Bouw een hoogpresterende 3D-geprinte RC-tank met dubbele-snelheid tandwielkast

In deze tutorial laat ik je zien hoe ik een beest van een 3D-geprinte RC-tank of een radio-gecontroleerd gedaagd voertuig bouwde, met een schone, zwarte ontwerp, coole LED-verlichting en een dubbele-snelheid tandwielkast. Precies, ik ontwierp specifiek een tandwielkast voor deze tank zodat ik een lagere of hogere versnelling kan kiezen, afhankelijk van het terrein of de toepassing, en zo hogere koppel of hogere snelheid kan krijgen.

Je kunt de volgende video bekijken of de geschreven tutorial hieronder lezen.

Overzicht

Als je me volgt, weet je misschien dat ik enige tijd geleden al een 3D-geprinte RC-tank bouwde, wat cool was, maar een beetje ondergemotoriseerd. Daarom gebruik ik nu voor deze build 200W DC-motoren voor elke gedaagde, en in combinatie met deze tandwielkast heeft de tank genoeg kracht om elk terrein te overwinnen of om plezier te beleven met burnouts of donuts.

Wat betreft plezier, installeerde ik een adresseerbare LED-strip voor de lichten, wat oneindige mogelijkheden geeft voor het creëren van verblindende lichteffecten. Voor deze video maakte ik een politie-licht strobo-effect, wat supercool is om ermee rond te rijden, vooral 's nachts.

Wat de vering betreft, wordt de tank aan elke kant ondersteund door drie spoelveren en shockabsorbers, met twee wegwielen voor elk van hen. Dat stelt het voertuig in staat om soepel over oneffen terrein te rijden en obstakels te beklimmen, terwijl er een goed contactoppervlak tussen de gedaagden en het terrein blijft.

Natuurlijk is alles 3D-geprint en de 3D-bestanden zijn beschikbaar voor download, zodat je er zelf een kunt bouwen.

Voor het besturen van de tank gebruik ik een goedkope commerciële RC-zender die commando's stuurt.

Aan de tank zit een geschikte RC-ontvanger die de commando's ontvangt en doorstuurt naar een microcontroller. De hersenen van dit platform is een Atmega2560-microcontroller-gebaseerd bord, en voor het gemakkelijk aansluiten van alles maakte ik een custom PCB die simpel op het bord kan worden gemonteerd.

Nu, schnal je vast, want ik zal je door het hele proces van het bouwen van deze RC-tank leiden, beginnend bij het ontwerp, 3D-printen, monteren, elektronica aansluiten, tot het programmeren van de microcontroller.

Ontwerpen van de RC-tank

Ik ontwierp deze tank met Onshape.

Onshape is het professionele, cloud-native 3D CAD- en PDM-systeem dat ik voor mijn projecten gebruik.

Ik raad mechanische ingenieurs en productontwerpers aan Onshape te bekijken; jullie en jullie bedrijf kunnen Onshape Professional gratis gebruiken tot 6 maanden via https://Onshape.pro/HowtoMechatronics

De initiële invoerparameters voor het ontwerp waren de DC-motoren, of hun afmetingen en RPM. Deze motoren zijn vrij volumineus en hebben 3000 RPM. Dat is te hoge RPM voor deze tank, daarom ontwierp ik deze tandwielkast, die de snelheid terugbrengt naar twee verschillende waarden.

Deze tandwielkast werkt net als een handgeschakelde transmissie in een auto. Er is een versnellingsbak die in plaats van met de hand te bedienen, hier wordt bewogen met behulp van een servomotor, en die kan kiezen welke van de twee uitgangstandwielsets als einduitgang wordt ingeschakeld.

De initiële reductieverhouding van de tandwielkast is 1,88:1, wat vast ligt, en daarna kunnen we kiezen tussen de lage versnelling, die een additionele reductie van 2,76:1 heeft, of de hoge versnelling, die een 1:1 verhouding heeft. Dus in lage versnelling is de totale reductie 5,2, of dat is ongeveer 570 RPM, en in hoge versnelling slechts 1,88 reductie, of ongeveer 1600 RPM.

We zullen later meer details zien over hoe de tandwielkast werkt tijdens de montage.

