„Photonics Challenger“: skaidrus 3D tūrinis POV (PHABLABS): 8 žingsniai (su paveikslėliais)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Prieš kelias savaites gavau paskutinės minutės kvietimą dalyvauti „PhabLabs Hackathon“Delfto mokslo centre Olandijoje. Tokiam entuziastingam mėgėjui, kaip aš, kuris paprastai gali skirti tik ribotą laiką mąstymui, supratau, kad tai puiki proga skirti tam skirtą laiką ir paversti vieną iš daugelio mano idėjų „Hackathon: Photonics“srityje. tikras projektas. Turint puikias patalpas „Delft“mokslo centro „Makerspace“, buvo tiesiog neįmanoma atsisakyti šio kvietimo.

Viena iš idėjų, kurią jau kurį laiką turėjau, susijusi su fotonika, buvo ta, kad norėjau kažką nuveikti su regėjimo pastovumu (POV). Internete jau yra daugybė pavyzdžių, kaip sukurti pagrindinį POV ekraną naudojant kai kuriuos pagrindinius komponentus: mikrovaldiklį, seną ventiliatorių/standųjį diską/variklį ir vieną šviesos diodų eilutę, prijungtą statmenai besisukančio įrenginio ašiai. Su gana paprasta sąranka jau galite sukurti įspūdingą 2 matmenų vaizdą, pvz.:

Kitas POV ekranų variantas jungia šviesos diodų eilę, lygiagrečią besisukančio prietaiso ašiai. Dėl to atsiras trimatis cilindrinis POV ekranas, pvz.:

Užuot prijungę šviesos diodų eilę lygiagrečiai su besisukančio prietaiso ašimi, taip pat galite išlenkti LED eilutę. Dėl to bus sukurtas sferinis (rutulio) POV ekranas, pvz.: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Kitas lygis-sukurti kelis sluoksnius vedamų stygų, kad būtų sukurtas tūrinis 3D ekranas. Štai keletas tokių tūrinių 3D POV ekranų pavyzdžių, kuriuos aš įkvėpiau šiam konkrečiam projektui:

• 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…

Kadangi aukščiau pateiktų pavyzdžių kūrėjai pateikė labai naudingos informacijos, buvo labai prasminga remiksuoti jų projektų dalis. Bet kadangi „Hackathon“turėtų būti sudėtingas, aš taip pat nusprendžiau sukurti kitokio tipo tūrinį 3D POV ekraną. Kai kurie iš jų naudojo rotorius ir daug karštų klijų, kad komponentai neskraidytų. Kiti savo projektui sukūrė pasirinktines PCB. Peržiūrėjęs kai kuriuos kitus 3D POV projektus, pamačiau erdvę kai kurioms „naujovėms“arba iškėliau sau tam tikrų iššūkių:

• Neturėdamas išankstinės patirties kuriant pritaikytas PCB ir dėl „Hackathon“laiko ribojimo nusprendžiu vadovautis paprastesniu prototipo metodu. Tačiau užuot sukūręs tikrus rotorius, man buvo įdomu, kaip atrodys toks tūrinis 3D POV ekranas, kai naudojamas cilindras, pagamintas iš akrilo plastiko sluoksnių.
• Nenaudokite arba minimaliai naudokite karštus klijus, kad prietaisas taptų mažiau pavojingas

1 žingsnis: naudojamos medžiagos ir įrankiai

Variklio valdikliui

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Maža duonos lenta
• 3144 „Hall Effect“jungiklio jutiklis
• Magnetas su skersmeniu: 1 cm, aukštis: 3 mm
• Perjungimo jungiklis - MTS -102
• 10K potenciometras
• Dupont Jumper laidai
• 16 x M5 veržlės
• LCD ekrano modulis su mėlynu apšvietimu (HD44780 16 × 2 simboliai)
• 10K rezistorius - ištraukiamas rezistorius salės efekto jutikliui
• 220 omų rezistorius - skirtas valdyti LCD ekrano kontrastą
• Sriegio strypo skersmuo: 5 mm
• Fanera, storis: 3 mm

