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DIY动手打造自动无轨悬浮门(4):省钱的钢管相贯线槽口开制方法

根据当初的方案铁柱竖起完成之后就是组装铁门框了。

不同于方形铁管,圆形铁管相互连接在一起,特别是垂直相连的时候,必须对铁管的切口做相贯线槽口处理才能使得管材能紧密贴合在一起,这样有利于焊接出十分牢固的结构。专业的相贯线切割机价格十分昂贵,尤其是铁管直径大于5厘米的型号。而且对于只需要使用若干次的单个项目而言,这笔投资就显得不怎么划算了。在网上搜寻了一下,最后决定用开孔器钻头来做相贯线槽开口。一个双金属开孔器钻头花不了多少钱,但是能做出相当不错的效果。注意不要使用给木头开孔的钻头,那种钻头磨损很快。

我使用直径为6厘米的开孔器对相同直径的铁管开相贯线槽,效果非常好。有人提议用稍大口径的钻头,比如6.25厘米的来开6厘米的圆管,这样留出一定调整空间。实际测试下来确实可以,但是我更加喜欢6厘米相同口径的。

一些技巧及使用心得:

  1. 定位中心钻孔是必须的。没有这个辅助孔开孔器根本没法在圆管上开槽。
    开槽之前先钻定位孔,正反面都要钻穿,并保持垂直于管子的方向。

    开槽之前先钻定位孔,正反面都要钻穿,并保持垂直于管子的方向。

    开孔器的定位钻插在之前钻好的定位孔里。

    开孔器的定位钻插在之前钻好的定位孔里。

  2. 我用的开孔器最深只有4厘米,要开6厘米的圆管,只能分两次切割。中间需要将圆管反转180度从反面切。所以事先在钻定位孔的时候需要将孔钻穿整个管子,这样正反两面切割的时候可以对齐。

    正反两刀完成一个相贯线的开制。

    正反两刀完成一个相贯线的开制。

  3. 本方面最佳适用于需要T型连接的圆管,相贯线只需要在竖管的顶部开,开槽角度为截面90度。我没有尝试过非90度的斜方向开槽,不过我想如果你有一根足够长的麻花钻钻出斜向的中心定位孔,开孔器应该也可以开出斜向的相贯线槽口。针对对角线方向(45度)连接的圆管,我采用的办法是用切割机按22.5度角切出两个斜面,从下面的照片可以看出,用这样方式切出来的槽口,肯定不如相贯线那么吻合,但相差也不太大,多用点电焊应该可以完全封上。
    T型连接的管子,可以准备电焊了。

    T型连接的管子,可以准备电焊了。

    对角线方向连接的管子,可以准备电焊了。

    对角线方向连接的管子,可以准备电焊了。

  4. 小心+耐心。用钻孔器在原铁管上开制相贯线槽口的方法确实便宜,但比较耗时,而且过程中会产生大量的热。可以使用一些润滑油来保护开孔器上的刀刃。时不时停下来休息一会以减少工具的磨损,更重要的是给自己也放松一下。

DIY动手打造自动无轨悬浮门(3):如何一个人架设10厘米口径的铁管柱

项目所需的材料到齐以后,就要正式开工了!第一步就是架设门柱子。

门柱子材料选用10厘米口径的镀锌铁管,主要是出于耐用以及受力方面的考量。一开始的时候还在犹豫,10厘米是不是有必要。做完以后才发觉10厘米柱子是必须的,要知道整个门的所有重量完全只有两根这样的柱子来承担,而且当门处于关闭状态时,整个门的重心要偏离最近的一根柱子差不多快2米,杠杆效应使得分别加在这两根柱子上得力实际上要大于门的重量。所以一定要结实!在第一篇的方案里提到过,10厘米口径铁管总长为2.7米,其中露出地面部分是1.8米,埋在地下0.9米。为此,我挖了两个30厘米直径,深度为1.1左右的洞。

