Разработка аэрографа с функцией автоматического смешения красок

Аэрография — это искусство, где каждый мазок, каждый оттенок имеет значение. Но достичь идеального сочетания цветов, особенно при работе с многослойными узорами, может быть непросто. Неравномерное смешение красок, не- точность дозировки — все это не только портит результат, но и отнимает драгоценное время и силы.

Нужен аэрограф, который способен не просто распылять краску, но и автоматически смешивать цвета прямо в процессе работы, обеспечивая безупречную точность и плавность переходов. Такой инструмент станет незаменимым помощником как для профессиональных художников, так и для любителей, позволяя воплощать самые смелые идеи с легкостью и удовольствием.

В данной статье рассматриваются концепция и основные принципы работы разработанного аэрографа с функцией автоматического смешения красок, преимущества такого устройства, его потенциальные области применения, а также возможные технические вызовы, которые необходимо преодолеть для его создания.

Была поставлена задача разработать программно-аппаратный комплекс для аэрографа с функцией автоматического смешения красок.

Постановка цели и методы исследования

Основной целью работы является разработка программно-аппаратного комплекса для решения задач покраски различных поверхностей и материалов методом распыления с возможностью выбора цвета краски из обширной палитры, а также с регулировкой фокуса распыления.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

• 1)    исследование свойств различных типов красителей с целью выбора оптимальных расходных материалов для разрабатываемого устройства и создания цифровой схемы краскосмешения;

• 2)    разработка программного обеспечения для выбора необходимого цвета;

• 3)    моделирование и прототипирование механических элементов устройства;

• 4)    разработка функционального макета устройства.

В соответствии с поставленными задачами были выбраны методы исследования:

• •    анализ и обобщение литературы;

• •    дозирование и смешение красителей с помощью шприцев;

• •    перевод оттисков смешанных красителей в цифровой вид с помощью компьютерного сканирования;

• •    моделирование механических элементов методами FDM 3D-печати и лазерной резки.

Устройство аэрографов

Принципиальное устройство такого типа приспособлений должно быть схожим, так как решает одну и ту же задачу. Для удобства использования аппарата его внешняя оболочка производится в виде пистолета или штанги-удочки. Составные части, без которых аэрограф не может выполнять свои функции:

• –    эргономичная для управления струей краски в достаточно точно заданную область ручка;

• –    контейнер, в который заправляется рабочая жидкость и откуда она поступает в распылительную часть аэрографа;

• –    рычажок для регулирования распыления с различной силой рабочей жидкости через запорную иглу;

• –    распыляющая головка с соплом или дюзой, некоторые из которых бывают дополнены запасными отверстиями для поступления воздуха;

• –    регулятор давления как правило занимает заднюю часть конструкции, над рукоятью, задачей его является регулирование силы распрыскивания краски с помощью подаваемого воздуха.

С нажатием рычажка регулирования распыления рабочая жидкость (краска) поступает из резервуара к распыляющей головке. Ширина потока распыляемой краски регулируется воздушными форсунками, имеющимися на дюзе распыляющей головки. Форму контура распыляемой краски также регулируют специальным винтом, входящим в принципиальную схему такого типа устройства.

Краскопульт работает от питания, либо предусмотренного в конструкции устройства, либо заводящегося из внешнего источника.

Электрическое питание устройства может иметь различный тип питания, который зависит от применения их в различных условиях. Самыми популярными являются распылители, работающие от бытовой электросети. При отсутствии возможности подключения к стационарной электросети краскопульты можно подключить к дизельным или бензиновым генераторам.

Популярны также аккумуляторные устройства. Применение таких краскопультов уместно не только при отсутствии центрального электропитания, но и при их наличии. Главное преимущество таких устройств — мобильность и удобство работы с ним в сложнодоступных местах. При этом удобство и мобильность имеют свою цену, поэтому такие краскопульты, как и все электрические приборы с автономным питанием, стоят дороже2.

Разработка функционального макета устройства

Краскопульты бывают разных типов, но основные принципы их устройства общие. Вот основные компоненты:

• 1.    Источник питания:

• •    пневматические краскопульты: используют сжатый воздух, который подается от компрессора.

