Программист
0,2
рейтинг
19 сентября 2015 в 22:22

Электронный анализатор восьмерки и овала велосипедного колеса

Если вы много катаетесь на велосипеде, то иногда вам приходится и чинить их. Одна из неисправностей, с которой приходится сталкиваться это восьмерка колеса, или овал.


КПДВ — первые результаты измерения овальности колеса
Я долго не мог решить проблему со своим колесом, поэтому пришлось собрать электронную систему измерения.

Для начала немного объяснений, что же такое восьмерка и овал колеса?
Восьмерка — отклонение обода колеса в сторону, в результате чего при езде колесо как бы виляет:



Овал (или яйцо) — когда обод находится не на равном расстоянии от оси колеса, в результате чего колесо подпрыгивает:



И горб и яма приводят к овалу колеса.

В простом случае не трудно с помощью ключа для спиц и зоркого глаза подправить колесико. Но у меня был случай сложнее — влетев в препятствие на дороге сильно погнул обод и выправить вручную, без дополнительной помощи не получалось, поэтому и пришла идея собрать некий прибор, который сможет измерить отклонения от нормы.

Первая проблема, возникшая передо мной — был выбор чувствительного элемента. То есть, как превратить неровность колеса в цифровой сигнал, соответствующий отклонению? Многие из доступных вариантов были отброшены: звуковой детектор расстояния чувствителен к рельефу поверхности, а измерять нужно по узкой кромке обода, детектор расстояния на ик-диоде и ик-приемнике по этим же причинам вызывал у меня опасения (но есть вероятность, что можно было использовать и их).

Немного подумав, я вспомнил принцип действия сканирующего микроскопа — щуп движется по поверхности образца и по отклонению щупа и измеряется рельеф. Идея мне понравилось, и быстро была собрана простейшая схема:


На схеме: обод колеса в держателе колеса (если нет держателя, можно просто оставить обод в велосипеде), шаговый двигатель в тисках, прикрученных к табуретке, кнопка, приклеенная на ось шагового двигателя, контроллер шагового двигателя на чипе LN2003, ардуино, управляющая всей этой схемой и передающая данные на компьютер

Алгоритм измерения простейший: шаговый двигатель начинает приближать кнопку к ободу, как только кнопка нажимается, шаговик возвращается в начальное положение, количество шагов передается на компьютер, это действие повторяется для каждой спицы. Точность оказалась вполне достаточная — 10 или больше шагов на 1мм, то есть принципиально можно настроить колесо с точностью до 0.1мм. Присланные ардуино данные простая программка превращает в понятный график, где видно, какие спицы куда крутить, для исправления проблем.

После полной настройки своего колеса, картинка заметно улучшилась:


Проблема пропала — колесо перестало бить при езде. Но совсем яму справить не удалось, на ободе осталась существенная вмятина после аварии, она и видна на графике выше:



Реальное отклонение обода в точке вмятины меньше миллиметра.

Исходники клиента
Исходники ардуино
Ростислав @uterr
карма
30,0
рейтинг 0,2
Программист
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (71)

  • +8
    Эпично. Готовый прототип коммерческого решения для мастерских.
    • +4
      Коммерческие решения есть.
    • +6
      В мастерских проще делают: колесо ставится в установку, винтиком подкручивается планка, которая располагается у края обода, и дальше просто на глаз регулируется. Им же важно не идеально сделать, а просто достаточно хорошо, но быстро.
      • +1
        Идеально и не нужно.
      • +1
        Да тут по ободу пункт приёма металлолома плачет, какое там идеально, я вас умоляю.

        Даже судя по приведённому скриншоту — коли шаг 0,1 мм и разброс значений от 44 до 60, стало быть, итоговая точность 1,6 мм. Мне в сокольниках мастер при мне «на глаз» колёса собирал — я вообще отклонений от идеальности «на глаз» не обнаружил. Меньше полумиллиметра точно, а быть может, что и меньше 0,1 мм. Давно это было, точнее сказать не могу. А потом я ещё вручную «с бумажкой» колёса правил — точность получилась, конечно, похуже, но тоже меньше миллиметра.

        В общем, в приведённом случае точность — это явно не то, чем следует восхищаться. Хотя, конечно, принципиально точность автоматической сборки колеса ограничена разве что точностью изготовления самого обода.
    • +2
      Для мастерских нужен еще цифровой тензометр. При сборке колеса ведь задача не просто получить ровный обод, но и по возможности равномерное натяжение спиц.
      Сейчас обычно измеряют натяжение вручную и вручную же вбивают данные, если нужны наглядные диаграммы.
      • 0
        А цифровой зачем? Везде видел исключительно аналог, и у самого такой.
        • 0
          цифровой — в смысле подключаемый к компу. чтобы не вбивать вручную данные, если захочется диаграмму нарисовать.
          вот такую
          image


          я и сам таких пока не видел (разве что от dt swiss за дурные деньги, и то неизвестно, существует ли он). но очень хочу.