Dėl platformos pagrindo

• Medžio laužo gabalas (250 x 180 x 18 mm)
• Vidutinis šulinys - 12V 4,2A - perjungimo maitinimo šaltinis LRS -50-12
• Maitinimo laidas 220V
• DC -DC belaidis keitiklis - 5V 2A (siųstuvas)
• Turnigy D2836/8 1100KV variklis be šepetėlių
• „Turnigy Plush“30 amperų greičio reguliatorius su BEC
• Gnybtų blokų jungtys
• 12 x M6 veržlės platformai pritvirtinti naudojant 6 mm skersmens srieginius strypus.
• 3 x M2 varžtai (18 mm ilgio), skirti pritvirtinti adapterį prie variklio be šepetėlių
• 4 x M3 veržlės ir varžtai, skirti pritvirtinti variklį be šepetėlių prie medžio laužo
• Sriegio strypo skersmuo: 6 mm (4 x ilgis 70 mm)
• Sriegio strypo skersmuo: 4 mm (1 x ilgis 80 mm)
• Fanera, storis: 3 mm

Besisukančiam korpusui

• DC -DC belaidis keitiklis - 5V 2A (imtuvas)
• 3D spausdintas varžtas ant adapterio (PLA gija, balta)
• Paauglystė 3.6
• IC 74AHCT125 keturių loginių lygių keitiklis/perjungiklis (nuo 3V iki 5V)
• 10K rezistorius - ištraukiamas rezistorius salės efekto jutikliui
• 1000uF 16V kondensatorius
• Sriegio strypo skersmuo 4 mm
• Magnetas su skersmeniu: 1 cm, aukštis: 3 mm
• Fanera, storis: 3 mm
• Fanera, storis: 2 mm
• Akrilo lakštas, storis: 2 mm
• Plieno strypo skersmuo: 2 mm
• Veržlės ir varžtai
• 0,5 metro LED juostelė APA102C 144 šviesos diodai / metras

Naudojami įrankiai

• „Merlin“lazerinis pjoviklis M1300 - lazeriu pjaustoma fanera ir akrilo lakštas
• „Ultimaker 2+“, skirtas „3D“spausdinti varžto adapterį
• Litavimo stotis ir lydmetalis
• Stalo gręžtuvas
• Atsuktuvai
• Plyers
• Plaktukas
• Apkaba
• Pjūklas
• Veržliarakčiai
• Termiškai susitraukiantis vamzdis

Naudota programinė įranga

• „Fusion 360“
• Ultimaker Cura
• „Arduino IDE“ir „Teensyduino“(kuriuose yra „Teensy Loader“)

2 žingsnis: variklio valdymo blokas sukimosi greičiui reguliuoti

Variklio valdymo blokas siunčia signalą į elektroninį Turnigy greičio reguliatorių (ESC), kuris valdys besisukančių variklių sukimosi skaičių.

Be to, aš taip pat norėjau, kad būtų galima parodyti faktinius POV cilindro apsisukimus per minutę. Štai kodėl nusprendžiau į variklio valdymo bloką įtraukti salės efekto jutiklį ir 16x2 skystųjų kristalų ekraną.

Pridedamame zip faile (MotorControl_Board.zip) rasite tris dxf failus, kurie leis jums iškirpti vieną pagrindo plokštę ir dvi viršutines plokštes variklio valdikliui. Naudokite 3 mm storio fanerą. Dvi viršutinės plokštės gali būti dedamos viena ant kitos, todėl galėsite įsukti 16x2 skystųjų kristalų ekraną.

