В рубрике "Рассказ мастера" мы публикуем статьи в которых сами мастера, ЖД моделисты, рассказывают о своих интересных проектах. В этой публикации речь пойдет о необычной модели - модели портового крана для макета железной дороги. Автором модели и автором данной статьи является Павел Мельников. Статья опубликована с разрешения автора.
Моторизованная модель портального крана в масштабе 1:87
Представляю модель портового портального крана в масштабе 1:87, напечатанную на 3D-принтере и моторизованную с помощью плат Arduino и STM32. У крана 4 степени свободы, моторизованные функции включают:
- передвижение крана по рельсам,
- поворот башни,
- наклон стрелы,
- подъем и опускание крюка.
Кроме того, можно управлять прожектором крана.
Видео: демонстрация возможностей модели портового крана.
Изначально я хотел сделать "крюк" в виде электромагнита или захвата, но в итоге решил оставить обычный крюк — это значит, что груз необходимо цеплять вручную.
Проект состоит из двух больших частей: механика (чтобы всё могло двигаться как надо) и электроника с прошивкой (чтобы всем этим управлять).
Существуют готовые модели похожих кранов, например, ROCO 40110, 41290, 41296 и другие. Они географически относятся к Западной Европе, и производят впечатление техники эпохи Первой или Второй Мировой войн.
Целью данного проекта же является воссоздание кранов позднего СССР, которые до сих пор широко распостранены на просторах СНГ и постсоветского пространства, т.е. для макетов 4, 5, 6 эпох.
Кран вдохновлён двумя моделями - "Кировец" и "Альбатрос". Геометрия в основном взята у "Кировца", но некоторые части (например, поворотный узел) - от "Альбатроса", так как там можно разместить более крупный поворотный блок.
Механика
Хотя модель рассчитана на макет в масштабе 1:87, реальный масштаб крана по высоте и ширине ближе к 1:116 ( то есть примерно на 25% меньше).
В частности, портал рассчитан только на одну железнодорожную колею (с габаритами по стандарту NEM-102), хотя в реальности под краном проходят две.
Модель создана в ПО Fusion 360 и напечатана на 3D-принтере.
Крупные несущие элементы сделаны с помощью FDM-печати, мелкие декоративные и точные механические детали (например, шестерни и шкивы) напечатаны на фотополимерном принтере.
Движущиеся соединения собраны на осях из канцелярских скрепок, а неподвижные части склеены или соединены саморезами (чтобы можно было разбирать для обслуживания).
Видео: вращение поворотной платформы и наклон стрелы (на скорую руку запрограммировано на Arduino с управлением Wii Nunchuck).
Скользящее кольцо
В основании башни стоит 3-контактное скользящее кольцо, которое передаёт питание и сигналы на поворотную часть. Оно должно выдерживать нагрузки от наклона стрелы и перемещения груза.
Для этого используются два довольно больших шарикоподшипника (со внутренними диаметрами 6 мм и 8 мм), корпус напечатан на FDM-принтере.
Скользящие контакты сделаны из латунных колец (напилены из латунной трубки) на подвижной части и проволоки из фосфорной бронзы на неподвижной.
Кольцо работает, проблем с контактом замечено не было, однако присутствует осевой люфт, и долговечность контактов под вопросом. В следующих проектах я, наверное, попробую готовые решения.
Линейный привод
Линейный привод отвечает за наклон стрелы. Он сделан из:
- мотора диаметром 6 мм с планетарным редуктором,
- резьбовой шпильки М2,
- гайки М2 на подвижной части,
- подшипника для центрирования шпильки,
- фотополимерных деталей.
Я пробовал использовать обычный RC-сервомотор, но даже девятиграммовый оказался слишком громоздким (а меньшего размера - слишком слабые).
Важно: никаких концевых выключателей в модели не предусмотрено, поэтому управлять краном должен обученный персонал! Иначе шпилька просто выкрутится, и стрела упадёт.
Лебедка
Лебёдка — важнейший элемент крана. В модели она сделана на базе мотор-редуктора N20 и двух резиновых колец. Применение трансмиссии из резиновых шкивов позволяет
- уменьшить габариты, и расположить барабаны над мотором,
- ограничить крутящий момент (кольца проскальзывают при перегрузке).
