Photonics Challenger: Transparent 3D volumetric POV (PHABLABS): 8 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:55

Pirms dažām nedēļām es saņēmu pēdējā brīža uzaicinājumu piedalīties PhabLabs Hackathon zinātnes centrā Delft Nīderlandē. Tādam entuziastiskam hobijam kā es, kurš parasti var veltīt tikai ierobežotu laiku mīklai, es to uztvēru kā lielisku iespēju ieplānot veltītu laiku, lai pārvērstu vienu no daudzajām idejām Hackathon: Photonics ietvaros. reāls projekts. Un ar lieliskajām iespējām Makerspace Zinātnes centrā Delft bija vienkārši neiespējami noraidīt šo uzaicinājumu.

Viena no idejām, kas man jau kādu laiku bija saistīta ar fotoniku, bija tā, ka es vēlos kaut ko darīt ar redzes noturību (POV). Tiešsaistē jau ir pieejami daudzi piemēri, kā izveidot pamata POV displeju, izmantojot dažus pamata komponentus: mikrokontrolleru, veco ventilatoru/cieto disku/motoru un vienu gaismas diodes virkni, kas savienota perpendikulāri rotējošās ierīces asij. Izmantojot salīdzinoši vienkāršu iestatīšanu, jūs jau varat izveidot iespaidīgu divdimensiju attēlu, piemēram:

Vēl viena POV displeju variācija savieno LED virkni paralēli rotējošās ierīces asij. Tā rezultātā tiks iegūts trīsdimensiju cilindrisks POV displejs, piemēram:

Tā vietā, lai savienotu LED virkni paralēli rotējošās ierīces asij, varat arī izlocīt LED virkni. Tā rezultātā tiks izveidots sfērisks (globuss) POV displejs, piemēram: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Nākamais līmenis ir vairāku slāņu LED virkņu izveidošana, lai izveidotu apjomīgu 3D displeju. Šeit ir daži šādu tilpuma 3D POV displeju piemēri, kurus es izmantoju kā iedvesmu šim konkrētajam projektam:

• 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…

Tā kā iepriekš minēto piemēru veidotāji sniedza ļoti noderīgu informāciju, bija daudz jēgas daļu projektu remiksēt. Bet, tā kā hakatonam vajadzētu būt izaicinošam, es arī nolēmu izveidot cita veida tilpuma 3D POV displeju. Daži no tiem izmantoja rotorus un daudz karstu līmi, lai komponenti netiktu lidoti apkārt. Citi savam projektam izveidoja pielāgotas PCB. Pārskatot dažus citus 3D POV projektus, es ieraudzīju vietu dažiem “jauninājumiem” vai ieviesu sev dažus izaicinājumus:

• Bez iepriekšējas pieredzes pielāgotu PCB izveidē un Hakatona laika ierobežojuma dēļ es izvēlos ievērot vienkāršāku prototipa pieeju. Bet tā vietā, lai izveidotu faktiskos rotorus, man bija interesanti, kā šāds tilpuma 3D POV displejs izskatītos, izmantojot cilindru, kas izgatavots no akrila plastmasas slāņiem.
• Nelietojiet vai minimāli izmantojiet karstu līmi, lai padarītu ierīci mazāk bīstamu

1. darbība. Izmantotie materiāli un instrumenti

Motora kontrolierim

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Mazs maizes dēlis
• 3144 Halles efekta slēdža sensors
• Magnēts ar diametru: 1 cm, augstums: 3 mm
• Pārslēgšanas slēdzis - MTS -102
• 10K potenciometrs
• Dupont Jumper vadi
• 16 x M5 uzgriežņi
• LCD displeja modulis ar zilu apgaismojumu (HD44780 16 × 2 rakstzīmes)
• 10K rezistors - uzvilkšanas rezistors zāles efekta sensoram
• 220 omu rezistors - LCD ekrāna kontrasta kontrolei
• Vītņotā stieņa diametrs: 5 mm
• Saplāksnis, biezums: 3 mm

Platformas pamatnei

• Koka lūžņu gabals (250 x 180 x 18 mm)
• Vidējais urbums - 12V 4,2A - Pārslēgšanas barošanas avots LRS -50-12
• Barošanas kabelis 220V
• DC -DC bezvadu pārveidotājs - 5V 2A (raidītājs)
• Turnigy D2836/8 1100KV Brushless Outrunner Motor
• Turnigy Plush 30amp ātruma regulators W/BEC
• Termināļu bloku savienotāji
• 12 x M6 uzgriežņi platformas nostiprināšanai, izmantojot vītņotos stieņus ar 6 mm diametru.
• 3 x M2 skrūves (18 mm garumā), lai piestiprinātu pieskrūvējamo adapteri pie motora bez suku
• 4 x M3 uzgriežņi un skrūves motora bez suku nostiprināšanai pie koka lūžņiem
• Vītņstieņa diametrs: 6 mm (4 x garums 70 mm)
• Vītņstieņa diametrs: 4 mm (1 x garums 80 mm)
• Saplāksnis, biezums: 3 mm