Dvi skylės viršutinėje plokštėje yra skirtos vienam įjungimo/išjungimo jungikliui ir vienam potenciometrui, skirtu valdyti bešepetėlio variklio greitį (aš dar nesu prijungęs įjungimo/išjungimo jungiklio). Norėdami sukonstruoti variklio valdymo bloką, 5 mm skersmens srieginį strypą reikia pjauti į 4 norimo aukščio dalis. Naudodami 8 M5 veržles, pirmiausia galite pritvirtinti pagrindą. Tada pritvirtinau mažą duonos lentelę prie pagrindo plokštės, naudodamas dvipusį lipnią lipduką, kuris buvo pateiktas kartu su duonos lenta. Pridedamoje schemoje parodyta, kaip prijungti komponentus, kad jie veiktų su prie šio veiksmo pridėtu šaltinio kodu (MotorControl.ino). Salės jutikliui naudojau 10K traukimo varžą. 220 omų rezistorius veikė pakankamai gerai, kad tekstas būtų matomas LCD ekrane.

Būtinai izoliuokite salės efekto jutiklio kaiščius, naudodami termiškai susitraukiančius vamzdelius, kaip parodyta paveikslėliuose. Tinkamas salės jutiklio veikimas priklausys nuo magneto, kuris bus dedamas į besisukantį dėklą 3 žingsnyje.

Užbaigus laidus, 2 viršutines plokštes galite pritvirtinti LCD ekranu, jungikliu ir potenciometru, naudodami dar 8 M5 veržles, kaip parodyta paveikslėliuose.

Atsižvelgiant į naudojamo variklio modelį, gali tekti pakoreguoti šią kodo eilutę „MotorControl.ino“faile:

droselis = žemėlapis (vidurkisPotValue, 0, 1020, 710, 900);

Ši kodo eilutė (176 eilutė) susieja 10K potenciometro padėtį su ESC signalu. ESC priima vertę nuo 700 iki 2000. Ir kai variklis, kurį naudoju šiam projektui, pradėjo suktis apie 823, aš apribojau variklio apsisukimų skaičių, apribodamas maksimalią vertę iki 900.

3 žingsnis: sukurkite belaidžio perdavimo galios platformą

Šiuo metu iš esmės yra du būdai, kaip įjungti įrenginius, kuriuos reikia pasukti: slydimo žiedai arba energijos perdavimas belaidžiu būdu per indukcines ritines. Kadangi aukštos kokybės slydimo žiedai, galintys palaikyti didelius apsisukimus, yra labai brangūs ir labiau linkę nusidėvėti, aš pasirinkau belaidį variantą, naudojant 5 V belaidį DC-DC keitiklį. Pagal specifikacijas naudojant tokį keitiklį turėtų būti įmanoma perduoti iki 2 amperų.

Belaidį DC-DC keitiklį sudaro du komponentai: siųstuvas ir imtuvas. Atminkite, kad prie perdavimo indukcinės ritės prijungta PCB yra mažesnė nei priimanti.

Pati platforma yra pagaminta iš medžio laužo (250 x 180 x 18 mm).

Ant platformos užsukau 12 V maitinimo šaltinį „Mean Well“. 12 V išėjimas yra prijungtas prie ESC (žr. Schemas 1 žingsnyje) ir belaidžio DC-DC keitiklio perduodančios dalies PCB.

Pridėtame „Platform_Files.zip“rasite dxf failus, skirtus išpjauti platformą iš 3 mm storio faneros:

• Platform_001.dxf ir Platform_002.dxf: juos reikia sudėti vienas ant kito. Taip bus sukurta įleidžiama indukcinės ritės sritis.
• „Magnet_Holder.dxf“: tris kartus iškirpkite šį dizainą. Vieną iš trijų kartų įtraukite apskritimą. Kituose dviejuose kirpimuose: pašalinkite apskritimą nuo pjovimo. Po pjovimo suklijuokite tris dalis, kad sukurtumėte magneto laikiklį (skersmuo 10 mm, storis: 3 mm). Magnetui priklijuoti magneto laikiklyje naudojau superklijus. Įsitikinkite, kad prie laikiklio priklijuojate tinkamą magneto pusę, nes salės jutiklis veiks tik su viena magneto puse.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Šis gabalas padės jums išlaikyti salės jutiklį, pritvirtintą prie variklio valdymo bloko, kaip parodyta pirmame paveikslėlyje.
• Platform_Drill_Template.dxf: Aš panaudojau šį gabalą kaip šabloną gręždamas skylutes medžio laužo gabalėlyje. Keturios didesnės 6 mm skylės skirtos atraminiams srieginiams strypams, kurių skersmuo 6 mm, platformai palaikyti. 4 mažesnės skylės yra skirtos varikliui be šepetėlių pritvirtinti prie medžio laužo. Didžiausia skylė viduryje buvo reikalinga ašiai, kuri išlindo iš variklio be šepetėlių. Kadangi variklio varžtai ir platformos srieginiai strypai turi būti pritvirtinti ant platformos apačios, būtina tas skylutes keliolikos mm gylio padidinti, kad veržlės tilptų.

