Photonics Challenger: Transparentni 3D volumetrijski POV (PHABLABS): 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Prije nekoliko sedmica dobio sam poziv u zadnji čas za učešće na PhabLabs hackathonu u Science Centru Delft u Holandiji. Za entuzijastičnog hobista poput mene, koji inače može potrošiti samo ograničeno vrijeme na petljanje, ovo sam vidio kao odličnu priliku da zakažem neko posvećeno vrijeme kako bih jednu od svojih mnogih ideja, u okviru Hackathona: Photonics, pretvorio u stvarni projekat. A s odličnim sadržajima u Makerspaceu u Science Centru Delft jednostavno je bilo nemoguće odbiti ovaj poziv.

Jedna od ideja koju sam već neko vrijeme imao u vezi s fotonikom bila je da želim učiniti nešto s Persistence of Vision (POV). Na internetu je već dostupno mnoštvo primjera kako izgraditi osnovni POV ekran koristeći neke osnovne komponente: mikrokontroler, stari ventilator/tvrdi disk/motor i jedan niz LED dioda spojenih okomito na os rotirajućeg uređaja. Uz relativno jednostavno postavljanje već možete stvoriti impresivnu dvodimenzionalnu sliku, npr.:

Druga varijacija POV zaslona povezuje niz LED dioda paralelnih s osi rotirajućeg uređaja. To će rezultirati trodimenzionalnim cilindričnim POV ekranom, npr.:

Umjesto povezivanja niza LED dioda paralelno s osi rotirajućeg uređaja, također možete lučno vezati niz LED dioda. Ovo će rezultirati sfernim (globus) POV ekranom, npr.: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Sljedeći nivo je izgradnja nekoliko slojeva LED žica za stvaranje volumetrijskog 3D prikaza. Evo nekoliko primjera takvih volumetrijskih 3D POV ekrana koje sam koristio kao inspiraciju za ovaj specifičan projekt:

• 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…

Kako su tvorci gore navedenih primjera pružili vrlo korisne informacije, bilo je logično remiksirati dijelove svojih projekata. Ali kako bi Hackathon trebao biti izazov, odlučio sam i napraviti drugu vrstu volumetrijskog 3D POV ekrana. Neki od njih su koristili rotore i puno vrućeg ljepila kako bi spriječili da komponente lete okolo. Drugi su za svoj projekt stvorili prilagođene PCB -ove. Nakon pregleda nekih drugih 3D POV projekata, vidio sam prostora za neke „inovacije“ili sam sebi predstavio neke izazove:

• Bez prethodnog iskustva u stvaranju prilagođenih PCB -a i zbog vremenskog ograničenja Hackathona odlučujem se slijediti bazičniji prototipni pristup. No, umjesto stvaranja stvarnih rotora, zanimalo me je kako bi izgledao takav volumetrijski 3D POV zaslon kada se koristi cilindar izgrađen od slojeva akrilne plastike.
• Ne koristite ili minimalno koristite vruće ljepilo kako biste uređaj učinili manje opasnim

Korak 1: Korišteni materijal i alati

Za kontroler motora

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Small Breadboard
• 3144 Senzor prekidača Hall efekta
• Magnet promjera 1 cm, visine 3 mm
• Prekidač - MTS -102
• 10K potenciometar
• Dupont žice za kratkospojnike
• 16 x M5 matice
• Modul LCD ekrana sa plavim pozadinskim osvjetljenjem (HD44780 16 × 2 znaka)
• 10K otpornik - Povucite otpornik za Hall -ov senzor
• 220Ohm otpornik - za kontrolu kontrasta LCD ekrana
• Prečnik navojne šipke: 5 mm
• Šperploča, debljina: 3 mm

Za bazu platformi

• Komad starog drveta (250 x 180 x 18 mm)
• Mean Well - 12V 4.2A - Prekidačko napajanje LRS -50-12
• Kabel za napajanje 220V
• DC -DC bežični pretvarač - 5V 2A (odašiljač)
• Turnigy D2836/8 1100KV motor bez četkica
• Turnigy plišani regulator brzine 30amp W/BEC
• Priključci terminalnih blokova
• 12 x M6 matica za pričvršćivanje platforme pomoću navojnih šipki promjera 6 mm.
• 3 x M2 vijka (dužine 18 mm) za pričvršćivanje adaptera za pričvršćivanje na motor bez četkica
• 4 x M3 matice i vijci za pričvršćivanje motora bez četkica na komad starog drveta
• Prečnik navojne šipke: 6 mm (4 x dužina 70 mm)
• Prečnik navojne šipke: 4 mm (1 x dužina 80 mm)
• Šperploča, debljina: 3 mm

