Jumping Jack Flash weblog

Presepe meccanico – Puntata 9: il fornaio

Posted in Uncategorized by jumpjack on 18 gennaio 2020

L’ispirazione per questo automa è venuta da questa strana volpe fornaia intenta a preparare la piazza…

https://grabcad.com/library/baker-fox-wooden-toy-1

Anche se ovviamente non adatto così com’è a essere inserito in un presepe, l’automa offre un’idea interessante, e sembra anche facile da realizzare…. ma come al solito SEMBRA soltanto!

Vediamo che ha due soli gradi di libertà: busto/gambe e busto/spalla. E poi c’è “solo una camma”.

Purtroppo però la camma nasconde una “fregatura meccanica”, ma è difficile vederla anche in questo spaccato:

Una camma è un semplice eccentrico, cioè un cerchio o un ellissoide che ruota intorno a un punto che non è il suo centro.

Ma qui non abbiamo una camma semplice: la camma, il cerchio scuro attaccata alla manovella, in realtà ruota all’interno di una cornice ottagonale (più chiara) a cui è attaccato un fil di ferro che muove l’automa.

Purtroppo, un meccanismo del genere causerebbe un enorme attrito lungo tutto il bordo esterno della camma, per non parlare della difficoltà di mantenere il cerchio dentro la grossa asola ottagonale. Meglio quindi sostituire la coppia camma+esagono con una manovella standard, come già usata nell’automa dei polli. Però poi resta il problema del fil di ferro: sto cercando di fare automi riproducibili da chiunque, senza postproduzione eccessiva dopo la stampa, e tagliare e piegare il fil di ferro esattamente nella misura giusta non è lavoro per tutti. Potrei mettere una “chiave inglese” come fatto per i polli, ma sarebbe grossa e brutta, come anche il perno che uscirebbe dal posteriore del fornaio per agganciarsi alla biella a chiave inglese!

Così, ho deciso di rivoluzionare completamente il meccanismo. Ma ho dovuto prima progettarlo a tavolino, e trattandosi di un movimento su un piano, quindi in 2d, ho pensato di usare Algodoo, un programma che sembra uno strano giochino, ma che in realtà permette di realizzare simulazioni di fisica piuttosto complesse, anche se solo in 2d. Un tempo a pagamento mentre la sua contoparte Phun era gratis, è ora diventato anch’esso gratuito, mentre l’engine a pagamento, per usi professionali, si è “trasferito” su Algoryx Momentum, che realizza anche simulazioni 3d.

In Meshmixer, che ho usato per realizzare il “pupazzo animabile universale”, ho preso uno screenshot laterale della bozza di automa in costruzione, dopodichè l’ho importato in Algodoo (bisogna creare un rettangolo delle esatte dimensioni delle immagini, anche se sono espresse in metri invece che in pixel poi cliccare col destro, scegliere APPEARANCE e FIND TEXTURE per caricare l’immagine), e poi ho disegnato i vari pezzi di automa, sovrapponendoli all’immagine:

Ho poi aggiunto i vari  giunti,  mobili o fissi a seconda se devono fungere da perni o da chiodi, poi ho assegnato un “layer di collisione” diverso ai pezzi che NON devono interagire, e uguale a quelli che devono invece manifestare uan reazione vincolare, poi ho avviato l’animazione e…

Ho dovuto ovviamente giocare un po’ con lunghezza della biella, dimensioni degli ingranaggi, posizioni dei perni (motivo per cui ho usato questo simulatore invece di stampare decine di pezzi a caso), finchè ho ottenuto un risultato abbastanza accettabile.

Anche se l’automa è attivato a manovella, gli ingranaggi sono necessari per un’eventuale futura motorizzazione.

Notare come la biella non è incernierata in modo fisso sul perno di rotazione centrale, perchè il mattarello deve muoversi orizzontalmente mentre la biella, ruotando, descrive un arco: se fosse incernierata sul perno centrale, il mattarello si alzerebbe, mentre invece così il peso (seppur poco) del mattarello e dell’automa ad esso appoggiato lo tengono attaccato al tavolo, mentre è la biella ad “assorbire” il movimento longitudinale, scorrendo lungo il perno oltre a ruotare intorno ad esso.