Deja, šepetėlio neturinčio variklio velenas šiam projektui iškrito iš „neteisingos“pusės. Bet aš galėjau pakeisti veleną naudodamas šią instrukciją, kurią radau „Youtube“:

Kai variklis ir atraminiai strypai yra pritvirtinti, platformą galima sukonstruoti naudojant lazerinio pjovimo platformos dalis. Pati platforma gali būti pritvirtinta naudojant 8 M6 veržles. Magneto laikiklį galima priklijuoti prie platformos prie sienos, kaip parodyta pirmoje nuotraukoje.

Pridedamą failą „Bolt-On Adapter.stl“galima atspausdinti naudojant 3D spausdintuvą. Šis adapteris yra būtinas norint pritvirtinti 4 mm skersmens srieginį strypą prie variklio be šepetėlių, naudojant 3 x M2 varžtus, kurių ilgis 18 mm.

4 žingsnis: besisukantis korpusas

Pridedamame „Base_Case_Files.zip“yra dxf failai, skirti lazeriu perpjauti 6 sluoksnius, kad būtų sukurtas korpusas komponentams, valdantiems APA102C LED juostą.

Korpuso dizaino 1-3 sluoksniai yra skirti klijuoti. Tačiau prieš klijuodami tris sluoksnius įsitikinkite, kad magnetas (skersmuo 10 mm, aukštis: 3 mm) įdėtas į 2 sluoksnio apskritą išpjovą. Taip pat įsitikinkite, kad magnetas su tinkamu poliu priklijuotas apačioje, nes salės efekto jutiklis, pastatytas ant 3 žingsnyje sukonstruotos platformos, reaguos tik į vieną magneto pusę.

Korpuso konstrukcijoje yra skyriai komponentams, išvardytiems pridedamose laidų schemose. IC 74AHCT125 reikalingas 3,3 V signalui iš „Teensy“paversti į 5 V signalą, reikalingą APA102 LED juostai. 4 ir 5 sluoksnius taip pat galima klijuoti kartu. Viršutinis sluoksnis 6 gali būti sukrautas ant kitų sluoksnių. Visi sluoksniai liks teisingoje padėtyje, naudojant 3 plieninius strypus, kurių skersmuo yra 2 mm. Yra trys mažos skylės 2 mm plieniniams strypams, supančios didesnę skylę besisukančiam 4 mm srieginiam strypui, pritvirtintam prie variklio be šepetėlių. Kai visi komponentai bus lituojami pagal schemą, visą dėklą galima uždėti ant varžto pritvirtinto adapterio, atspausdinto 3 veiksme. Įsitikinkite, kad visi atviri laidai yra tinkamai izoliuoti naudojant termiškai susitraukiančius vamzdžius. Atminkite, kad teisingas šių žingsnių salės jutiklio veikimas priklauso nuo magneto, įdėto į magneto laikiklį, aprašytą 3 veiksme.

Pridėtas koncepcijos kodo 3D_POV_POC.ino įrodymas kai kuriuos šviesos diodus apšvies raudonai. Eskizas parodo kvadratą, kai cilindras pradeda suktis. Tačiau prieš pradedant sukimąsi, pagal numatytuosius nustatymus įjungiami šviesos diodai, reikalingi kvadratui imituoti. Tai naudinga norint patikrinti, ar tinkamai veikia šviesos diodai kitame etape.

