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PerfEGGct: (über) Ingenieurwesen des vollkommenen weich-gekochten Eies

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PerfEGGct: (über) Ingenieurwesen des vollkommenen weich-gekochten Eies

PerfEGGct: (über) Ingenieurwesen des vollkommenen weich-gekochten Eies

Vorbei sind die Tage der blind Timing und kochende Eier und mit nichts als ein schlechtes Dotter links! Im Rahmen des Mechatronik-Projektes haben wir ein Gerät entwickelt, das die Oszillation eines an einer Feder aufgehängten Eies misst. Wenn ein hartgekochtes Ei auf einen Tisch gesponnen wird, dreht es sich frei, da das Innere völlig fest ist. Mit einem rohen Ei schlägt das flüssige Eigelb um und widersteht der Rotation. Mit Hilfe von Mathematik und Physik können wir die Rotationsoszillation eines Eies analysieren und die Dotkonsistenz bestimmen!

"Wenn es lohnt sich zu tun, es lohnt sich zu übertreiben." - Jaime Hyneman

Haftungsausschluss:

Dies ist ein Prototyp und arbeitet 80% der Zeit. Wir hatten nur drei Wochen, um dies zu machen! Wenn Sie irgendwelche Ideen auf, wie wir auf diesem Entwurf verbessern können, lassen Sie bitte einen Kommentar unten :)

Credits:

Software Design und Datenanalyse - Justin Liang ( Webseite , Github )

Mechanische und Software Design - Justin Lam ( Webseite )

Schritt 1: Inspiration und Motivation

Im Rahmen des letzten Ingenieurstudiums haben wir die Aufgabe, ein Mechatronik-Gerät unserer Wahl zu schaffen. Dieses Projekt wurde von stark inspiriert Matthias Wandel und seine gekochtes Ei - Härteprüfer . Nachdem wir sein Video gesehen hatten, wurde ein Handheld-Gerät entworfen, das die Ei-Schwingungen digitalisieren und quantifizieren sollte. Obgleich man einfach ein Ei in einen Topf plopfen und einen Timer setzen könnte, um es zu kochen, berücksichtigt dieses Verfahren nicht die Anfangstemperatur des Eies, die Masse oder die Größe des Eies, die Menge des zum Sieden verwendeten Wassers und die Wärmeleitfähigkeit zwischen Den Topf und den Herd. Durch die Messung der Ei-Oszillationen können Sie die Eigelb-Konsistenz während des Garvorgangs bestimmen (ohne das Ei zu öffnen!). So begann unsere Reise in völlig über-Engineering die ziemlich einfache Problem der Kochen ein weiches gekochtes Ei.

Schritt 2: Entwerfen des Handles

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Das Gerät wurde als Handheld und batteriebetrieben. Aus diesem Grund musste der Griffkörper so klein wie möglich gestaltet werden, um bequem mit einer Hand gehalten zu werden. Da wir Header für den Anschluss des Arduino Pro Mini und des Nokia LCD-Bildschirms verwenden, mussten wir einen Weg finden, diesen Platzbedarf zu minimieren. Wir entwarfen den LCD-Schirm, um auf das Arduino auf dem Protoboard zu passen (Abbildung 1).

Der Rest der elektronischen Komponenten wurde in ähnlicher Weise modelliert, um das minimale Volumen zu bestimmen, das der Griff enthalten sollte (Abbildung 2).

Sobald das minimale Volumen bestimmt wurde, wurde der Griffkörper um ihn herum mit der Absicht konstruiert, dass er durch 3D-Druckverfahren hergestellt wurde. Dies beeinflusst einige Gestaltungsmerkmale (dh die Extrusionen der Befestigungslöcher), da 3D-Drucker am besten bei der Wiedergabe von Merkmalen sind, die entlang der vertikalen Achse sind. Der Bereich um den Akku wurde abgespeckt, um anzuzeigen, dass der Benutzer das Gerät ergreifen sollte. Der Griffkörper mit den Montagemerkmalen für elektronische Bauteile ist in Abbildung 3 dargestellt.