A rendere possibile la roto-traslazione della biella è il perno della ruota, che trasforma il suo movimento circolare in “lineare rispetto alla biella” grazie al binario scavato nella biella stessa; per “seguire” il perno della ruota, la biella è costretta a ruotare intorno al proprio perno.

Il gruppo braccio-polso-mano deve essere un blocco unico, cioè non devono esserci le articolazioni, altrimenti l’automa collassa sul tavolo.

Per realizzare asola e binario nella biella ho usato il “cursore cancellante” di Algodoo, quell con questa strana icona:

Funziona analogamente al “cursore disegnante”, il pulsante alla sua sinistra, ed entrambi causano lo stesso problema di “bloccare” il pezzo, che non risulta non piuù animabile: bisogna sbloccarlo manualmente dal menu “geometry actions”, voce “loosen”.

La versione attuale dell’automa funziona, però l’escursione del mattarello è piuttosto limitata, appena un centimetro, meno di mezzo tavolo, quindi dovrò lavorare ancora un po’ su distanza e lunghezze per avere un movimento più ampio; fare una serie di buchi, anzichè uno solo, sia sulla ruota dentata che sulla parete laterale del tavolo, proprio in prevision di questo problema, non è stato sufficiente: il mezzo-braccio di biella attivato dalla ruota è più corto del mezzo-braccio attaccato al mattarello, quindi l’ampiezza del movimento del perno della ruota viene attenuato, mentre invece dovrei farlo uguale (lunghezze uguali) o amplificarlo (allungando il mezzo-braccio attaccato al mattarello, e/o accorciando l’altro).  Il problema è che, essendo il perno della ruota in movimento lineare dentro alla biella, non riesco a capire bene QUANTO risulta effettivamente lungo questo mezzo-braccio. Inoltre, il lato del tavolo non ha abbastanza spazio, ergo dovrò alzare anche la superficie del tavolo, senza però darla in faccia al povero fornaio… Ci vorranno ancora un po’ di simulazioni e di stampe…

Per adesso, questo è il risultato finale (oltre al video a inizio articolo):

 

 

 

Presepe meccanico – puntata 7 – polli terminati

Posted in 3d, stampa 3d by jumpjack on 29 dicembre 2019

Puntate precedenti per i polli:

Sono finalmente riuscito a terminare l’automa dei polli che beccano:

Adesso non sono più ne triangoli stilizzati, nè sagome piatte, ma “veri” polli in 3d, ottenuti da questo modello 3d , opportunamente rimaneggiato con Meshmixer per eliminare piedistallo e zampe e smezzarlo in due parti stampabili; al posto delle zampe ho messo due pernetti di plastica, molto più semplici da stampare, e il piedistallo l’ho ovviamente personalizzato per conformarsi ai vincoli meccanici dell’automa.

Questi sono i 3 strani piedistalli che sono venuti fuori:

A fronte di perni da 5.4mm di diametro ho fatto fori da 6.4, quindi con 0.5 mm di margine, per garantire una rotazione libera. I fori sono poi profondi circa 11mm, per evitare ondeggiamenti sull’asse sbagliato.

Il perno sporgente di circa 6mm serve da aggancio alla suddetta “chiave inglese”, e ha un diametro di 5mm a fronte di un diametro di 5,4 mm della chiave inglese: un po’ stretta, ma è necessario perchè il cerchio non è completo e bisogna impedire che la chiave si sfili dal perno.

Notare che la chiave è asimmetrica: dal lato del pollo l’aggancio è più largo per ridurre al minimo le oscillazioni sull’asse sbagliato, mentre dalla parte opposta è stretto perchè lo spazio tra le varie ruote, e quindi al lunghezza dei perni, deve essere abbastanza ristretto da permettere la stampa senza supporti, che causerebbero fastidiose irregolarità da limare via accuratamente per permettere la rotazione libera del perno nella chiave inglese.

Ho dovuto modificare anche le ruote per spostare quella del “pollo 1” (che per motivi “storici” sta in posizione 2…) più all’esterno, in modo da non interferire con gli altri due; quindi ora uno dei perni rimane inutilizzato, ma l’ho lasciato per conservare le distanza già collaudate degli altri perni, e non l’ho sostituito con plastica piena… per risparmiare plastica:

Notare che i perni sono separati dalle ruote da una specie di “rondelle”, che sono in realtà sporgenze parti integranti delle ruote: servono a evitare che le chiavi inglesi striscino contro le ruote causando attriti inutili, e sono “sfumate” verso il basso per facilitare la stampa senza supporti.

