Photonics Challenger: Transparent 3D volumetric POV (PHABLABS): 8 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Néhány héttel ezelőtt kaptam egy utolsó pillanatban meghívást, hogy vegyen részt egy PhabLabs Hackathon -on a Delfti Tudományos Központban, Hollandiában. Egy hozzám hasonló lelkes hobbistának, aki rendesen csak korlátozott ideig tud bütykölni, nagyszerű lehetőséget láttam arra, hogy szánjak egy kis időt arra, hogy a Hackathon: Photonics keretein belül sok ötletem közül egyet megváltoztassak. tényleges projekt. És a delfti Tudományos Központ Makerspace nagyszerű lehetőségeivel lehetetlen volt visszautasítani ezt a meghívást.

Az egyik ötletem, ami már egy ideje a fotonikával kapcsolatos, az volt, hogy szeretnék valamit kezdeni a látás perzisztenciájával (POV). Az interneten már rengeteg példa áll rendelkezésre arra vonatkozóan, hogyan lehet POV alapkijelzőt felépíteni néhány alapvető összetevő segítségével: mikrokontroller, régi ventilátor/merevlemez/motor és egy sor LED, amelyek a forgó eszköz tengelyére merőlegesen csatlakoznak. Viszonylag egyszerű beállítással már lenyűgöző 2 dimenziós képet készíthet, például:

A POV kijelzők egy másik változata a forgó eszköz tengelyével párhuzamos ledek sorát köti össze. Ennek eredményeként egy háromdimenziós hengeres POV kijelző jelenik meg, például:

Ahelyett, hogy a forgóeszköz tengelyével párhuzamosan csatlakoztatná a LED -eket, ívelheti a LED -eket is. Ennek eredményeképpen gömb alakú (földgömb) POV kijelző jelenik meg, pl.. Íme néhány példa az ilyen térfogatú 3D POV kijelzőkre, amelyeket inspirációként használtam ehhez a projekthez:

• 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…

Mivel a fenti példák készítői nagyon hasznos információkkal szolgáltak, sok értelme volt projektjeik egyes részeit remixelni. De mivel a Hackathon állítólag kihívást jelent, úgy döntöttem, hogy más típusú térfogati 3D POV kijelzőt is felépítek. Néhányuk rotorokat és sok forró ragasztót használt, hogy megakadályozza az alkatrészek repülését. Mások egyedi PCB -ket készítettek a projektjükhöz. Néhány más 3D POV projekt áttekintése után teret láttam bizonyos „innovációknak”, vagy kihívások elé állítottam magam:

• A testreszabott PCB -k létrehozásában szerzett előzetes tapasztalat nélkül, és a Hackathon időbeli korlátai miatt úgy döntök, hogy egy egyszerűbb prototípus -megközelítést követek. De ahelyett, hogy valódi rotorokat készítettem volna, kíváncsi voltam, hogyan fog kinézni egy ilyen térfogatú 3D -s POV -kijelző, ha akril -műanyag rétegekből épített hengert használunk.
• Ne használjon vagy minimálisan használjon forró ragasztót, hogy kevésbé veszélyessé tegye a készüléket

Lépés: A felhasznált anyagok és eszközök

A motorvezérlő számára

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Kis kenyértábla
• 3144 Hall Effect kapcsolóérzékelő
• Mágnes átmérővel: 1 cm, magasság: 3 mm
• Váltó kapcsoló - MTS -102
• 10K potenciométer
• Dupont jumper vezetékek
• 16 x M5 anya
• LCD kijelző modul kék háttérvilágítással (HD44780 16 × 2 karakter)
• 10K ellenállás - felhúzó ellenállás a Hall -effektus érzékelőhöz
• 220 Ohm ellenállás - Az LCD képernyő kontrasztjának szabályozására
• Menetes rúd átmérője: 5 mm
• Rétegelt lemez, vastagsága: 3 mm

A Platform Base számára

• Fahulladék (250 x 180 x 18 mm)
• Átlagos kút - 12V 4,2A - LRS -50-12 kapcsoló tápegység
• Tápkábel 220V
• DC -DC vezeték nélküli átalakító - 5V 2A (adó)
• Turnigy D2836/8 1100KV kefe nélküli motor
• Turnigy plüss 30amp sebességszabályozó W/BEC
• Sorkapocs blokkok csatlakozók
• 12 x M6 anya a platform rögzítéséhez 6 mm átmérőjű menetes rudak segítségével.
• 3 x M2 csavar (18 mm hosszú) a csavaros adapter rögzítéséhez a kefe nélküli motorhoz
• 4 db M3 anya és csavar a kefe nélküli motor rögzítéséhez a fadarabhoz
• Menetes rúd átmérője: 6 mm (4 x hosszúság 70 mm)
• Menetes rúd átmérő: 4 mm (1 x hossz 80 mm)
• Rétegelt lemez, vastagsága: 3 mm

