В предыдущих статьях (раз, два) я описывал устройство качания детской кроватки с маятниковым механизмом. Прошло всего каких-то пять лет – и теперь вашему вниманию хочу представить следующую разработку – устройство качания для кроватки с дугообразным полозом.Ах, да! Предвидя вопросы: «а зачем качать?», «а качать-то, наверное, вредно?», «а вот у меня дети никогда в кроватке не качались – и выросли достойными людьми!», «не нужно приучать детей к качанию, в Спарте таких вообще не любили!» и т.д. – отвечаю: это не предмет рассмотрения данной статьи. Если звезды зажигают – сами понимаете. Всегда качали – это в культуре, причем разных народов. Люльки, колыбели, «бешики» — вот это вот всё. И сейчас тоже – кроватки-качалки, кроватки с маятниковым механизмом. Качали, качают и качать будут. И мы с женой – тоже качали, конечно.
А раз так – будем автоматизировать!
Каким должно быть устройство для качания кроватки? Во-первых, бесшумным. По возможности – абсолютно бесшумным. Никакого жужжания, писка, щелчков и тиканья. Во-вторых – надежным. Чем меньше движущихся частей – тем лучше. Чем меньше механических передач – тем лучше. В-третьих – простым в установке. В идеале – прикрутить на пару-тройку саморезов, а то и приклеить на скотч – и готово. В-четвертых – эффективным. Т.е. качать должно хорошо и, если нужно, сильно. В-пятых – кроватка должна иметь возможность раскачивания вручную. Следовательно, желательно отказаться от передач с большим коэффициентом. В-шестых – устройство должно обладать рядом функций – несколько «скоростей», т.е. интенсивностей качания, таймер, датчик плача, датчик движения, дистанционное управление. И в-седьмых – себестоимость устройства не должна быть слишком большой. Иначе – какой смысл, ведь изделие изначально задумывается коммерческим.
Исходя из обозначенных требований – каким может быть принцип действия устройства качания кроватки на дугах? Самое простое – двигатель с передачей, преобразующей вращательное движение в возвратно-поступательное. Шкив с веревочкой или ниткой. Шестерня и зубчатая рейка. Коленвал и шатун. Червячная передача. Винтовая передача (вариант домкрата). И прочее, и прочее.
Но все эти идеи так себе. Двигатель будет шуметь, а передача не даст или будет затруднять качать кроватку вручную. Нужен прямой привод, без передач. И, так как нам не нужно вращательное движение, это должен быть линейный привод, линейный двигатель. Например, цилиндр, из которого будет выдвигаться шток. Тогда цилиндр можно прикрепить к полозу кроватки, а штоком она будет отталкиваться прямо от пола.
В порядке абсурда
В этом месте я начал было задумываться о пневматике или даже гидравлике, но вовремя остановился.
Линейный двигатель, если совсем просто – это двигатель с развернутым в линию статором (неподвижной частью) и соответствующим «ротором» (подвижной частью). Как и обычный вращающийся двигатель, линейный по принципу действия может быть шаговым, синхронным, асинхронным и много ещё каким. По конструкции линейные двигатели также могут быть очень разными – с магнитами, без магнитов; со стальным магнитопроводом или без него; с подвижными катушками или подвижными магнитами и прочее и прочее. Каким же должен быть двигатель для устройства качания кроватки?
И далее был поиск. Я читал материалы, найденные по ключевым словам «voice coil motor/actuator» и по другим похожим, смотрел, что выпускается сейчас разными фирмами – а вдруг что-то готовое подойдет? Потом узнавал цену – нет, не подойдет…
Кстати,
насколько я понял, в России такие изделия вообще не выпускаются. В Европе – пожалуйста, в Китае – тоже много. А у нас – как-то нет (может, конечно, просмотрел, поправьте, если так).