          если удастся полностью автоматизировать измерения, машинная сборка колес выйдет на новый уровень (:
          • 0
            ухты какой график, с точностью до десятки =) это вы для настройки строили?
      • 0
        А метод «на звук» уже устарел?
        Мне очень помогает временами =)
  • +1
    Колесо вращали вручную? Сколько занял весь процесс измерения?
    • +1
      да, колесо крутить вручную, один раз обмерять колесо меньше минуты, потом по графику на компьютере настройка спиц ключом… повторяем замеры, и так пока результат не понравится
      • +1
        Круто. Автопрокруту добавить, да прогу допилить (from1 доставила :-) ) — и в продажу, как сказал Meklon
  • +5
    Дочитав до «щупа» сразу подумал о переменном резисторе и подпружиненной пластинке. А тут вон как хитро.

    Кстати, с овалом понятно. А с восьмеркой?
    • +3
      просто табуреточка ставится не в торец колеса, а сбоку — тогда и измерения идут бокового отклонения
      • 0
        Да, что-то я об этом не подумал.
  • +1
    Долго пытался вспомнить, каким аналоговым прибором задача решалась. Вспомнил все-таки. Индикатор часового типа называется. www.chelzavod.ru/index.php?id=13&name=Content
    • 0
      кстати датчиком прямого измерения круто было бы мерять =) но у меня таких нету… это нужен или индукционный датчик, или такой вот индикатор с электроникой, или опять же щуп с резистором, или щуп с зеркалом и лазером на него светящим
      • 0
        … и стоят эти датчики линейного положения совершенно негуманно. Механический ИЧ вполне можно купить, а вот что-то электронное — грусть и печаль.
      • 0
        > или щуп с зеркалом и лазером на него светящим

        Вот, так же точно атомно-силовой микроскоп работает. По идее не так сложно его повторить «из спичек и желудей». Зато потом сможете хвастаться, что правите колёса атомно-силовым микроскопом.
  • +1
    Как насчет лазерного дальномера на базе web-камеры?
    • +1
      Может точности не хватить.
      • +2
        Если сделать базу (расстояние между лазером и камерой) сделать побольше — 20 см например, и поставить на камеру достаточно длиннофокусный объектив (у большинства камер стандартное крепление), то на близких дистанциях можно получить точность в доли мм.
  • +2
    Пока грузилась страница успел подумать и про датчик холла и про лазер, а тут все на шаговом двигателе откуда то из старого принтера. Все гениальное просто.
  • +1
    Подобная методика используется в автосервисах шиномонтажа при установке балансировочных грузов на колесо.
    • +1
      В автомонтаже же не восьмёрки исправляют, а балансируют. Они просто раскручивают колесо и замеряют вибрацию.
      • 0
        Не только. Есть комплексы которые и кривые диски замеряют/исправляют и «горбы» покрышки замеряют.
        Но вот врятли на них с велосипедными получится.
  • +1
    А почему бы не использовать просто датчик изгиба?
    • 0
      я совсем не против, просто у меня нет датчика изгиба! Х) но идея совсем неплоха, я бы даже попробовал модифицировать систему… подскажете, какой датчик изгиба стоит попробовать? я видел несколько в хобби-магазинах, но знаю про них маловато

      с датчиком изгиба и измерять можно было бы не квантованно, а постоянно
      • +1
        Да в магазинах по продаже всякой электроники для ардуинки их много. Хотя они не особо дешёвые.
        Можно и самому собрать из светодиодов, фоторезисторов и прямых рук.
        • 0
          на самом деле, со второго взгляда, оказывается, что датчик изгиба использовать тут сложнее: перемещение маленькое, 1-2 мм, что будет приводить к малому изменению сопротивления, что будет трудно измерить, и в любом случае нужен усилитель, что для людей от электроники далеких (я %) уже вызовет некоторую проблему…

          но датчик прямого измерения все равно было бы очень круто тут применить
  • +11
    «Овал» и «восьмёрка» по-научному называются радиальное и торцевое биение соответственно.
    • +3
      А мы люди простые, у нас это называется «овал» и «восьмерка». Все же поняли!
      • +3
        Овал чаще яйцом называют обычно. У нас по-крайней мере.
  • +1
    Схема показывает сколько и где крутить. Но после того, как покрутили одну спицу схема уже не актуальна — состояние на колесе изменилось. Процесс надо повторять снова и снова после каждой регулировки. Схема показывает, где крутить, но сделать это надо одновременно для всех спиц. А как учесть, что отдельные спицы могут быть перетянуты или не дотянуты? Если выпирает с одной стороны — это еще не говорит, что там надо тянуть, возможно надо отпускать с другой стороны.
    • 0
      так и есть, нюансов масса. идеальный вариант — промерять один раз радиальное и боковое смещение, натяжение спиц и получить диаграмму, какую спицу на сколько оборотов закрутить :)
      • 0
        Если обод ушатан, то равное количество оборотов будет давать неравное натяжение. Плюс, спицы с разных сторон имеют разную длину, на разных втулках длина тоже разная. Без тензометра не обойтись.