• •    безвоздушные краскопульты: используют электричество для работы насоса, создающего высокое давление.

• •    электростатические краскопульты: также используют электричество для создания электростатического поля, притягивающего частицы краски к окрашиваемой поверхности.

• 2.    Бак для краски:

• •    сосуд, в котором находится краска.

• •    может быть встроенным в краскопульт или выносной.

• •    выносной бак удобен для работы с большими объемами краски.

• 3.    Насос:

• •    перекачивает краску из бака к форсунке.

• •    в пневматических краскопультах насос отсутствует, краска перемещается под действием сжатого воздуха.

• •    в безвоздушных краскопультах насос создает высокое давление, которое продавливает краску через форсунку.

• 4.    Форсунка:

• •    сопло, через которое выходит краска;

• •    размер и форма отверстия форсунки определяют толщину и ширину факела краски;

• •    существуют разные типы форсунок для разных видов работ.

• 5.    Распылительная головка:

• •    устройство, которое распыляет краску на мелкие капли.

• •    в пневматических краскопультах распыление происходит за счет смешивания краски с воздухом;

• •    в безвоздушных краскопультах распыление происходит за счет высокого давления.

• 6.    Ручка:

• •    удобная рукоятка для управления краскопультом;

• •    может иметь дополнительные элементы управления, например, регулятор давления или переключатель режимов работы.

Инновационность разрабатываемого устройства заключается в функции автоматического краскосмешения, позволяющей экономить время работы оператора и расходные материалы, необходимые для процесса нанесения лакокрасочных покрытий.

При разработке опытного образца устройства в процессе подбора оптимальных вариантов материалов и комплектующих возникает необходимость применения оригинальных, не имеющихся в розничной продаже механических элементов.

Для изготовления функциональной модели устройства выбраны наиболее унифицированные и доступные компоненты: емкости для хранения краски 500 мл, резервуары для подачи красителей представляют собой 4 шприца емкостью 20 мл и 1 шприц емкостью 200 мл, каналы передачи жидкостей — силиконовые шланги различного сечения, автомобильный компрессор мощностью 200 Вт, для управления подачей красителей в камеру хранения и их последующего смешения была использована управляющая плата Arduino Mega, источником питания является блок питания мощностью 360 Вт, каркас.

Каркас для крепления элементов устройства представляет собой многоуровневую конструкцию, в которой уровни соединены между собой резьбовыми шпильками и зафиксированы самоконтрящимися гайками.

Выбор данных гаек обусловлен тем, что устройство в работе создает вибрации, при которых обычные гайки могут ослабляться. Платформы в этой конструкции изготовлены из органического стекла толщиной 5 мм, путем нарезания данного материала на станке лазерной резки. Дополнительно в каждой платформе предусмотрены отверстия для закрепления всех элементов.

На верхнем этаже каркаса расположены источник питания, управляющая плата с необходимой обвязкой, преобразователь напряжения с 12 на 5 В, а также драйверы для управления шаговыми двигателями.

Этажом выше располагаются резервуары-кассеты для красителей в количестве 4 штук объемом 20 мл, к которым с помощью крепежей присоединены шаговые двигатели, на нижнем этаже располагается пятый шприц объемом 200 мл для хранения белого красителя, к нему также с помощью крепежей присоединен шаговый двигатель.

От кажд о го ре зе рву ара -кассеты идет канал в виде силиконовой трубки в ка ме ру ра с пы ле ни я крас копульта, где в дальнейшем происходит сме ше н ие к р а с и т е лей виб раци он ны м м етодом. Внешними элементами устройства яв ля ю тся ко м прес с ор, ра спыл и тел ь н о е устройство и емкости для хранения краски.

Трехмерные моде л и механических элементов экспортировались в ф орм а т S T L ( stere o l i t hogr a phy ) и пр ототипировались с использованием средст в F D M 3D- печа т и . П ри п еча т и и сп о льз ов а лс я пла с тик PLA с о 100% -ным заполнением внут ре н него к а р к а с а м оде л и . Пе ча ть п од де ржек для вын ос н ы х э лементов выполнена доп олн и т е л ьны м эк ст ру д е ром 3D -принтера с помощью водорастворимого PVA пластика.