De volgende invoerparameter voor het tankontwerp waren de RC-shockabsorbers die ik had. Ze hebben een lengte van 70mm wanneer uitgezogen, met 15mm belasting. Ik wilde een iets grotere verticale reisaafstand voor de wegwielen, dus ik positioneerde ze in deze configuratie en kreeg een verticale reisaafstand van 22mm.

Daarnaast, aangezien dit een bogie-systeem is waar een paar wielen aan die bewegende as zit, kunnen de wielen om die as heen draaien en dus een extra verticale reis maken. Dat zal een soepelere rit en beter contact tussen de gedaagde en het oppervlak eronder bieden.

Als we de voorste wegwielen nader bekijken, merken we dat ze verbonden zijn met het voorwiel aan de voorkant om dynamische spanning van de gedaagde te bieden. Wanneer het voorste wegwiel omhoog gaat, wordt de omtrek van de gedaagde kleiner en de spanning losser.

Met deze opstelling wordt het voorwiel naar voren geduwd om de gedaagde te spannen wanneer dat gebeurt. Met deze verbinding kunnen we de gedaagde ook statisch spannen, door deze bout en afstandsbus af te stellen.

Aan de achterkant hebben we het kettenrad dat uit drie delen bestaat. Het heeft de askoppeling en linker- en rechtersectie van het kettenrad, allemaal verbonden met drie M3-bouten.

De sleutelafmeting hier op het kettenrad is de deeltand, want die moet overeenkomen met de deeltand van de gedaagde. De deeltand is 11mm hier en ik koos het kettenrad met 20 tanden, wat een deeltanddiameter van ongeveer 69mm opleverde. Het idee voor de grootte van het kettenrad was om groot genoeg te zijn, zodat de gedaagde buiten de tankbody blijft.

De 11mm deeltand werd eigenlijk gedefinieerd door het ontwerp van het gedaagde schakel. Mijn doel voor het gedaagde schakel was zo compact mogelijk te zijn en met slechts één extra onderdeel of pin met het volgende schakel te verbinden, terwijl het sterk genoeg is om met een 3D-printer gemaakt te worden.

Bovendien wilde ik bij 3D-printen elk gebruik van supportmateriaal voor het deel vermijden, wat ik met dit ontwerp werkelijk wist te bereiken.

Voor het verbinden van de gedaagde schakels onderling, had ik van plan om pinnen van 2mm diameter te gebruiken, dus dimensioneerde ik de ene kant op 2,1mm voor strakke pasvorm, en de andere kant op 2,4mm voor losse pasvorm, zodat de gedaagde schakels vrij kunnen draaien.

De kettenradtanden grijpen in de gedaagde schakels aan de buitenste cilindrische vorm. De gedaagde schakelcilinder heeft 4,4mm straal, terwijl het kettenrad 4,9mm heeft voor een losse pasvorm om goed te werken.

De hoofdbody waar alles aan zit, moest groot genoeg zijn om de twee tandwielkasten te passen, en natuurlijk ruimte te hebben voor de elektronica en de batterij. Al dit resulteerde in totale tankafmetingen van 547x397mm. Dat is redelijk groot, groter dan het gewone 3D-printer bed, daarom deelde ik de grote onderdelen in twee secties, zodat we ze op een 300mm bed 3D-printer kunnen printen. Let op dat als je het op een kleinere 3D-printer met 220mm wilt printen, het model in 4 secties verdeeld moet worden. Ik zal die versie ook in de 3D-bestanden opnemen.

Voor het monteren van de tank hebben we diverse M3 en M4 bouten en moeren nodig, evenals enkele gezwinde-inserts en lagers. Je kunt een complete lijst van alle benodigde componenten hieronder vinden. Natuurlijk kun je ook het 3D-model en de STL-bestanden voor 3D-printen vinden.

3D-model en STL-downloadbestanden

Je kunt het 3D-model van deze RC-tank direct in je webbrowser bekijken met Onshape.

Je kunt het 3D-model van dit RC-tank/robotplatform, evenals de STL-bestanden voor 3D-printen, downloaden van Cults3D.

3D-printen

Ik gebruikte mijn Creality Ender-3 V3 Plus 3D-printer voor het printen van de meeste onderdelen voor deze tank.

Bij 3D-printen is het belangrijk om de Horizontale Uitbreiding-functie te gebruiken, of nu in de nieuwe Creality Print slicer die ik gebruikte, heet het X-Y-contourcompensatie. Als we deze instellingen standaard laten, zijn de prints buitenafmetingen en gaten meestal kleiner dan het originele model en we kunnen problemen krijgen bij het monteren.