Rotējošam korpusam

• DC -DC bezvadu pārveidotājs - 5V 2A (uztvērējs)
• 3D drukāts skrūves adapteris (PLA kvēldiegs, balts)
• Teensy 3.6
• IC 74AHCT125 četrloģikas līmeņa pārveidotājs/pārslēdzējs (no 3V līdz 5V)
• 10K rezistors - uzvilkšanas rezistors zāles efekta sensoram
• 1000uF 16V kondensators
• Vītņstieņa diametrs 4 mm
• Magnēts ar diametru: 1 cm, augstums: 3 mm
• Saplāksnis, biezums: 3 mm
• Saplāksnis, biezums: 2 mm
• Akrila loksne, biezums: 2 mm
• Tērauda stieņa diametrs: 2 mm
• Uzgriežņi un skrūves
• 0,5 metru ledjosla APA102C 144 gaismas diodes / metrs

Izmantotie instrumenti

• Merlin lāzera griezējs M1300 - saplāksnis un akrila loksnes griešana
• Ultimaker 2+ skrūvju adaptera 3D drukāšanai
• Lodēšanas stacija un lodēt
• Galda urbis
• Skrūvgrieži
• Plyers
• Āmurs
• Suports
• Zāģis
• Uzgriežņu atslēgas
• Termiski saraušanās caurules

Izmantotā programmatūra

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE un Teensyduino (satur Teensy Loader)

2. solis: motora vadības bloks, lai regulētu rotācijas ātrumu

Motora vadības ierīce nosūta signālu elektroniskajam ātruma regulatoram Turnigy (ESC), kas kontrolēs ar suku nesaturošā apgriezienu skaitu.

Turklāt es vēlējos arī parādīt POV cilindra faktisko apgriezienu skaitu minūtē. Tāpēc esmu nolēmis motora vadības blokā iekļaut halles efekta sensoru un 16x2 LCD displeju.

Pievienotajā zip failā (MotorControl_Board.zip) jūs atradīsit trīs dxf failus, kas ļaus jums sagriezt vienu pamatplāksni un divas augšējās plāksnes motora vadības blokam. Lūdzu, izmantojiet saplāksni, kura biezums ir 3 mm. Abas augšējās plāksnes var novietot viena virs otras, kas ļaus ieskrūvēt 16x2 LCD displeju.

Divi caurumi augšējā plāksnē ir paredzēti vienam ieslēgšanas/izslēgšanas pārslēgšanas slēdzim un vienam potenciometram, lai kontrolētu bezsuku motora ātrumu (es vēl neesmu vadījis ieslēgšanas/izslēgšanas pārslēgšanas slēdzi). Lai izveidotu motora vadības bloku, jums jāzāģē vītņstieņa diametrs 5 mm 4 vēlamā augstuma gabalos. Izmantojot 8 M5 uzgriežņus, vispirms varat piestiprināt pamatni. Tad es piestiprināju mazo maizes dēli pie pamatnes, izmantojot abpusējo līmes uzlīmi, kas tika piegādāta kopā ar maizi. Pievienotajā shēmā parādīts, kā savienot komponentus, lai tie darbotos ar šim solim pievienoto avota kodu (MotorControl.ino). Zāles sensoram esmu izmantojis 10K pacelšanas rezistoru. 220 omu rezistors darbojās pietiekami labi, lai teksts būtu redzams LCD ekrānā.

Lūdzu, pārliecinieties, ka zāles efekta sensora tapas ir izolētas, izmantojot termiski saraušanās caurules, kā parādīts attēlos. Zāles sensora pareiza darbība būs atkarīga no magnēta, kas tiks ievietots rotējošajā korpusā 3. darbībā.

Kad elektroinstalācija ir pabeigta, jūs varat nostiprināt 2 augšējās plāksnes ar LCD displeju, slēdzi un potenciometru, atkal izmantojot 8 M5 uzgriežņus, kā parādīts attēlos.

Atkarībā no izmantotā motora modeļa, iespējams, jums būs jāpielāgo šāda koda rindiņa failā MotorControl.ino:

droseļvārsts = karte (vidējiPotValue, 0, 1020, 710, 900);

Šī koda rinda (176. rinda) kartē 10K potenciometra stāvokli ar ESC signālu. ESC pieņem vērtību no 700 līdz 2000. Un, kad šim projektam izmantotais motors sāka griezties ap 823, es ierobežoju motora apgriezienus, ierobežojot maksimālo vērtību līdz 900.