В результате я нашел два очень полезных для меня ресурса – сайт, на котором корейский энтузиаст-самодельщик описывает разработку и создание актуатора и подробный и широкий по охвату труд – магистерскую диссертацию «THE DESIGN OF MOVING MAGNET ACTUATORS FOR LARGE-RANGE FLEXURE-BASED NANOPOSITIONING» by David B. Hiemstra (можно найти в поиске), в которой подробно описано не только создание действующего актуатора, но и содержится огромное количество сведений «вокруг» этого вопроса. Отдельно стоит отметить часть работы, в которой автор делает обзор инноваций в проектировании актуаторов – очень интересно почитать, рекомендую.
Устройство качания медленно возникало в моем воображении, как черно-белая фотография в кювете с проявителем. Детали были еще туманны, но основная идея становилась всё более понятна. Статор, состоящий из двух встречно включенных катушек внутри ферромагнитного ярма, и шток – стержень с надетым на него кольцевым магнитом. Возможно, полюсы – металлические шайбы, надетые на тот же стержень. Вот как-т о так.
Но какие должны быть катушки? Какой длины, диаметра, каким проводом мотать, сколько витков? Какое между ними должно быть расстояние? Какой магнит нужен для штока, нужны ли полюсы или можно без них? Как вообще выбрать всю геометрию изделия, чтобы она была оптимальна? Некоторые соображения общего плана приведены в упомянутой выше работе, но как определить параметры конкретно для моего случая? Неужели нужно будет изготавливать несколько вариантов наугад?
К счастью, нет. Умные люди уже давно придумали моделирование.
Надо сказать, что устройство для качания кроваток с маятниковым механизмом, разработанное ранее, я моделировал в COMSOL Multiphysics. Это впечатляющий продукт, позволяющий моделировать явления из очень разных областей физики, в том числе, конечно, и электромагнитные явления. Моделируются электромагнитные системы там в трехмерном виде, что, с одной стороны, является универсальным подходом, а с другой – требует вычислительных мощностей и времени – как на освоение программы (хотя «порог входа» невысокий, обучающих материалов много), так и непосредственно на вычисления. Процесс моделирования происходит в формате «что-то изменил – запустил расчет – ушел чай пить». Продукт коммерческий, если это важно.
А еще есть FEMM (Finite Element Method Magnetics, Magnetic Analysis). Некоммерческая программа, моделирует в 2D, но этого во многих случаях достаточно. А к ней «добавление»: DoSA-Open_2D (Designer of Solenoid & Actuator) от автора, насколько я понял, того же сайта. «Добавление» специально сделано для простого моделирования актуаторов и соленоидов. Система должна быть осесимметричная, для анализа рисуется ее сечение. Указывается материал элементов, их подвижность или неподвижность, запускается расчет – и через несколько секунд результат готов. Для моего случая программа оказалось идеальной.
на упомянутом сайте описаны еще несколько систем моделирования, если интересно – почитайте.Дополнительно
Итак, моделирование позволило выбрать некоторые параметры первого прототипа. Что ж, нарисуем, изготовим, посмотрим на результат.
Главное – оно работает, кроватка качается. Значит, принципиально всё правильно. Теперь нужно придать устройству качания приличный товарный вид.
И вот здесь-то и возникли многочисленные вопросы. Как выглядит современное бытовое устройство? Практически всегда это – пластиковый корпус. В некоторых случаях – металлический. Однако для малых серий именно бытовых приборов изготовление пластикового корпуса – предприятие очень дорогое и, соответственно, с очень сомнительной окупаемостью. Нужно как-то выкручиваться из этой реальности, что-то придумывать. Да, было бы здорово найти готовый пластиковый корпус и скомпоновать всё туда. Или сделать металлическое изделие, покрасив его, например, порошковой краской. Или взять какой-нибудь профиль – алюминиевый, пластиковый, отрезать из него корпус, а сверху наклеить наклейку или термоусадку, как на бутылку с газированной водой. Ну допустим.
Но дело же не только в корпусе. Нужно ещё придумать, как сделать конструкцию технологичной. Катушки нужно на что-то намотать, на какой-то каркас. Шток должен двигаться в подшипниках скольжения, которые в свою очередь должны быть как-то закреплены и быть как минимум соосны. Печатная плата также должна быть как-то размещена и закреплена. Ну что ж, попробуем решить эту задачку «в лоб». Алюминиевый каркас, нержавеющий немагнитный шток, стальной корпус – он же ярмо, алюминиевые крышки. В результате пробы получилось вот это:
На основе этой модели были сделаны чертежи, которые я разослал на многие производства, как российские, так и китайские, чтобы узнать примерную цену комплекта.
Я подозревал, что получится, наверное, дороговато. Но цена оказалась высокой настолько, что никакого смысла изготавливать такую конструкцию и вовсе не было. Для изготовления требовалось использование токарно-фрезерных станков с ЧПУ, нужны были ручные операции типа нарезания резьбы, разворачивания отверстий развертками и прочее. И каждая такая операция – дорога. Даже при партии в 100 штук. Даже в Китае.
Признаюсь, это был момент уныния и разочарования. Да, так мелкосерийное изделие не сделать. Нужен какой-то принципиально другой подход именно к конструированию. Нужно делать как-то вообще не так, как-то принципиально иначе.
Что в этой конструкции самое дорогое? Детали, выточенные на токарном станке. От них нужно отказаться. Все ручные операции, требующие точного позиционирования – сверление, нарезание резьбы – туда же. А что нам вообще доступно? Лазерная резка. Металла, пластика, фанеры. Но как из плоской вырезанной детали сделать, например, каркас катушки? Или магнитопровод, охватывающий эту катушку?
Есть такое понятие – инсайт. Внезапное озарение, прозрение. Вот так думал-думал над какой-то проблемой, а потом что-то «щелкнуло» – и вдруг понял, как надо. Упало, к примеру, яблоко на голову – и вот уже всё понятно: пора собирать урожай картофеля.
И первый такой инсайт – а не надо каркас. У нас есть самоспекающийся провод, и мы уже неплохо научились с ним работать. Катушки будут бескаркасные. Второе «яблоко» - да и ярмо необязательно цилиндрическим делать, вот у различных реле и соленоидов ярмо из пластин состоит – и ничего. И далее: все детали должны быть – плоскими. Никакой резьбы – используем закладные квадратные шайбы. Несущая конструкция будет из металла и пластика, поликарбоната. А корпус… пусть будет из фанеры.
Нарисуем. Изготовим. Попробуем. И снова. И ещё несколько раз (и, похоже, это не предел). Параллельно с этим «доведём до ума» программную часть и электронику – там ничего особо нового, все идеи взяты из предыдущих устройств качания с некоторой, конечно, корректировкой. И вот он – результат.
И конечно, видео:
Пока изготовлено лишь несколько экземпляров, процесс доводки и доработки ещё идёт. Кроме того, электронная часть взята самая простая – с управлением маленьким пультом-брелоком. С помощью пульта можно запустить и остановить качание, а также выбрать одну из шести возможных мощностей укачивания. Дип-переключателями на корпусе устройства можно выбрать время качания – от 15 минут до бесконечности, всего 8 вариантов установок. Также кроватку можно остановить рукой – просто затормозить и подержать 3-5 секунд. В планах – управление с помощью большого пульта с экраном, и по Wi-Fi – всё как в предыдущих устройствах для кроваток с маятником. Добавятся ещё датчик плача и датчик движения, время качания можно будет также устанавливать дистанционно, а не переключателями на корпусе.
По мотивам разработки мною был получен патент на полезную модель 200048 «Устройство качания мебели для лежания или сидения».
А дальше? Практика – критерий истины. Нужно изготовить небольшую партию изделий и проверить коммерческую привлекательность и перспективность. Но это уже совсем другая история, которая, к тому же, только начинается.
Автор: Михаил Карпеш
