Photonics Challenger: läbipaistev 3D mahuline POV (PHABLABS): 8 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Mõni nädal tagasi sain viimase hetke kutse osaleda PhabLabs Hackathonil Hollandis teaduskeskuses Delft. Minusuguse entusiastliku harrastaja jaoks, kes tavaliselt võib kulutada nokitsemisele vaid piiratud aja, nägin seda suurepärase võimalusena planeerida pühendatud aeg, et muuta üks minu paljudest ideedest Hackathon: Photonics raames. tegelik projekt. Ja Delfti teaduskeskuse Makerspace'i suurepäraste võimalustega oli sellest kutsest keeldumine lihtsalt võimatu.

Üks idee, mis mul juba mõnda aega fotoonikaga seotud oli, oli see, et tahtsin teha midagi visiooni püsivusega (POV). Internetis on juba saadaval palju näiteid selle kohta, kuidas ehitada POV -põhiekraan, kasutades mõningaid põhikomponente: mikrokontrollerit, vana ventilaatorit/kõvaketast/mootorit ja ühte pöörleva seadme teljega risti ühendatud valgusdioodi. Suhteliselt lihtsa seadistusega saate juba luua muljetavaldava kahemõõtmelise pildi, nt:

Veel üks POV -näidikute variatsioon ühendab pöörleva seadme teljega paralleelselt LED -ide. Selle tulemuseks on kolmemõõtmeline silindriline POV-ekraan, nt:

Pöörleva seadme teljega paralleelse valgusdioodi ühendamise asemel võite ka LED -nööride kaare kaaristada. Selle tulemuseks on sfääriline (gloobus) POV-ekraan, nt: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Järgmine tase on ehitada mitu kihti LED-stringe, et luua mahuline 3D-ekraan. Siin on mõned näited sellistest mahulistest 3D POV -kuvaritest, mida kasutasin selle konkreetse projekti inspiratsiooniks:

• https://www.instructables.com/id/PropHelix-3D-POV-…
• https://github.com/mbjd/3DPOV
• https://hackaday.io/project/159306-volumetric-pov-…
• https://hackaday.com/2014/04/21/volumen-the-most-a…

Kuna ülaltoodud näidete tegijad andsid väga kasulikku teavet, oli nende projektide osade remiksimine palju mõttekas. Kuid kuna Hackathon peaks olema keeruline, otsustasin ma ehitada ka teist tüüpi mahulise 3D POV -ekraani. Mõned neist kasutasid rootoreid ja palju kuuma liimi, et komponendid ringi ei lendaks. Teised lõid oma projekti jaoks kohandatud trükkplaate. Pärast mõningate muude 3D POV -projektide läbivaatamist nägin ruumi mõnele „uuendusele” või esitasin endale väljakutseid:

• Kuna mul pole eelnevat kogemust kohandatud trükkplaatide loomisel ja Hackathoni ajapiirangu tõttu, otsustan järgida lihtsamat prototüüpilist lähenemist. Kuid selle asemel, et luua tegelikke rootoreid, olin uudishimulik, kuidas selline mahuline 3D POV -ekraan välja näeks, kui kasutatakse silindrit, mis on valmistatud akrüülplastist.
• Seadme vähem ohtlikuks muutmiseks ärge kasutage kuuma liimi või kasutage seda minimaalselt

Samm: kasutatud materjal ja tööriistad

Mootori kontrolleri jaoks

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Väike leivalaud
• 3144 Halli efekti lüliti andur
• Magnet läbimõõduga: 1 cm, kõrgus: 3 mm
• Lüliti - MTS -102
• 10K potentsiomeeter
• Dupont Jumper juhtmed
• 16 x M5 mutrid
• LCD ekraanimoodul sinise taustvalgustusega (HD44780 16 × 2 tähemärki)
• 10K takisti - tõmmatav takisti Halli efekti anduri jaoks
• 220Ohm takisti - LCD -ekraani kontrastsuse reguleerimiseks
• Keermestatud varda läbimõõt: 5 mm
• Vineer, paksus: 3 mm