Рис. 1. Схема устройства

П р ог ра м м н ая р е али з ац ия упр ав ляющег о модуля

Для у правле н и я и н астройки устройства разработано приложение для опер ационной с и сте м ы A ndroid. Выбор данного способа управления обуслов л ен ш и роки м ра с п рос тр ан ени е м и применением мобильных устройств. Так ж е пла т фо р ма A ndr oi d от лич а е т ся высокой гибкостью и настраиваемостью, ч т о поз воля ет с озд ава т ь п ри ло ж е ни я с у н и к а льны м фун кц и он ал ом и внешним видом, полно с т ью у д овлет в о ря ющ и м потребностям и требованиям. Обмен дан н ы ми ме жду прил ож е нием и у с т рой ст вом ос ущес т вляе т ся п о с е ти «B l ue t oot h».

Col or Pic k er (вы борщ и к ц ве т а) — элемент пользовательского интерфейса, по з воля ю щий выб ра т ь цве т из палит р ы или определять их с помощью разных ме т одов вв о д а . В д а н н ом программн ом обес п е че ни и эта функция реализована ис пользова н ием со от вет с т ву ющ е й библиотеки. В программном коде был создан объе кт кл ас с а « Colo rP i c kerView». Затем для данного объекта необхо ди мо с озд ать с оот ве т ст ву ю щи й об ра ботчик события. В обработчике события из объ ект а сч и т ы в а е т ся задан ны й ц ве т и приводится к шестнадцатеричному форма т у и за п и сы в а е т ся в с т року . Дале е строка передается в текстовое поле, в котором п оль зова т е ль м о ж ет оз на коми ться с кодом цвета, а также отправить его на устройство.

В Е С ТНИК Б УРЯТС КОГО Г ОС УДА РСТ В ЕНН ОГО У НИВ Е РСИТ ЕТА .

Х ИМИ Я . Ф ИЗ ИК А

Ап пара т ны й к о мпле кс им ее т сл ед у ю щу ю схе му п одкл ю ч е ни я .

Рис. 2. Схема подключения

Заключение

В п роц ессе в ып олнения дипломной работы были исследованы с в о йс т ва р аз л и чн ы х т и п ов крас ит еле й с цель ю в ыб о ра опт им аль ных расходных материалов для ра зра б ат ы в ае мого у стройства и создания цифровой схемы краскосм еш ения .

По ре зу льт а т ам и с с л едований в качестве рабочих красителей выб ра ны в о до ра с т вори мые п иг ме н т н ые чернила, используемые в цветной печати. Дан ный т ип чернил облада е т н и зк ой вязкостью и высокими диффузионными с в ой с т ва ми . Раз раб от ан а ц в е т ова я п алит ра — ассоциативный массив, связывающий концен т ра ц и ю крас ит е ле й баз овых ц в е т ов и ци ф ровой к о д за дан но го ц ве т а.

При ня т о реш е н ие о п ро е кти рова н и и п орш нев о -цилиндрической системы по дачи кра с и т е лей с при мене н ием винтовой передачи с шаговых двигателей.

Вы п ол н ено мо делирование механических элементов устройства с и сп оль зо в а н ием и нст ру м ен тов системы автоматического проектирования Комп а с 3D v18.1, а также онлайн- се рви сом для ав томатизированного проектирования и чер че ни я T i nk erC A D. П рот отипирование механических элементов выпо лн ен о с и с пользова н ием с р е дст в FDM 3D-печати.

Для у п равле н и я выбором цвета было разработано специализир ов а н ное про г раммн ое о б е с печ е ни е , с о зд а н н ое в A ndr o i d St u dio на языке программирования Java.

Раз раб от ан ф унк ц и о нальный макет устройства, который обеспечи в а е т б а зо в ые фу н к ц и и раз раб ат ы в а е мо г о прот от и п а и п озв оляет п ровод ит ь опытные рабо т ы с ц елью опреде лен ия корректных режимов краскосмешения и ра сп ы лен и я , а также опти ми за ц и и у злов и к о мп он е нт ов уст рой ст в а.