5 žingsnis: sukite cilindrą su LED juostelėmis

Pridedamame „Rotor_Cylinder_Files.zip“yra dxf failai, skirti 2 mm storio akrilo lakštui pjaustyti. Gauti 14 diskų yra būtini norint sukurti skaidrų cilindrą šiam POV projektui. Diskai turi būti sukrauti vienas ant kito. Cilindrinių diskų konstrukcija leidžia 12 ledinių juostų sulituoti kartu kaip vieną ilgą LED juostą. Pradedant nuo vieno disko, prie disko reikia pritvirtinti mažą LED juostą, kurioje yra 6 šviesos diodai, naudojant lipnius lipdukus. Prieš pritvirtindami ledines juosteles prie disko, naudodami lipnius lipdukus, lituokite laidus prie LED juostos. Priešingu atveju rizikuojate, kad litavimo pistoletas ištirps akrilo diską.

Kai diskas Nr. 13 yra sukrautas ant skaidraus cilindro, 2 mm plieno strypas, naudojamas visų sluoksnių laikymui teisingoje padėtyje, dabar taip pat gali būti supjaustytas reikiamo ilgio, suderintas su cilindro #13 disko viršumi. Diskas Nr. 14 gali būti naudojamas 2 mm plieniniams strypams laikyti, naudojant dvi M4 veržles.

Kadangi laiko, reikalingo visam įrenginiui sukonstruoti, dar nepavyko užprogramuoti stabilesnių vizualiai įdomių 3D ekranų per hakatono laikotarpį. Tai taip pat yra priežastis, kodėl pateiktas šviesos diodų valdymo kodas vis dar yra labai paprastas koncepcijai įrodyti, kol kas matmenimis rodantis tik raudoną 3 kvadratą.

6 žingsnis: išmoktos pamokos

Paauglystė 3.6

• Aš užsakiau „Teensy 3.5“šiam projektui, tačiau tiekėjas per klaidą atsiuntė „Teensy 3.6“. Kadangi norėjau užbaigti projektą per hakatono laikotarpį, nusprendžiau žengti pirmyn su „Teensy 3.6“. Priežastis, kodėl norėjau naudoti „Teensy 3.5“, buvo dėl prievadų, jie yra atsparūs 5 V įtampai. „Teensy 3.6“atveju taip nėra. Tai taip pat yra priežastis, kodėl turėjau įdiegti dviejų krypčių loginį keitiklį. Naudojant „Teensy 3.5“to nebūtų reikėję.
• „Power Ramp Up“problema: įjungus įrenginį, belaidis nuolatinės srovės įkrovimo modulis įjungia maitinimo įtampą, kad įjungtų „Teensy 3.6“. Deja, pakilimas yra per lėtas, kad „Teensy 3.6“galėtų tinkamai paleisti. Kaip išeitis, šiuo metu turiu įjungti „Teensy 3.6“per mikro USB jungtį ir prijungti 12 V maitinimo šaltinį, maitinantį belaidį nuolatinės srovės siųstuvą. Kai belaidis nuolatinės srovės imtuvas taip pat tiekia maitinimą „Teensy“, galiu atjungti USB kabelį. Žmonės pasidalino savo įsilaužimu su MIC803 dėl lėtos galios didinimo problemos čia:

LCD ekrano modulis

Neteisingas elgesys su išorine galia. Ekranas veikia tinkamai, kai maitinamas per USB. Bet kai įjungiu LCD ekraną per duonos lentą, naudodamas BEC tiekiamą 5 V įtampą arba nepriklausomą maitinimo šaltinį, tekstas pradeda maišytis po kelių sekundžių po to, kai tekstas turėtų pasikeisti. Man dar reikia ištirti, kas sukelia šią problemą

