侧34.10mm,下方距离红色框左侧8.10mm。
  3. 再次复制孔,并将其放置在电池座之后(距离红框左边缘70.30毫米,距离下边缘20毫米)。
  4. 使用右边的中间手柄,将红色框的宽度从80mm减小到76mm。
  5. 选择我们创建的最后一个孔(电池座的右侧),并将其长度减少到10mm。同时,将其移近红框的上边缘,直到距离红框左边框70.30mm。
  6. 复制(CTRL-D)这个洞,并把它下来,把它放在19.20毫米的距离下边缘。
  7. 复制孔盒之间的齿轮电机和电池持有人,并把它下来。
  8. 现在,旋转90度。
  9. 移动那个孔盒到左边,把它直接放在减速电机的下部。距离左边框8mm,距离红框下边框4.02mm。
  10. 复制孔盒(CTRL-D),并向右移动副本,直到它位于电池座下(距离红框左边框45mm)。


步骤4:前面板

  1. 带一个42.19毫米(长)x 19毫米(宽)的盒子,创建前面板。
  2. 创建一个位于变速箱附近的洞的副本(20mm x 3.15mm)。
  3. 将该副本移动到第一步中创建的新框旁边。
  4. 把洞变成固体。
  5. 改变这个新的实体形状的高度为3.15mm。
  6. 复制这个盒子,把它放在第一个盒子的对面。它看起来一定像个十字架。
  7. 选择并分组所有这些新形状。

步骤5:底部面板

  1. 带一个19毫米(长)x 76毫米(宽)的盒子,创建底部面板。
  2. 创建位于变速箱下的两个孔(20mm x 3.15mm)的副本。
  3. 将该副本移动到第一步中创建的新框旁边。
  4. 将小孔转化为固体。
  5. 改变这些新的实体形状的高度为3.15mm。
  6. 复制这些盒子,把它们放在第一个盒子的对面。这看起来一定像个欺骗。
  7. 选择并分组所有这些新形状。



步骤6:后面板

  1. 带一个42.19毫米(长)x 19毫米(宽)的盒子,来创建后面板。
  2. 复制电池座右侧10mm(长)× 3.15mm(宽)的两个孔。
  3. 把第一个盒子左边的重复孔,并使它们坚固。
  4. 取位于下方的重复孔,将其宽度增加到20mm。
  5. 选择上面的小盒子和这个新的20mm (W)盒子。复制它们,将它们移到盒子的另一侧,并镜像它们。
  6. 改变这些新的实体形状的高度为3.15mm。
  7. 选择并分组这五个框,创建一个看起来像飞机的形状。

7 .垫圈

  1. 带一个直径20毫米、高3.15毫米的圆柱体。
  2. 将10mm(长)x3.15 mm(宽)的孔盒放置在圆柱体的中心。使用对齐工具进行此操作。
  3. 同时选择形状和组。


步骤8:侧板的最后调整

  1. 隐藏或删除电池座。
  2. 将变速箱改造成一个孔;选择它和侧面板,并将它们分组。
  3. 检查侧板上齿轮箱突出处的圆形部分孔。把稍微大一点的圆柱体放在他们身上,并将他们与侧板组在一起,这样孔就会变得完整。这将允许真正的变速箱完美地适合侧板。
  4. 最后,你必须有五个形状:前面板,侧面板,后面板,底部面板,和垫圈。

步骤9:导出Body组件

  1. 检查所有的形状都在工作平面上(逐个选择,然后单击“D”键)。
  2. 现在,选择所有的形状,并把他们下来0.1毫米。为什么?因为Tinkercad将从与工作平面相交的对象创建SVG配置文件。
  3. 点击“导出”。
  4. 在“激光切割”区域选择“。svg”。
  5. 将每个片段保存为SVG文档。

注意:我建议你检查这个Tinkercad博客链接,解释更多关于SVG文件:

https://www.tinkercad.com/blog/import-and-export-svg-files-tinkercad

第十步:

  1. 让我们记住,以下固体的高度(H)也是3.15mm(木片的真实厚度)。
  2. 带一个直径20毫米的圆柱体。
  3. (用眼睛)将气缸中心对准变速箱的轴。
  4. 将变速箱转换成一个洞,并将这两个形状分组。
  5. 创建一个3.15mm(长)× 5mm(宽)的盒子孔。复制这个孔。在圆柱体的中心和边界之间放置一个副本。选择并分组。我们称这个形状为“Wheel”。
  6. 拿第二个孔盒,把它放在一个直径10毫米的圆柱体的中心。选择并对它们进行分组。复制这个新形状(从现在开始,我们将其命名为“Locks”)
  7. 创建一个15.75mm(长)× 5mm(宽)的盒子。我们将此形状称为“轴”。它将紧紧地装在轮子的侧孔和锁的中心孔里

