Photonics Challenger: Transparent 3D Volumetric POV (PHABLABS): 8 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:19

Disa javë më parë mora një ftesë të minutës së fundit për të marrë pjesë në një Hackathon PhabLabs në Science Center Delft në Hollandë. Për një hobi entuziast si unë, i cili normalisht mund të kalojë vetëm një kohë të kufizuar në lëmshin, e pashë këtë si një mundësi të shkëlqyeshme për të caktuar një kohë të përkushtuar për të kthyer një nga idetë e mia të shumta, brenda fushës së Hackathon: Photonics, në një projekt aktual. Dhe me lehtësitë e mëdha në Makerspace në Science Center Delft ishte thjesht e pamundur të refuzohej kjo ftesë.

Një nga idetë që kisha tashmë për një kohë të lidhur me fotonikën ishte se doja të bëja diçka me Persistence of Vision (POV). Ka tashmë mijëra shembuj të disponueshëm në internet se si të ndërtoni një ekran bazë POV duke përdorur disa përbërës bazë: mikrokontrollues, ventilator/hard disk/motor të vjetër dhe një varg led të lidhur pingul me boshtin e pajisjes rrotulluese. Me një konfigurim relativisht të thjeshtë ju tashmë mund të krijoni një imazh mbresëlënës 2 -dimensional, p.sh.:

Një tjetër variant i ekraneve POV lidh një varg leds paralel me boshtin e pajisjes rrotulluese. Kjo do të rezultojë në një ekran cilindrik 3-dimensionale POV, p.sh.:

Në vend që të lidhni vargun e leds paralel me boshtin e pajisjes rrotulluese ju gjithashtu mund të harkoni vargun e leds. Kjo do të rezultojë në një ekran POV sferike (globale), p.sh.: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Niveli tjetër është ndërtimi i disa shtresave të telave led për të krijuar një ekran volumetrik 3D Me Këtu janë disa shembuj të shfaqjeve të tilla volumetrike 3D POV të cilat i kam përdorur si frymëzim për këtë projekt specifik:

• 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…

Meqenëse krijuesit e shembujve të mësipërm dhanë informacion shumë të dobishëm, kishte shumë kuptim të rimiksim pjesë të projekteve të tyre. Por, pasi një Hackathon supozohet të jetë sfidues, unë gjithashtu vendosa të ndërtoj një lloj tjetër të ekranit volumetrik 3D POV. Disa prej tyre po përdornin rotorë dhe shumë zam të nxehtë për të mos lejuar që përbërësit të fluturojnë përreth. Të tjerët krijuan PCB të personalizuar për projektin e tyre. Pasi rishikova disa nga projektet e tjera 3D POV pashë vend për disa "risi" ose prezantova disa sfida për veten time:

• Pa përvojë paraprake në krijimin e PCB -ve të personalizuara dhe për shkak të kufizimit kohor të Hackathon, unë zgjedh të ndjek një qasje më themelore të prototipit. Por në vend që të krijoja rotorë aktualë, isha kurioz se si do të dukej një ekran i tillë volumetrik 3D POV kur përdorni një cilindër të ndërtuar nga shtresa plastike akrilike.
• Asnjë përdorim ose përdorim minimal i zamit të nxehtë për ta bërë pajisjen më pak të rrezikshme

Hapi 1: Materiali dhe mjetet e përdorura

Për kontrolluesin e motorit

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Breadboard i vogël
• Sensori i kalimit të efektit Hall 3144
• Magnet me Diametër: 1cm, Lartësia: 3mm
• Ndërro çelësin - MTS -102
• Potenciometër 10K
• Telat e Dupont Jumper
• 16 x M5 Arra
• Moduli i ekranit LCD me dritë të kaltër blu (HD44780 16 × 2 Karaktere)
• Rezistenca 10K - Tërhiqeni Rezistencën për Sensorin e Efektit Hall
• Rezistencë 220Ohm - Për kontrollimin e kontrastit të ekranit LCD
• Diametri i shufrës së filetuar: 5 mm
• Kompensatë, Trashësia: 3mm