使用尼龙线和水平仪来确保洞的位置。

使用尼龙线和水平仪来确保洞的位置。

挖洞和不时一件轻松的事情,这个尺寸看上去挺大了,但是如果可以让我重来,我一定会再挖得大些。不过就目前来看,这个洞大小合适,架设好的柱子坚固可靠。小技巧:挖洞的时候做到底部略大于开口;在需要铺设的铁管上添加一些“凸出物”,用来增加铁管和水泥的咬合力。

让柱子能更牢固地竖在泥土里的办法。

让柱子能更牢固地竖在泥土里的办法。

“柱子横钩”。我用了一些其他铁管的废料用螺丝固定在铁管侧面。

“柱子横钩”。我用了一些其他铁管的废料,用螺丝固定在铁管侧面。

一切准备就绪,可以着手把柱子竖起来灌水泥了。可是真的把圆铁管竖起来了才发觉这东西太重。少说有30~40公斤吧,而且我没有帮手。如果两个人合力做这件事情的话,一个人可以扶着铁管努力保持其竖直,另外一个人可以用水平仪进行测量和调整。为了能够一个人独立完成这个任务,我想出了一个办法:用捆绑带将铁管吊在横于洞口的木料上。这样一边推一边调整就比较轻松了。

把沉重的铁管吊在木料上

把沉重的铁管吊在木料上

另外需要注意的事项是必须保持两根柱子严格平行,这听上去有点冗余:既然两根柱子都绝对竖直了,那不是意味着他们相互平行了吗?没错!但是我对自己水平仪的使用并不是很有把握,所以需要加上第二道保险,我的做法是锯出两根长度一模一样的木料,分别垂直撑在两根铁管的中间偏上和偏下,形成一个“长方形”来保证垂直和平行。

中间撑两根一模一样长度的木料,以保证铁管的相互平行。

中间撑两根一模一样长度的木料,以保证铁管的相互平行。

用其他木料将铁管固定,以便接下来浇灌混凝土。

用其他木料将铁管固定,以便接下来浇灌混凝土。

混凝土浇灌完毕,这是混凝土干了以后的照片,我刷了一层油漆起到保护作用。

混凝土浇好并抹了一层漆。

混凝土浇好并抹了一层漆。

下面一张照片里面是我从Hoover Fencing Co.,订购的滑轮组,一套四个,非常重!

无轨移门的滑轮组

无轨移门的滑轮组

柱子立起来了,接下来就是组装门框子了。动手之前,我先临时地将门框管材架设在一起,实地试了试尺寸。用同样的办法,我根据之前算好的长度锯了两根同样的木料作为支撑,做出一个临时的门。看上去很合适。

两根竖直木料撑起零时门框

两根竖直木料撑起零时门框

DIY动手打造自动无轨悬浮门(2):如何自己运送超尺寸管材

有了设计方案以后,第一步要做的事情就是购买材料。众多原材料中比较难处理的是长度为5.4米的管材。因为我不打算让厂家送货上门而支付送货费,所以就必须自己搞定。我的面包车可以放下最长不超过3.3米的物品。简单的方法:可以让多出来的1.1就伸出车尾后方。不过考虑到要跑一段高速公路,还是放弃这样做。取而代之,我打算将管子架在车顶上来运送,可是我的车子车顶上没有行李架……好吧,那我就来做一个架子。

管子的直径是6厘米,所以我就在两块木板上钻两个6厘米直径的孔。将该木板立起,分别放置于车头部分和车尾部分。管子最后就会从这两个孔里穿过。

一对木夹子分别放在车顶前侧与后侧。管子将从中间穿过。

一对木夹子分别放在车顶前侧与后侧。管子将从中间穿过。

接下来要把这两块木板固定在车顶,我使用了捆绑带。让捆绑带穿过木板上另外钻的小孔,然后绕一圈车顶,收紧,直到木板牢牢被固定住为止。

捆绑带将木夹子压在车顶上。

捆绑带将木夹子压在车顶上。

这样管材应该会被牢牢地压在车顶上了,但是水平方向上的固定还没有保险。设想如果在高速公路上被追尾或者来个急刹车,管子搞不好就会像炮弹一样被“抛射”出去。所以我做了另外两个“木夹子”,相同的构造,只是比较短一点,分别夹在管材的两端,然后再用绳子绑在前方的引擎架和后方的后窗柱子上。

另外一组木夹子,夹住长管子的两端,并绑在车身上。以限制材料前后方向的松动。

另外一组木夹子,夹住长管子的两端,并绑在车身上。以限制材料前后方向的松动。

当然别忘了小红旗。最后在出发前尝试了几个急刹车,管材稳稳地被钉在车顶!