        А касаемо диаграммы — по-дедовски пользуюсь подводимым к ободу мелком — с некоторой сноровкой выявить восьмерку и яйцо вполне хватает.
  • 0
    Вместо выключателя и мотора — можно подпружиненный рычаг с магнитом на конце, и аналоговый датчик Холла (так, чтобы при одном положении рычага линии магнитного поля были перпендикулярны датчику, а прои другом — параллельны). Тогда можно снять параметры колеса просто за 1-2 оборота, с не меньшей точностью.
    Вот здесь например описано, как такой датчик для джойстика использовать.
  • 0
    Восьмерку и все биения на колесе правят с надетой покрышкой и накаченной камерой ващет. Не знаю как там на автомобиле, но на велосипеде так.
  • +1
    В качестве датчика расстояния неплохо подойдет цифровой штангенциркуль. Стоят они недорого, разрешающая способность высокая. Вот например
  • 0
    Девайс, конечно, зачотный, но только как задача для практикума по электронике. Со всех остальных точек зрения одни минусы:

    — Вручную 36 раз вращать и ждать, пока шаговик повернётся? А потом ещё несколько раз после актов спицеверчения? А потом то же самое с восьмёркой? Это не автоматизация, это издевательство. Вы бы вручную это в разы быстрее сделали, просто поставив вместо вашего девайса обычную пластиковую карту. Вот ежели бы оно автоматически колесо вращало и автоматически спицы крутило — тогда да.

    — Точность шаговика 0,1 мм, а точность выключателя и вообще всей конструкции? Коли померять, сделать оборот и снова померять, насколько будет различаться?

    — И самое главное, быть может. Не стал бы я ездить на этом колесе. Разве что по парку в сугубо прогулочном темпе. Алюминий вообще любит накапливать усталость, а уж после удара не ровён час и вовсе развалится. А вы ещё деформацию спицами «скомпенсировали» — к гадалке не ходи, некоторые спицы у вас перетянуты, на любой кочке могут лопнуть. Получилась эдакая мина замедленного действия «два в одном». Как говорится, не пытайтесь повторить это дома!
    • 0
      Я настраивал восьмерку и овал вручную, я совсем не механик и велик настраиваю редко, и это было просто жутко кошмарно, после нескольких часов настройки колесо жутко било, пришлось отдать мастеру, он настроил =) поэтому эта штуковина это подспорье для новичка, такого как я — она позволила настроить другое колесо, вот это, с ударом, сам бы я, с пластиковой картой такого не добился. Поэтому нет, это не издевательство, здорово помогает, если вы не мастер настройщик — вообще, настраивать восьмерки и овалы обычному велолюбителю приходится скорее редко, можно и потерпеть

      На 1мм приходится 10+ шагов шаговика, если сделать оборот колеса и снова померять в том же месте то будет +-1 шаг

      На таком колесе ездить можно достаточно спокойно, колесо от усталости умирает медленно — начинают лопаться спицы одна за одной, расходится спайка обода, начинают вырываться нипели, возможно бывают случаи и «взрывного» разрушения, но у меня уже несколько колес умерло — медленно и печально, можно прям наблюдать за тем как это происходит постепенно
      • 0
        У вас так било не потому, что вы плохо замеряли, а потому, что спицы крутили не совсем правильно. Если есть восьмёрка, то иногда нужно половину спиц покрутить, а не одну-две, а то легко получить яйцо. А потом будете яйцо исправлять — получите восьмёрку :) Установка из статьи вам бы тут никак не помогла, она же не говорит, что и куда крутить, а только показывает фактическую кривизну.
        • 0
          ну вот как раз с помощью этой штуки я и увидел, сколько и каких спиц нужно крутить, а вручную подкручвал вслепую, только ориентируясь по тому как обод шатает относительно чего-нибудь :) опять же, простые легкие случаи даже мне удавалось несложно подправить без измерений… а тут появилась большая яма, и чтобы ее исправить нужно было закрутить все остальные спицы, я понимаю что это устройство не панацея, но как так может быть, чтоб без него новичку было проще? боюсь никак :)
  • +2
    На самом деле, принцип вашего устройства больше похож не на сканирующий микроскоп, а на координатные измерительные машины (CMM) с датчиком касания (touch-trigger). Они действуют тем же способом: измерительную головку двигают шаговые моторы, так что координаты всегда известны, а в момент касания в датчике просто размыкается один из контактов и координаты передаются компьютеру. Но, датчики там довольно дорогие, потому что могут обеспечить точность в 1 мкм.