3. darbība: platformas izveide bezvadu pārraides jaudai

Mūsdienās ir divi rotējošu ierīču barošanas veidi: slīdgredzeni vai jaudas pārraide bez vadiem, izmantojot indukcijas spoles. Tā kā augstas kvalitātes slīdēšanas gredzeni, kas var atbalstīt augstu apgriezienu skaitu, parasti ir ļoti dārgi un vairāk pakļauti nodilumam, es izvēlējos bezvadu iespēju, izmantojot 5V bezvadu līdzstrāvas pārveidotāju. Saskaņā ar specifikācijām, izmantojot šādu pārveidotāju, vajadzētu būt iespējai pārsūtīt līdz 2 ampēriem.

Bezvadu līdzstrāvas pārveidotājs sastāv no diviem komponentiem-raidītāja un uztvērēja. Lūdzu, ņemiet vērā, ka PCB, kas savienots ar raidīšanas indukcijas spoli, ir mazāks nekā uztverošais.

Pati platforma ir veidota, izmantojot koka lūžņus (250 x 180 x 18 mm).

Uz platformas es pieskrūvēju Mean Well 12V barošanas avotu. 12 V izeja ir savienota ar ESC (skatiet shēmas 1. solī) un bezvadu līdzstrāvas pārveidotāja raidīšanas daļas PCB.

Pievienotajā Platform_Files.zip atrodat dxf failus, lai izgrieztu platformu no saplākšņa, kura biezums ir 3 mm:

• Platform_001.dxf un Platform_002.dxf: tie ir jānovieto viens otram. Tādējādi tiks izveidota padziļināta zona pārraides indukcijas spolei.
• Magnet_Holder.dxf: Laserizgrieziet šo dizainu trīs reizes. Vienā no trim reizēm iekļaujiet apli. Pārējos divos griezumos: noņemiet apli no griešanas. Pēc griešanas pielīmējiet trīs gabalus kopā, lai izveidotu magnēta turētāju (diametrs 10 mm, biezums: 3 mm). Magnēta turētājā izmantoju superlīmi, lai pielīmētu magnētu. Lūdzu, pārliecinieties, ka pielīmējat magnēta pareizo pusi, jo zāles sensors darbosies tikai ar vienu magnēta pusi.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Šis gabals palīdzēs jums noturēt zāles sensoru, kas piestiprināts pie motora vadības bloka, kā parādīts pirmajā attēlā.
• Platform_Drill_Template.dxf: Es izmantoju šo gabalu kā veidni, lai urbtu caurumus koka lūžņu gabalā. Četri lielāki 6 mm caurumi ir paredzēti atbalsta vītņstieņiem ar diametru 6 mm, lai atbalstītu platformu. 4 mazākie caurumi ir paredzēti, lai bezsuku motoru nostiprinātu pie koka lūžņiem. Lielākais caurums vidū bija vajadzīgs asij, kas izcēlās no sukas nesaturošā motora. Tā kā motora skrūves un platformas vītņotie stieņi ir jānostiprina platformas apakšā, šie caurumi ir jāpalielina dažu mm dziļumā, lai uzgriežņi varētu iekļauties.

Diemžēl bezsuku motora vārpsta šim projektam iestrēga no “nepareizās” puses. Bet es varēju mainīt vārpstu, izmantojot šādu instrukciju, ko atradu vietnē Youtube:

Kad motors un atbalsta stieņi ir nostiprināti, platformu var uzbūvēt, izmantojot lazergriezuma platformas gabalus. Platformu var nostiprināt, izmantojot 8 M6 uzgriežņus. Magnēta turētāju var pielīmēt pie platformas pie robežas, kā parādīts pirmajā attēlā.

Pievienoto failu "Bolt-On Adapter.stl" var izdrukāt, izmantojot 3D printeri. Šis adapteris ir nepieciešams, lai ar suku nesaturošu motoru piestiprinātu 4 mm diametra vītņstieni, izmantojot 3 x M2 skrūves, kuru garums ir 18 mm.

4. solis: rotējošs korpuss

Pievienotajā Base_Case_Files.zip ir dxf faili 6 slāņu griešanai ar lāzeru, lai izveidotu korpusu komponentiem, kas kontrolē APA102C vadīto sloksni.

Korpusa dizaina slāņi 1-3 ir paredzēti salīmēšanai. Bet, lūdzu, pārliecinieties, ka 2. slāņa apļveida izgriezumā ir ievietots magnēts (diametrs 10 mm, augstums: 3 mm) pirms trīs slāņu salīmēšanas. Pārliecinieties arī, vai magnēts ir pielīmēts ar pareizo polu apakšā, jo zāles efekta sensors, kas novietots uz platformas, kas uzbūvēta 3. solī, reaģēs tikai uz vienu magnēta pusi.