离开管材店之前。

离开管材店之前。

到达目的地以后,管子依然原地不动地绑在车顶上。

到达目的地以后,管子依然原地不动地绑在车顶上。

从上方看这个临时的“行李架”。

从上方看这个临时的“行李架”。

 

 

DIY动手打造自动无轨悬浮门(1):制定方案

下面的图片展示了移门完工前后的对比。接下来我以这篇文章为开头,详细讲述我是如何从零开始DIY自制无轨悬浮自动移门的。

无轨悬浮移门完工前后对比图

无轨悬浮移门完工前后对比图

后院的老式木门用起来很不方便,每次汽车进出都要上车下车手动开关们,所以考虑新造一个自动的门方便进出。找人做,或者自己做?当然也有商家出售半成品,自己拿来回来安装,价格也不便宜,而且还是要自己动手。考虑了一段时间,自己也做了不少功课,最后决定,完全自己动手从零做起!

制定的方案如下:移门选用“无轨悬浮”设计,这样免去了普通移门需要铺平水泥地以及架设轨道的麻烦;使用镀锌圆铁管做框,因为成本低;门框的铁管用直径为6厘米的管子,柱子用10厘米的管子;后院进出口宽度为3.6米,这样就需要做一个5.4米左右宽的门;门框高度做成1.5米,然后钉上1.8米高的木篱笆板。为了能够“钳住”1.5米高的门框,支撑用的柱子露出地面部分不能少于1.8米,埋设支撑用铁管要求地下部分长度不能短于地上部分的1/2,所以10厘米铁管的长度就必须至少2.7米。使用齿轮传动的移门自动开门电机,可以避免链条传动带来的噪音;出于同样的原因,我选用尼龙滚轮来滑动移门。

无轨悬浮移门构造示意图,courtesy by Hoover Fence CO.

无轨悬浮移门构造示意图,courtesy by Hoover Fence CO.

经过前后差不多三个月每个周末的辛苦工作,我们的移门总算完工了!这个系列的文章讲带你从头走过我是如何从零打造无轨悬浮自动移门的。请看完工后的移门自动开关视频:

 

用自制的回流焊炉焊制高密度贴片LED阵列

先来看一段视频为快!

最近有一个项目需要焊接600多个高亮度贴片小LED到电路板上。LED选用飞利浦Philips Rebel Z ES系列白色灯珠,大小只有区区1.6 x 2.0毫米,基本上属于掉到地上就找不到的那种尺寸…这么小的LED一字排开相距只有2.5mm。更糟糕的是,这种LED的焊盘都在底部,从侧面根本就无法用电烙铁来焊。

飞利浦Rebel Z ES白色LED和一元硬度比大小

飞利浦Rebel Z ES白色LED和一元硬度比大小

不过我之前自制过一个回流焊炉,用这个回流炉成功焊接过高密度贴片的芯片,所以这次决定还是自己动手,把回流焊的零部件尺寸和密度纪录继续变小。从设计电路板开始,充分考虑到回流炉的特性设计焊盘大小和形状,调整激光切割的网板,一直到最终成功焊好这么多LED!没想到我桌上这个小焊炉还是可以做出挺精密的东西来!