    Выглядит это как-то так
    image
  • +1
    Можно попробовать поставить датчик положения коленчатого вала от ВАЗа, в идеале получим бесконтактный способ съема кривизны.
    • 0
      Он работает на магнитный диск, а обода (обычно) алюминиевые.
      Плюс к тому, расстояние срабатывания зависит до какого-то момента от объёма магнитной массы.
  • 0
    А если вращать колесо шаговым двигателем, а снимать искажения камерой по картинке обода подсвеченного полосой лазера??
    Точнее, быстрее.
    • 0
      Сложнее — дороже.
    • 0
      А где лазер брать?
      • 0
        Из DVD-RW привода же, красный там отменный, до 0,5 Вт мощности выжать можно.
        • 0
          А сможет ли его камера регистрировать? И на каком расстоянии он сможет давать сфокусированный луч?
          • 0
            Камера сможет регистрировать с километра, я получал точку диаметром 30 см на здании в 200-300 метрах, точно не скажу, давно было. На расстоянии до 10 метров точку можно сфокусировать до 2 мм мне кажется.
            • 0
              В том-то и проблема с лазером, что для исправления геометрии колеса, размер точки должен быть меньше миллиметра. В противном случае, у механических способов точность получается выше.
              • 0
                Я уже давно предложил бесконтактный метод на основе датчика положения коленвала от ВАЗа. Дешево и точность в связке с микроконтроллером довольно высокая получается.
                • 0
                  а можете скинуть ссылочку на датчик? интересны любые подходящие для измерения методы
                  ну, ссылочку не на покупку, а где обьясняется как оно работает… а вообще супер было бы с рабочими характеристиками
                  а то я попробовал погуглить, но сразу не нашел, точнее нашел датчики коленвалов, но это было что-то не то
                  • 0
                    http://refereed.ru/ref_5d94f912c76d66c246b3083c4c1faedc.html
                    или гуглить по фразе: Магнитоэлектрические датчики углового положения коленчатого вала.
                    • 0
                      а как это применить для измерения линейного отклонения?
                      • 0
                        Вращать колесо и снимать уровень сигнала. Есть кривизна — получаем изменение уровня (причем скорость нарастания сигнала напрямую зависит от размера неровности), нет кривизны — получаем ровные показания. Если вращать колесо с известной скоростью — то можно рассчитать много параметров. А известной скорость можно сделать по метке или с помощью энкодера. Простейшая метка — магнит + геркон. Чуть посложнее — из ИК светодиода и фотоприемника (тогда вообще скорость можно вычислить из количества посчитанных спиц в колесе). Простейший энкодер можно сделать из любого шагового двигателя (например от старого принтера). Просто исходите из тех деталей, которые вам проще или дешевле найти.
                        • 0
                          тут есть сложности — нужно вращать колесо с точной скоростью, нужно делать усилитель сигнала безконтактного датчика

                          и самое главное — я не уверен, что алюминиевый обод будет работать как магнитопровод
                          • 0
                            Можно не вращать колесо с нужной скоростью — а знать точную скорость вращения, что намного проще (как уже писал — в простейшем случае магнит + геркон). Усилитель сигнала делается на 1 ОУ общего назначения, в конструкции просто добавится еще один 8 выводный корпус.
                            Насчет алюминия — нужно пробовать, мне кажется будет. Проще всего проверить — взять катушку любую, подключить к осциллографу и пронести над ее сердечником алюминиевую плашку, сразу будет видно. И вы уверены, что там алюминий? Может другой какой то похожий металл?
      • 0
        Самый простой вариант из указки.
        Самый «сложный» — заказать на алиэкспрессе задний стоп сигнал на велик с лазерными «светиками» в виде полосок. Например
        • 0
          Я пробовал и лазерную указку и строительный уровень… Они дают пятно такого размера, что что-то по нему отрегулировать совершенно невозможно. А в в случае хромированных ободов — вообще ничего не разобрать.
          • 0
            Хм, мне казалось видно линию хорошо везде.
            • 0
              Видно ее замечательно. Плохо то, что резкого края она не имеет. Край расплывается и, в результате, не разобрать каково расстояние от края пятна до края обода.
              Когда надо оценить отклонение строительных конструкций — лазерный уровень вполне себе помощник, но когда нужно поймать отклонение <2мм, выясняется что точности такого лазера недостаточно.
        • 0
          И такой задний фонарь я тоже разглядывал на днях, кстати. Толщина луча там для подобных измерений не годится.
  • 0
    Я в качестве чувствительного элемента использую карандаш, лежащий на табуретке: неровностями обода он сдвигается и сразу видна величина максимального отклонения:)
  • +3
    image

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.