Forgó burkolathoz

• DC -DC vezeték nélküli átalakító - 5V 2A (vevő)
• 3D nyomtatott csavaros adapter (PLA szál, fehér)
• Teensy 3.6
• IC 74AHCT125 négy logikai szintváltó/váltó (3V - 5V)
• 10K ellenállás - felhúzó ellenállás a Hall -effektus érzékelőhöz
• 1000uF 16V kondenzátor
• Menetes rúd átmérője 4 mm
• Mágnes átmérővel: 1 cm, magasság: 3 mm
• Rétegelt lemez, vastagsága: 3 mm
• Rétegelt lemez, vastagsága: 2 mm
• Akril lemez, vastagság: 2 mm
• Acél rúd átmérője: 2 mm
• Anyák és csavarok
• 0,5 méteres ledszalag APA102C 144 led / méter

Használt eszközök

• Merlin M1300 lézervágó - rétegelt lemez és akril lemez
• Ultimaker 2+ a csavaros adapter 3D nyomtatásához
• Forrasztóállomás és forrasztó
• Asztali fúró
• Csavarhúzók
• Plyers
• Kalapács
• Féknyereg
• Fűrész
• Csavarkulcsok
• Hőre zsugorodó cső

Használt szoftver

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE és Teensyduino (Teensy Loadert tartalmaz)

2. lépés: Motorvezérlő egység a forgási sebesség szabályozására

A motorvezérlő egység jelet küld a Turnigy elektronikus fordulatszám -szabályozónak (ESC), amely szabályozza a kefe nélküli motor által biztosított fordulatszámot.

Ezenkívül azt is szerettem volna, hogy megjeleníthessem a POV henger tényleges fordulatszámát percenként. Ezért úgy döntöttem, hogy hall -effekt érzékelőt és 16x2 -es LCD kijelzőt is beépítek a motorvezérlő egységbe.

A mellékelt zip fájlban (MotorControl_Board.zip) három dxf fájlt talál, amelyek lehetővé teszik a motorvezérlő egység egy alaplapjának és két felső lemezének vágását. Kérjük, használjon 3 mm vastag rétegelt lemezt. A két felső lap egymásra helyezhető, így lehetővé teszi a 16x2 méretű LCD -képernyő becsavarását.

A felső lemezen lévő két lyuk egy be/ki kapcsoló és egy potenciométer a kefe nélküli motor fordulatszámának szabályozására szolgál (magam még nem kötöttem be/ki kapcsolót). A motorvezérlő egység megépítéséhez 5 mm átmérőjű menetes rudat kell fűrészelni a kívánt magasságú 4 darabra. A 8 M5 anyával először rögzítheti az alapot. Ezután a kenyérsütő deszkát a kenyérsütőlaphoz mellékelt kétoldalas ragasztómatrica segítségével rögzítettem az alaplemezhez. A mellékelt vázlat bemutatja, hogyan kell bekötni az alkatrészeket, hogy működni tudjanak a lépéshez csatolt forráskóddal (MotorControl.ino). A hall érzékelőhöz 10K felhúzó ellenállást használtam. Egy 220 ohmos ellenállás elég jól működött ahhoz, hogy a szöveg látható legyen az LCD -képernyőn.

Kérjük, győződjön meg arról, hogy a csarnokhatás -érzékelő csapjait hőre zsugorodó csövek segítségével, a képeken látható módon szigeteli. A csarnokérzékelő helyes működése mágnesen alapul, amelyet a forgó tokba helyeznek a 3. lépésben.

A kábelezés befejezése után rögzítse a 2 felső lemezt az LCD kijelzővel, a kapcsolóval és a potenciométerrel, ismét 8 M5 anyával, a képeken látható módon.

A használt motor modelljétől függően előfordulhat, hogy módosítania kell a MotorControl.ino fájl következő kódsorát:

fojtószelep = térkép (átlagosPotValue, 0, 1020, 710, 900);

Ez a kódsor (176. sor) leképezi a 10K potenciométer helyzetét az ESC jeléhez. Az ESC 700 és 2000 közötti értéket fogad el. És mivel a projekt, amelyet ebben a projektben használtam, elkezdett 823 körül forogni, a motor fordulatszámát a maximális érték 900 -ra korlátozásával korlátoztam.

