أسطوانة بطيئة ترصد انهيار الحبيبات: مشاريع تخرج Arduino للميكاترونكس

يبدأ بناء الأسطوانة من خطأ هندسي صغير: إذا لم تكن الكاميرا عمودية على وجه الأسطوانة، سيظهر السطح المائل بزاوية مختلفة في الصورة. هذا المشروع يحول ترتيب المنصة ومعايرتها إلى خطوات موثقة لمشاريع تخرج Arduino والميكاترونكس. النتيجة زاوية سطح ديناميكية داخل أسطوانة دوارة محددة، وليست قياساً عاماً لزاوية السكون.

الهندسة الميكانيكية للأسطوانة والمحور

ارسم مقطعاً جانبياً وحدد القطر الداخلي D، عرض الأسطوانة، موضع المحور، مستوى الكاميرا، والمسافة بين العدسة والوجه. اختر قطراً أكبر بكثير من أكبر جسيم حتى لا تهيمن الجدران على العينة، مع الاعتراف بأن الحافة والغطاء يظلان مؤثرين. استخدم أسطوانة شفافة بوجه مستوٍ وبطانة لا تترك خدوشاً، وثبتها بمحملين متوازيين.

تدور الأسطوانة ببطء شديد، ويمكن تقدير السرعة من عدد خطوات المحرك أو من حساس علامة ضوئية على المحور. لا تفترض أن عدد الخطوات يساوي زاوية فعلية إذا انزلق الوصل أو فقد المحرك خطوات؛ تحقق بتصوير علامة مرجعية أو عد دورات كاملة لمدة زمنية معلومة. يجب أن يكون الهاتف أو كاميرا USB ثابتاً عمودياً على وجه الأسطوانة، مع إضاءة موزعة تقلل الانعكاس على البلاستيك.

معايرة الكاميرا والخط الأفقي

ضع شبكة مربعات أو مسطرة زاوية في مستوى وجه الأسطوانة لا أمامه أو خلفه، والتقط صورة فارغة لتقدير الميل والمنظور. ثبت الكاميرا على حامل لا يتشارك اهتزاز المحرك، واجعل الإضاءة خلفية منتشرة. إذا انحنى الوجه أو انعكس الضوء، أعد تشكيل الحاجز البصري؛ لا تعالج الانعكاس بقناع يخفي جزءاً من سطح العينة.

مثال حسابي توضيحي: إذا امتد خط سطح ملائم 120 بكسلاً أفقياً وامتد رأسياً 40 بكسلاً، فإن الميل الهندسي التقريبي هو arctan(40/120)، أي نحو 18.4 درجة. هذا مثال مصطنع لا يصف سلوك مادة حقيقية، كما أن محور الصورة قد يكون مائلاً إن لم تتم معايرته. ضع مسطرة زاوية أو علامة أفقية في مستوى واجهة الأسطوانة وصحح ميل الكاميرا قبل حساب أي نتيجة.

معايرة سرعة الدوران ونسبة التعبئة

قِس السرعة بعد تركيب الأسطوانة والعينة، لا من قيمة خطوات المحرك المفترضة. ضع علامة واحدة على المحيط واستخدم حساس انعكاس أو فيديو لحساب الدورات في الدقيقة. عاير نسبة الملء بكتلة أو حجم معلوم وسجل طريقة التعبئة. استبدل مرجع محرك السيرفو السابق بمصدر مناسب: يعمل حامل A4988 مع تغذية المحرك VMOT بين 8 و35 فولت، بينما يتطلب المنطق VDD بين 3 و5.5 فولت؛ افصل هذين المسارين وتحقق من التوصيل قبل التشغيل. بسبب نبضات LC قد تتجاوز القمم حد المشغل وتتلفه حتى مع تغذية 12 فولت، لذلك ضع مكثفاً إلكتروليتياً لا يقل عن 47 µF بين VMOT وGND قريباً من اللوحة. لا توصل المحرك أو تفصله بينما المشغل مزود بالطاقة، واضبط حد التيار وفق بيانات المحرك وتبريد اللوحة. مصدر حامل A4988 من Pololu يشرح هذه الحدود؛ تحقق من RPM فعلياً بعد تركيب الحمل ولا تستنتجه من عدد الخطوات فقط.

