Электронный дозатор флюса и паяльной пасты

В этой статье я покажу довольно интересное устройство. Электронный диспенсер флюса и паяльной пасты, который позволяет дозировать эти вещества с определенной точностью и скоростью.
Такие устройства я встречал на зарубежных сайтах и решил сделать свою версию.

Основным элементом конструкции является шаговый двигатель.  Его использование обусловлено тем, что он позволяет точно контролировать вращение вала. То что нам и потребуется. В моем случае использован биполярный шаговый мотор MITSUMI M49SP-1.

Самой сложной задачей было придумать выдвижной механизм, который толкает поршень шприца при вращении двигателя. В результате получилась конструкция, состоящая из анкерного болта, стальной трубки и стержня с резьбой.

Анкер втулочный с болтом.

Самое главное это предотвратить прокручивание и выскакивание гайки, и как нибудь ее застопорить. У стержня в закрученном состоянии нужно оставить пару сантиметров.

Что касается стыковки выдвижного механизма с валом двигателя я боялся, что термоклей не обеспечит должную надежность. Как оказалось прочность соединения вполне нормальная.

Гелеобразные флюсы и паяльные пасты уже продаются в стандартных тубах, однако поршень у большинства из них как таковой практически отсутствует, поэтому я решил переливать содержимое в обычный медицинский шприц. Думаю для дозатора объем в 20 мл будет достаточным.

Рукоятка шприца была подрезана. Затем ее нужно закрепить на стержень толкателя, но главное не по центру, потому что в таком случае существует риск прокручивания поршня внутри. Это лучше сделать немного сбоку от центра. Приклеено на термоклей.

Каркасом для конструкции служат две алюминивые трубки квадратного сечения от старой настольной лампы. Они очень легкие, но прочные. А шприц будет удерживаться при помощи двух скоб, предназначенные для крепежа труб диаметром 24 мм.

Далее, внутри трубки были проложены провода для тактовой кнопки, которая припаяна на отрезке монтажной платы.

По первоначальной задумке этот прибор должен был получиться более компактным за счет использования маленького шагового мотора, но не один из них не обладает такой мощностью как этот. В принципе можно использовать этот дозатор стационарно. Он будет лежать на столе, а подача веществ из шприца осуществлять через подсоединенную трубочку.

Контроллер шагового двигателя

Управлять двигателем будет специальный драйвер А4988.

В нем реализовано раздельное питание: для логической части (от 3 до 5,5 В), а для силовой, т.е. питающей двигатель, диапазон напряжений 8-35 В.
Максимальный ток, приписываемый этому модулю составляет 2 Ампера. Но у меня есть некоторые сомнения о надежности данного модуля. Все же, это крохотный контроллер с тоненькими дорожками на плате.

Хочу обратить ваше внимание, что модуль боится статического напряжения. Недаром он продается в антистатическом пакете.

Первоначально я подключил модули на макетной беспаечной плате и всё работало отлично. Затем я приступил к подключению и решил припаять драйвер. После этого модуль работать перестал. Пришлось заказать еще парочку драйверов и на этот раз заземлять паяльник и самого себя. Можно надеть резиновые перчатки, а паяльник перед прикосновением к выводам просто на время отключать из розетки.

В комплекте с драйвером шагового двигателя идет маленький радиатор. Он приклеивается непосредственно на контролер.

При его установке нужно быть внимательным, потому что он сделан из алюминия и хорошо проводит ток. Радиатор может случайно соприкоснуться и соединить контакты smd резисторов, конденсаторов, а также непосредственно выводы модуля, тем самым вызвать замыкание.

Схема подключения модуля выглядит следующим образом.

Четыре вывода подключаются к обмоткам биполярного двигателя.
Расположение обмоток можно найти в даташите к мотору либо определить с помощью мультиметра. Если двигатель не запустился, попробуйте поменять местами концы обмоток.

У модуля имеются две пары контактов питания, для мотора и для логики. Я пробовал их объединять и подключать к одному источнику питания. Все работает, главное не превышать напряжение 5,5 Вольт.
Было решено организовать питание логической части через стабилизатор напряжения L7805. В таком случае имеется возможность подключать источники питания от 7 до 35 Вольт.
Правда для моего двигателя верхний предел составляет 24 Вольта.

Далее ориентируемся по полной схеме устройства, приведенной ниже.

Схема №1. Полная схема устройства

Контакты с левой стороны модуля являются логическими входами.
При поступлении импульса на вход STEP двигатель делает один шаг. Соответственно, чтобы добиться непрерывного вращения, этот вывод нужно подключить к генератору прямоугольных импульсов. В моем случае генератор выполнен на таймере NE555.
Подстроечным резистором R2 можно задать частоту сигнала, тем самым добиться желаемой скорости вращения двигателя.
При данных номиналах частота будет меняться примерно от 7 до 500 Гц.

Направление вращения зависит от сигнала на выводе DIR.
Проще говоря, если на него подать плюс, то поршень дозатора будет двигаться в одном направлении, а если подать минус - в обратном. Именно для этих целей я установил тумблер S1.

Для того, чтобы драйвер работал, необходимо соединить выводы RESET И SLEEP. 
Выводы MS отвечают за установку режимов микрошага, но я думаю в этом проекте они не понадобятся.

Кнопка SB1, запускающая устройство, подключена к 4-му выводу микросхемы NE555. Пока кнопка не нажата на этом выводе поддерживается логический ноль.

Когда установлена маленькая частота, т.е. медленная скорость вращения двигателя, то одно короткое нажатие на кнопку вызывает один шаг вала двигателя. Соответственно сколько удерживать, столько и будет работать мотор.