 

Chiaramente l’automa va rifinito e ripulito, ma la meccanica è completa e funzionante, quindi posso passare a studiarne altri. Ho per l’appunto scoperto un artigiano. Manuel Villagra, che ne crea di strabilianti. Ovviamente tutti pezzi unici fatti a mano, di cui non esistono gli schemi, quindi tutti da progettare da zero per stamparli in 3d!

E c’è il problema che tutti questi usano le camme, e non ho ancora trovato un programma per simularle, quindi o lo trovo, o dovrò adattare gli automi al mio metodo delle chiavi inglesi…

  

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Presepe meccanico – puntata 6 – 28 dicembre 2019: i polli che beccano

Posted in 3d, stampa 3d by jumpjack on 28 dicembre 2019

Pricede lo sviluppo dell’automa dei polli che beccano, seguendo evoluzioni successive; ho deciso che, invece di usare fil di ferro per fare le “bielle”, è meglio usare comunque una barra stampata in 3d; per risolvere il problema che non può avere fori di aggancio essendo ora la ruota di controllo un blocco unico, ho deciso di dargli una forma “a chiave inglese”, così si può agganciare al rispettivo perno senza dover smontare niente e senza dover piegare a mano un pezzo di fil di ferro della misura giusta:

Ecco dunque un primo risultato, di prova, con “galline” triangolari piatte:

 

Ecco poi una successiva prova con polli… a forma di pollo, grazie all’inconsapevole contributo di un abile artigiano che nientemeno che 100 ani fa pubblicò un libro con alcune sagome appositamente pensate per realizzare automi, Louis C. Petersen dell’università di Carbondale nell’Illinois (USA); il libro era “EDUCATIONAL TOYS – Consisting Chiefly of Coping-Saw Problems for Children in the School and the Home”, ed essendo scaduti i copyright è stato inserito nel progetto Gutenberg.

 

La prossima evoluzione sarà sostituire gli stuzzicadenti con veri perni, e sostituire le sagome di polli con polli in 3d più realistici; ci sto già lavorando, e se i perni sono facili; molto più complicati sono i polli 3d, perchè interferiscono meccanicamente tra di loro, quindi sto studiando delle modifiche strutturali che mi consentano di farli convivere senza però dover buttare il lavoro già fatto, considerando la gran quantità di plastica già sprecata.

 

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Presepe meccanico – puntata 5 – 23/12/2019: le galline che beccano

Posted in stampa 3d by jumpjack on 24 dicembre 2019

Nuovo test di realizzazione di un automa: questa volta dovrebbe simulare dei polli che beccano.

 

Ho provato a realizzarlo mediante una serie di barre collegate a delle ruote che girano (una sorta di manovelle in serie), dopo averle precedentemente simulate con programmi come Linkage e Solvespace, ma la realizzazione pratica è piuttosto complicata perché non c’è un perno unico centrale che sostiene tutta la struttura delle ruote, che invecesi autosostengono una sull’altra, per cui non si può fare un montaggio provvisorio senza colla, e quindi non si possono fare esperimenti e prove.

Per studiare a tavolino il meccanismo ho usato il programma Linkage di simulazione di reazioni vincolari animate:

A video il meccanismo funziona, ma il programma, essendo solo 2d, non permette di calcolare a schermo anche la costruzione vera e propria, che si è rivelata poi molto ostica, essendo molto complicato vincolare tra loro in modo fisso e stabile i tre braccetti-manovella: conviene quindi stampare tutto il meccanismo in blocco unico; questo impedisce di applicare successivamente le barre di collegamento ai “polli”/triangoli, ma si può ovviare sostituendoli con pezzetti di fil di ferro opportunamente sagomati per agganciarsi a manovelle e triangoli.