Platvormi aluse jaoks

• Puidutükk (250 x 180 x 18 mm)
• Keskmine kaev - 12V 4,2A - Lülitustoide LRS -50-12
• Toitekaabel 220V
• DC -DC juhtmeta muundur - 5V 2A (saatja)
• Turnigy D2836/8 1100KV harjadeta väljundmootor
• Turnigy Plush 30amp kiiruse regulaator W/BEC
• Klemmliistud Pistikud
• 12 x M6 mutrit platvormi kinnitamiseks 6 mm läbimõõduga keermestatud vardade abil.
• 3 x M2 polti (pikkus 18 mm) poltidega adapteri kinnitamiseks harjadeta mootorile
• 4 x M3 mutrit ja polti harjadeta mootori kinnitamiseks puidujäätme külge
• Keermestatud varda läbimõõt: 6 mm (4 x pikkus 70 mm)
• Keermestatud varda läbimõõt: 4 mm (1 x pikkus 80 mm)
• Vineer, paksus: 3 mm

Pöörleva korpuse jaoks

• DC -DC juhtmeta muundur - 5V 2A (vastuvõtja)
• 3D -prinditud poldi adapter (PLA -hõõgniit, valge)
• Teismeline 3.6
• IC 74AHCT125 Quad Logic Level Converter/Shifter (3V kuni 5V)
• 10K takisti - tõmmatav takisti Halli efekti anduri jaoks
• 1000uF 16V kondensaator
• Keermestatud varda läbimõõt 4 mm
• Magnet läbimõõduga: 1 cm, kõrgus: 3 mm
• Vineer, paksus: 3 mm
• Vineer, paksus: 2 mm
• Akrüülplaat, paksus: 2 mm
• Terasvarda läbimõõt: 2 mm
• Mutrid ja poldid
• 0,5 meetri LED -riba APA102C 144 LED / meeter

Kasutatud tööriistad

• Merlini laserlõikur M1300 - vineer- ja akrüüllehe laserlõikamine
• Ultimaker 2+ adapterile poltide printimiseks 3D -vormingus
• Jootmisjaam ja joodis
• Lauapuur
• Kruvikeerajad
• Plyers
• Hammer
• Kalibreerimine
• Saag
• Võtmed
• Termokahanevad torud

Kasutatud tarkvara

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE ja Teensyduino (sisaldab Teensy Loaderit)

Samm: mootori juhtseade pöörlemiskiiruse reguleerimiseks

Mootori juhtseade saadab signaali Turnigy elektroonilisele kiiruse regulaatorile (ESC), mis kontrollib harjadeta mootori pöörete arvu.

Lisaks tahtsin ka kuvada POV -silindri tegelikke pöördeid minutis. Sellepärast olen otsustanud lisada mootori juhtseadmesse halliefekti anduri ja 16x2 LCD -ekraani.

Lisatud ZIP -failist (MotorControl_Board.zip) leiate kolm dxf -faili, mis võimaldavad teil mootori juhtseadme jaoks ühe alusplaadi ja kaks ülemist plaati lõigata. Palun kasutage vineeri paksusega 3 mm. Kaks ülemist plaati saab asetada üksteise peale, mis võimaldab 16x2 LCD -ekraani sisse keerata.

Ülemise plaadi kaks auku on mõeldud ühele sisse/välja lülituslülitile ja ühele potentsiomeetrile harjadeta mootori pöörlemiskiiruse reguleerimiseks (ma pole veel ise sisse/välja lülituslülitit juhtmega ühendanud). Mootori juhtseadme ehitamiseks peate saagima 5 mm läbimõõduga keermestatud varda 4 soovitud kõrgusega tükiks. Kasutades 8 M5 mutrit, saate esmalt aluse kinnitada. Seejärel kinnitasin väikese leivalaua alusplaadi külge, kasutades leivaplaadiga kaasas olnud kahepoolset liimikleebist. Lisatud skemaatiline skeem näitab, kuidas peaksite komponendid ühendama, et see töötaks selle sammuga ühendatud lähtekoodiga (MotorControl.ino). Olen kasutanud saali anduri jaoks 10K tõmbetakistit. 220 oomi takisti töötas piisavalt hästi, et tekst oleks LCD -ekraanil nähtav.

Veenduge, et isoleerite saaliefekti anduri kontaktid termokahanevate torude abil, nagu piltidel näidatud. Esikuanduri õige toimimine sõltub magnetist, mis asetatakse pöörlevasse korpusesse 3. etapis.

Kui juhtmestik on lõpule viidud, saate 2 ülemist plaati LCD -ekraani, lüliti ja potentsiomeetriga kinnitada, kasutades uuesti 8 M5 mutrit, nagu näidatud piltidel.