Për Bazën e Platformës

• Copë druri skrap (250 x 180 x 18 mm)
• Pusi mesatar - 12V 4.2A - Furnizimi me energji elektrike ndërruese LRS -50-12
• Kabllo e rrymës 220V
• Konvertues pa tel DC -DC - 5V 2A (Transmetues)
• Motor Turnigy D2836/8 1100KV Brushless Outrunner Motor
• Kontrollues shpejtësie Turnigy Plush 30amp W/BEC
• Lidhëset e blloqeve të terminalit
• 12 x M6 Arra për të siguruar platformën duke përdorur shufrat e filetuara me një diametër 6mm.
• 3 bulona M2 (gjatësi 18 mm) për fiksimin e përshtatësit të bulonave në motorin pa furça
• 4 arra dhe bulona M3 për fiksimin e motorit pa furça në copën e drurit të mbeturinave
• Diametri i shufrës së filetuar: 6mm (4 x gjatësi 70 mm)
• Diametri i shufrës së filetuar: 4mm (1 x gjatësi 80 mm)
• Kompensatë, Trashësia: 3mm

Për shtresën rrotulluese

• Konvertues pa tel DC -DC - 5V 2A (Marrës)
• Bolt i printuar në 3D në përshtatës (fije PLA, e bardhë)
• Adoleshentët 3.6
• IC 74AHCT125 Konvertuesi/Zhvendësi i Nivelit Logjik Quad (3V në 5V)
• Rezistenca 10K - Tërhiqeni Rezistencën për Sensorin e Efektit Hall
• Kondensator 1000uF 16V
• Diametri i shufrës së filetuar 4 mm
• Magnet me Diametër: 1cm, Lartësia: 3mm
• Kompensatë, Trashësia: 3mm
• Kompensatë, Trashësia: 2mm
• Fletë akrilike, trashësi: 2mm
• Diametri i shufrës së çelikut: 2 mm
• Arra dhe bulona
• 0.5 metra ledstrip APA102C 144 leds / metër

Mjetet e Përdorura

• Merlin Laser Cutter M1300 - Kompensatë Laser Prerëse dhe Fletë Akrilike
• Ultimaker 2+ për 3D Printim Bolt On Adapter
• Stacioni i saldimit dhe saldimi
• Stërvitje tavoline
• Kaçavida
• Pllajerë
• Çekiç
• Kalibër
• Sharrë hekuri
• Çelësa
• Tub i tkurrjes së nxehtësisë

Softueri i përdorur

• Fuzioni 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE dhe Teensyduino (që përmbajnë Teensy Loader)

Hapi 2: Njësia e Kontrolluesit të Motorit për të Rregulluar Shpejtësinë e Rrotullimit

Njësia e Kontrollorit Motor dërgon një sinjal te Kontrolluesi Elektronik i Shpejtësisë Turnigy (ESC) i cili do të kontrollojë numrin e rrotullimeve të siguruara nga motori pa furça.

Përveç kësaj, unë gjithashtu doja të isha në gjendje të shfaqja rrotullimet aktuale në minutë të cilindrit POV. Kjo është arsyeja pse unë kam vendosur të përfshij një sensor të efektit të sallës dhe një ekran LCD 16x2 në Njësinë e Kontrolluesit të Motorit.

Në skedarin zip të bashkangjitur (MotorControl_Board.zip) do të gjeni tre skedarë dxf të cilët do t'ju mundësojnë të shkurtoni me lazer një pllakë bazë dhe dy pllaka të larta për njësinë e kontrolluesit të motorit. Ju lutemi përdorni kompensatë me trashësi 3mm. Dy pllakat e sipërme mund të vendosen njëra mbi tjetrën, gjë që do t'ju lejojë të vidhosni ekranin LCD 16x2.