DIY将家用小烤箱改装成电路板回流焊接炉(reflow oven)含视频

先来一段回流焊接炉最终成品工作时的视频(链接):

尽管我可以很熟练地手工焊接小到只有0.5毫米间距的QFN封装芯片(看我的文章视频), 但是越来越多出现在市场上的新产品芯片已经变得实在无法手焊了。手上的各个项目已经发展到了不得不要丢我的电烙铁的阶段。看来到是时候给我的工作台添加一 台电路板回流焊炉了(reflow oven)。市场上已经有不少产品可供选择,从专业级别到面向业余爱好者的都有。但是我还是决定要自己动手改装一台,肯定很有趣味,更不说还能省下不少银 子。

打造一台电路板回流焊炉,你需要四种主要零件:1)加热设备;2)温度传感器;3)控制器;以及4)继电器。不过这些东西对于电子工程师来说应该不是什么大问题。

4_Elements

下面是针对上面零件所作的选择:

  1. 可放下12英寸皮萨饼的热风电烤箱。选购家用烤箱首要注意的地方是功率。必须要能够在短时间内升温至最高260摄氏度。通常功率1千瓦的电烤箱可 以做到这点。接下来,带热风功能必须的,因为烤箱自带的风扇可以将烤箱各个角落的温度通过空气循环来均衡升温。加热棒应该是两条位于烤箱顶部,两条位于底 部。试验结果告诉我烤箱容量可以不用这么大(如果你需要焊接大面积电路板那另当别论),因为过大的烤箱空间导致加热缓慢,这在后面我会提到。比如我购买的 这个烤箱无法做到在90秒内升温至150摄氏度。如果有机会我会选购一个小点的,不过总体来说工作情况令人满意。最后,我强烈建议选择手动控制的电烤箱。 那些看似十分高级的数码控制款,不仅价格上比较贵,而且对后面的改装会提出不少难度。
  2. K型热电偶式(Thermocouple)温度传感器,我选用的是TPI的GK11M,以及热电偶调节器模数转换芯片MAX6675。 需要确认所选购的热电偶可以工作在至少260摄氏度的温度下。GK11M这款K型热电偶的工作范围是-40~950°F (-40~510°C),足够了。MAX6675带有SPI结构,可以很方便的和单片机等相互通信。这款芯片有些小贵,因为它连数模转换都集成了,如果不 嫌麻烦愿意自己在单片机上实现数模转换(ADC),则可以选购模拟输出的芯片,相对会便宜些。
  3. 控制器方面,我使用我自己开发的RTM平台,主芯片是一块Microchip PIC32MX795F512L的32位单片机,系统时钟可以跑到80MHz,带有一个USB2.0口,这样可以和PC很好的结合起来,所需要的编程量也很低。
  4. 继电器我选用Crydom的PF240D25固态继电器。由于我需要开关交流电,所以至少可以负载1000瓦的大功率继电器是必须的。考虑到我准备使用脉冲宽度调制(PWM)的方式来控制烤箱,所以推荐使用固态而不是传统的电磁式。这款继电器还可以直接使用单片机的控制信号,十分方便。

好了,所有零部件到位,是时候动手将电烤箱改装成回流焊接炉了!

Toaster_Oven

上图1绿色圆圈所示,这台烤箱带有三个控制旋钮,分别是温度控制、功能选择和定时。我需要拆掉最上方的温度控制器(实际上是一个利用两种不同热膨胀 系数的双金属条,bimetallic strip),转而用我自己的单片机电路来控制温度。“功能选择”也不需要,但放着也不碍事,如果有低温项目需要,还可以切换到只有两条加热棒工作的模 式。“定时器”也不需要,因为我的电路板会控制时间,不过考虑到安全因素,还是建议留着,至少万一忘记切断电源的情况下,定时器最终可以帮我关掉烤箱。

Toaster_Oven_Rewiring

图2. 这是烤箱控制面板内测的布局。注意图中中间上方有一个白色胶布包裹的装置是热风风扇的变压器线圈。这是整个回流焊接炉的核心器件之一,保证电路板各处均匀 加热。你可以看到,我已经将最上面的温度控制器断开。另外一个小改动是将热风风扇跳过功能按钮,这样只要该烤箱上电,风扇就一直工作。