Sõltuvalt kasutatud mootori mudelist peate võib -olla kohandama failis MotorControl.ino järgmist koodirida:

gaasipedaal = kaart (keskminePotVäärtus, 0, 1020, 710, 900);

See koodirida (rida 176) kaardistab 10K potentsiomeetri asukoha ESC signaaliga. ESC aktsepteerib väärtusi vahemikus 700 kuni 2000. Ja kuna selle projekti jaoks kasutatud mootor hakkas pöörlema 823 ümber, piirasin mootori pöörete arvu, piirates maksimaalse väärtuse 900 -ni.

3. samm: traadita edastusvõimsuse platvormi loomine

Tänapäeval on pöörlevate seadmete toiteks põhimõtteliselt kaks võimalust: libisemisrõngad või jõu edastamine juhtmevabalt induktsioonmähiste kaudu. Kuna kõrgekvaliteedilised libisemisrõngad, mis suudavad toetada kõrgeid pöördeid, on tavaliselt väga kallid ja kulumisohtlikumad, valisin traadita ühenduse võimaluse, kasutades 5 V traadita alalisvoolu muundurit. Vastavalt spetsifikatsioonidele peaks sellise muunduri abil olema võimalik üle kanda kuni 2 amprit.

Traadita DC-DC muundur koosneb kahest komponendist, saatjast ja vastuvõtjast. Pidage meeles, et edastava induktsioonmähisega ühendatud trükkplaat on väiksem kui vastuvõtja.

Platvorm ise on valmistatud puidujäägist (250 x 180 x 18 mm).

Platvormil kruvisin keskmise kaevu 12V toiteallika. 12 V väljund on ühendatud ESC-ga (vt skeeme 1. etapis) ja traadita alalisvoolu muunduri edastava osa trükkplaadiga.

Lisatud Platform_Files.zip -st leiate dxf -failid platvormi lõikamiseks vineerist, mille paksus on 3 mm:

• Platform_001.dxf ja Platform_002.dxf: peate need üksteisele asetama. See loob edastava induktsioonmähise jaoks süvistatud ala.
• Magnet_Holder.dxf: lõigake see disain kolm korda. Üks kolmest korrast lisage ring. Ülejäänud kahes lõikuses: eemaldage ring lõikamisest. Pärast lõikamist liimige kolm tükki kokku, et luua magnetile hoidik (läbimõõt 10 mm, paksus: 3 mm). Magnetihoidiku magneti liimimiseks kasutasin superliimi. Veenduge, et liimite magnetile õige külje hoidiku külge, kuna saali andur töötab ainult magneti ühe küljega.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: See tükk aitab teil hoida mootori juhtseadme külge kinnitatud saali andurit paigas, nagu on näidatud esimesel pildil.
• Platform_Drill_Template.dxf: kasutasin seda tükki mallina puidujäätmete aukude puurimiseks. Neli suuremat 6 mm ava on platvormi toetamiseks 6 mm läbimõõduga keermestatud vardade jaoks. 4 väiksemat auku on harjadeta mootori kinnitamiseks puidujäätme külge. Suurimat auku keskel oli vaja telje jaoks, mis harjadeta mootorist välja jäi. Kuna mootori poldid ja platvormi keermestatud vardad tuleb platvormi põhjale kinnitada, on vaja neid auke mõne mm sügavusele suurendada, et mutrid sobiksid.

Kahjuks jäi harjadeta mootori võll selle projekti jaoks "valest" küljest välja. Kuid suutsin võlli tagurdada järgmise Youtube'ist leitud juhise abil:

Kui mootor ja tugivardad on kinnitatud, saab platvormi ehitada laserlõikega platvormitükkide abil. Platvormi saab kinnitada 8 M6 mutriga. Magnetihoidiku saab liimida piiril oleva platvormi külge, nagu on näidatud esimesel pildil.

Lisatud faili "Bolt-On Adapter.stl" saab printida 3D-printeriga. See adapter on vajalik 4 mm läbimõõduga keermestatud varda kinnitamiseks harjadeta mootorile, kasutades 3 x M2 polti pikkusega 18 mm.

Samm: pöörlev korpus

Lisatud Base_Case_Files.zip sisaldab dxf -faile 6 kihi laserlõikamiseks, et ehitada APA102C LED -riba juhtivate komponentide korpus.

Korpuse disaini kihid 1-3 on mõeldud liimimiseks. Kuid enne kolme kihi kokku liimimist veenduge, et kiht 2 ümmarguse väljalõike sisse pannakse magnet (läbimõõt 10 mm, kõrgus: 3 mm). Veenduge ka, et magnet on liimitud õige poolusega põhja külge, kuna 3. etapis ehitatud platvormile paigutatud halliefekti andur reageerib ainult magneti ühele küljele.

