Доброго времени суток! В этой статье я хочу рассказать о своем изобретении - «умном открывателе пластикового окна» или, если по-научному, то о «беспроводном электроприводе ПВХ окна».
Вы можете посмотреть видеообзор этого устройства, если вам лень читать эту статью:
Это уже вторая версия данного устройства. По первой версии есть очень подробное видео с обзором и инструкцией по сборке, которое также рекомендую к просмотру, если вы надумаете делать 2-ю версию:
I. Характеристики и преимущества
Штатный механизм закрытия и плотность закрытия.
Первая версия прижимала окно с усилием до 8 кг. Пообщавшись с профессиональными «оконщиками» мне объяснили, что даже усилия в 30 кг будет недостаточно, чтобы окно не «дуло» зимой.
Особенно это актуально со старыми окнами, когда резиновый уплотнитель уже стал жестким. Дело в том, что усилие должно приходить ни в одну точку, а распределяться равномерно по периметру окна. Поэтому не нужно изобретать велосипед, так как штатная запирающая фурнитура отлично с этим справляется.
Новая версия как раз ставится вместо штатной ручки и может поворачивать ее с усилием до 4 кг на рычаге 11 см, в зависимости от типа и количества двигателей, которые вы поставите. Кстати 11 см - это средняя длина (рычаг) стандартной рукоятки, так что можете измерить усилие с помощью ручных весов у себя дома.
Надо понимать, что с легкостью закрываются или новые или хорошо отрегулированные окна. Проблема может возникнуть со старыми или неотрегулированными окнами, где усилия в 4 кг может не хватить и придется усиливать червячную передачу. Хотя если у вас туго закрывается окно, то, в первую очередь, стоит заняться его смазкой и регулировкой, прежде чем повышать мощность привода.
Таблица с возможными комбинациями приводов представлена ниже:
Как видите, я уже провел краш-тесты и выявил максимально возможные усилия и слабые места, чтобы вы могли заранее проверить совместимость с вашим окном.
Я себе сделал версию с тремя двигателями с напряжением 6В, и настроил крутящий момент рукоятки около 3 кг на 11см. Для моего окошка этого достаточно.
Усиливать ось основного привода я не стал, так как в принципе не планирую колоть орехи, засовывая их между рамой и окном, в результате чего может быть вызвано максимальные усилие, разрушающее ось. В крайнем случае, распечатаю новую :)
В общем, использование штатного запирания дало сразу ряд мелких преимуществ, о которых расскажу ниже.
- Тягу основного привода теперь можно уменьшить, зато увеличится скорость закрытия. В моем случае окно приоткрывается/закрывается на 14 см за 45 сек.
- Прищемить палец даже ребенку теперь не получится. Ведь окно начнёт серьёзно сжиматься только после того, как зазор полностью прикроется.
- Сверлить створку для установки теперь не нужно, так как привод ставится за место рукоятки, на те же винты.
- Открыть окно злоумышленникам снаружи становиться сложнее, ведь теперь оно заперто штатной фурнитурой.
Компактный и аккуратный механизм.
В первой версии, многим показалась убогой, торчащая из рамы шпилька. Конечно, ее можно было сделать короче, но для кого-то даже 10-сантиметровая шпилька показалось опасной. Может быть действительно, стоя у окна и любуюсь видами, если неаккуратно чихнуть, то шпилька из леруа мерлен может сыграть роковую роль. Поэтому я прислушался к критике и сделал компактный рычажный механизм, как в классическом доводчике дверей или у привода Drivent.
Да, механизм стал сложнее, но увеличилась скорость открывания в 1,5 раза, по сравнению с первой версией, и эстетически привод стал выглядеть лучше.
Упрощенный монтаж.
Теперь монтаж данного устройства на окно можно сделать за 3 минуты.
1. Выкручивается штатная рукоятка, квадратный штырек при этом остается в окне и на ее место прикручивается корпус устройства, штырек входит в привод.