In de Creality Print slicer gebruikte ik een waarde van –0,07 voor de X-Y-contourcompensatie, en plus 0,07 voor de X-Y-gatencompensatie-functie. Natuurlijk moet je enkele testprints doen om te zien welke waarden de beste resultaten geven op jouw 3D-printer.

Voor het 3D-printen van de gedaagde schakels gebruikte ik rafts als bouwplaatadhesie, omdat hun basiscontactoppervlak met de bouwplaat iets klein is en niet goed kan plakken als de bed-adhesie op je printer niet zo goed is.

De Creality Ender-3 V3 Plus heeft een bouwplaat van 300x300mm, dus ik kon de hoofdbody van de tank in twee delen printen. Zelfs in twee secties zijn de onderdelen nog vrij groot, en duwen de 3D-printer naar haar limiet. Maar de Creality Ender-3 V3 Plus hanteerde het prima en deed een geweldige job met het printen van deze grote onderdelen.

Ik kan deze 3D-printer aanbevelen aan iedereen die op zoek is naar een groot volume en snelle 3D-printer. Het is een CoreXZ 3D-printer die snelheden van tot 600mm/s kan halen en met zijn stevige frame levert het een uitstekende printkwaliteit. Shout-out aan Creality voor het leveren van deze 3D-printer.

Bekijk de Creality Ender-3 V3 Plus – USA-winkel: https://shrsl.com/4rtkk; EU-winkel: https://shrsl.com/4rtkm; Amazon: https://amzn.to/3VjEoRH

Monteren RC-tank

Hier zijn alle 3D-geprinte onderdelen, dus we kunnen beginnen met het monteren van de tank. Eerlijk gezegd, er is zoveel 3D-printen. Het duurt enkele dagen om alles te printen, en niet alleen tijd, we hebben ook diverse spoelen filament nodig.

Voor de gedaagde schakels alleen, omdat er in totaal 214 gedaagde schakels zijn, hebben we ongeveer 500g en 30 uur 3D-printen nodig. De hoofdbody van de tank heeft ongeveer 1kg filament nodig, als verdeeld in twee secties zoals hier, 500g en ongeveer 12 tot 18 uur per sectie. Ook hebben veel onderdelen supportmateriaal nodig bij 3D-printen, dus we moeten tijd besteden aan schoonmaken.

Stuklijst (BOM)

Hier is een lijst met componenten die nodig zijn voor het monteren van dit RC-tankproject. De lijst voor de elektronische componenten is te vinden in de schakelschema-sectie van het artikel.

Disclaimer: Dit zijn affiliatelinks. Als Amazon Associate verdien ik aan kwalificatieve aankopen.

Elektronica – RC-tank schakelschema

Laten we kijken naar de elektronica voor de RC-tank en uitleggen hoe het werkt. De hersenen van deze RC-tank is een ATmega2560-microcontroller-gebaseerd bord.

Je kunt de benodigde componenten voor dit project via de onderstaande links verkrijgen:

Disclaimer: Dit zijn affiliatelinks. Als Amazon Associate verdien ik aan kwalificatieve aankopen.

Custom PCB-ontwerp

Om de elektronische componenten georganiseerd te houden, ontwierp ik een custom PCB voor de RC-tank. De PCB is compatibel met het ATmega2560-microcontroller-gebaseerde bord om er direct op te monteren.

Ik bestelde de PCB bij PCBWay. Hier kunnen we simpelweg het Gerber-bestand uploaden, de eigenschappen van onze PCB kiezen, en het tegen een redelijke prijs bestellen.

Ik veranderde geen van de standaardeigenschappen, behalve de PCB-kleur die ik blauw koos. Je kunt het Gerber-bestand vinden en downloaden via de PCBWay project-deelcommunity, waar je de PCB ook direct kunt bestellen.

Afwerken RC-tank montage

In deze sectie leg ik uit hoe alles te verbinden en deze RC-tank te voltooien.

Deze sectie is nog in aanbouw.

Programmeren van de RC-tank – Arduino-code

In deze sectie leg ik uit hoe de Arduino-code achter de RC-tank werkt. Hier kun je de code downloaden:

Codeoverzicht

Met de IBusBM-bibliotheek lezen we binnenkomende data van de RC-zender.