Toaster_Oven_Rewiring_2

这张图3展示了一个已经完成重新布线的半成品焊接炉。只要图中蓝色的插头连接,烤箱就开始加热。有烤箱内部没有其他任何的电源相关部件,所以这根电 线里跑的就是交流电,操作的时候需要注意安全!接下来就很容易了,把这两个插头连到继电器上,然后用软件来控制这个继电器的闭合/断开。

Solid_Sate_Relay

图4. 参照这个继电器背部的说明,4个管脚的连接十分明了。1/2管脚连到上图的蓝色插头,无需考虑极性的正反。3/4管脚连到单片机的输出端,管脚3也不需要串联限流电阻,4是接地。需要注意的是,该固态继电器在使用是会产生大量的热,需要降温设备。

Everything_Connected

图5. 所有连线完毕。我的电路板回流焊接炉准备就绪了!等等……我还需要一个降温风扇!

SSR_W_Fan

图6. 降温风扇也准备好了。我在单片机里实现了一套PID控制程序来实现所要求的温度走势。网上到处都可以找到各种不同的温度要求,通常一个加热焊接过程被分成 三个步骤:1)预加热阶段(Pre-heat zone);2)均热处理阶段(Soaking zone);以及3)回流加热阶段。

  1. 预加热要求在不超过2分钟的时间内把温度从室温提升到150摄氏度。150摄氏度低于锡膏的熔点,只是确保电路板各处温度升带这一数值。
  2. 均热处理要求在接下来的2分钟内温度升到183摄氏度并保持在这一温度上。在这阶段内,锡膏里的助焊剂被激活,确保各种辅助液体被挥发掉。183度任然略低锡膏的熔点,但已十分接近,我以后的文章会提高,这是的锡膏已经开始液化。
  3. 最终,回流处理阶段阶段要求温度以最快速度上升到250摄氏度,高于锡膏的熔点,锡膏充分附着于焊盘和元器件管脚上完成焊接。

在不断的尝试以后,我最终将PID各参数调整到最佳值使其能实现上面的三阶段要求。由于我的RTM单片机系统可以方便的实现USB通信,我在PC上简单地将下面的参数输入系统:

秒   摄氏度
120, 150
240, 183
300, 250

第一列数据是以秒为单位的时间值,第二列是在该时间内要达到的摄氏度温度值。下面是我通过单片机系统反馈得到的实时温度走势图。

Temperature_Profile

你可以看到,就如我之前所提到的,由于我的烤箱过大,导致箱内升温缓慢,所以未能在规定时间内达到要求温度。而且回流温度也低于250摄氏度。不过 令人惊喜的是,尽管有这些问题,但是自动焊接结果十分完美。下面是一些使用该回流焊接炉的视频和图片。随着更多的电路板被我烘焙,我会贴出更多的结果。

回流焊接好的电路板:

PCB_Reflow_Rebel_Z

1.7mm x 1.3mm大小的飞利浦Rebel Z系列彩色大功率LED。
PCB_Reflow_Rebel_Z_ES_effect

Rebel Z系列彩色LED以及3mm x 4mm Rebel系列白色LED。Rebel Z系列彩色LED提供8种不同的颜色,分别是:绿、蓝、红、桔红、深蓝、琥珀黄、品蓝以及青。

以下文字添加于2014年6月21日:

距改装这个小烤箱已经有一年多的时间了。这个自制的电路板回流焊接路已经成为我工作台上不可或缺的一个设备了。有了它以后,我在设计电路板的时候越来越大胆,选择元器件越来越小,完全不用担心做测试板的时候会不会遇到焊接难题了。

下面就是一组最近一批“烤”出来的电路样板:

在激光切割的网板上敷焊膏

在激光切割的网板上敷焊膏

移除网板,焊膏很漂亮地归整在焊盘上

移除网板,焊膏很漂亮地归整在焊盘上

放置各种元器件

放置各种元器件

准备开“烤”

准备开“烤”

烤好以后的成品!

烤好以后的成品!