步骤11:前腿

  1. 带一个80毫米(长)x 15毫米(宽)的盒子,创建前腿。
  2. 创建两个孔:一个直径6mm的圆柱体,距离底部边界45.20mm(或多或少);以及一个长3.15毫米(长)宽5mm(宽)的盒子。
  3. 选择这三个形状,并分组。


第十二步:后腿

  1. 带一个50毫米(长)x 15毫米(宽)的盒子,创建后腿。
  2. 取一个直径20毫米的圆柱体,放在盒子的中心和顶部之间。
  3. 拿一个直径11毫米的圆柱体,把它放在大圆柱体的中心。使用对齐工具进行验证。
  4. 选择这三个形状,并分组。


步骤13:传动杆

  1. 带一个40毫米(长)x 7毫米(宽)的盒子,创建变速器连接后腿,到前面一个。
  2. 旋转45度。
  3. 在杆的末端,添加一个直径15毫米的圆柱体。
  4. 添加一个直径6毫米的圆柱体,对准之前圆柱体的中心。
  5. 选择所有的形状,并将它们分组以创建一个带有传动杆的单一后腿。


步骤14:导出腿部组件

执行与步骤9相同的步骤。

步骤15:准备零件激光切割(Inkscape)

  1. 理论上,零件已经可以切割了。然而,当我试图将它们导入Snapmaker的鲁班应用程序时,它们却不见了踪影。在这种情况下,Tinkercad形状有一条非常细的线,当你把它们带到Snapmaker鲁班应用程序时,它们将是看不见的。为了解决这个问题,我们将使用一个名为Inkscape的工具。点击图标,打开Inkscape。将出现一个小窗口。点击“新建文档”。
  2. 我们需要部署一个特殊的窗口来修改我们的形状。转到顶部栏菜单,点击“对象”,然后点击“填充和描边”。
  3. 让我们开始导入形状。转到“文件”,选择“导入”选项。
  4. 选择其中一个形状。在本例中,我们将选择Side Panels和Front Panels
  5. 将出现一个名为“SVG Input”的窗口。选择第一个选项“将SVG图像包含为可编辑的…”,然后直接点击“OK”。
  6. 正如预期的那样,侧面板和前面板是不可见的,你只能看到一个选择方块。所以,转到“填充和描边”区域(屏幕的右侧区域)。
  7. 切换到“描边样式”,点击“宽度”。将数值从0.004mm更改为0.250mm。现在你的形状是可见的!
  8. 单击该形状,并将其带到页面的左上角。
  9. 点击顶部栏的“编辑”,然后点击“调整页面大小以选择”。这是必要的,因此程序只导出所需的区域,而不是整个页面。完成此操作后,页面将缩小为围绕所选形状的正方形。
  10. 转到“文件”,点击“保存”。
  11. 保存文件。您可以创建一个名为“SVG Visible”的新文件夹,并将文件命名为“Double Side Test”或其他名称;或者简单地说,覆盖原始文件,但要注意控制已经改进的文件。
  12. 让我们导入下一个文件。转到“文件”,然后点击“新建”。
  13. 按照前面的说明导入Top Panel并对其进行修改。最后,将其命名为“Top Ready”。
  14. 完成后,再次点击“文件/新建”,并带来机器人的其余部件。您可以导入几个文件,并将它们以一种适合所有这些文件的方式排列在一块木板上。选择每一块并使用方向键移动它。用尺子确认不超过木板的尺寸(120mm x 120mm;但最好留下一个安全边际)。

步骤16:SVG主体

在这里,您将找到主体的SVG文件。

步骤17:SVG腿

在这里,您将找到腿的SVG文件。

步骤18:Snapmaker

1.现在,我们的零件是可见的,并在一个适当的分布,让我们激光切割与CNC snappmaker。打开Snapmaker鲁班应用程序。

2.为了课堂的安全和质量,教师必须已经熟悉Snapmaker的基本操作。如有疑问,请参阅随Snapmaker发货的操作手册。但是,让我们记住基本步骤。在Snapmaker的应用程序大厅,你会发现左侧工具栏有四个选项(工作区,3D打印,激光和CNC雕刻机)。转到“工作区”(在左侧栏的顶部,X,Y,Z坐标的符号)。

3.打开CNC Snapmaker并将电缆连接到其中一个USB端口。在“连接”窗口中,单击刷新图标,并选择CNC Snapmaker连接的COM。

4.将出现一个窗口,要求确认您正在使用的机器(Snapmaker Original)和附加的工具头(Laser)。然后点击“选择”。

5.如果连接成功,左侧工具栏的四个选项将减少到只有两个(工作区和激光),您将处于“激光”选项的“编辑”屏幕。单击“添加”。

6.选择第一个SVG就绪文件(在本例中为“底部就绪”)。它可能会出现在笛卡尔平面的中心,所以把它移到右上象限。检查形状是否超过木片的尺寸(它是120mm x 120mm,但考虑110mm x 110mm,留出一些可用的空间,以便将木片固定在平台上)。此文件将作为Vector进行处理。然后,点击“进程”(右边工具栏)。