Ho fatto una prima prova usando semplici ruote tonde… ma su una stampante a filo non si stampano bene per via della piccolissima base di appoggio, e ho preferito non usare supporti perchè comportano troppo lavoro di rifinitura successivo con lima e cartavetrata; ho quindi optato per una soluzione di questo tipo:

Il risultato è stato che gli spigoli delle “ruote” sbattno sul tavolo perchè il supporto aveva troppo poco margine! Per non dover ristampare tutto, ho deciso di tagliare velocemente via i 4+4 angoli, ottenendo quanto segue, che ovviamente è solo un prototipo per fare esperimenti:

 

 

Un’altra possibile soluzione sarebbe di usare camme al posto di braccetti o ruote, col vantaggio che le varie camme possono essere tutte connesse tra loro da un unico perno centrale, rendendo la struttura più simmetrica e solida; sfortunatamente, Linkage non consente di simulare camme, nonostante la loro implementazione fosse stata annunciata già nel 2015, insieme a quella della “visione d’insieme delle parti”, che invece è già stata implementata:

 

Programmi alternativi, anche più potenti, sarebbero SolveSpace e Freecad, ma non ho ancora imparato a usarli, e il secondo è davvero complicatissimo da usare. Il primo è più semplice, sono già riuscito a simulare “linkage” e “constraints” vari, ma devo riuscire a imparare anche come associare “constraints” (vincoli) a oggetti 3d importati in formato STL, o a creare oggetti 3d direttamente dentro al programma stesso.

Per il momento quello che sono riuscito a capire dei tre programmi è dove si trovano i comandi per definire i vari “constraints”:

 

In “linkage” invece i comandi per inserire oggetti, corrispondenti alle barre-strumenti in alto in SolveSpace e Freecad, sono “nascosti” nel menu contestuale che si apre col tasto destro:

Presepe meccanico – puntata 4 – 20 dicembre 2019: falegname terminato

Posted in 3d, stampa 3d, Uncategorized by jumpjack on 21 dicembre 2019

 

E’ stata necessaria una settimana di prove ed errori, soprattutto per via della mia scarsa esperienza in stampa 3D, però alla fine sono riuscito a creare il mio primo automa funzionante: si tratta di un falegname che pialla una tavola.

L’ho scelto tra i tanti che ho trovato perché inizialmente mi sembrava uno dei più semplici, visto che il meccanismo di attivazione non contiene camme, ingranaggi e cose strane, ma una semplice manovella, una ruota e un fil di ferro.

pialla

In realtà in questo particolare automa la complessità non risiede affatto nel meccanismo attuatore ma nella figura umana nella quale sono nascosti ben 8 gradi di libertà suddivisi nelle due braccia: ogni braccio Ha infatti una spalla incernierata nel corpo, una articolazione della spalla stessa, un gomito e una mano che è incernierata sulla pialla.

https://grabcad.com/library/carpenter-wooden-toy-1

Il progetto originale utilizzava 4 pezzi distinti e separati per ogni braccio e polso. Inizialmente anch’io ho usato questo sistema, ma poi la cosa si è evoluta risultando nella creazione di una articolazione universale che può essere usata sia per la spalla che per il gomito e che permette un movimento angolare di circa 103°, contro i 78° della prima versione,e sto ora verificando la stampabilità di una terza versione che arriva a 137°:

giunti

Il video che segue mostra l’automa in azione:

 

Il video successivo mostra la quantità di pezzi che ho dovuto stampare prima di riuscire ad arrivare al risultato finale…

 

 

 

Nello studiare il meccanismo ho anche scoperto un paio di programmi freeware interessanti che possono essere utilizzati per provare a realizzare automi propri: si chiamano Mechanalyzer e Roboanalyzer; Mechanalizer è in 2d, e consente solo l’esame e lo studio di 10 meccanismi predeterminati: non permette di crearne di nuovi, però permette di modificare le lunghezze di tutti i bracci e di tracciare il movimento di uno dei nodi:

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Roboanalyzer è invece più orientato al 3d:

 

 

 

Una volta scoperti questi, è scoperte alcune parole chiave (“dynamic analysis of robotic”, “multibody systems”, ” forward dynamics algorithms for simulation”, …), ne ho trovati diversi altri: alcuni funzionano solo su Linux, altri solo appoggiandosi a Matlab (ReDySim), poi ce n’è uno, MBDYN (con plugin per Blender, Blendyn; tutorial per MBDYN), che sembra possa appoggiarsi al CAD gratuito tridimensionale Freecad, ma non per Windows, per il quale invece un buon programma (2d) sembra essere “Linkage“:

Linkage

 

Un’applicazione di MBDyn per Windows è invece Freedyn, 145 MB di download.

