Электроотвёртка своими руками или наш ответ Xiaomi

Если Вы внезапно для себя решили, что небольшая электроотвертка на подобии Xiaomi Wowstick просто жизненно необходима, но готовое решение это не про вас, тогда эта статья должна вас заинтересовать.

Если Вы внезапно для себя решили, что небольшая электроотвертка на подобии Xiaomi Wowstick просто жизненно необходима, но готовое решение это не про вас, тогда эта статья должна вас заинтересовать. Вас ожидают подробности разработки и инструкции для изготовления собственного устройства.

Определим, каким же требованиям должна соответствовать наша отвертка, что бы быть на уровне того, что есть на рынке, а может и чуточку лучше.

• габаритные параметры должны соответствовать: ДхШхВ не более 170х24х24 мм.
• возможность изготовления корпуса и его компонентов на 3D принтере.
• питание от аккумулятора типоразмера 18650.
• зарядка от USB или любого зарядного устройства для телефона через разъем micro-USB.
• управление включением/выключением одной кнопкой.
• несколько скоростей вращения.
• авто отключение при простое в течении 5 минут.
• индикация работы и выбранной скорости.
• без муфты ограничения момента

Теперь, когда с требованиями определились, можно и приступить к проектированию. Для начала займемся корпусом.

Изучив готовые конструкции можно прийти к выводу, что вполне комфортным будет корпус в виде цилиндра с усеченным конусом с одного конца, через который будет выходить приводной вал с битодержателем. Разъем зарядки установим на противоположном торце, это удобно, как при работе с подключенным шнуром зарядного устройства, так и с точки зрения установки готового модуля зарядки внутри.

Расположим органы управления по следующей конфигурации: кнопка управления питанием расположена сбоку в нескольких сантиметрах от торца с разъемом зарядки. Кнопка будет выполнена из прозрачного пластика SBS или вырезана из толстого акрила, что позволит ее подсветить светодиодом отображающим статус устройства.

Кнопки управления направлением вращения будут ближе к краю с приводным валом, так что бы их было удобно нажимать либо большим пальцем с перемещением его по кнопкам, либо указательным и средним, в зависимости от хвата, кому как удобно. Кнопка переключения режимов (скоростей) будет расположена между кнопками вперед/назад, но на перпендикулярной грани корпуса. Забегая вперед, стоит сказать, что такой угол разноса кнопок оказался не очень удачный, но иное решение усложняло компоновку элементов, а с другой стороны как показала практика, режим не так часто приходиться и менять.

Контейнер для крепления аккумулятора решено сделать частью корпуса, а контакты будут вставляться в специальные окна и будут слегка подпружинены.

Приводной вал от мотор-редуктора решено соединить с осью битодержателя через латунную муфту с 2-мя гуженами М3, а в дополнении ось будет поддерживаться шариковым подшипником 623zz, это уменьшит нагрузку на редуктор и его крепление.

Скрепить две половинки в единое целое были призваны 6 черных саморезов из набора винтов для ремонта ноутбука.

Проектирование лучше выполнять в Autodesk Inventor. 

Сделав одну половину корпуса, можно скачать модели аккумулятора, платы контроллера заряда, мотора, редуктора и подшипника, создав предварительную сборку в 3D.

Процесс проектирования может занять несколько дней, а далее следует долгий процесс печати на 3D принтере.

Спустя 5 часов печати, первый экземпляр корпуса изготовлен из черного ABS пластика. Толкатели кнопок напечатаны синим цветом для кнопки переключения скорости, черным для кнопок «вперед/назад», а кнопка включения сделана из 10 мм акрила.

После ацетоновой бани и небольшой обработки напильником все элементы становятся на свои места без особых нареканий.

Единственный момент, так это небольшая щель из-за того, что под конец печати первой половины модель подорвало от печатного стола, и она стала немного кривоватой, но, к сожалению, лучше принтер не смог с этим справиться.

К моменту начала проектирования корпуса электронная схема управления была уже спроектирована и опробована на макетной плате.

Структурно схема разбита 5 основных узлов – это контроллер заряда аккумулятора, модуль управления питанием, повышающий преобразователь, контроллер и силовой модуль управления двигателем. 

Вот видео процесса отладки:

Контроллер заряда со встроенной защитой на основе TP4056 был взят готовый. Это удобное и компактное решение с индикацией процесса заряда.

Управление одной кнопкой было построено на транзисторах на основе одного из Американских патентов.

Эта схема была собрана отдельно на плате, так что ее можно подключать к любому проекту на этапе отладки. Помимо кнопки, отключение питания может выполнять и контроллер.

Так как двигатель рассчитан на работу от 6В, а следовательно при этом уровне напряжения питания обеспечивать номинальный момент и скорость на валу, то решено добавить в схему повышающий преобразователь. Ну а там где необходимо 6В, можно сделать и 8В. Такое решение позволило немного поднять скорость, а соответственно и момент.

Также стало возможным регулировать скорость в большем диапазоне с приемлемыми характеристиками вращения. В итоге под рукой оказался готовый преобразователь на MT3608, которого более чем достаточно для работы устройства.