3. lépés: A platform építése a vezeték nélküli átviteli teljesítményhez

Manapság alapvetően kétféle módon lehet áramot adni az eszközöknek: csúszógyűrűk vagy vezeték nélküli átvitel indukciós tekercseken keresztül. Mivel a kiváló minőségű csúszógyűrűk, amelyek támogatják a magas fordulatszámot, nagyon drágák és hajlamosabbak a kopásra, ezért a vezeték nélküli lehetőséget választottam egy 5 V-os vezeték nélküli DC-DC átalakító használatával. A specifikációk szerint lehetővé kell tenni, hogy egy ilyen átalakító használatával akár 2 A -t is átvigyen.

A vezeték nélküli DC-DC átalakító két komponensből áll, egy adóból és egy vevőből. Kérjük, vegye figyelembe, hogy az adó indukciós tekercshez csatlakoztatott NYÁK kisebb, mint a fogadó.

Maga a platform egy darab fahulladékból (250 x 180 x 18 mm) készül.

A platformon becsavaroztam a Mean Well 12V -os tápegységet. A 12 V-os kimenet az ESC-hez van csatlakoztatva (lásd a kapcsolási rajzokat az 1. lépésben) és a vezeték nélküli DC-DC átalakító adóegységének NYÁK-jához.

A csatolt Platform_Files.zip fájlban megtalálja a dxf fájlokat a platform vágásához 3 mm vastag rétegelt lemezből:

• Platform_001.dxf és Platform_002.dxf: Egymásra kell helyezni őket. Ez süllyesztett területet hoz létre az adó indukciós tekercs számára.
• Magnet_Holder.dxf: Háromszor vágja le ezt a mintát. A három alkalom egyike tartalmazza a kört. A másik két lézervágásban: távolítsa el a kört a vágásból. Vágás után ragassza össze a három darabot, hogy mágnestartót hozzon létre (átmérő 10 mm, vastagság: 3 mm). Szuperragasztóval ragasztottam a mágnest a mágnestartóba. Kérjük, győződjön meg arról, hogy a mágnes megfelelő oldalát ragasztja a tartóhoz, mivel a csarnokérzékelő csak a mágnes egyik oldalával működik.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Ez a darab segít abban, hogy a motorvezérlő egységhez rögzített hall -érzékelőt a helyén tartsa, amint az az első képen látható.
• Platform_Drill_Template.dxf: Ezt a darabot használtam sablonként a fadarabon lévő lyukak fúrásához. A négy nagyobb, 6 mm -es lyuk a 6 mm átmérőjű menetes rudak támogatására szolgál. A 4 kisebb lyuk a kefe nélküli motort a fahulladékhoz rögzíti. A közepén lévő legnagyobb lyuk kellett ahhoz a tengelyhez, amely kilógott a kefe nélküli motorból. Mivel a motor csavarjait és a peron menetes rúdjait rögzíteni kell a platform alján, ezeket a lyukakat néhány mm mélyre kell növelni, hogy az anyák beilleszkedjenek.

Sajnos a kefe nélküli motor tengelye a „rossz” oldalról kilógott ehhez a projekthez. De meg tudtam fordítani a tengelyt a következő utasítás segítségével, amelyet a Youtube -on találtam:

Miután a motor és a tartó rudak rögzítve vannak, a platform a lézervágó platódarabok segítségével megépíthető. Maga a platform 8 M6 -os anyával rögzíthető. A mágnestartó az első képen látható módon a szegélyen lévő platformhoz ragasztható.

A mellékelt "Bolt-On Adapter.stl" fájl 3D nyomtatóval nyomtatható ki. Ez az adapter szükséges egy 4 mm átmérőjű menetes rúd rögzítéséhez a kefe nélküli motorhoz 3 x 18 mm hosszú csavarral.

4. lépés: A burkolat forgatása

A mellékelt Base_Case_Files.zip tartalmazza a dxf fájlokat a 6 réteg lézeres vágásához, hogy megépítse az APA102C led szalagot vezérlő alkatrészek házát.

A tok kialakításának 1-3. Rétegeit össze kell ragasztani. De győződjön meg arról, hogy a három réteg összeragasztása előtt mágnest (10 mm átmérő, magasság: 3 mm) helyeznek a körkörös kivágásba a 2. rétegben. Győződjön meg arról is, hogy a mágnes a megfelelő pólussal van az aljához ragasztva, mivel a 3. lépésben felépített platformra helyezett csarnokhatás -érzékelő csak a mágnes egyik oldalára reagál.