Видео: работа лебёдки.
Тросы
Выбрать подходящий материал для тросов оказалось сложной задачей. Требования к тросам весьма противоречивы, они должны быть: * достаточно толстыми для реалистичности, * тонкими и гибкими, чтобы свободно свисали под собственным весом, * не плетёными (иначе закручиваются со временем), * тёмного цвета.
Я перепробовал: обычные нитки (тонкие, но скручиваются), вощёную кожаную веревку (толстая, гибкая, но скручивается), полиэстеровую нить (идеальная толщина, но скруичвается), чёрную рыболовную леску 0.16 мм (слишком жёсткая), "эластичную леску" с алиэкспресса (белая цвета, слишком растяжимая).
В итоге остановился на плетёной мультифиламентной леске 0.12 мм (с элиэкспресса). Она очень прочная (тяжело разрезать даже хорошо подогнанными ножницами), не скручивается, но жёстче, чем хотелось бы.
Возможно, всё же стоит попробовать обычную плетёную нитку, но правильно раскручивать её перед установкой, чтобы не запутывалась. Проверю это в следующих проектах.
Крюк
Если на конце троса слишком малый вес, натяжения троса может оказаться недостаточно для разматывания, он запутается на барабане и не опустится вниз (см. фото выше). Когда на крюке груз, такой проблемы не стоит, но примерно половину времени крюк двигается без груза, так что сам крюк должен быть максимально тяжёлым.
Я решил отлить крюковую подвеску из припоя с помощью паяльниика и формы, напечатанной на фотополимерном принтере, в домашних условиях. Фотополимер вообще не выдерживает такого нагрева и трескается (а потом разваливается), но формы хватило на то, чтобы с четвертой или пятой попытки отлить удачную деталь. Сам крюк напечатан из фотополимерной смолы.
Электроника
Система управления состоит из двух самодельных плат: плата в башне крана управляет поворотом, наклоном стрелы и лебёдкой; плата на земле (под макетом) управляет передвижением крана по рельсам. Платы разрабатывались в EasyEDA и производились в JLCPCB.
Плата башни
В башне не так много места, и туда не входит Arduino Nano с драйверами моторов, поэтому была разработана и изготовлена маленькая кастомная печатная плата с микроконтроллером STM32G0 и двумя H-мостами DRV8835. Суммарно она может управлять 4 моторами, но из башни крана надо управлять только тремя, четвертый находится на земле.
Также к плате подключен прожектор из светодиода тёплого белого цвета, размещенный около кабины. Вообще стоило бы добавить больше подсветки — выглядело бы живее.
Соединение с землёй
Электропитание (5V) подаётся через рельсы, а команды передаются через стальную резьбовую шпильку, которая двигает кран. Иногда контакт через шпильку теряется, и команды перестают поступать в башню, пока не "поможешь" ему рукой. Чтобы уменьшить риск того, что неуправляемый кран снесет детали макета, в прошивке платы предусмотрена защита — если данные перестают приходить, моторы останавливаются.
Наземная станция и пульт управления
Управление сделано на базе контроллера Wii Nunchuck (его китайском клоне). У него имеется джойстик, 2 кнопки и акселерометр. Джойстика и кнопок достаточно для управления четырьмя моторами и освещением крана, а акселерометр, возможно, пригодится в будущем.
Контроллер подключается к Arduino Nano по I2C, сама Arduino отправляет команды в кран по UART (толко в один конец). Arduino также управляет мотором, двигающим весь кран по рельсам; для этого предусмотрен модуль с H-мостом DRV8833. Для удобства компоненты закреплены на второй кастомной плате.
Весь проект питается от 5В, т.е. от телефонной зарядки.
Как вам проект? Поделитесь своими впечатлениями в комментариях и не забудьте поставить лайк и подписаться на канал - мы публикуем для вас все самое интересное в мире отечественного ЖД моделизма!
Подпишитесь на наш Телеграм-канал: t.me/rail38
Общайтесь с нами в нашем Телеграм-чате: t.me/rail38chat
Присоединяйтесь к нам в ВК: vk.com/rail38