Costruiamo un nastro trasportatore da abbinare ai robot o ai PLC nell'ambito del project work di quinta.

I requisiti di partenza sono:

• lunghezza contenuta (70cm)
• telaio realizzato con profili di alluminio con cave
• assemblaggio con viti e dadi a martello
• cuscinetti
• parti di supporto realizzate con la stampante 3D
• movimento con motore passo-passo e relativo driver
• trasmissione con cinghia e pulegge dentate GT2
• sensori ai due estremi del nastro
• alimentazione e segnali a 24Vcc compatibili con PLC e robot

Ci ispiriamo a progetti simili disponibili sul web, o a prodotti commerciali economici realizzati usando la stampante 3D, come quello in figura.

Per il progetto abbiamo acquistato:

• 2 profili in alluminio 20x20mm tipo T scanalatura 6 mm, lunghezza 1000mm
• 4 cuscinetti a sfera 608 8x22x7mm
• una set con pulegge (20 e 60 denti) e cinghia GT2 (lunghezza 200mm e larghezza 6mm)
• un set con staffe angolari, viti e dadi M5

Motore e driver sono presenti in laboratorio; per il nastro si userà materiale di recupero (similpelle o equivalente).

Profilo di alluminio:

Cuscinetti:

Pulegge e cinghia:

Motore NEMA17:

Il telaio è composto di due binari, distanziati da 2-4 traverse, e quattro piedi. Le dimensioni sono:

• 60 cm per i binari
• 10 cm per piedi e traverse

Le dimensioni del nastro saranno circa 130cm di lunghezza e 10cm di larghezza.

Si vogliono realizzare:

• quattro supporti per il rullo che servano anche ad ospitare i cuscinetti e a mantenere in tensione il nastro (uno di questi)
• due rulli
• un supporto per il motore
• eventuali guide per orientare/allineare i pezzi sul nastro
• eventuali supporti per sensori

Le parti devono essere progettate in base al materiale acquistato¹⁾. Per la modellazione 3D useremo i CAD gratuito FreeCAD.

FreeCAD non è un software semplice da usare; ha un interfaccia grafica complicata, moltissime funzionalità e può essere usato con workflow diversi tra loro per ottenere lo stesso risultato. In questa sede ci limitiamo a elencare i passaggi utili alla modellazione di uno dei pezzi usando solo gli ambienti Part Design e Sketcher per poi generare un file STL da usare con la stampante 3D. Il pezzo che si vuole realizzare sarà più o meno come questo:

Per creare il modello 3D partiremo da un disegno in 2D, ad esempio disegnando il contorno del piano posteriore del pezzo, poi aggiungeremo uno spessore per ottenere un solido tridimensionale e infine toglieremo dei volumi per l'alloggiamento dei cuscinetti, la parte terminale del profilo di alluminio e i fori per le viti.

Lanciamo FreeCAD e familiarizziamo con l'interfaccia grafica:

• clicchiamo su Nuovo e salviamo il file dandogli un nome
• dal menu a tendina Start selezioniamo l'ambiente Part Design
• rendiamo visibile l'origine degli assi cliccando sulla voce apposita nel menu Visualizza; i colori rosso, verde e blu indicano rispettivamente gli assi x, y, z
• nella barra di stato in basso a destra selezioniamo TinkerCAD come stile di navigazione; spostando il mouse sopra questo menu a tendina vediamo una guida su come usare il mouse per selezionare elementi o ingrandire, spostare e ruotare la vista
• proviamo a modificare la vista usando il mouse o usando il cubo in alto a destra; poi proviamo a cambiata la vista usando anche i pulsanti nella barra degli strumenti apposita (ad esempio con la lente o con i bottoni col cubo azzurro); cliccando su Visualizza tutto e Isometrica si può tornare a una vista predefinita ottimale
• sulla sinistra troviamo la finestra Vista combinata con:
  • la scheda Modello, che mostra tutti gli elementi che compongono il modello creato ordinati gerarchicamente (selezionandoli e premendo lo spazio si ogni elemento diventa visibile/invisibile)
  • la scheda Azioni, che propone delle azioni da eseguire sull'elemento selezionato

Per modellare il nostro pezzo procediamo creando la parte, il corpo e lo sketch (schizzo):

• clicchiamo su Crea una parte²⁾ (pulsante col solido giallo) poi su Crea un corpo (pulsante col solido blu); una parte è formata da uno o più corpi
• clicchiamo su Crea uno schizzo e scegliamo il piano XY (la selezione si può fare dalla scheda azioni o cliccando su uno dei piani nel disegno); FreeCAD passa all'ambiente Sketcher e propone una vista dall'alto del piano XY; qui disegneremo un profilo in due dimensioni a cui dare successivamente uno spessore; osserviamo che le barre degli strumenti sono diverse rispetto all'ambiente Part Design

Ora disegneremo un profilo del pezzo visto dall'alto. L'asse Z non è più visibile mentre gli assi X e Y (rosso e verde) sono ortogonali e al centro dello schermo. Per disegnare il profilo dobbiamo creare un percorso chiuso usando gli strumenti disponibili in una apposita barra degli strumenti (i pulsanti con i punti rossi e i collegamenti bianchi). Per disegnare una forma:

• si sceglie uno strumento (osserviamo il puntatore che cambia forma)
• con una serie di click si completa l'oggetto

Osserviamo che mentre muoviamo il mouse vengono mostrate delle quote (x e y in mm) accanto al puntatore ma oltre a queste potrebbero comparire anche altri simboli che indicano che verrà creato automaticamente un vincolo.