يمكن أن تكون مجموعة اختبار برمجية صوراً اصطناعية لخطوط بزوايا معلومة، مثل 0 و15 و30 درجة؛ يجب أن تكون القراءة ضمن سماحية معلنة يضعها الفريق قبل رؤية النتائج. فيزيائياً، كرر كل حالة بعد تفريغ الأسطوانة وإعادة ملئها، لأن طريقة صب المادة قد تغير ترتيبها الابتدائي. سجل سرعة الدوران المقاسة لا إشارة التحكم فقط.

التقاط الواجهة الحبيبية وتحليلها

لكل إعداد، اترك الأسطوانة تصل إلى حالة حركة متكررة قبل التقاط الإطارات. خذ مثلاً إطاراً كل ربع دورة أو بمعدل ثابت، ثم احفظ سرعة الدوران الفعلية ونسبة الملء ونوع الحبيبات مع الصورة. الدراسات على الأسطوانة الدوارة تفصل الزوايا الدنيا والعليا وتبين أثر السرعة والقطر والملء؛ لذلك لا تختزل دورة كاملة إلى لقطة انتقائية.

في نسخة الطالب، ابدأ بحبيبات كبيرة نسبياً مثل خرز زجاجي أو حبوب جافة داخل أسطوانة شفافة صغيرة، لا بمساحيق ناعمة قابلة للاستنشاق. تختلف الحواف والرطوبة والكهرباء الساكنة بين المواد؛ وثق نوع العينة وحجمها التقريبي وجفافها وعدد مرات إعادة استخدامها. لا تخلط عينتين في الأسطوانة نفسها من دون تنظيفها وتسجيل ذلك.

تجارب تحقق تكشف أخطاء الهندسة

أعد تصوير خط مرجعي معلوم بعد أي تحريك للكاميرا. إذا انحرفت زاويته عن القيمة المرجعية فتوقف عن تحليل العينات حتى تعيد المعايرة. اختبار برمجي بصورة مصطنعة لخطوط أفقية ومائلة يتحقق من تحويل البكسل إلى زاوية، واختبار علامة المحيط يكشف فقد الخطوات. لا تفسر الفرق بين حبيبتين قبل استبعاد هذين الخطأين.

من المهم عدم تحويل زاوية السطح إلى «قابلية تدفق» عامة أو إلى معامل صناعي. طرق الأسطوانة لها شروطها وهندستها، كما تشير الدراسات إلى حساسية المؤشر لسرعة الدوران ونسبة التعبئة. اذكر قطر الأسطوانة وسمكها ونوع الحبيبات ومعدل الدوران وإجراء معالجة الصور، وأظهر التشتت عبر التكرارات لا رقماً متوسطاً وحده.

ما الذي تعنيه النتيجة؟

يعرض التقرير القطر والعرض وسرعة RPM المقاسة وملء الأسطوانة والصور مع مواضع خطوط الملاءمة. زاوية الأسطوانة الديناميكية تعتمد على الجهاز وشروطه ولا تطابق طريقة القمع أو صندوق الميل. لا تقدمها كخاصية مطلقة للمادة؛ اذكر عدد الإعادات، الحالات التي لم يظهر فيها سطح واضح، ومدى اختلاف القراءتين اليدوية والآلية.

راجع الدراسة الأصلية عن الزوايا الدنيا والعليا داخل الأسطوانة الدوارة ودراسة خصائص تدفق المساحيق المقاسة بالأسطوانة قبل اختيار المؤشر. راجع أيضاً تعليمات حامل A4988 من Pololu لتوصيل القدرة والمكثف وضبط حد التيار؛ لا تثبت هذه الصفحة دقة سرعة منصة الطالب. لم تُجرَ قياسات لهذا التصميم المقترح.

يمكن لفريق مشاريع تخرج Arduino عرض التصميم الميكانيكي وخطة القياس ضمن خدمة مشاريع التخرج، وربط الحساس والمحرك والقراءة عبر خدمة Arduino والأجهزة المتصلة.