Dy vrimat në pllakën e sipërme janë të destinuara për një ndërprerës të ndezjes/fikjes dhe një potenciometër për të kontrolluar shpejtësinë e motorit pa furça (ende nuk e kam lidhur vetë çelësin e ndezjes/fikjes). Për të ndërtuar Njësinë e Kontrollit të Motorit ju duhet të shihni shufrën e filetuar me një diametër prej 5mm në 4 pjesë të lartësisë së dëshiruar. Duke përdorur arrat 8 M5, së pari mund të fiksoni bazën. Pastaj e bashkova tabelën e vogël të bukës në pllakën bazë duke përdorur afishe ngjitëse me dy anë që ishte e pajisur me dërrasën e bukës. Skema e bashkangjitur tregon se si duhet të lidhni komponentët në mënyrë që të funksionojë me kodin burimor (MotorControl.ino) të bashkangjitur në këtë hap. Kam përdorur një rezistencë tërheqëse 10K për sensorin e sallës. Një rezistencë 220 Ohm funksionoi mjaft mirë për ta bërë tekstin të dukshëm në ekranin LCD.

Ju lutemi sigurohuni që të izoloni kunjat e sensorit të efektit të sallës duke përdorur tuba të tkurrjes së nxehtësisë, ashtu siç tregohet në fotografi. Funksionimi i saktë i sensorit të sallës do të mbështetet në një magnet që do të vendoset në kutinë rrotulluese në hapin 3.

Pasi të keni përfunduar instalimet elektrike, mund të siguroni 2 pllakat e sipërme me Ekran LCD, Ndërprerës dhe Potenciometër duke përdorur përsëri 8 arra M5 siç tregohet në fotografi.

Në pritje të modelit të motorit tuaj të përdorur, mund t'ju duhet të rregulloni linjën e mëposhtme të kodit në skedarin MotorControl.ino:

mbytje = hartë (mesatarPotValue, 0, 1020, 710, 900);

Kjo linjë e kodit (rreshti 176) harton pozicionin e potenciometrit 10K në sinjalin për ESC. ESC pranon vlerën midis 700 dhe 2000. Dhe ndërsa motori që kam përdorur për këtë projekt filloi të rrotullohej rreth 823, unë i kufizova RPM -të e motorit duke kufizuar vlerën maksimale në 900.

Hapi 3: Ndërtimi i Platformës për Transmetimin e Energjisë me Tel

Në ditët e sotme ekzistojnë në thelb dy mënyra për të fuqizuar pajisjet të cilat duhet të rrotullohen: rrëshqitja e unazave ose transmetimi i energjisë pa tel përmes mbështjelljeve të induksionit. Si unaza rrëshqitëse me cilësi të lartë të cilat mund të mbështesin RPM të larta kanë tendencë të jenë shumë të shtrenjta dhe më të prirura për të konsumuar dhe zgjodha opsionin pa tel duke përdorur një konvertues 5V Wireless DC-DC. Sipas specifikimeve, duhet të jetë e mundur të transferoni deri në 2 Amper duke përdorur një konvertues të tillë.

Konvertuesi Wireless DC-DC përbëhet nga dy përbërës, një transmetues dhe një marrës. Ju lutemi kini parasysh se PCB e lidhur me spiralen e induksionit transmetues është më e vogël se ajo që merr.

Platforma në vetvete është ndërtuar duke përdorur një copë dru skrap (250 x 180 x 18 mm).

Në platformën e dehur në Furnizimin me energji të Pusit Mesatar 12V. Dalja 12V është e lidhur me ESC (shihni skemat në Hapin 1) dhe PCB të pjesës transmetuese të Konvertuesit Wireless DC-DC.

Në Platform_Files.zip të bashkangjitur gjeni skedarët dxf për të prerë me lazer platformën nga kompensatë me trashësi 3mm:

• Platform_001.dxf dhe Platform_002.dxf: Ju duhet t'i vendosni ato mbi njëri -tjetrin. Kjo do të krijojë një zonë të zhytur për spiralën e induksionit transmetues.
• Magnet_Holder.dxf: Shkarkoni me lazer këtë dizajn tri herë. Një nga tre kohët, përfshini rrethin. Në dy prerjet e tjera me lazer: hiqni rrethin nga prerja. Pas prerjes, ngjitni të tre pjesët së bashku për të krijuar një mbajtës për një magnet (diametri 10mm, trashësia: 3mm). Kam përdorur supergla për të ngjitur magnetin në mbajtësen e Magnetit. Ju lutemi sigurohuni që të ngjisni anën e duhur të Magnetit në mbajtës pasi sensori i sallës do të punojë vetëm me njërën anë të magnetit.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Kjo pjesë do t'ju ndihmojë të mbani sensorin e sallës të bashkangjitur në Njësinë e Kontrollit të Motorit në vend siç tregohet në foton e parë.
• Platform_Drill_Template.dxf: Unë e përdor këtë pjesë si një model për shpimin e vrimave në copën e drurit të mbeturinave. Katër vrimat më të mëdha 6 mm janë për shufrat mbështetës të filetuar me diametër 6 mm për të mbështetur platformën. 4 vrimat më të vogla janë për të siguruar motorin pa furça në copën e drurit të mbeturinave. Vrima më e madhe në mes kërkohej për boshtin që dilte jashtë motorit pa furça. Meqenëse bulonat për motorin dhe shufrat e filetuar për platformën duhet të fiksohen në pjesën e poshtme të platformës, është e nevojshme t'i zmadhoni ato vrima për disa mm të thella për të lejuar që arrat të futen.

Fatkeqësisht boshti i motorit pa furça ngeci nga ana 'e gabuar' për këtë projekt. Por unë kam qenë në gjendje të ndryshoj boshtin me ndihmën e udhëzimeve të mëposhtme që gjeta në Youtube:

Pasi të sigurohen motori dhe shufrat mbështetës, platforma mund të ndërtohet duke përdorur pjesët e platformës të prerë me lazer. Vetë platforma mund të sigurohet duke përdorur 8 arra M6. Mbajtësi i Magnetit mund të ngjitet në platformën në kufi siç tregohet në foton e parë.

Skedari i bashkangjitur "Bolt-On Adapter.stl" mund të printohet duke përdorur një printer 3D. Ky përshtatës është i nevojshëm për të lidhur një shufër të filetuar me një diametër prej 4mm në motorin pa furça duke përdorur bulona 3 x M2 me një gjatësi prej 18 mm.

Hapi 4: Shtresë rrotulluese

Base_Case_Files.zip i bashkangjitur përmban skedarët dxf për të prerë me lazer 6 shtresat për të ndërtuar kutinë për komponentët që kontrollojnë shiritin udhëheqës APA102C.

Shtresat 1-3 të modelit të Rastit kanë për qëllim të ngjiten së bashku. Por ju lutemi sigurohuni që një magnet (diametër 10mm, lartësi: 3mm) të futet në prerjen rrethore në Shtresën 2 para se të ngjitni të tre shtresat së bashku. Gjithashtu sigurohuni që magneti të jetë ngjitur me shtyllën e duhur në fund, pasi sensori i efektit të sallës i vendosur në platformën e ndërtuar në Hapin 3 do t'i përgjigjet vetëm njërës anë të magnetit.

Dizajni i rastit përmban ndarje për përbërësit e listuar në skemat e bashkangjitura të instalimeve elektrike. IC 74AHCT125 kërkohet për të kthyer sinjalin 3.3V nga Teensy në sinjalin 5V të kërkuar për shiritin e udhëhequr APA102. Shtresat 4 dhe 5 gjithashtu mund të ngjiten së bashku. Shtresa e sipërme 6 mund të grumbullohet mbi shtresat e tjera. Të gjitha shtresat do të mbeten në pozicionin e duhur me ndihmën e 3 shufrave prej çeliku me diametër 2mm. Ekzistojnë tre vrima të vogla për shufrat prej çeliku 2 mm që rrethojnë vrimën më të madhe për shufrën e filetuar rrotulluese 4 mm të bashkangjitur në motorin pa furça. Pasi të jenë bashkuar të gjithë përbërësit sipas skemës, kutia e plotë mund të vendoset në përshtatësin e bulonave të shtypur në Hapin 3. Ju lutemi sigurohuni që çdo tela e hapur të jetë e izoluar siç duhet duke përdorur tuba për tkurrjen e nxehtësisë. Ju lutemi kini parasysh se funksionimi i saktë i sensorit të sallës së këtyre hapave varet nga magneti i vendosur në mbajtësin e magnetit të përshkruar në hapin 3.

