Açık kaynaklı XYZ mikro-manipülatör, stepper motorlar ve G-code ile 50 nm adım çözünürlüğüne ulaştı

Çalışma tezgahı için açık bir mikro-manipülatör

Open Micro-Manipulator adlı bir proje 18 Ekim'de Hacker News'in ana sayfasına çıktı; yazarına göre ucuz maliyetle üretilebilen ve hareketi mikrometre altı ölçeğe kadar çözebilen motorlu bir XYZ konumlandırma platformu sunuyor. 0x23 kullanıcı adıyla yayınlanan projenin GitHub deposuna göre cihaz, optik hizalama, elektronik bileşenlerin proplanması ve mikroskopi amaçlı kullanılmak üzere tasarlanmış.

Miniyatür rotillerle paralel kinematik

Mekanik olarak platform, alışılmış lineer stage yığınından farklı bir yola gidiyor. Depo, miniyatür rotiller etrafında kurulmuş paralel kinematik bir yapı tanımlıyor; bu yapının kompakt bir ayak izinde geniş hareket aralığının yanı sıra iyi bir mekanik sertlik sağladığı belirtiliyor.

Hareket, sıradan ve piyasadan temin edilebilen stepper motorlardan geliyor; motorlar, dokümantasyonun çok hassas bir PWM sinyali olarak tanımladığı sinyalle 30 kHz'de çalışan closed-loop bir denetleyici tarafından sürülüyor. Konum geri bildirimi düşük maliyetli manyetik döner enkoderlere dayanıyor; bunların çözünürlüğü manyetik dişli aktarımı yaklaşımıyla 30 kat çoğaltılıyor ve 50 nm'ye kadar küçük adımlar mümkün oluyor.

Dokümantasyon sınırlar konusunda açık sözlü: çözünürlük ve doğruluk aynı şey değil ve proje, mutlak doğruluğun ince adım boyutundan belirgin şekilde kötü olduğunu belirtiyor. Bu, cihazı kesin bir koordinat bilmekten çok küçük ve tekrarlanabilir göreli hareketin önemli olduğu görevlere uygun hale getiriyor.

G-code yazılımı ve Python yığını

Kontrol bilinçli olarak geleneksel tutulmuş. Cihaz, USB seri arayüzü üzerinden düz G-code komutlarını kabul ediyor; depoya göre bu, projenin başka projelere entegrasyonunu kolaylaştırıyor. Firmware, look-ahead özellikli eksiksiz bir hareket planlama yığını uyguluyor; amaç yumuşak ve doğru yol takibi.

Firmware v1.0.4, denetleyici kartının iki GPIO pininde tool desteği ekliyor — örnek olarak lazer kazıma verilmiş — PWM çıkışları mikrodenetleyicinin PIO özelliği kullanılarak üretiliyor. Tool'lar planlayıcıya entegre edilmiş, böylece zamanlamaları g-code yürütmesiyle uyumlu. Yazılımdaki diğer yeni eklemeler arasında G28 ile paralel homing, enkoderlerden konum kurtarmasıyla birlikte motor etkinleştirme ve devre dışı bırakma komutları, flash depolamaya kalıcı olarak yazılan eklem kalibrasyonu ve enkoder değerlerini ile cihaz durumunu okumak için bir dizi tanılama komutu bulunuyor.

Seri arayüzün üzerinde iletişimi yöneten hafif bir Python API'si yer alıyor; bağlanma, homing, hareket ettirme, eklem kalibrasyonu ve cihaz bilgisi sorgulama işlevleri sunuyor. Ayrı bir Python GUI ise temel jog kontrolleri, mikroskop kamerası için canlı kamera akışı, bir g-code çalıştırıcısı ve biyoloji uygulamalarına yönelik gerçek zamanlı fare kontrolü sunuyor.

Donanım v4.0 ve kendi cihazını yapma

4.0 sürümü donanım revizyonu, önceki tasarımlardaki bir dizi pratik sorunu gideriyor: homing sırasında kendisiyle çarpışma, yerine vidalandığında iyi sabitlenmeyen rotil bloğu, uzunluğu tutarlı hale getirilemeyen bağlantı çubukları, gereksiz rotil sürtünmesi, büyük ölçüde baskı kalitesine ve köşe yuvarlatmasına bağlı kalan top konumları ve yapıştırıldıktan sonra değiştirilemeyen lastik bantlar.

CAD dosyaları FreeCAD'de tutuluyor, böylece herkes tasarımı tescilli yazılım olmadan görüntüleyip değiştirebiliyor ve parçaların çoğu üç eksenli CNC frezede işlenebilecek şekilde tasarlanmış. Depo, parçaların 3D yazdırılabildiğini de belirtiyor; bunun bedeli termal kayma, karbon dolgulu filament bunu azaltabiliyor. Elektronikler KiCad'de çizildi ve yalnızca yaygın olarak bulunan motor sürücü ile MCU modüllerini basit bir PCB üzerinden kullanıyor; SMD lehimleme gerekmiyor. Kart 5 ila 6 voltta, yaklaşık 2 amperle çalışıyor.

İki uyarı öne çıkıyor. Malzeme listesi henüz yeni donanım revizyonu için güncellenmemiş ve PCB 1.2 sürümünü üreten herkesin, 5 V hattını toprağa kısa devre yapan bir diyotun yakınındaki yanlış yerleştirilmiş bir viyayı matkapla genişletmesi gerekiyor; bu kusur v1.3'te düzeltildi.

Neden önemli

İnce konumlandırma donanımı genel olarak kapalı ve özelleşmiş laboratuvar ekipmanının alanı oldu. Mekanik, elektronik ve firmware yığınının tamamını açık lisansla yayınlamak — ve eşikyi düşük tutmak için FreeCAD, KiCad ve SMD'siz montajı seçmek — proje, mikron altı ölçekte hareketi bir araştırma grubunun, maker'ın veya donanım hacker'ının çoğaltıp değiştirebileceği bir şeye dönüştürüyor. Çözünürlüğü doğruluktan net biçimde ayırma, güncel olmayan malzeme listesi ve PCB revizyon hatasıyla ilgili dürüst uyarılarla birleşince, potansiyel yapımcıların dikkatlice okuması gerekiyor. Yine de paralel kinematiğin, sıradan stepper motorların ve g-code kontrolünün birleşimi, mikroskopi ve mikroelektronik çalışmalarında düşük maliyetli mikro konumlandırma için inandırıcı bir reçete.