Mesurez trois fois, concevez une fois

La plupart des membres de la communauté Hackaday ne câbleraient jamais une alimentation électrique à un circuit sans connaître la tension attendue et le courant requis. Mais notre conception mécanique est souvent plus compliquée. Nous rencontrons des gens qui budgétisent soigneusement l'énergie de leur microcontrôleur, de leurs capteurs, etc., mais ne mesurent jamais les forces impliquées dans leurs conceptions mécaniques. Ensuite, ils sont surpris de constater que le moteur qu'ils ont choisi n'est pas assez gros pour le poids de leur robot.

Un obstacle à une approche davantage axée sur les chiffres est le manque de données de base sur le système. Voici donc quelques outils simples pour mesurer les propriétés dynamiques des petits mécanismes ; les distances, les forces, les vitesses, les accélérations, les couples et d'autres choses auxquelles vous n'avez pas pensé depuis l'université de physique. Si vous ne les avez pas dans votre boîte à outils, comment mesurez-vous ?

Distance

Pour les distances plus longues, les outils habituels du propriétaire fonctionnent très bien. Le bricoleur en mécatronique bénéficie de deux outils sur le petit bout. Un cadran ou un pied à coulisse électronique pour mesurer de petites choses, et une jauge d'épaisseur (ou jauge à feuilles) pour mesurer de petites fentes.

Dial Caliper – Nous les préférons à la version électronique

GFDL Querren, jp.wikipedia.org

Une jauge d'épaisseur n'est constituée que de feuilles de métal de différentes épaisseurs, boulonnées ensemble à une extrémité. Trouvez une combinaison de feuilles qui s'intègre parfaitement dans l'espace.

Forcer

Voici quatre outils de mesure de force que nous utilisons pour couvrir différentes ampleurs de force : une balance postale, un poussoir, une balance à ressort et une balance à lettres. Il est préférable d'acheter la balance postale. Pour les grandes choses, le pèse-personne fonctionne.

Un bâton poussoir est un appareil de mesure de force que vous pouvez fabriquer vous-même. Nous en avons d'abord vu un utilisé pour régler les voitures à sous, mais ils sont universellement utiles. Il s'agit d'un simple appareil en forme de stylo composé d'un corps constitué de n'importe quel petit tube transparent, d'un ressort et d'un piston avec une broche saillante. Saisissez le canon et poussez le gadget avec la goupille, et vous pourrez lire la force exercée sur le tube.

Si vous avez besoin de le calibrer, n'oubliez pas que vous venez d'acheter une balance postale. Poussez-le dans la balance et marquez des incréments raisonnables. Faites-en plusieurs, de tailles différentes. Le piston en forme de AZ ou de L est utile pour les endroits difficiles d'accès.

L'échelle de tension à ressort conventionnelle est utile, mais la plupart des échelles commerciales sont de mauvaise qualité et imprécises. Vous pouvez devenir meilleur. Ils sont utiles pour mesurer la constante de ressort des ressorts, pour apprendre l'effort de traction nécessaire pour déplacer un robot, pour trouver le centre de gravité d'un bras de robot et pour une centaine d'autres choses « combien de punch ». Encore une fois, il s'agit simplement de relier un crochet à un ressort et de mesurer sa déflexion.

Pour des poids encore plus légers, vous pouviez acheter une balance à lettres, du moins autrefois. Aujourd'hui, vous devrez peut-être créer le vôtre. Cela peut être aussi simple qu'un morceau d'acier à ressort fixé sur une feuille de carton calibré.

Couple

Les mesures de couple sont utiles non seulement pour dimensionner les actionneurs, mais aussi pour mesurer l'efficacité.

La manière dont vous effectuez les mesures de couple dépend de la vitesse à laquelle vous souhaitez les effectuer. Pour les charges statiques, placez simplement un levier de longueur connue sur l'arbre et mesurez la force. Couple = distance * force. Pour les systèmes à rotation rapide, vous pouvez faire fonctionner le système à une vitesse connue et mesurer l’énergie électrique utilisée.

Si vous souhaitez simplement appliquer un couple connu variable pour mesurer l'efficacité, votre vie est beaucoup plus facile. Montez une large roue sur l’arbre – les pneus d’avion RC fonctionnent bien. Drapez un morceau de ruban sur le pneu. Ancrez-le à l’extrémité « extérieure » ​​et accrochez un petit poids à l’extrémité « entrée ». Il s'agit d'un frein Prony, et c'est un appareil utile à connaître. La force exercée à l’extérieur de la roue est juste suffisante pour soulever le poids, après quoi le ruban glisse. Le couple mesuré est alors le poids multiplié par le rayon de la roue.

Vous souhaiterez peut-être également mesurer les vitesses et les accélérations. Ici, l’omniprésence des caméras des téléphones portables est votre amie. Supposons que vous animiez une grue sur votre chemin de fer miniature. Enregistrez-vous sur vidéo en déplaçant la grue avec vos mains contre un rapporteur pour avoir une idée de la vitesse et de l'accélération. Dans un logiciel de montage vidéo, vérifiez les positions des différentes images et vous obtenez maintenant des changements de position. Le nombre d'images et la distance peuvent vous aider à calculer la vitesse, et le changement de vitesse en fonction du temps est l'accélération.

Si votre mécanisme se déplace trop vite pour la vidéo, utilisez un phototransistor rapide ou un appareil à effet Hall et un oscilloscope, ou réduisez en maintenant une roue de jouet contre l'arbre et mesurez la roue qui tourne plus lentement.

Dans l'exemple de la grue, le couple que vous devez fournir est le couple de friction plus le couple d'accélération, et pour calculer le couple d'accélération, vous avez besoin du moment d'inertie. Pour rappel : accélération angulaire = couple / moment d'inertie (ω = τ / I) et moment d'inertie = masse * rayon² (Je = m * r² ) pour la masse ponctuelle.

Vous pouvez conduire la grue avec un couple reproductible, par exemple en utilisant une poulie et un poids ou un moteur, et obtenir l'accélération ω₁ à partir des images fixes de votre vidéo. Si vous répétez cela avec une masse connue ma distance r connue de l'axe de l'arbre, comme un morceau de mastic à l'extrémité du bras de la grue, vous pouvez obtenir une deuxième valeur : ω_2.

Écrivez les équations ω = τ / I, ω₁ = τ / je_grue et ω₂ = τ / (je_grue +r ² *m). Combiner et isoler I_grue et tenant nos langues parfaitement, je_grue =r² * m / (ω₁ / ω₂ – 1).

Attention à soustraire le moment d'inertie de votre appareil de mesure, et à ajouter le moment d'inertie de la transmission finale si nécessaire. Vous pouvez désormais dimensionner votre servo en toute confiance. Croyez-moi, une fois que vous aurez fait cela plusieurs fois, vous ne recommencerez plus jamais à le faire.

Pouvoir

Le moyen le plus simple d'avoir une idée approximative de la puissance est de simplement mesurer la puissance consommée par le système en mesurant la puissance électrique du moteur, mais cela ignore les pertes dans la chaîne cinématique. Et les pertes sont l’une des choses vraiment intéressantes à mesurer. Les mauvaises performances sont généralement dues à la friction, et l'efficacité est un objectif pour d'autres raisons que le simple dimensionnement du moteur ou la durée de vie de la batterie. C'est une mesure de la qualité de votre configuration.

Votre modèle réduit de train ou de robot fonctionne mal ? Réglez-le pour gravir une pente raide sur une piste d’essai. Calculez le travail qu'il effectue : masse * changement de hauteur. Mesurez la puissance électrique d'entrée et le temps, Énergie = V*I*T. Vous avez maintenant une idée de la différence entre la consommation électrique réelle et le système à efficacité maximale. Toute puissance entrée mais n'apparaissant pas comme énergie potentielle dans la nouvelle position du tchou-tchou est une perte par friction. Vous pouvez maintenant expérimenter le desserrage et le serrage des vis, le changement du maillage des engrenages, etc., et avoir une idée si vous améliorez ou empirez les choses.

Conclusion

Rien de ce qui précède n'était sorcier, et vous n'avez pas besoin de faire une analyse FEM complexe pour réaliser un projet de hacker moyen. Mais un peu de véritable ingénierie peut grandement contribuer à l’obtention de mécanismes plus fiables, et cela commence par la connaissance des chiffres auxquels vous avez affaire. Prendre les mesures requises peut être simple si vous savez comment construire les outils dont vous avez besoin, et votre vie sera plus facile avec quelques chiffres pour vous guider.