Altri programmi:

Elenco di altri programmi simili: link


 

DOWNLOAD modello

 

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Presepe meccanico – puntata 3 – 15/12/2019

Posted in 3d, stampa 3d by jumpjack on 16 dicembre 2019

Ho iniziato a lavorare sul falegname che pialla la tavola, che sembrava uno dei meccanismi più semplici. Non lo è per niente, l’attacco del filo metallico alla manovella non è fattibile, la rondella forata è troppo minuscola, per non parlare del forellino; tanto più che, dopo un primo tentativo di stampa in scala 1:1 ho deciso di ridurre della metà, perchè veniva una cosa troppo gigantesca: solo il tavolo è alto 12 cm…

Adesso ho deciso di semplificare il meccanismo, montando semplicemente la manovella sul piano di sfondo, evitando il trasferimento del moto a 90° realizzato dalla rondella bucata: è solo una complicazione inutile.

Altro probleama è stata la pialla: dettagli non stampabile in FDM, ma oggetto difficilmente rimodellabile a mano, ho dovuto tagliuzzarlo e rifarlo triangolo per triangolo. Però alla fine sono riuscito a stamparlo.

Altro piccolo problema l’avambraccio destro: nell’animazione non si vede, ma la mano non è in piano col polso, ma solllevata di mezzo millimetro, quindi non si stampa bene; e i singoli oggetti non sono facilmente modificabili a mano…. Ho fatto prima a ricrearlo da capo.

Anche la manovella era inutilmente complicata, con due rondelle sui due lati che dovrebbero avere lo scopo di stabilizzarla, ma che in realtà si rivelano inutili, vista la profondità della parete e il grosso diametro del perno. Eliminate.

A mano il meccanismo sembra funzionare, stasera provo a stampare e montare le 3 pareti che mi mancano (per ora ho stampato solo quella di destra).

Nel frattempo ho scoperto l’interessante programma “Roboanalyzer“. Essendo solo un dimostrativo, non permette di creare nuove meccanismi, ma solo di analizzare e modificare i dieci pre-esistenti, con varie sottovarianti, e non permette di combinarli tra loro, ma magari esiste qualche altra cosa free, chissà.

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Costruzione di presepe meccanico con automi stampati in 3d – puntata 1 – 14/12/2019

Posted in 3d, stampa 3d by jumpjack on 15 dicembre 2019

Meccanismi-chiave

Gli automati (automata o automaton in inglese/greco) necessitano di alcuni pezzi-chiave per funzionare.

1) La camma a chiocciola (snail cam):

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2) La croce di Malta (“Maltese cross” o “Geneva drive” in inglese), per fare movimenti frammentati invece che continui:

images?q=tbn:ANd9GcR3lMWaR-LfuYPnDTVji59

Animiertes_Prinzip_Malteserkreuzgetriebe

3) Il “Worm drive” (in italiano boh?), per rallentare enormemente il movimento:

330px-Worm_Gear.gif

Tutti questi meccanismi, opportunamente associati, vengono nascosti in una scatola sotto all’automa, e attivati o a manovella o con un motore:

giphy.gif

I risultati possono variare dal “simpatico” al “folle”…

8940112_orig.jpg

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In questo sito è possibile vedere i video di questi e molti altri automi!

https://www.wandasowry.com/


Esempi di automi

Le animazioni che seguono sono associate a file 3d in vari formati, tra cui anche Sketchup e STL, ma non sono progettati per essere direttamente stampati con stampante, tantomeno quelle a filo, ma pensati per visualizzazione a schermo, o tuttalpiù per realizzarli con sega e martello, quindi vanno prima un po’ ritoccati, sia per “sdraiare” sul piatto di stampa tutti i pezzi, sia per ridurre la plastica usata e i tempi di stampa. Fortunatamente sembrano però essere almeno “manifold”, cioè senza buchi o facce invertite.

File 3d già pronti

Prima prova

Per iniziare mi cimenterò col falegname che passa la pialla, che sembra uno dei più semplici (le ultime parole famose).