Za rotirajuće kućište

• DC -DC bežični pretvarač - 5V 2A (prijemnik)
• 3D ispisani adapter na vijak (PLA filament, bijela)
• Tinejdžeri 3.6
• IC 74AHCT125 Četverogodišnji pretvarač logičke razine/mjenjač (3V do 5V)
• 10K otpornik - Povucite otpornik za Hall -ov senzor
• 1000uF 16V kondenzator
• Promjer šipke s navojem 4 mm
• Magnet promjera 1 cm, visine 3 mm
• Šperploča, debljina: 3 mm
• Šperploča, debljina: 2 mm
• Akrilni lim, debljina: 2 mm
• Prečnik čelične šipke: 2 mm
• Matice i vijci
• 0,5 metara led traka APA102C 144 LED / metar

Korišteni alati

• Merlin laserski rezač M1300 - lasersko rezanje šperploče i akrilnog lima
• Ultimaker 2+ za 3D štampanje adaptera sa vijcima
• Stanica za lemljenje i lemljenje
• Stolna bušilica
• Odvijači
• Kliješta
• Hammer
• Čeljust
• Nožna pila
• Ključevi
• Termoskupljajuće cijevi

Korišteni softver

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE i Teensyduino (koji sadrže Teensy Loader)

Korak 2: Upravljačka jedinica motora za regulaciju brzine vrtnje

Jedinica za upravljanje motorom šalje signal Turnigy elektroničkom regulatoru brzine (ESC) koji će kontrolirati broj okretaja koje pruža motor bez četkica.

Osim toga, želio sam i moći prikazati stvarne rotacije POV cilindra u minuti. Zato sam odlučio uključiti senzor Hall efekta i LCD ekran 16x2 u jedinicu za upravljanje motorom.

U priloženoj zip datoteci (MotorControl_Board.zip) pronaći ćete tri dxf datoteke koje će vam omogućiti da laserski izrežete jednu osnovnu ploču i dvije gornje ploče za jedinicu kontrolera motora. Molimo koristite šperploču debljine 3 mm. Dvije gornje ploče mogu se postaviti jedna na drugu što će vam omogućiti da uvrnete LCD ekran 16x2.

Dvije rupe na gornjoj ploči namijenjene su jednom prekidaču za uključivanje/isključivanje i jednom potenciometru za kontrolu brzine motora bez četkica (još nisam sam spojio prekidač za uključivanje/isključivanje). Za izradu jedinice za upravljanje motorom potrebno je isjeći navojnu šipku promjera 5 mm na 4 komada željene visine. Pomoću 8 matica M5 možete prvo pričvrstiti bazu. Zatim sam malu ploču za pričvršćivanje pričvrstio na osnovnu ploču pomoću dvostrane ljepljive naljepnice koja je isporučena s matičnom pločom. Priložena shema prikazuje kako trebate spojiti komponente tako da mogu raditi s izvornim kodom (MotorControl.ino) priključenim na ovaj korak. Koristio sam 10K pull up otpornik za Hall senzor. Otpornik od 220 Ohma radio je dovoljno dobro da tekst bude vidljiv na LCD ekranu.

Molimo vas da izolirate pinove osjetnika Hall efekta pomoću termoskupljajućih cijevi, baš kao što je prikazano na slikama. Ispravno funkcioniranje Hall -ovog senzora oslanjat će se na magnet koji će se staviti u rotirajuće kućište u koraku 3.

Nakon što je ožičenje završeno, možete pričvrstiti 2 gornje ploče pomoću LCD zaslona, prekidača i potenciometra pomoću ponovo 8 matica M5 kao što je prikazano na slikama.

U zavisnosti od modela vašeg motora koji koristite, možda ćete morati prilagoditi sljedeći red koda u datoteci MotorControl.ino:

throttle = map (averagePotValue, 0, 1020, 710, 900);

Ova linija koda (linija 176) preslikava položaj 10K potenciometra u signal za ESC. ESC prihvaća vrijednost između 700 i 2000. A kako se motor koji sam koristio za ovaj projekt počeo okretati oko 823, ograničio sam broj okretaja motora ograničavajući maksimalnu vrijednost na 900.