2. На саморезы к раме окна крепится ответная часть и регулируется по длине.
3. Защелкиваем крышку на корпусе привода, включаем устройство и подключаем к телефону.
Но ложка дегтя в том, что сборка самого устройства стала сложнее. Больше деталей и проводов, которые нужно предварительно сидя за столом распечатать, собрать и спаять соответственно. Лично у меня ушли на это целые выходные (2 дня).
Съемный аккумулятор.
Теперь у устройства есть аккуратный переносной аккумулятор, емкость которого вы выбираете сами. В аккумуляторный блок можно установить до 3 литий-ионных аккумуляторов формата 18650, благодаря чему устройство может работать от 2 до 3 месяцев без подзарядки.
Также, съемный аккумулятор можно использовать как повербанк (переносную зарядку) для телефона (в качестве бонуса).
Еще одной приятной новостью стало то, что потребление тока настолько мало, что одна солнечная панель, размерами 11х7 см, обеспечит непрерывную работу устройства!* (при условии попадания на нее солнечных лучей в среднем не менее 3 часов в день). Так что можно сделать привод полностью автономным с зарядкой от солнечного света.
Защита аккумулятора.
В первой версии есть один недостаток, а именно, отсутствует физическая защита аккумулятора от переразряда. Я реализовал его на программном уровне, но как показывает практика, если долго игнорировать предупреждение о разряженной батарее, она все же может разрядиться ниже 2.5 вольт, что крайне нежелательно для литий-ионных аккумуляторов.
В новой версии устанавливается контроллер заряда-разряда аккумуляторов, который устраняет этот недостаток.
Быстрый демонтаж.
Теперь для того, чтобы открыть окно нараспашку, даже не понадобиться брать в руку отвертку. Достаточно отвернуть барашек и снять рычаг (если, конечно, окно не заперто).
Регулировка силы/скорости закрытия.
В самый последний момент, я всё-таки решил гальванически разъединить силовое питание от логического. Цена вопроса - еще один DC-DC преобразователь (30 руб.), а в результате, при помощи мелкой отвёртки, можно менять напряжение, подаваемое на двигатели и таким образом добиться нужного крутящего момента/скорости вращения/громкости работы.
II. Программа и принцип работы
Программу я взял от первой версии, и особо ничего нового в нее не добавил. Процесс запирания я реализовал следующим образом:
от 10 до 100 процентов окно открывается/закрывается основным приводом;остальные от 0 до 10 процентов окно запирается/отпирается на рукоятку.На второй закладке в Blynk сделал режим тестирования, при помощи которой можно в режиме реального времени крутить моторчики и проверять работу концевых выключателей.
Только не забудьте предварительно выключить эко-режим на первой закладке (должна гореть кнопка only ON).
Так как у меня за управление окном отвечает домашняя метеостанция, то она будет стараться лишний раз не запирать окно на рукоятку, чтобы не насиловать штатный механизм и не тратить заряд батарей. Запирание будет происходить только по моей просьбе к Алисе «закрыть окно полностью», в те моменты, когда я ухожу из дома, либо если температура в комнате будет ниже положенной, по причине сквозняка из неплотно запертого окна.
Конечно, если вы владеете навыками программирования, то можете сделать свой алгоритм так, как вашей душе угодно.
Что касается принципа работы, то оба привода используют червячную передачу.
Я очень люблю данный вид передачи, так как они в компактном корпусе дают очень высокие передаточные числа, а главное, очень легко печатаются на 3д принтере!
Есть и другие плюсы данных редукторов, но об этом вам может рассказать гугл.
Еще я поменял концевые выключатели с кнопок на датчики холла. Очень советую их использовать в паре, так как просто меняя полярность магнита, вы можете определить положения механизмов. У меня в шестеренках проделаны пазы под магнит, которые можно отрегулировать под свои размеры и углы поворота окна и рукоятки.
На самом деле деталей получилось не так уж много - всего 30 штук, и по картинкам выше весь привод можно собрать без проблем.