I vincoli sono delle regole che limitano la geometria di un oggetto (ad esempio la posizione, la dimensione, l'orientamento, ecc.). Una volta fissato un vincolo alcuni elementi del disegno non saranno più modificabili (ad esempio trascinandoli col mouse). I vincoli sono evidenziati nel disegno con un piccolo simbolo rosso che indica la tipologia di vincolo. Mentre creiamo un disegno può capitare che FreeCAD aggiunga automaticamente dei vincoli, ad esempio passando vicino ad un altro elemento o creando due punti quasi verticali o orizzontali. Questi vincoli si possono sempre eliminare selezionandoli e premendo Canc sulla tastiera.

Quando è attivo l'ambiente Sketch, nella scheda azioni della vista combinata, troviamo un elenco di vincoli abbinati ad un solutore che segnala eventuali errori, vincoli mancanti o vincoli ridondanti. Usando questo elenco possiamo evidenziare un vincolo nel disegno oppure eliminarlo, disabilitarlo o nasconderlo.

I vincoli sono molto importanti in questa tecnica di modellazione perché il disegno sarà completo solo quando, oltre ad aver disegnato una sagoma, avremo anche definito tutti i vicoli. Il solutore nella vista combinata indica sempre:

• quanti vincoli devono ancora essere definiti; ad esempio 4 DoF (Degrees of Freedom o gradi di libertà) indica che devono essere definiti 4 vincoli
• se ci sono vincolo ridondanti che vanno eliminati
• se il disegno è completamente vincolato; in questo caso le linee diventano verdi

Per vincolare correttamente il disegno abbiamo a disposizione una barra degli strumenti con i pulsanti in rosso (muovere il mouse sopra uno di questi per una descrizione della loro funzione). Proviamo a disegnare un profilo come questo:

Per farlo servono gli strumenti Arco e Polilinea (premere il tasto M per cambiare la modalità dello strumento Polilinea). Osserviamo che alcuni vincoli sono stati aggiunti automaticamente: il passaggio per l'asse Y degli estremi dell'arco e l'origine dell'arco nell'origine degli assi, la verticalità del tratto a destra. Tuttavia il disegno non è simmetrico, le linee sono bianche e il solutore segnala che devono ancora essere definiti dei vincoli.

Per vincolare correttamente il disegno bisognerà:

• regolare il diametro dell'arco in modo che possa contenere il cuscinetto (vincolo arco/cerchio)
• fissare la dimensione del tratto verticale in modo che sia almeno qualche millimetro in più di 20mm, che è la larghezza del profilo (vincolo distanza verticale)
• rendere simmetrico il tratto verticale (vincolo simmetria)
• stabilire la distanza dall'asse x del tratto verticale (vincolo distanza orizzontale)

Il disegno appare ora così e si può cliccare sul pulsante chiudi nella scheda azioni.

Chiudendo l'ambiente Sketcher si torna all'ambiente Part Design. Osserviamo che lo sketch è ora parte del corpo nella scheda modello. Per ottenere un solido dallo schizzo appena creato si sceglie la voce Estrusione dalla scheda azioni (o si preme il bottone corrispondente). Dopo aver indicato una lunghezza (23 mm) clicchiamo su ok. Nella scheda modello il pezzo ottenuto è indicato come Pad (estrusione in inglese).

Per ospitare un cuscinetto di diametro 22mm e profondità 7mm bisogna creare una tasca nel solido appena creato. Procediamo così:

• clicchiamo sulla superficie superiore del solido
• clicchiamo su crea uno schizzo per passare all'ambiente Sketcher
• disegniamo un cerchio di raggio 22mm centrato nell'origine degli assi
• chiudiamo l'ambiente Sketcher
• scegliamo l'azione tasca
• indichiamo una lunghezza di 7mm e clicchiamo su ok

Il risultato è questo:

Per i fori e l'incavo che ospiterà il profilo si procede come per il cuscinetto, creando altri sketch e eliminando dei volumi con la funzione tasca. Il risultato finale sarà più o meno come quello in figura.

A questo punto non resta che esportare il solido in un formato utilizzabile nel software per la stampante 3D. Selezioniamo part nella scheda modello della vista combinata poi dal menu File Esporta. Salviamo il file in formato STL.

Idee da https://www.youtube.com/watch?v=uf32NAq-Rsk:

• external geometry
• quando ci sono vincoli ridondanti cliccare sulla voce del solver che li evidenzia e premere Canc per eliminarli
• dalle preferenze generale report volendo si può evitare che la finestra dei messaggi venga mostrata in caso di errore togliendo tre spunte da “mostra la vista report”
• non crea la parte ma solo il corpo, poi per fare l'export su STL usa l'ultima voce nella gerarchia