Korak 3: Izgradnja platforme za bežičnu prijenosnu snagu

Danas postoje u osnovi dva načina napajanja uređaja koji se trebaju rotirati: klizni prstenovi ili bežični prijenos energije putem indukcijskih zavojnica. Kako su visokokvalitetni klizni prstenovi koji mogu podržati visoke okretaje obično vrlo skupi i skloniji trošenju, odlučio sam se za bežičnu opciju pomoću 5V bežičnog DC-DC pretvarača. Prema specifikacijama, trebalo bi omogućiti prijenos do 2 ampera pomoću takvog pretvarača.

Bežični DC-DC pretvarač sastoji se od dvije komponente, odašiljača i prijemnika. Imajte na umu da je tiskana ploča spojena na prijenosnu indukcijsku zavojnicu manja od one koja prima.

Sama platforma izgrađena je od komada starog drveta (250 x 180 x 18 mm).

Na platformu sam navukao napajanje Mean Well 12V. Izlaz od 12 V spojen je na ESC (pogledajte sheme u koraku 1) i PCB-u prijenosnog dijela bežičnog DC-DC pretvarača.

U priloženom Platform_Files.zip pronaći ćete dxf datoteke za lasersko izrezivanje platforme od šperploče debljine 3 mm:

• Platform_001.dxf i Platform_002.dxf: Morate ih postaviti jedno na drugo. Ovo će stvoriti udubljeno područje za prijenosnu indukcijsku zavojnicu.
• Magnet_Holder.dxf: Laserski izrežite ovaj dizajn tri puta. Jedan od tri puta uključi krug. U druge dvije laserske rezove: uklonite krug iz rezanja. Nakon rezanja, zalijepite tri komada zajedno kako biste stvorili držač za magnet (promjera 10 mm, debljine: 3 mm). Koristio sam super ljepilo za lijepljenje magneta u držač magneta. Obavezno zalijepite ispravnu stranu magneta na držač jer će Hall -ov senzor raditi samo s jednom stranom magneta.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Ovaj će vam komad pomoći da zadržite Hall -ov senzor priključen na upravljačku jedinicu motora na mjestu kao što je prikazano na prvoj slici.
• Platform_Drill_Template.dxf: Koristio sam ovaj komad kao predložak za bušenje rupa u komadu starog drveta. Četiri veće rupe od 6 mm služe za noseće navojne šipke promjera 6 mm za podupiranje platforme. Četiri manje rupe služe za pričvršćivanje motora bez četkica na komad starog drveta. Najveća rupa u sredini bila je potrebna za os koja je virila iz motora bez četkica. Budući da vijci za motor i navojne šipke za platformu moraju biti pričvršćeni na dnu platforme, potrebno je te rupe povećati za nekoliko mm dubine kako bi se matice mogle uklopiti.

Nažalost, vratilo motora bez četkica stršilo je s 'pogrešne' strane za ovaj projekt. Ali uspio sam preokrenuti vratilo uz pomoć sljedeće upute koju sam pronašao na Youtube -u:

Nakon što su motor i potporne šipke učvršćene, platforma se može izgraditi pomoću laserski izrezanih dijelova platforme. Sama platforma može se osigurati pomoću 8 matica M6. Nosač magneta može se zalijepiti za platformu na granici kao što je prikazano na prvoj slici.

Priložena datoteka "Bolt-On Adapter.stl" može se odštampati pomoću 3D štampača. Ovaj adapter je potreban za pričvršćivanje navojne šipke promjera 4 mm na motor bez četkica pomoću 3 x M2 vijka duljine 18 mm.

Korak 4: Rotirajuće kućište

Priloženi Base_Case_Files.zip sadrži dxf datoteke za lasersko izrezivanje 6 slojeva kako bi se konstruisalo kućište za komponente koje kontroliraju APA102C LED traku.

Slojevi 1-3 dizajna kućišta namijenjeni su za lijepljenje. Ali pazite da magnet (promjer 10 mm, visina: 3 mm) stavite u kružni izrez u sloju 2 prije lijepljenja tri sloja. Također se pobrinite da magnet bude zalijepljen ispravnim polom na dno, jer će senzor Hall efekta postavljen na platformu izgrađenu u koraku 3 reagirati samo na jednu stranu magneta.