Mechaninis

Norėdami išbandyti savo variklio valdiklio bloką, kad galėčiau išmatuoti faktinius apsisukimus, aš leidžiu varikliui suktis su varžtu ant adapterio, varžtu ir pagrindo korpusu, pritvirtintu prie variklio. Vieno iš pradinių bandymų metu varžtai, jungiantys variklio laikiklį prie variklio, dėl vibracijos atsisuka. Laimei, aš laiku pastebėjau šią problemą, todėl buvo išvengta galimos nelaimės. Aš išsprendžiau šią problemą, šiek tiek priverždamas varžtus prie variklio, taip pat kelis lašus „Loctite“, kad varžtai būtų dar labiau pritvirtinti

Programinė įranga

Kai eksportuojate „Fusion 360“eskizus kaip dxf failus lazeriniam pjaustytuvui, pagalbinės linijos eksportuojamos kaip įprastos linijos

7 žingsnis: galimi patobulinimai

Ką būčiau daręs kitaip, remdamasis šio projekto patirtimi:

• Naudojant šviesos diodų juostą, kurioje yra ne mažiau kaip 7 šviesos diodai, o ne 6 šviesos diodai kiekviename sluoksnyje, gaunamos geresnės tekstinės vizualizacijos
• Pirkite kitą variklį be šepetėlių, kai velenas jau išsikiša į tinkamą (apatinę) variklio pusę. (pvz.: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Taip sutaupysite problemų, nukirpdami veleną arba pastumdami veleną į teisingą pusę, kaip aš turėjo padaryti dabar.
• Daugiau laiko skirkite prietaiso subalansavimui, kad sumažintumėte vibraciją, tiek mechaninę, tiek modeliuotą „Fusion 360“.

Aš taip pat galvojau apie kai kuriuos galimus patobulinimus, kuriuos galėčiau išnagrinėti, jei laikas leis:

• Faktinis „Teensy“SD kortelės funkcionalumo naudojimas kuriant ilgesnes animacijas
• Padidinkite vaizdų tankį naudodami mažesnius šviesos diodus (APA102 (C) 2020). Kai prieš kelias savaites pradėjau šį projektą, rinkoje nebuvo lengvai prieinamos šviesos diodų juostos, kuriose yra šie nedideli (2x2 mm) šviesos diodai. Galima juos nusipirkti kaip atskirus SMD komponentus, tačiau aš apsvarstyčiau šią parinktį tik tuo atveju, jei norite lituoti šiuos komponentus pagal pasirinktą PCB.
• Perkelkite 3D vaizdus belaidžiu būdu į įrenginį („Wi -Fi“arba „Bluetooth“). Tai taip pat turėtų sudaryti galimybę užprogramuoti įrenginį garso/muzikos vizualizavimui.
• Konvertuokite „Blender“animacijas į failo formatą, kurį galima naudoti su įrenginiu
• Įdėkite visas šviesos diodų juosteles ant pagrindo plokštės ir nukreipkite šviesą į akrilo sluoksnius. Ant kiekvieno skirtingo sluoksnio gali būti išgraviruoti nedideli plotai, atspindintys šviesą, kai jie nėra išmetami iš lempučių. Šviesa turėtų būti nukreipta į išgraviruotas vietas. Tai turėtų būti įmanoma sukuriant tunelį, nukreipiantį šviesą, arba naudojant šviesos diodų lęšius šviesai sufokusuoti.
• Patobulintas 3D tūrinio ekrano stabilumas ir sukimosi greičio reguliavimas, atskiriant besisukantį pagrindą nuo variklio be šepetėlių, naudojant krumpliaračius ir paskirstymo diržą.

8 žingsnis: šaukite

Ypatingai noriu padėkoti šiems asmenims:

• Mano fantastiška žmona ir dukros, už palaikymą ir supratimą.
• Teun Verkerk, už tai, kad pakvietė mane į Hakatoną
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri ir Aidan Wyber, už jūsų paramą, pagalbą ir patarimus visoje „Hackaton“
• Luukas Meintsas, menininkas ir šio „Hackaton“dalyvis, kuris buvo toks malonus, kad man surengė asmeninį 1 valandos įvadinį „Fusion 360“kursą, kuris leido man sumodeliuoti visas dalis, kurių man reikėjo šiam projektui.