Dëshmia e bashkangjitur e kodit të konceptit 3D_POV_POC.ino do të ndriçojë disa led me të kuqe. Skica rezulton në shfaqjen e një katrori sapo cilindri fillon të rrotullohet. Por, para se të fillojë rrotullimi, ledet të cilat kërkohen për të simuluar një katror ndizen si parazgjedhje. Kjo është e dobishme për të testuar funksionimin e saktë të leds në hapin tjetër.

Hapi 5: Cilindri rrotullues me shiritat e udhëhequr

Rotor_Cylinder_Files.zip i bashkangjitur përmban skedarët dxf për prerjen e një fletë akrilike të trashë 2 mm. 14 disqet që rezultojnë janë të nevojshëm për të ndërtuar cilindrin transparent për këtë projekt POV. Disqet duhet të grumbullohen mbi njëri -tjetrin. Dizajni i disqeve cilindrike lejon që 12 shirita led të ngjiten së bashku si një shirit i gjatë i udhëhequr. Duke filluar nga disku një, një shirit i vogël led që përmban 6 led duhet të ngjitet në një disk duke përdorur ngjitësit ngjitës në shiritin e udhëhequr. Ngjitini telat në shiritin e udhëhequr para se të lidhni shiritat e udhëhequr në disk duke përdorur afishe ngjitëse. Përndryshe ju rrezikoni që arma e saldimit të shkrijë diskun akrilik.

Pasi disku #13 të jetë grumbulluar mbi cilindrin transparent, shufra prej çeliku 2 mm e përdorur për të mbajtur të gjitha shtresat në pozicionet e sakta tani mund të pritet në gjatësinë e duhur, e rreshtuar në pjesën e sipërme të diskut #13 të cilindrit. Disku #14 mund të përdoret për të mbajtur shufrat prej çeliku 2 mm në vend me ndihmën e dy arrave M4.

Për shkak se sasia e kohës që kërkohet për të ndërtuar të gjithë pajisjen, nuk kam qenë në gjendje të programoj ekrane 3D më të qëndrueshme vizualisht interesante akoma brenda afatit kohor të hackathon. Kjo është gjithashtu arsyeja pse kodi i dhënë për kontrollin e leds është ende shumë themelor për të vërtetuar konceptin, duke treguar vetëm një katror të kuq 3 në mënyrë dimensionale për momentin.

Hapi 6: Mësimet e nxjerra

Adoleshentët 3.6

• Unë porosita një Teensy 3.5 për këtë projekt, por furnizuesi më dërgoi një Teensy 3.6 gabimisht. Meqë isha i etur për të përfunduar projektin brenda afatit të hackathon, vendosa të ec përpara me Teensy 3.6. Arsyeja pse doja të përdor Teensy 3.5 ishte për shkak të porteve, ato janë 5V tolerante. Ky nuk është rasti me Teensy 3.6. Kjo është gjithashtu arsyeja pse më duhej të prezantoja një konvertues logjik dy-drejtues në konfigurim. Me një Teensy 3.5 kjo nuk do të ishte e nevojshme.
• Çështja e ngritjes së energjisë: Kur ndizni pajisjen, ekziston një ngritje e energjisë përmes modulit të karikimit pa tel dc-dc për të fuqizuar Teensy 3.6. Fatkeqësisht, ngritja është shumë e ngadaltë që Teensy 3.6 të fillojë siç duhet. Si një zgjidhje, aktualisht më duhet të fuqizoj Teensy 3.6 përmes lidhjes mikro USB dhe më pas të lidh furnizimin me energji 12V që ushqen transmetuesin pa tel dc-dc. Pasi marrësi pa tel dc-dc po furnizon gjithashtu energjinë tek Teensy unë mund të shkëpus kabllon USB. Njerëzit e kanë ndarë hakun e tyre me një MIC803 për çështjen e ngritjes së ngadaltë të energjisë këtu:

Moduli i ekranit LCD

Sjellja e çrregullt në fuqinë e jashtme. Ekrani funksionon siç duhet kur mundësohet përmes USB. Por kur e ndez ekranin LCD përmes tabelës së bukës duke përdorur 5V të furnizuar nga BEC ose një Furnizim me energji të pavarur, teksti fillon të përzihet pas disa sekondash pasi supozohet se teksti do të ndryshojë. Ende më duhet të hetoj se çfarë e shkakton këtë çështje