Korpuse konstruktsioon sisaldab sektsioone lisatud juhtmestiku skeemidel loetletud komponentidele. IC 74AHCT125 on vajalik Teensy 3,3 V signaali teisendamiseks APA102 LED -riba jaoks vajalikuks 5 V signaaliks. Kihte 4 ja 5 saab ka kokku liimida. Ülemise kihi 6 saab kuhjata teiste kihtide peale. Kõik kihid jäävad 3 mm läbimõõduga terasvarda abil õigesse asendisse. Harjaseta mootori külge kinnitatud pöörleva 4 mm keermestatud varda suuremat auku ümbritseb 2 mm terasvardade jaoks kolm väikest auku. Kui kõik komponendid on vastavalt skeemile joodetud, saab kogu korpuse asetada sammuga 3 prinditud kinnitusadapterile. Veenduge, et kõik avatud juhtmed on termokahanevate torude abil korralikult isoleeritud. Pidage meeles, et selle saali korrektne toimimine sõltub sammus 3 kirjeldatud magnethoidikusse paigutatud magnetist.

Lisatud kontseptsiooni koodi 3D_POV_POC.ino tõend helendab mõnda LED -i punaselt. Eskiisi tulemusel kuvatakse ruut, kui silinder hakkab pöörlema. Kuid enne pöörlemise algust lülitatakse ruudu simuleerimiseks vajalikud LED -id vaikimisi sisse. See on abiks, et kontrollida järgmises etapis valgusdioodide õiget toimimist.

Samm: pöörlev silinder LED -ribadega

Lisatud Rotor_Cylinder_Files.zip sisaldab dxf -faile 2 mm paksuse akrüüllehe lõikamiseks. Saadud 14 ketast on selle POV -projekti jaoks vaja läbipaistva silindri ehitamiseks. Kettad tuleb üksteise peale kuhjata. Silindriliste ketaste konstruktsioon võimaldab 12 led -riba jootma kokku ühe pika led -ribana. Alates esimesest kettast tuleb ketta külge kinnitada väike LED -riba, mis sisaldab 6 LED -i, kasutades LED -ribal olevaid kleebiseid. Jootke juhtmed esmalt LED -riba külge, enne kui liimitud kleebiste abil plaadi külge kinnitate. Vastasel juhul on teil oht, et jootepüstol sulatab akrüülketta.

Kui ketas nr 13 on kuhjatud läbipaistvale silindrile, saab nüüd 2 mm terasvarda, mida kasutatakse kõigi kihtide õiges asendis hoidmiseks, lõigata ka õige pikkusega, joondatud silindri ketta #13 ülaosaga. Seejärel saab ketast nr 14 kasutada 2 mm terasvarraste paigal hoidmiseks kahe M4 mutri abil.

Kuna kogu seadme ehitamiseks kuluv aeg ei ole mul õnnestunud häkatoni aja jooksul veel stabiilsemaid visuaalselt huvitavaid 3D -kuvasid programmeerida. See on ka põhjus, miks LED -ide juhtimiseks ette nähtud kood on kontseptsiooni tõestamiseks endiselt väga lihtne, näidates esialgu ainult punast ruutu 3.

6. samm: saadud õppetunnid

Teismeline 3.6

• Tellisin selle projekti jaoks Teensy 3.5, kuid tarnija saatis mulle kogemata Teensy 3.6. Kuna soovisin projekti häkatoni aja jooksul lõpule viia, otsustasin Teensy 3.6 -ga edasi minna. Põhjus, miks ma tahtsin Teensy 3.5 kasutada, oli sadamate tõttu, need on 5V taluvad. Teensy 3.6 puhul see nii ei ole. See on ka põhjus, miks ma pidin seadistusse sisse viima kahesuunalise loogikamuunduri. Teensy 3.5 puhul poleks seda nõutud.
• Toite sisselülitamise probleem: seadme sisselülitamisel on Teensy 3.6 toiteks juhtmevaba alalisvoolu laadimismooduli kaudu võimendus. Kahjuks on tõusmine liiga aeglane, et Teensy 3.6 õigesti käivitada. Lahendusena pean praegu Teensy 3.6 sisse lülitama mikro-USB-ühenduse kaudu ja seejärel ühendama 12V toiteallika, mis toidab traadita alalisvoolu saatjat. Kui traadita alalisvoolu vastuvõtja on samuti Teensy toiteallikaks saanud, võin USB-kaabli lahti ühendada. Inimesed on jaganud oma häkkimist MIC803-ga aeglase võimsuse suurendamise probleemi jaoks siin:

LCD -ekraani moodul

Ebaregulaarne käitumine välisvõimsusel. Ekraan töötab USB kaudu toites õigesti. Kuid kui ma LCD -ekraani toidan leivaplaadi kaudu, kasutades BEC -i tarnitud 5 V või sõltumatut toiteallikat, hakkab tekst mõne sekundi jooksul pärast teksti muutmist segamini minema. Pean veel uurima, mis selle probleemi põhjustab

Mehaaniline

Selleks, et testida oma mootori juhtseadet tegelike pöörete arvu mõõtmiseks, lasin mootoril keerutada, kui adapteril olev polt, polt ja aluskorpus on mootori külge kinnitatud. Ühe esialgse katse ajal keeravad mootorihoidikut mootoriga ühendavad kruvid vibratsiooni tõttu ise lahti. Õnneks märkasin seda probleemi õigeaegselt, nii et võimalikke katastroofe vältiti. Lahendasin selle probleemi, kruvides kruvid mootorile natuke tihedamalt ja kasutasin ka paar tilka Loctite'i, et kruvisid veelgi paremini kinnitada

Tarkvara

Kui ekspordite Fusion 360 visandid laserlõikuri dxf -failidena, eksporditakse toetavad jooned tavaliste joonena

7. samm: võimalikud parandused

Mida ma oleksin selle projektiga saadud kogemuste põhjal teisiti teinud:

• Kasutades LED -riba, mis sisaldab vähemalt 7 LED -i kuue LED -i asemel kihi kohta, saab teha mõnusaid tekstilisi visualiseeringuid
• Ostke teine harjadeta mootor, kus võll jääb juba mootori õigele (alumisele) küljele. (nt: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) See säästab teid võlli lõikamisest või võlli õigele küljele surumisest, nagu mina pidi nüüd tegema.
• Kulutage rohkem aega seadme tasakaalustamisele, et minimeerida vibratsiooni, kas mehaaniline või modelleerige see Fusion 360 -s.

Olen mõelnud ka võimalikele täiustustele, mida võiksin uurida, kui aeg seda võimaldab:

• Teensy SD -kaardi funktsionaalsuse tegelik kasutamine pikemate animatsioonide loomiseks
• Suurendage pildistamise tihedust väiksemate LED -ide abil (APA102 (C) 2020). Kui ma selle projektiga paar nädalat tagasi alustasin, ei olnud neid väikeseid LED -e (2x2 mm) sisaldavad LED -ribad turul kergesti kättesaadavad. Neid on võimalik osta eraldi SMD -komponentidena, kuid kaaluksin seda võimalust ainult siis, kui olete valmis neid komponente jootma kohandatud trükkplaadil.
• Edastage 3D -pilte juhtmevabalt seadmesse (Wifi või Bluetooth). See peaks võimaldama ka seadme programmeerimist heli/muusika visualiseerimiseks.
• Teisendage Blenderi animatsioonid failivormingusse, mida saab seadmega kasutada
• Asetage kõik LED -ribad alusplaadile ja suunake valgus akrüülkihtidele. Igale erinevale kihile saab graveerida väikesed alad, mis peegeldavad valgust, kui need LED -idelt ära jätta. Valgus peaks olema suunatud graveeritud aladele. See peaks olema võimalik, luues valgust suunava tunneli või kasutades valgusdioodidel läätsede abil läätsi.
• 3D -mahulise ekraani stabiilsuse parandamine ja pöörlemiskiiruse reguleerimine, eraldades pöörleva aluse harjadeta mootorist hammasrataste ja hammasrihma abil.

8. samm: hüüdke välja

Tahaksin erilist tänu avaldada järgmistele isikutele:

• Minu fantastiline naine ja tütred toetuse ja mõistmise eest.
• Teun Verkerk, selle eest, et ta kutsus mind Hackathonile
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri ja Aidan Wyber, teie toetuse, abi ja juhendamise eest kogu Hackatoni ajal
• Luuk Meints, kunstnik ja selle Hackatoni kaasosaline, kes oli nii lahke, et andis mulle isikliku 1 -tunnise Fusion 360 sissejuhatava kiirkursuse, mis võimaldas mul modelleerida kõiki selle projekti jaoks vajalikke osi.