// Data inlezen van de RC-zender
IBus.loop();
ch0 = IBus.readChannel(0); // ch0 - links en rechts
ch1 = IBus.readChannel(1); // ch1 - vooruit en achteruit
ch6 = IBus.readChannel(6); // ch6 - versnellingsbak
ch7 = IBus.readChannel(7); // ch7 - politie-licht strobo-effect
ch8 = IBus.readChannel(8); // ch8 - alle witte LEDs
ch9 = IBus.readChannel(9); // ch9 - linker en rechter witte LEDs

De rechtervoystick, kanalen 0 en 1, worden gebruikt voor het besturen van de beweging van de tank, de linker rokkerschakelaar, of kanaal 6, voor het besturen van de servo voor het schakelen van de versnellingen, en de andere drie rokkerschakelaars voor het besturen van de LEDs.

We converteren de binnenkomende data naar waarden geschikt voor PWM-regeling van de DC-motoren, wat van 0 tot 255 is.

// Converteer binnenkomende data naar geschikte PWM-waarde
steeringValue = map(ch0, 1000, 2000, -205, 205); // 0 tot 205 bereik want dan voeg ik +50 toe om lage PWM-waarden te vermijden, zodat motoren niet starten
motorSpeed = map(ch1, 1000, 2000, -205, 205);
motorSpeed = abs(motorSpeed);
leftMotorSpeed = 50 + motorSpeed + steeringValue; // 50 + (0-205) + (0 - 205) = 50 - 255, dit bereik van 50 tot 255 wordt als PWM-waarde gebruikt
rightMotorSpeed = 50 + motorSpeed - steeringValue;
leftMotorSpeed = constrain(leftMotorSpeed, 0, 255); // Beperk PWM-waarde van 0 tot 255
rightMotorSpeed = constrain(rightMotorSpeed, 0, 255);
// Als PWM lager is dan 52, zet PWM-waarde op 0
if (leftMotorSpeed < 52) {
  leftMotorSpeed = 0;
}
if (rightMotorSpeed < 52) {
  rightMotorSpeed = 0;
}

We sturen de PWM-waarden naar de drivers en motoren met de analogWrite()-functie op de juiste manier.

// Als rechtervoystick omhoog gaat > vooruit rijden
if (ch1 > 1510 && ch1 < 2000) {
  digitalWrite(M1_RPWM, 0);
  analogWrite(M1_LPWM, leftMotorSpeed);
  digitalWrite(M2_RPWM, 0);
  analogWrite(M2_LPWM, rightMotorSpeed);
}
// Als rechtervoystick omlaag gaat > achteruit rijden
if (ch1 > 1000 && ch1 < 1490) {
  analogWrite(M1_RPWM, leftMotorSpeed);
  digitalWrite(M1_LPWM, 0);
  analogWrite(M2_RPWM, rightMotorSpeed);
  digitalWrite(M2_LPWM, 0);
}
// Als rechtervoystick in het midden is, niet bewegen
if (ch1 > 1490 && ch1 < 1510) {
  if (leftMotorSpeed < 50 && rightMotorSpeed < 50) {
    digitalWrite(M1_LPWM, 0);
    digitalWrite(M1_RPWM, 0);
    digitalWrite(M2_LPWM, 0);
    digitalWrite(M2_RPWM, 0);
  }
  // Als rechtervoystick alleen links of rechts beweegt, zonder omhoog of omlaag, beweeg tank links of rechts (op de plaats)
  else if (ch0 < 1490 || ch0 > 1510) {
    analogWrite(M1_RPWM, rightMotorSpeed);
    analogWrite(M1_LPWM, leftMotorSpeed);
    analogWrite(M2_RPWM, leftMotorSpeed);
    analogWrite(M2_LPWM, rightMotorSpeed);
  }
}

Voor de servomotor en het schakelen van de versnellingen, moet je de waarden aanpassen aan de servo die je gebruikt.

//======= Versnellingsschakeling ====
if (ch6 == 2000) {
  myservo.write(140);
}
if (ch6 == 1000) {
  myservo.write(40);
}

Wat de lichtbesturing betreft, controleren we welke rokkerschakelaar ingeschakeld is, en daarvolgens laten we elke LED individueel oplichten zoals nodig.