Mekanike

Për të testuar njësinë time të kontrolluesit të motorit për të matur RPM -të aktuale, e lë motorin të rrotullohet me bulonën në përshtatës, bulon dhe kutinë bazë të bashkangjitur në motor. Gjatë njërit prej provave fillestare, vidhat që lidhin mbajtësin e motorit me motorin hiqen vetë për shkak të dridhjeve. Për fat të mirë e vura re këtë çështje në kohë, kështu që një katastrofë e mundshme u shmang. Unë e zgjidha këtë çështje duke i vidhosur vidhat pak më fort në motor dhe gjithashtu përdor disa pika Loctite për të siguruar vidhat edhe më shumë

Softuer

Kur eksportoni skica Fusion 360 si skedarë dxf për prerësin lazer, linjat mbështetëse eksportohen si linja të rregullta

Hapi 7: Përmirësime të mundshme

Çfarë do të kisha bërë ndryshe bazuar në përvojën që kam fituar me këtë projekt:

• Përdorimi i një shiriti led që përmban të paktën 7 led në vend të 6 led për shtresë për disa vizualizime më të këndshme tekstuale
• Blini një motor tjetër pa furça ku boshti tashmë është ngjitur në anën e duhur (të poshtme) të motorit. (p.sh.: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Kjo do t'ju kursejë telashet ose të prerë boshtin ose ta shtyni boshtin në anën e duhur si unë duhej bërë tani.
• Kaloni më shumë kohë në balancimin e pajisjes për të minimizuar dridhjet, qoftë mekanike ose modeloni atë në Fusion 360.

Unë gjithashtu kam menduar për disa përmirësime të mundshme, të cilat mund t'i shikoj nëse koha lejon:

• Përdorimi aktual i funksionalitetit të kartës SD në Teensy për të krijuar animacione më të gjata
• Rritni dendësinë e imazhit duke përdorur led të vegjël (APA102 (C) 2020). Kur fillova këtë projekt disa javë më parë, shiritat me led që përmbajnë këto llamba të vogla (2x2 mm) nuk ishin të disponueshme në treg. Isshtë e mundur t'i blini ato si përbërës të veçantë SMD, por unë do ta konsideroja këtë opsion vetëm nëse jeni të gatshëm t'i bashkoni këto përbërës në një PCB të personalizuar.
• Transferoni imazhe 3D pa tel në pajisje (Wifi ose Bluetooth). Kjo gjithashtu duhet të bëjë të mundur programimin e pajisjes për të vizualizuar tingullin/muzikën.
• Shndërroni animacionet e Blender në një format skedari që mund të përdoren me pajisjen
• Vendosni të gjitha shiritat e udhëhequr në pllakën bazë dhe përqendroni dritën në shtresat e akrilit. Në secilën shtresë të ndryshme, zona të vogla mund të gdhenden për të pasqyruar dritën kur hiqen nga dritat. Drita duhet të fokusohet në zonat e gdhendura. Kjo duhet të jetë e mundur duke krijuar një tunel që drejton dritën ose duke përdorur lente në dritat për të përqendruar dritën.
• Përmirësimi i qëndrueshmërisë së ekranit volumetrik 3D dhe rregullimi i shpejtësisë së rrotullimit duke ndarë bazën rrotulluese nga motori pa furça duke përdorur ingranazhe dhe një rrip kohor.

Hapi 8: Bërtisni

Dua të falënderoj në mënyrë të veçantë personat e mëposhtëm:

• Gruaja dhe vajzat e mia fantastike, për mbështetjen dhe mirëkuptimin e tyre.
• Teun Verkerk, që më ftove në Hackathon
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri dhe Aidan Wyber, për mbështetjen, ndihmën dhe udhëzimin tuaj përgjatë Hackaton
• Luuk Meints, një artist dhe një pjesëmarrës tjetër i këtij Hackaton, i cili ishte aq i sjellshëm që më dha një kurs personal të shpejtësisë 1 orëshe në Fusion 360, i cili më lejoi të modeloja të gjitha pjesët që më duheshin për këtë projekt.