Dizajn kućišta sadrži odjeljke za komponente navedene u priloženim shemama ožičenja. IC 74AHCT125 je potreban za pretvaranje 3.3V signala iz Teensyja u 5V signal potreban za APA102 LED traku. Slojevi 4 i 5 se takođe mogu zalijepiti. Gornji sloj 6 može se naslagati na ostale slojeve. Svi slojevi će ostati u ispravnom položaju uz pomoć 3 čelične šipke promjera 2 mm. Postoje tri male rupe za čelične šipke od 2 mm koje okružuju veću rupu za rotirajuću šipku s navojem od 4 mm pričvršćenu na motor bez četkica. Nakon što su sve komponente lemljene prema shemi, kompletno kućište može se staviti na adapter na vijak otisnut u koraku 3. Molimo provjerite jesu li sve otvorene žice pravilno izolirane pomoću termoskupljajućih cijevi. Imajte na umu da ispravno funkcioniranje Hall -ovog senzora u ovim koracima ovisi o magnetu postavljenom u držač magneta opisanom u koraku 3.

Priloženi dokaz konceptnog koda 3D_POV_POC.ino posvijetlit će neke LED diode crvenom bojom. Skica rezultira kvadratom koji se prikazuje kad cilindar počne rotirati. No, prije nego što rotiranje počne, LED diode koje su potrebne za simulaciju kvadrata uključene su prema zadanim postavkama. Ovo je korisno za provjeru ispravnog rada LED dioda u sljedećem koraku.

Korak 5: Rotirajući cilindar sa LED trakama

Priloženi Rotor_Cylinder_Files.zip sadrži dxf datoteke za rezanje akrilnog lima debljine 2 mm. Dobivenih 14 diskova potrebno je za izradu prozirnog cilindra za ovaj POV projekt. Diskove je potrebno naslagati jedan na drugi. Dizajn cilindričnih diskova omogućuje spajanje 12 LED traka zajedno kao jedna duga LED traka. Počevši od jednog diska, malu LED traku koja sadrži 6 LED dioda potrebno je pričvrstiti na disk pomoću ljepljivih naljepnica na LED traci. Lemite žice na LED traku prije nego pričvrstite LED trake na disk pomoću ljepljivih naljepnica. U suprotnom riskirate da će pištolj za lemljenje otopiti akrilni disk.

Nakon što se disk #13 naslaga na prozirni cilindar, čelična šipka od 2 mm koja se koristi za držanje svih slojeva u ispravnim položajima sada se također može rezati na pravu dužinu, poravnatu s vrhom diska #13 cilindra. Disk #14 se tada može koristiti za držanje čeličnih šipki od 2 mm na mjestu uz pomoć dvije matice M4.

Zbog količine vremena potrebnog za izgradnju cijelog uređaja, još nisam uspio programirati stabilnije vizualno zanimljive 3D zaslone u vremenskom okviru hackathona. To je i razlog zašto je priloženi kôd za kontrolu LED dioda i dalje vrlo jednostavan za dokazivanje koncepta, prikazujući za sada samo crveni kvadrat 3 dimenzionalno.

Korak 6: Naučene lekcije

Tinejdžeri 3.6

• Naručio sam Teensy 3.5 za ovaj projekt, ali mi je dobavljač greškom poslao Teensy 3.6. Budući da sam bio željan završiti projekt u vremenskom okviru hackathona, odlučio sam krenuti naprijed s Teensy 3.6. Razlog zašto sam htio koristiti Teensy 3.5 bio je zbog portova, oni su tolerantni na 5V. To nije slučaj sa Teensy 3.6. To je i razlog zašto sam morao u postavku uvesti dvosmjerni logički pretvarač. S Teensyjem 3.5 to ne bi bilo potrebno.
• Problem s pojačanjem napajanja: Prilikom uključivanja uređaja dolazi do povećanja napajanja putem bežičnog modula za punjenje dc-dc za napajanje uređaja Teensy 3.6. Nažalost, ubrzanje je presporo da bi se Teensy 3.6 ispravno pokrenuo. Kao zaobilazno rješenje trenutno moram uključiti Teensy 3.6 putem mikro USB veze, a zatim uključiti 12V napajanje koje napaja bežični dc-dc odašiljač. Nakon što bežični dc-dc prijemnik također napaja Teensy, mogu isključiti USB kabel. Ljudi su podijelili svoj hack s MIC803 zbog problema sa sporim povećanjem napajanja ovdje:

Modul LCD ekrana

Pogrešno ponašanje na vanjskom napajanju. Ekran radi ispravno kada se napaja putem USB -a. Ali kad uključim LCD ekran putem matične ploče pomoću 5 V koje isporučuje BEC ili neovisno napajanje, tekst se počinje kodirati nakon nekoliko sekundi nakon što se tekst trebao promijeniti. Moram još istražiti šta uzrokuje ovaj problem

Mehanički

Kako bih testirao svoju jedinicu kontrolera motora za mjerenje stvarnih okretaja, pustio sam motor da se okreće s vijkom na adapteru, vijkom i kućištem pričvršćenim na motor. Tijekom jednog od početnih probnih pokreta vijci koji povezuju držač motora s motorom odvrću se zbog vibracija. Srećom, na vrijeme sam primijetio ovaj problem pa je izbjegnuta potencijalna katastrofa. Riješio sam ovaj problem tako što sam malo čvršće pričvrstio vijke za motor, a također sam upotrijebio nekoliko kapi Loctite -a da još više pričvrstim vijke

Softver

Kada izvozite skice Fusion 360 kao dxf datoteke za laserski rezač, podržane linije se izvoze kao obične linije

Korak 7: Moguća poboljšanja

Šta bih uradio drugačije na osnovu iskustva stečenog na ovom projektu:

• Upotreba LED trake koja sadrži najmanje 7 LED dioda umjesto 6 LED dioda po sloju za neke ljepše tekstualne vizualizacije
• Kupite drugi motor bez četkica gdje osovina već strši na ispravnoj (donjoj) strani motora. (npr: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Ovo će vam uštedjeti probleme s rezanjem vratila ili guranjem vratila na ispravnu stranu kao ja morao uraditi sada.
• Potrošite više vremena na balansiranje uređaja kako biste smanjili vibracije, bilo mehaničke ili modelirajte ih u Fusion 360.

Razmišljao sam i o nekim potencijalnim poboljšanjima, koja bih mogao razmotriti ako vrijeme dopusti:

• Zapravo koristite funkciju SD kartice na Teensyju za stvaranje dužih animacija
• Povećajte gustoću snimanja pomoću manjih LED dioda (APA102 (C) 2020). Kad sam započeo ovaj projekt prije nekoliko tjedana, LED trake koje sadrže ove male LED diode (2x2 mm) nisu bile dostupne na tržištu. Moguće ih je kupiti kao zasebne SMD komponente, ali razmotrio bih ovu opciju samo ako ste voljni lemiti ove komponente na prilagođenom PCB -u.
• Bežično prenesite 3D slike na uređaj (Wifi ili Bluetooth). Ovo bi također trebalo omogućiti programiranje uređaja za vizualizaciju zvuka/muzike.
• Pretvorite Blender animacije u format datoteke koji se može koristiti s uređajem
• Stavite sve LED trake na osnovnu ploču i fokusirajte svjetlo na slojeve akrila. Na svakom drugom sloju mogu se ugravirati male površine koje reflektiraju svjetlost kada se izostave sa LED dioda. Svjetlost bi trebala biti fokusirana na urezana područja. To bi trebalo biti moguće stvaranjem tunela koji vodi svjetlost ili upotrebom sočiva na LED diodama za fokusiranje svjetla.
• Poboljšanje stabilnosti 3D volumetrijskog zaslona i regulacija brzine rotacije odvajanjem rotirajuće osnove od motora bez četkica pomoću zupčanika i razvodnog remena.

Korak 8: Isključite se

Želim se posebno zahvaliti sljedećim osobama:

• Moja fantastična supruga i kćerke, na podršci i razumijevanju.
• Teun Verkerk, što ste me pozvali na Hackathon
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri i Aidan Wyber, za vašu podršku, pomoć i smjernice u cijelom Hackatonu
• Luuk Meints, umjetnik i kolega sudionik ovog Hackatona koji je bio tako ljubazan da mi da lični 1 -satni uvodni kurs za Fusion 360 koji mi je omogućio da modeliram sve dijelove koji su mi bili potrebni za ovaj projekt.