//===== LICHTEN Besturing ===
// Voor- en achterlicht LED-besturing
if (ch9 == 2000) {
  frontLeds[0] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[1] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[2] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[3] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[4] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[5] = CRGB(0, 0, 0);
  frontLeds[6] = CRGB(0, 0, 0);
  frontLeds[7] = CRGB(0, 0, 0);
  frontLeds[8] = CRGB(0, 0, 0);
  frontLeds[9] = CRGB(0, 0, 0);
  frontLeds[10] = CRGB(0, 0, 0);
  frontLeds[11] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[12] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[13] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[14] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[15] = CRGB(255, 255, 255);
  backLeftLeds[0] = CRGB(255, 0, 0);
  backLeftLeds[1] = CRGB(255, 0, 0);
  backLeftLeds[2] = CRGB(255, 0, 0);
  backRightLeds[0] = CRGB(255, 0, 0);
  backRightLeds[1] = CRGB(255, 0, 0);
  backRightLeds[2] = CRGB(255, 0, 0);
}
if (ch9 != ch9State) {
  if (ch9 == 1000) {
    FastLED.clear();
  }
  ch9State = ch9;
  FastLED.show();
}
// Voor- en achterlicht LED-besturing
if (ch8 == 1500) {
  frontLeds[0] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[1] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[2] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[3] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[4] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[5] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[6] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[7] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[8] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[9] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[10] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[11] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[12] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[13] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[14] = CRGB(255, 255, 255);
  frontLeds[15] = CRGB(255, 255, 255);
  backLeftLeds[0] = CRGB(255, 0, 0);
  backLeftLeds[1] = CRGB(255, 0, 0);
  backLeftLeds[2] = CRGB(255, 0, 0);
  backRightLeds[0] = CRGB(255, 0, 0);
  backRightLeds[1] = CRGB(255, 0, 0);
  backRightLeds[2] = CRGB(255, 0, 0);
}
....enzovoort...

Het politie-licht strobo-effect kostte me wat tijd om te programmeren, maar het resultaat is echt cool.

Testen van de 3D-geprinte tank

Zodra we de code uploaden, kunnen we het robotplatform en de RC-zender inschakelen voor een test. Op het display van de zender zien we de LiPo-batterijspanning, evenals de ontvanger- en zenderspanning.

Hier zien we ook hoe het versnellingsschakelen in beweging werkt. Met de linker rokkerschakelaar kunnen we de versnellingen schakelen terwijl de motoren draaien. Het is eigenlijk best soepel, nietwaar.

Met de andere 3 rokkerschakelaars regelen we de tanklichten. Er zijn 4 verschillende modi. Vijf LEDs aan elke kant in wit, tweede modus alle witte LEDs aan, derde modus alle witte LEDs knipperen en natuurlijk de coolste modus, een politie-licht strobo-effect. De tank kan rijden met elk van deze lichtmodi aan.

Even een snel opmerking. Omdat de LEDs gevoed worden via de 5V van de LM350-spanningsregelaar, kan die best warm worden, vooral als de alle-witte-LEDs-modus in gebruik is. Elke LED verbruikt ongeveer 50-60mA stroom voor wit, dus dat is bijna 1A stroom.

De LM350 kan tot 3A stroom aan, maar heeft daarvoor een grote, passende koeling nodig. Ik plaatste hem op een verkeerde locatie op de custom PCB, waardoor ik geen geschikte heatsink kon toevoegen. Ik probeerde wel een paar kleine heatsinks van een stappenmotordriver.

Die helpen een beetje, maar als alle witte LEDs lang aanstaan, zou de spanningsregelaar oververhit raken. Maar op alle andere modi is het prima, dus ik liet het zo. Als we dit willen oplossen, kunnen we een aparte buck-converter met 8A nominal stroom toevoegen. Deze buck-converter kan gevoed worden vanuit de 12V-uitgangsklem, en zijn 5 of 6V uitgang die we instellen, kan naar de 6V-klem op de PCB gaan en we kunnen de 6V-rail gebruiken voor het voeden van de LEDs.

Toch hoop ik dat je van deze video genoten hebt en iets nieuws geleerd hebt. Veel plezier met bouwen en rijden met deze RC-tank. Zoals ik eerder zei, plan ik in toekomstige video's enkele upgrades voor deze tank. Ik kan een robotarm erbovenop monteren, of misschien een sneeuwblazer of zoiets. Dus, blijf op de hoogte.