В готовой схеме остались все компоненты, кроме резистивного делителя в обратной связи, он пересчитан на напряжение 8,5 Вольт. Компоненты преобразователя были размещены на обратной стороне платы управления питанием. 

В качестве «мозга» системы был выбран контроллер компании Atmel, ныне Microchip, ATTiny 13A, его ресурсов более чем достаточно для реализации поставленных задач, встроенный АЦП позволил обработать кнопки, а ШИМ контроллер управлять скоростью мотора не занимая ресурсов процессора. К тому же, его можно заменить более мощным AtTiny45 или ему подобным, ведь они pin-to-pin совместимы.

Для коммутации двигателя было рассмотрено несколько вариаций решения от создания H-моста на дискретных элементах до готового решения на базе микросхем. В итоге выбор пал на готовую микросхему драйвера коллекторного двигателя. Стал выбор между MX612 и DRV8837. После изучения мануалов, драйвер от TI понравился больше, но корпус микросхемы не позволял изготавливать плату в домашних условиях без маски, в результате пришлось использовать MX612. Детали были заказаны в поднебесной (печально, но из 6 заказанных рабочими оказались только 3). Как выяснилось позже, можно было взять L9110S)

После окончательной проверки корпуса были разведены платы для контроллера, кнопок и системы управления питанием.

Теперь остается разобраться с механикой. В качестве двигателя был выбран готовый мотор-редуктор со скоростью вращения 400 об/мин. При заказе у китайцев можно попросить продавца и он вам сделает практически любое передаточное число на редукторе. Как выяснилось уже на практике, то лучше поставить двигатель с меньшей скоростью, потому как момент все же маловат. Подшипник был куплен на рынке, а муфта заказана токарю. В качестве битодержателя был взят удлинитель от набора бит 4 мм. Его хвостовик был проточен до 3,05 мм, что бы сел в натяг в подшипник. 

Так как не у всех есть возможность заказывать детали токарям, то возникла идея муфту печатать. Т.е. делаем муфту с одной стороны с лыской под выходной вал двигателя, а с другой стороны с шестигранником под битодержатель, при этом меняем подшипник на 624zz и токарь нам не нужен, но это в жизни не проверялось.

Итак, когда все узлы и детали готовы можно приступать к сборке.

Для начала произведём сборку трёх плат: первая плата — плата повышающего преобразователя и управления питанием. Установим на неё необходимые компоненты, а для преобразователя перенесём дроссель, микросхему ШИМ, диод Шотки и фильтрующие емкости с заводской платы. 

Затем собираем платы контроллера и кнопок управления. Не забываем перед сборкой платы контроллера сделать в ней необходимые вырезы. Прошиваем контроллер.

Теперь необходимо спаять эти платы вместе, как показано на рисунке ниже. Плата контроллера располагается немного ниже центральной оси платы с кнопками, величину смещения лучше получить опытным путем уже в готовом корпусе.

Контроллер заряда и защиты аккумулятора, как указано ранее, возьмём уже готовый с разъемом micro USB. 

Прежде чем соединить все модули вместе, необходимо установить в аккумуляторный отсек латунные контакты. Материал для их изготовления я взят из корпуса разъема Ethernet и USB от материнской платы. С одной стороны под контакт подставляем маленькую пружину, буквально на несколько витков, но этого достаточно для надежного контакта.

Теперь, когда все подготовлено, можно приступать к соединениям модулей. Выполняем монтаж согласно схеме. Для монтажа выбран МГТФ, он очень удобен, обращаем внимание, что на минус и питание двигателя использованы провода сечением 0,35 мм, остальные коммуникации выполнены проводом 0.15 мм.

Для удобства в корпусе есть места для укладки провода, после монтажа его можно закрепить скотчем или термоклеем. Выполнять подключения только с вытянутым аккумулятором!!! После того как монтаж завершен, выполняем проверку и внимательно смотрим полярность установки аккумулятора, делаем соответствующие отметки на корпусе или на малярном скотче.

Вставляем аккумулятор, проверяем работоспособность, если что то не так, то проверяем компоненты и монтаж. Устанавливаем все платы на свои места в корпус. Плату контроллера дополнительно крепим при помощи черного термоклея. 

Теперь устанавливаем подшипник. Затем надеваем на вал двигателя муфту, но винт не затягиваем, вставляем мотор с муфтой в корпус. Проточенный хвостовик битодержателя вставляем с наружной стоны в подшипник и сразу заводим его в муфту. Подтягиваем муфту максимально близко к подшипнику и затягиваем оба стопорных винта. Должно получиться как на изображении ниже.

Теперь вставляем оставшиеся толкатели для кнопок, закрываем вторую половину корпуса и завинчиваем саморезами. Все, устройство готово к испытаниям.

Спустя 4 месяца эксплуатации в качестве основного инструмента для сборки/разборки мелкой техники (ноутбуки, планшеты и т.д.) отвертка показала, что проделанные усилия не были тщетны и она достойна занять свое место рядом с остальным инструментом в мастерской. Всего сделано 2 экземпляра. Аккумулятор заряжаю в среднем раз в месяц. опубликовано econet.ru  

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet