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无用机器:开开心心地大闹一场!第 1 部分

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几年前在 Kunbus 工作时,我需要制作一件能够完美展示 Revolution Pi 产品系列功能的展品。我们决定搭建一台由 RevPi Core 控制的特别机器,它毫无用处地在各个容器之间循环泵送彩色液体(油和水)。结果在纽伦堡国际电气自动化系统及元件展 SPS IPC Drives 上,这台机器把我们的(当时的)主要经销商的展台变成了一片漂着浮油的水滩,闹了个人仰马翻。

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然而犯错的不是机器,而是人:不断重复,却又是神圣的。与此同时,我正在发展自己的业务(称为 BEYOND normal):我们为客户设计并制作别具一格的展品。于是我想,在英国电子展 WNIE 为 DesignSpark 展台构建“无用机器 2”(即“UM2”)是个不错的时机。顾名思义,这台机器仍然毫无用处。它的主要意义在于启发工程师们拓展 IT 和自动化的交叉点(详见“传统自动化进入 IT 异世界”):传统自动化的阀门和泵机遇到现代 IT 技术。这台机器中没有使用液位或流量传感器,唯一用于控制算法的组件是一个对准容器的 USB 摄像头。Python 库(例如“openCV”)用于分析传入图片并检测液位,而 Python 则用于状态机的编程(详见“PYTHON – 让“Monty 语言”进入自动化行业”)。继续阅读,获得启发,跳出思维框架,用别具一格的方法开发项目!

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慕尼黑电子展 Electronica 上的无用机器第 1

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英国电子展 WNIE 地毯上的无用机器第 2 版

言归正传,这台机器到底能做什么?正如我之前所说:它没有什么真正的用处。它包含两个容器。左边的容器装有绿色的水,而右边的容器则装有红色的油。两种液体通过泵机输送从各自的容器中输送至位于中间的圆筒中(红色的油漂浮在绿色的水上)。然后机器分离两种液体,再把它们用泵机送回原容器。下面是该机器的简图:

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然而在这种设计下,数个输送周期之后,两种液体的纯度很快就会大幅降低。水泵“V”抽吸时,油与水之间的液面变成漏斗形,因此不存在阀门“V”从左侧水管精确切换至右侧油管的时间点。而一旦红色的油进入左边的水容器中,就无法再分离出来,因为油会浮在绿色的水面上。于是我们需要找出液位不确定的补偿方法。我们要找出适合切换阀门的液位范围。这可以通过在中间容器上使用两个出口来实现:

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现在我们需要使用下面的出水口排出绿色的水,直到液位完全低于上面的(油)出口。然后我们使用上面的出口安全地将油排出。两个阀门使两种液体部分完全摆脱了任何压差的影响。出油口尺寸够小,表面张力加上附着力够大,足以使红色的油留在阀门和出口之间的管道部分内。否则,重力可将水压入油管,而只要水面高于出口,油就会漂浮至水面。

最后一步,我在两侧各使用两台泵机和两个阀门,因为我使用的泵机无法反向。因此每侧的一组泵机和阀门用于向中间容器灌注,而另一组则用于排放。总的来说,控制器需要切换四台泵机和四个阀门。

幸运的是,我找到了机械安装的理想材料:含水冷设备的“机壳改装”场景提供了这类装置所需的所有液体输送零件(管道、水槽、管件、泵机和阀门)。Alphacool 是 PC 冷却的市场领导者之一。该公司设计的材料十分美观,适合用于展览。它甚至还为管道、水槽和泵提供出色的 LED 照明选项。于是我决定选用该公司的技术,同时还增设了大量由 RevPi 控制的 LED。此外 Alphacool 和 Kunbus 营销团队赞助了制作 UM2 所需的材料,因此在这里我想对他们致以最诚挚的谢意。

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如果你需要冷却服务器,请务必浏览 Alphacool 网站;该站提供顶级的多功能解决方案,且适用范围不仅仅是比特币矿工 ;-)

在了解了可用于搭建机器的材料后,我用 DSM 做了一个 3D 模型(在本文结尾处查找文件)。Alphacool 和 Kunbus 为 STP 模型提供了各自的产品。因此我最终得到了一份逼真的制图和精准的尺寸:

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其中一个部分是 40 毫米铝杆制成的底座框架和可倾斜的仪表板。该结构具有可调节支脚。弹性唇型件已压入型材的凹槽中(在左下角的图片中,我用一块木片对此进行演示)。之后,它将支撑用作底座外壳的 Dibond 铝板。仪表板支架使用支撑杆,可固定在任何角度。此部分的细节图如下:

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仪表板是一块 3 毫米铝板,我已经用商业标牌机打印并切割好。它上面的 DIN 导轨上装有一个 RevPi core 3+、两个 RevPi 数字输出 (DO) 模块(共计 32 PWM 输出通道,以打造令人难忘的 LED 灯光秀),用于四个泵、四个阀门、三个发光开关以及钥匙开关的混合数字输入/输出 (DIO) 模块。此外,DIN 导轨上还装有 8 个用于泵和阀门的 Finder 继电器,因为涌入电流(开启时)可能会超过 RevPi DO 模块的 500 mA 最大输出电流。

请注意连接至各模块的绿色/黄色的 FE 线。我常见到客户不连接 FE 引脚。“FE”表示“功能接地”,与“保护接地”(PE) 无关。它是防止高能量 EMI 脉冲进入模块的唯一方法。因此如果不连接此电线,结果就会几乎没有内部 EMI 保护。如果你的装置无法连接 FE(为此也可以使用 230 V 插座的 PE 引脚),应至少将所有的 FE 引脚连接至中央 GND。本例中,我将它们连接至 DIN 导轨上的接地夹(即底座 GND),同时将导轨连接至用于电池供电的 -12 V 电源。展会展览上通常只是固定使用,即使已使用 SELV 电源,我也总会尝试将 PE 连接至底座。在这种情况,禁止将 -12 V 电源连接至外壳。

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此外还有一个 7 in. HDMI TFT 显示器 (Waveshare) 和一个紧急停止按钮。我使用了 HDMI 扁平电缆,这种电缆已成为四轴摄像头的标配,并有数种长度可选。

三位钥匙开关包含三种操作模式:“设置”、“正常”和“自动”。在正常模式下,用户必须在每次启动一个完整的泵送周期时按下绿色的“启动”按钮,而在自动模式下,系统则全天不间断地运行周期。设置模式可用于设置 openCV 图片分析的多个参数,使系统适应周围的照明条件。

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此外还有一个红色的“停止”按钮,用于停止当前泵送周期。停止后,必须按下蓝色的“复位”按钮将系统复位至起始状态。系统状态当前可识别的所有按钮都将背光闪烁。

最终仪表板如下所示:

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所有的输入/输出都通过电线连接至位于仪表板背面的一个巨大 DIN 导轨夹组上。此外还有一个小型主动式 USB 集线器固定在前板的背面(左下图)。用于 IoT 的 Wifi 收发器、用于 Logitech 无线键盘/鼠标套件(仅限设置用途)的收发器、USB 摄像头和显示器均由该集线器提供电源。整个系统的电源电压为 12 V(Revolution Pi 适用于 12 - 24 V 电压),因为这是外壳改装场景的电压。一个小型 12 V 转 5 V 直流-直流转换器生成 USB 集线器适用的电压。

LED、阀门和泵不直接连接至夹组,因为这样无法区分机器的两个部分。我使用四个霓虹色彩的 PC 连接器来进行区分。

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如果你喜欢这类无用的机械设计,请关注第 2 部分,届时我将详细介绍顶部框架,并演示如何进行 RevPi Core 的准备工作。

Volker de Haas started electronics and computing with a KIM1 and machine language in the 70s. Then FORTRAN, PASCAL, BASIC, C, MUMPS. Developed complex digital circuits and analogue electronics for neuroscience labs (and his MD grade). Later: database engineering, C++, C#, industrial hard- and software developer (transport, automotive, automation). Designed and constructed the open-source PLC / IPC "Revolution Pi". Now offering advanced development and exceptional exhibits.
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