Что касается электроники, то вот наглядная схема подключения:
Лично я спаял все на половинке макетной платы, а печатную плату разводить пока не стал.
Паять все это дело даже мне показалось скучным занятием, поэтому печатаная плата здесь будет очень актуальна, тем более у Wemos D1 mini не хватает стандартных пинов и приходится колхозить и паять провода напрямую к ESP8266-12 модулю.
Сколько стоит?
Теперь давайте традиционно поговорим о себестоимости механизма. Ниже представлена таблица со всеми материалами, необходимыми для изготовления:
N пп
Картинка
Наименование
Ед.изм.
Мин. кол-во
Макс. кол-во.
1
Электромотор с редуктором 6v-30n
шт.2
3
2
шт.
1
1
3
шт.1
3
4
шт.1
1
5
Подшипники 688zz (8mm х 16mm х 5mm)
шт.3
3
6
Подшипники 623zz (3mm х 10mm х 4mm)
шт.1
1
7
Болты М3х4 - 2 шт, М3х8 - 7 шт, М3х10 - 2 шт, М3х20 - 2 шт, М3х40 - 1 шт
шт.14
14
8
шт.4
4
9
Провода логические
м.
0,7
0,7
10
Провода питания
м.
0,3
0,3
11
шт.1
1
12
Макетная плата для пайки компонентов 5х7
шт.0,5
0,5
13
шт.8
8
14
шт.1
1
15
шт.2
2
16
Пружинки для батареек (аккумуляторов)
пар.
1
1
17
DC-DC преобразователь повышающий
шт.1
1
18
DC-DC STEP UP преобразователь до 3-24в
шт.0
1
19
Пластик для корпуса напечатанный на 3д принтере (только материал!)
гр.
171
171
Итоговая примерная стоимость комплекта:
1 097,90
1 541,65
В силу того, что версии исполнения данного устройства разные, то начальная цена материалов у меня получилась приблизительно от 1100 рублей, а максимальная комплектация обойдётся до 1540 рублей. Данные цены актуальны на 01.06.2020 при курсе доллара 68 руб.
Как обычно, я не считаю людские трудозатраты, так как на проектирование данного устройства и написание данной статьи у меня ушло около 150 часов. А вот моим читателям, с готовыми моделями и инструкцией, наверное, придется повозиться часов так 10 над этим проектом.
Ссылка на все материалы и модели, которые помогут вам в сборке и монтаже привода.
Статья получилась очень большая, но все равно раскрыть все нюансы не получилось. Например, вопросы о том, как связать blynk и Яндекс Алису или как автоматизировать открытие окна в зависимости от температуры и уровня углекислого газа и работы кондиционера (хотя на эту тему уже есть отличная статья).
Может быть когда-нибудь еще я найду в себе силы и время, чтобы оптимизировать и улучить данный привод и довести его до коммерческого выпуска, благо мыслей на этот счет очень много. Но все будет зависеть от активности моих читателей.
Ну а если будет много вопросов по сборке, то я выпущу еще одну подробную видео инструкцию.
Данной статьей я хотел показать, что даже сидя у себя дома, не имея приборостроительного или радиотехнического образования, вы уже можете конструировать подобные механизмы и делиться своими результатами с другими людьми. Поэтому при проектировании я старался использовать самые дешевые и распространённые материалы и большинство узлов сделал пластиковыми, чтобы любой желающий мог их распечатать у себя дома или на ближайшей 3D ферме. Надеюсь, данной статьей у меня получилось замотивировать кого-нибудь сделать что-то подобное и приобрести личный 3D притер. Удачи!
Тигран, ты мой герой!!! Аплодирую стоя!!!
этот проект достоин коммерческого воплощения, Тигран не бросай! это реально уникальное устройство. Пожалуйста запатентуй его для коммерческого использования.
Спасибо! Постараюсь не забросить т.к. в последнее время меня сильно кидает изобретать разные вещи) Касаемо патента, не переживайте я заранее позаботился об этом.