7.现在形状在“Process”屏幕中,在那里您将添加一个工具路径。刀具路径是控制激光的速度和强度的程序,以及激光在形状上移动的次数。点击形状来选择它。然后转到右侧工具栏,单击“创建工具路径”。

8.对于工具路径,使用以下配置,然后保存:

  • 名称:路径1
  • 填充:没有
  • 慢跑速度:2000毫米/分钟
  • 工作速度:120毫米/分钟
  • 多路:是的
  • 通过:7
  • 通过深度:0
  • 固定的力量:是的
  • 权力(%):One hundred.

9.现在点击“生成g代码”;当它准备好了,点击“加载g代码到工作区”。

警告:从现在开始,我们将开始操作激光。提醒孩子们一定要避开眼睛和皮肤暴露在激光束和辐射下,否则他们会受伤或损坏眼睛。教师和学生在监督激光校准和操作时,必须始终佩戴绿色护目镜。另外,在工作时不要离开CNC无人看管。

10.现在我们将在CNC Snapmaker中设置工作原点。工作原点是X轴和Y轴相交于0点的地方,也是切割工作开始的地方。但首先,我们需要找到Z轴上,激光头和要切割的材料之间的完美焦距。建议老师在课前练习时找到这一点,以避免延误和课堂管理问题。此外,Z区的焦距对于在一次尝试中实现完美的切割至关重要。

11.在CNC的工作区域放置一块木片,并用粘合剂夹固定它。在“激光”选项(右侧工具栏)中,选择低强度(0.5)并打开激光。然后,使用Z+和Z-控件,以及“XYZ轴旅行距离”控件,找到激光束投射的最小点(0.5mm)。使用Snapmaker附带的“激光校准卡”。

提示:一旦你找到了Snapmaker的完美焦距,用尺子测量它(从切割材料到参考点,如激光头标签),并把它写下来。在这个特定的情况下,完美的距离是63毫米。这将为你的下一个机会节省很多时间。

12.使用X-, X+, Y+, Y-控件和“XYZ轴旅行距离”控件,将激光带到木片的左上角。

13.点击“设置工作原点”。从现在开始,这将是切割工作的起点。

14.点击“运行边界”。激光束将做一个初步的旅行,显示切割工作的限制。如果激光烧光了木片,这可能意味着你需要移动工作原点,把木片放在一个更好的位置,或者重新检查你的设计。

15.如果一切准备就绪,点击“运行”图标(笛卡尔平面的顶部)。激光将开始雕刻和切割。

16.在完成切割这第一个形状后,导入另一个形状并重复这整个过程。

步骤19:从激光切割机中取出零件

当激光切割机的工作结束时,从他们的木片上移除碎片。同时,清理洞。

为了更有效的工作,我们将从身体部分开始。

步骤20:组装主体

带一个侧面面板,底部面板,两个前面板和后面板。组装盒子,不添加另一个侧板。用木工胶把这些碎片粘在一起。

步骤21:插入变速箱

带来变速箱,将其放在相应的位置,然后添加剩余的侧板,以完成车身。

步骤22:轴

在车轮上插入一个轴,在前腿上插入另一个轴。

步骤23:装配腿机构

让我们从左腿开始。边缘后腿,并插入前腿的轴通过其顶部孔。然后使用锁片完成机构。

24 .曲柄

带上曲柄和两把锁。在曲柄的轴上放置锁,然后通过前腿的可用孔插入它,然后添加第二个锁。

步骤25:将左腿机构固定在身体上。

在后面板的轴上放置一个垫圈。带上左腿机械装置。将齿轮箱的轴插入曲柄的中心孔内。将后面板的轴插入后腿最大的孔,并用另一个垫圈锁紧。

现在,重复这最后四个步骤,但与右腿机构部分。

26 .电源

带上电池座,插入两节AA电池,注意极性。将电池座放置在机器人的可用位置。将电缆连接到电机的引脚上,并测试运动。

步骤27:测试和改进

在齿轮箱的轴上放置一个金属垫圈,在车身和曲柄之间。这将分开两个木制部分,减少摩擦,并允许更有效的运动。

如果电池座不断下落,可以用橡皮筋绑住它,或者在盖子上加一小块双面胶带,这样它就可以通过压力和摩擦留在体内。

加上一张脸!机器人有权利看起来很开心!

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    2的评论

    0
    Amit_Jain

    24天前

    太棒了,谢谢分享

    0
    贝拉兰格

    22天前回复

    谢谢你!