A tok kialakítása rekeszeket tartalmaz a mellékelt bekötési rajzokban felsorolt alkatrészek számára. Az IC 74AHCT125 szükséges a Teensy -ből származó 3,3 V -os jel átalakításához az APA102 led szalaghoz szükséges 5 V -os jellé. A 4. és az 5. réteg is összeragasztható. A 6 felső réteget fel lehet halmozni a többi rétegre. Minden réteg a megfelelő helyzetben marad 3 db 2 mm átmérőjű acélrúd segítségével. Három kis lyuk van a 2 mm -es acélrudak számára, amelyek körülveszik a kefe nélküli motorhoz rögzített forgó 4 mm -es menetes rúd nagyobb lyukat. Miután az összes alkatrészt a vázlat szerint forrasztotta, a teljes tokot rá lehet helyezni a 3. lépésben kinyomtatott csavaros adapterre. Kérjük, győződjön meg arról, hogy a nyitott vezetékek megfelelően vannak-e szigetelve hőzsugorító csövek segítségével. Kérjük, vegye figyelembe, hogy a csarnokérzékelő helyes működése ezen lépéseknél a 3. lépésben leírt mágnestartóba helyezett mágnestől függ.

A mellékelt 3D_POV_POC.ino koncepció kód bizonyítja, hogy néhány LED pirosan világít. A vázlat eredményeképpen egy négyzet jelenik meg, amint a henger forogni kezd. De a forgás megkezdése előtt a négyzet szimulálásához szükséges LED -ek alapértelmezés szerint be vannak kapcsolva. Ez segít a ledek megfelelő működésének tesztelésében a következő lépésben.

5. lépés: Forgó henger a LED csíkokkal

A mellékelt Rotor_Cylinder_Files.zip tartalmazza a 2 mm vastag akrillap vágásához szükséges dxf fájlokat. Az így kapott 14 tárcsa szükséges az átlátszó henger elkészítéséhez ehhez a POV projekthez. A lemezeket egymásra kell halmozni. A hengeres tárcsák kialakítása lehetővé teszi 12 led szalag forrasztását egy hosszú led szalagként. Az első lemezről kiindulva egy kis led szalagot kell rögzíteni, amely 6 LED -et tartalmaz a lemezhez a led szalagon található ragasztó matricák segítségével. A vezetékeket először a ledszalagra kell forrasztani, mielőtt a LED -csíkokat a lemezhez ragasztó matricákkal rögzítené. Ellenkező esetben fennáll annak a veszélye, hogy a forrasztópisztoly megolvasztja az akrillemezt.

Miután a #13 tárcsát az átlátszó hengerre halmozták, a 2 mm -es acélrúd, amelyet az összes réteg megfelelő helyzetben tartására használnak, most a megfelelő hosszúságúra is vágható, a henger #13 korongjának tetejéhez igazítva. A 14. tárcsa ezután használható a 2 mm -es acélrudak helyben tartására két M4 anya segítségével.

Mivel a teljes eszköz megépítéséhez szükséges idő, még nem tudtam stabilabb, vizuálisan érdekes 3D -s kijelzőket programozni a hackathon időtartamán belül. Ez az oka annak is, hogy a LED -ek vezérlésére szolgáló kód még mindig nagyon egyszerű a koncepció bizonyításához, egyelőre csak egy piros négyzetet 3 mutat méretben.

6. lépés: Tanulságok

Teensy 3.6

• Ehhez a projekthez Teensy 3.5 -öt rendeltem, de a szállító tévedésből küldött nekem egy Teensy 3.6 -ot. Mivel alig vártam, hogy befejezzem a projektet a hackathonon belül, úgy döntöttem, hogy továbblépek a Teensy 3.6 -tal. Miért akartam használni a Teensy 3.5 -öt a portok miatt, ezek 5V -os toleránsak. A Teensy 3.6 esetében ez nem így van. Ez volt az oka annak is, hogy kétirányú logikai átalakítót kellett bevezetnem a beállításba. A Teensy 3.5 esetében erre nem lett volna szükség.
• Power Ramp Up probléma: Amikor bekapcsolja az eszközt, a vezeték nélküli egyenáramú töltőmodulon keresztül egy tápellátás van a Teensy 3.6 tápellátására. Sajnos a felfutás túl lassú ahhoz, hogy a Teensy 3.6 megfelelően induljon. Megkerülő megoldásként jelenleg be kell kapcsolnom a Teensy 3.6-ot a mikro-USB-kapcsolaton keresztül, majd be kell dugnom a 12 V-os tápegységet a vezeték nélküli egyenáramú távadóhoz. Miután a vezeték nélküli egyenáramú vevőegység is táplálja a Teensy-t, kihúzhatom az USB-kábelt. Az emberek megosztották a hackelést egy MIC803-as készülékkel a lassú áramellátás felemelkedésével kapcsolatban:

LCD képernyő modul

Helytelen viselkedés a külső árammal. A képernyő megfelelően működik, ha USB -n keresztül táplálja. De amikor a BEC által szállított 5 V -os tápellátással vagy egy független tápegységgel táplálom az LCD -képernyőt a kenyérsütő táblán keresztül, akkor a szöveg néhány másodperc múlva elkezd megváltozni, miután a szöveg megváltozott. Még meg kell vizsgálnom, hogy mi okozza ezt a problémát

Mechanikai

Annak érdekében, hogy tesztelhessem a motorvezérlő egységemet a tényleges fordulatszám mérésére, hagyom, hogy a motor forogjon, miközben az adapter csavarja, a csavar és az alapház a motorhoz van rögzítve. A kezdeti teszt egyik futása során a motortartót a motorral összekötő csavarok kicsavarják magukat a rezgések miatt. Szerencsére időben észrevettem ezt a problémát, így elkerülhető volt az esetleges katasztrófa. Ezt a problémát úgy oldottam meg, hogy a csavarokat kissé szorosabban csavartam a motorhoz, és néhány csepp Loctite -tal még jobban rögzítettem a csavarokat

Szoftver

Amikor a Fusion 360 vázlatait dxf fájlként exportálja a lézervágóhoz, a támogató vonalak rendes sorokként kerülnek exportálásra

7. lépés: Lehetséges fejlesztések

Mit csináltam volna másképp a projekt során szerzett tapasztalataim alapján:

• Rétegenként 6 led helyett legalább 7 LED -et tartalmazó led szalag használata néhány szebb szöveges megjelenítéshez
• Vásároljon másik kefe nélküli motort, ahol a tengely már kilóg a motor megfelelő (alsó) oldalán. (pl.: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Ezzel megkímélheti magát a tengely levágásától vagy a tengely megfelelő oldalra tolásától, mint én most tennie kellett.
• Több időt kell fordítani az eszköz kiegyensúlyozására a rezgések minimalizálása érdekében, akár mechanikus, akár a Fusion 360 -ban történő modellezéssel.

Gondolkoztam néhány lehetséges fejlesztésen is, amelyeket megnézhetek, ha az idő engedi:

• A Teensy SD -kártya funkcióinak tényleges kihasználása hosszabb animációk készítéséhez
• Növelje a képalkotás sűrűségét kisebb LED -ek használatával (APA102 (C) 2020). Amikor néhány hete elkezdtem ezt a projektet, ezeket a kis ledeket (2x2 mm) tartalmazó ledszalagok nem voltak könnyen elérhetők a piacon. Lehetőség van külön SMD alkatrészek megvásárlására is, de csak akkor fontolnám meg ezt a lehetőséget, ha hajlandó ezeket az alkatrészeket forrasztani egy egyedi PCB -n.
• Vigyen át 3D -s képeket vezeték nélkül az eszközre (Wifi vagy Bluetooth). Ennek lehetővé kell tennie az eszköz programozását hang/zene megjelenítésére is.
• Konvertálja a Blender animációit a készülékkel használható fájlformátumba
• Tegye az összes ledcsíkot az alaplemezre, és fókuszálja a fényt az akril rétegekre. Minden egyes rétegre kis területeket lehet bevésni, hogy tükrözzék a fényt, ha kimaradnak a LED -ekből. A fényt a vésett területekre kell összpontosítani. Ennek lehetővé kell tennie a fényt irányító alagút létrehozását, vagy lencsék használatával a LED -eket a fény fókuszálásához.
• A 3D térfogatú kijelző stabilitásának javítása és a forgási sebesség szabályozása azáltal, hogy fogaskerekek és vezérműszíj segítségével elválasztja a forgó bázist a kefe nélküli motortól.

8. lépés: Kiálts

Külön köszönetet szeretnék mondani az alábbi személyeknek:

• Fantasztikus feleségem és lányaim, támogatásukért és megértésükért.
• Teun Verkerk, hogy meghívott a Hackathonra
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri és Aidan Wyber, a támogatásért, segítségért és útmutatásért a Hackaton folyamán
• Luuk Meints, a művész és a Hackaton egyik résztvevője, aki olyan kedves volt, hogy személyes 1 órás bevezető gyorsasági tanfolyamot tartott nekem a Fusion 360 -ban, amely lehetővé tette számomra, hogy modellezzem a projekthez szükséges összes alkatrészt.