Как раз на днях сидел и думал что пора заняться автоматикой окон и тут на тебе)
Только можно ли увеличить радиус открытия?
Подозреваю что можно и на проветривание(откидывание створки) так делать
Радиус открытия, а точнее ширина раскрытия приблизительно равна половине длины рычага. Так что сделайте рычаг подлиннее при необходимости, но учитывайте, что и усилие открытия/закрытия в этом случаи пропорционально уменьшается.
Можно и на створке проветривания поставить, но ось советую усилить по схеме выше т.к. вес окна будет больше.
По идее можно заставить движок крутиться в другую сторону (или еще на 90 градусов в том же направлении, в зависимости от фурнитуры) и вместо "поворотного" режима открытия окна получить "откидной" режим.
Показать твоё изобретение представителю завода оконных профилей и фурнитуры?
Конечно можно, я же не скрываю данный механизм
Спасибо за статью, отличная! 2 вопроса:
- каким пластиком печатали
- в какой программе проектировали детали. Хочу повторить проект и буду очень признателен, если пришлете исходники моделей, а не stl (можно в личку)
- Пластик PLA
- Касаемо программы писать не буду, но обещаю скинуть исходники всем желающим в личку, через 2 недели.
Скиньте, пожалуйста, на почту cpsskipper@gmail.com
Уточните, какие моторы Вы использовали. В подписи 30n, по ссылке n20
N20
А если печатать из PLA как у вас, не развалится через год ? И можно ли реализовать поддержку MQTT?
У меня первый открывать окна из PLA проработал больше 2-ух лет. Контроллер для умной теплицы из PLA - 4 года, но правда его немного повело от воды... так что PLA к удивлению не разлагается как обещают экологи.... но у меня просто небыло другого пластика, так что по экспериментируйте) единственное аккуратней с крышкой! ее если поведёт хоть на 1 мм она уже не влезет с щелчком.
Мне кажется оптимум будет все таки корпус из ABS (с поправкой на усадку) или PETG, а шестеренки из нейлона. (тоже с поправкой). Это вроде как по канону :)
PS мои запчасти уже в пути. :) А что с MQTT? универсальности бы добавить :) не удивлюсь что начнется "движуха" как у гайвера с лампой :)
Думаю, имя знакомое :)) Оказывается я свой 730 по твоему мануалу на литий переводил :)) Спасибо, до сих пор летает :)))
MQTT конечно можно) но мне кажется, что кто то из читателей дополнит код самостоятельно, благо код открытый)
Мой робот пылесос D730 то же бегает) хочу в него встроить веб камеру и сделать его управляемым по wi fi )
Тигран, можешь скинуть исходники моделей ? Почему то оси болтаются в подшипнике, хочу увеличить (если масштабом они не сойдутся с другими деталями), все остальное вроде хорошо, часть еще печатаю.
почта exotsk(at)gmail.com
а в откидной варианте мотор как я понимаю не работает? для открытия в откидной нужно крутить ручку на 180 градусов. Это реализуемо?
Конкретно в данной версии нет, а вообще теоретически конечно можно.
устройство очень нужное, аналогов нет! я бы купил сразу же
Очень здорово! 👏 Если можно купить — закажу несколько! Отправил запрос на телеграм.
Пару месяцев назад увидел эту конструкцию, очень понравилось!
Сегодня специально нашел этот механизм, хочу повторить, или точнее хочу сделать свой вариант, чуть компактнее и может быть без электроники, чтобы дочь могла открывать окно на проветривание просто нажав кнопку. Жена не хочет чтобы окно открывалось полностью, поэтому эта штука будет эдаким предохранителем, окно будет либо закрыто, либо на проветривании.
Почему вы не делаете это устройство на заказ? Почему нельзя купить готовое изделие?
На это нужно свободное время или деньги, на сегодняшний день нет не первого не второго). А главное это не конечное устройство на продажу, а пока прототип. Пока Вам остается надеться, что кто-то другой подхватит идею и реализует ее.