Die vollständig integrierten mechanischen und elektrischen Komponenten sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Die elektronischen Komponenten sind im Griffkörper unter Verwendung von M2- und M3-Befestigungselementen befestigt. Der USB-Anschluss an der Basis des Griffs ist aus dem USB-Akku, so dass Benutzer ihre Handys beim Kochen Eier mit unserem Gerät kostenlos.

Nachdem wir mit dem Design des Gerätes zufrieden waren, haben wir die Teile als STL-Dateien gespeichert und unseren 3D-Drucker verwendet, um die Teile herzustellen.

Schritt 3: Herstellen der Leiterplatte

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Die Platine wurde so konzipiert, dass sie eine minimale Stellfläche aufweist, um auf ein 45mm x 45mm Protoboard zu passen. Obwohl der Entwurfsprozess eher schmerzfrei war, erwies sich die eigentliche Montage als etwas schwierig, da wir mit Durchgangslöchern in einem relativ engen Raum arbeiten mussten. Für eine Reihe von Anschlüssen wurde ein cleveres Löten mit Steckbrücken benötigt! Die Wägezelle, der Beschleunigungssensor, die Batterieleistung und die Schaltungsplatine waren alle mit Kopfanschlüssen verbunden. Header wurden auch für den Arduino Pro Mini und LCD-Bildschirm verwendet, um die Montage vereinfachen und so könnten wir die Komponenten für andere Projekte auf der Straße verwenden.

Schritt 4: Hinzufügen von Schaltflächen

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Wir brauchten einen Weg für den Benutzer, um mit dem Gerät zu interagieren, so mussten wir einige Tasten zu unserem Ei Shaker hinzufügen. Ein kleiner Breakout-Protoboard wurde verwendet, so dass wir die Tasten in der Nähe der oberen Frontplatte haben können, ohne das gesamte Elektronikmodul dort auch zu verschieben. Die Kopfstiftverbinder wurden unter Verwendung von Heißleim hergestellt, um die Header zusammen zu verbinden.

Schritt 5: Prüfen und Zusammenbauen der Elektronik

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Nachdem die gesamte Elektronik montiert war, haben wir die Verbindungen mit einem Multimeter mit einem einfachen Durchgangstest überprüft, um sicherzustellen, dass unser Lötvorgang mit dem Schaltplan übereinstimmt. Dann legen wir alles zusammen in den Griffkörper und sorgen dafür, dass alles zusammen passt. Schließlich schalteten wir ein (leicht modifiziertes) USB-Ladegerät an die Platine an und prüften, ob alles eingeschaltet war.

Nach Überprüfung der Bedienung aller Elektronik, befestigten wir die Komponenten für stabile Verbindungen und installiert die Frontblende und LCD-Bildschirm.

Schritt 6: Messen von Eierschwingungen - Versuch # 1

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Die mechanischen Komponenten wurden durch mehrere Revisionen, bevor das endgültige Design war zufriedenstellend. Die erste Ausführungsform der Vorrichtung umfaßte einen Hall-Effekt-Sensor, um die Oszillationsperiode zu messen. Eine Säulenhülse, die die Feder umgibt (Fig. 1), war erforderlich, um die Oszillationswelle zu beschränken, damit der Permanentmagnet nahe genug an dem Hall-Effekt-Sensor für zuverlässige Messungen ist. Zwei Lager wurden verwendet, um die Welle mit minimaler Reibung zu beschränken (Fig. 2).

Unglücklicherweise erwies sich diese Konstruktion als unwirksam, da die Lager und die Säulenhülse eine übermäßige Reibung der Schwingungen bewirkten. Wir brauchten eine Methode, um uneingeschränkte Oszillationen zu messen, also gingen wir zurück zum Reißbrett und dachten ...