Дополнение к схеме №1.

При желании схему можно усовершенствовать, добавив ждущий одновибратор. Его можно спаять на такой же микросхеме NE555. В этом случае вне зависимости от длительности нажатия , дозатор будет активен строго определенное время (т.е. можно сделать короткое нажатие, а выдавливание вещества может длиться несколько секунд).

Дополнение к схеме №1

Теперь вместо кнопки SB1, на четвертый вывод DD1 подключен выход DD2.
При нажатии на кнопку SB*, на вход DD2 (вывод 2) поступает импульс низкого уровня. Это вызывает формирование на выходе DD2 (вывод 3) сигнала высокого уровня, который длится заданный промежуток времени.
Длительность задается R* и C*. При емкости С*=100 мкФ и сопротивлении R*=10 кОм дозатор будет активирован на 1 секунду. Затем прибор снова перейдет в ждущий режим, до следующего нажатия.

R2 по-прежнему устанавливает скорость подачи вещества.

Настройка драйвера

На плате модуля имеется маленький подстроечный резистор, который служит для регулировки тока, поступающего на обмотки двигателя. Этот резистор очень нежный и крутить его нужно предельно аккуратно.

При настройке будет меняться напряжение между землей (GND) и корпусом этого резистора. 

Минусовой щуп мультиметра прикладываем к контакту GND (общий), а красным щупом прикасаемся к корпусу подстроечного резистора на плате драйвера. При этом мультиметр покажет напряжение Vref.

Формула имеет разный вид в зависимости от номинала резисторов в цепи обратной связи (Rs). На рисунке они отмечены (два черных прямоугольника S1 и S2). В моем случае сопротивление Rs составляет 0,1 Ом (маркировка R100).

Vref = Current Limit * 8 * RS,
где Current Limit – ток ШД.

Формула для резисторов RS = 0,100:
Vref = Current Limit * 8 * 0,100 = Current Limit / 1,25

Формула для резисторов RS = 0,050
Vref = Current Limit * 8 * 0,050 = Current Limit / 2,5

Например для двигателя с рабочим током 1,5 Ампер:
Vref = 1,5 / 1,25 = 1,2 Вольт (вращаем подстроечный резистор, пока мультиметр не покажет это значение).

Правильная настройка обеспечит хорошую производительность двигателя и продлит его ресурс.

Чем заменить драйвер А4988?

Модули для управления ШД стоят дешево (около 50-80 р.), однако не всегда имеются в радиомагазинах и их приходится заказывать из Китая.
На тот случай, если вы захотите спаять драйвер самостоятельно, я хочу поделиться схемой управления на основе микросхемы L293D.
Данная схема была показана и описана мной в видеоролике "Управление биполярным шаговым двигателем" (на ПаяльникTV).

Схема №2

С помощью переменного резистора R2 можно изменять скорость вращения шагового двигателя. Изменить диапазона скоростей можно методом подбора R2 или C1. Тумблер SA1 позволяет приостанавливать или возобновлять вращение.
Схема имеет недостатки: мотор двигается только в одном направлении, т.к. CD4017 подает импульсы только в прямой последовательности.

Питание

В моем случае, устройство будет работать от сетевого блока питания напряжением 9 вольт.

Очень часто они имеют слишком большой уровень пульсаций на выходе из-за того, что ради экономии в них устанавливается сглаживающий конденсатор слишком малой емкости, либо вообще отсутствует. Отчего двигатель немного жужжит. Поэтому я добавил дополнительный конденсатор по питанию (между плюсом и минусом источника). Емкость не менее 1000 мкФ. 
При питании от батареек или аккумуляторов он не нужен, достаточно будет тех, которые указаны в схеме №1.

Батарейка "Крона" 9В вполне справляется в качестве источника питания.

Использование устройства

Рассмотрим основные моменты по использованию. дозатора.
Напряжение от сетевого адаптера подается на разъем питания. При этом начинает светиться красный светодиод.

Двигатель приводится в движение нажатием кнопки в носовой части дозатора. Индикация нажатия производится зеленым светодиодом. Как видно на фото, около мотора имеется дублирующая кнопка, возможно в некоторых случаях она пригодится. На плате генератора импульсов расположен подстроечный резистор, служащий для изменения скорости подачи. 
Двухпозиционный тумблер позволяет устанавливать направление вращения.

В режиме обратного хода корпус шприца выходил из своих креплений, поэтому нужно будет придумать какой нибудь фиксатор.

Вид сзади:

В первую очередь дозатор конструировался для паяльной пасты, но из за его отсутсвия для теста я решил использовать гелеобразный флюс. Сразу же возникли проблемы с заправкой шприца. Хотелось перелить содержимое без попадания воздуха. В результате этого процесса корпус флюса был поврежден и большая часть содержимого оказалась на столе. 
Из-за малого количества флюса и попавшего в шприц воздуха полноценно оценить работу диспенсера не удалось.
Воздух не в коем случае не должен присутствовать, потому что он имеет свойство сжиматься под воздействием поршня. Это вызывает вытекание содержимого даже после отпускания кнопки.

Жаль, что не удалось провести полноценный тест, т.к. у меня не было под рукой больше ни флюса ни паяльной пасты. Одно лишь радует, что мощности хватает с избытком и задумка в целом удалась. Также можно придумать кучу идей по усовершенствованию данного устройства, например обдумать методы заправки шприца, улучшить толкатель, а может и вовсе перевести дозатор на управление при помощи микроконтроллера.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• 555
• Дозатор
• Шаговый двигатель