Schritt 7: Messen von Eierschwingungen - Versuch # 2

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Für unsere zweite Iteration haben wir uns mit einem 3-Achsen-Beschleunigungsmesser beschäftigt. Mit Beschleunigung zur Messung von Schwingungen erhöht die Komplexität der Analyse, aber es radikal vereinfachte die mechanische Konstruktion. Der einzige externe Beitrag zu den Oszillationen waren die drei Drähte, die den Beschleunigungsmesser Vcc, GND und Y-Achse verbinden. Obwohl dieses Verfahren wesentlich besser war, um unbeschränkte Oszillationen zuzulassen, war die Steifigkeit von 20 AWG zu hoch und führte zu einer merklichen Steifigkeit der rotierenden Feder.

So begann unsere Suche nach den dünnsten Drähten möglich! Wir schlugen vor, dass die Verwendung von dünneren und flexibleren Drähten die Rotationsbeständigkeit der Feder verringern würde. Um unsere Hypothese zu testen, lösten wir 18 AWG-Litzen aus und extrahierten die einzelnen Litzen zur Verwendung als Drähte. Da diese Drähte nun freiliegen, haben wir sie mit Kaptonband gewickelt, da es das dünnste Dämmmaterial war, das wir hatten. Trotz der Gefahr des Kurzschlusses unserer Schaltung mit diesen Drähten, es erheblich verbessert die freien Oszillationen der Feder. Am nächsten Tag kauften wir eine Spule aus 32 AWG Magnetdraht, um die DIY Kapton Tape Drähte (aus Sicherheitsgründen) zu ersetzen.

Schritt 8: Testen, Testen, Testen!

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Unser Ziel war es, eine Korrelation zwischen der Reaktion von Ei-Schwingungen auf die Konsistenz von Eigelb zu bestimmen. Ein rohes Ei schwankt weniger, weil das flüssige Eigelb mehr Dämpfung und ein hartgekochtes Ei oszilliert mehr, da das feste Eigelb null / minimal Dämpfung hat.

Um die Eier konsequent zu testen, rüsteten wir eine Prüfvorrichtung ein, die ein Servo verwendet, um die Federwelle zu drehen und die anfängliche Oszillation zu erzeugen. Nachdem wir mit diesen Ergebnissen zufrieden waren, zogen wir weiter zum Testen mit Hand-Ruckeln, um reale Anwendungsfälle zu simulieren.

Schritt 9: Endgerät

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Nach hunderten von Test- und Datenanalysen konnten wir die Dotkonsistenz mit 80% Genauigkeit bestimmen. Wenn Sie mehr über die Software - Algorithmen hinter diesem Projekt erfahren möchten, besuchen Sie bitte unsere Github .

Durch dieses Projekt haben wir viele wertvolle Lehren in der Hardwareentwicklung gelernt. Die Integration von mechanischen und elektrischen Komponenten ist einfach, wenn eine Person tut es, aber in der Praxis gibt es mehrere Menschen arbeiten an diesen Design-Komponenten. In der Lage, mechanische Komponenten mit elektrischer Hardware im Auge zu entwerfen und umgekehrt ist ein integraler Vorteil des Seins in der Mechatronik, da es die Menge an Kopfschmerzen und Rücken-und Vorwärts, die in der Regel zwischen den beiden Abteilungen reduziert wird.

Die wichtigsten Takeaway fanden wir, dass die mechanische Konstruktion verursacht einen starken Einfluss auf die Elektronik und Software. Wir dachten, es wäre trivial, die Feder-Oszillation zu messen und sie mit der Eigelb-Konsistenz zu korrelieren, aber das Problem war, dass viele andere Frequenzen von dem Beschleunigungsmesser aufgenommen wurden (dh Jitter der Feder in Ruhe). Dies machte es schwierig, die Dotterkonsistenz zuverlässig zu bestimmen, da die Messungen viel mehr Frequenzinformationen enthielten als nur die Wirkung der Dotterkonsistenz. Generell können elektrische und Softwaresysteme nicht effektiv funktionieren, wenn das mechanische System Müll ist.

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