Korpusa konstrukcijā ir nodalījumi komponentiem, kas uzskaitīti pievienotajā elektroinstalācijas shēmā. IC 74AHCT125 ir nepieciešams, lai pārvērstu 3,3 V signālu no Teensy uz 5 V signālu, kas nepieciešams APA102 vadītajai joslai. 4. un 5. slāni var arī salīmēt kopā. Virsējo slāni var uzlikt uz pārējiem slāņiem. Visi slāņi paliks pareizajā stāvoklī, izmantojot 3 tērauda stieņus, kuru diametrs ir 2 mm. Ir trīs mazi caurumi 2 mm tērauda stieņiem, kas ieskauj lielāku caurumu rotējošam 4 mm vītņstieņam, kas piestiprināts pie sukas nesaturoša motora. Kad visas detaļas ir pielodētas saskaņā ar shēmu, visu korpusu var uzlikt uz skrūvējamā adaptera, kas izdrukāts 3. solī. Lūdzu, pārliecinieties, vai visi atvērtie vadi ir pareizi izolēti, izmantojot termiski saraušanās caurules. Lūdzu, ņemiet vērā, ka pareizā halles sensora darbība šajās darbībās ir atkarīga no magnēta, kas ievietots magnēta turētājā, kā aprakstīts 3. solī.

Pievienotais koncepcijas koda 3D_POV_POC.ino apliecinājums dažus gaismas diodes iedegs sarkanā krāsā. Pēc skices, kad cilindrs sāk griezties, tiek parādīts kvadrāts. Bet pirms rotācijas sākuma gaismas diodes, kas nepieciešamas kvadrāta simulēšanai, pēc noklusējuma ir ieslēgtas. Tas ir noderīgi, lai nākamajā darbībā pārbaudītu gaismas diožu pareizu darbību.

5. solis: rotējošs cilindrs ar LED sloksnēm

Pievienotajā Rotor_Cylinder_Files.zip ir dxf faili 2 mm biezas akrila loksnes griešanai. Rezultātā iegūtie 14 diski ir nepieciešami, lai izveidotu caurspīdīgu cilindru šim POV projektam. Diski ir jāuzliek viens otram. Cilindrisko disku dizains ļauj 12 ledus sloksnes pielodēt kopā kā vienu garu vadu sloksni. Sākot no viena diska, pie diska jāpiestiprina neliela led sloksne, kurā ir 6 gaismas diodes, izmantojot līmplēves uzlīmes. Lodējiet vadus pie LED sloksnes, pirms pievienojat sloksnes pie diska, izmantojot līmes uzlīmes. Pretējā gadījumā jūs riskējat, ka lodēšanas pistole izkausēs akrila disku.

Kad disks Nr. 13 ir uzlikts uz caurspīdīgā cilindra, 2 mm tērauda stieni, ko izmantoja, lai visus slāņus noturētu pareizajās pozīcijās, tagad var sagriezt arī pareizajā garumā, izlīdzinot to ar cilindra diska #13 augšdaļu. Pēc tam disku #14 var izmantot, lai noturētu 2 mm tērauda stieņus vietā, izmantojot divus M4 uzgriežņus.

Tā kā visas ierīces uzbūvēšanai nepieciešamais laiks, es vēl neesmu varējis ieprogrammēt stabilākus vizuāli interesantus 3D displejus hakatona laikā. Tas ir arī iemesls, kāpēc norādītais LED vadības kods joprojām ir ļoti vienkāršs, lai pierādītu koncepciju, pagaidām izmēros parādot tikai sarkanu kvadrātu 3.

6. darbība: gūtās atziņas

Teensy 3.6

• Šim projektam es pasūtīju Teensy 3.5, bet piegādātājs man kļūdaini nosūtīja Teensy 3.6. Tā kā es vēlējos pabeigt projektu hakatona laikā, es nolēmu virzīties uz priekšu ar Teensy 3.6. Iemesls, kāpēc es vēlējos izmantot Teensy 3.5, bija ostu dēļ, tāpēc tās ir izturīgas pret 5 V spriegumu. Tas tā nav gadījumā ar Teensy 3.6. Tas ir arī iemesls, kāpēc man bija jāievieš divvirzienu loģikas pārveidotājs. Ar Teensy 3.5 tas nebūtu bijis nepieciešams.
• Jaudas palielināšanas problēma: ieslēdzot ierīci, izmantojot bezvadu līdzstrāvas uzlādes moduli, tiek palielināta strāva, lai barotu Teensy 3.6. Diemžēl uzbrauktuve ir pārāk lēna, lai Teensy 3.6 varētu pareizi startēt. Kā risinājums man pašlaik ir jāieslēdz Teensy 3.6, izmantojot mikro USB savienojumu, un pēc tam jāpievieno 12 V barošanas avots, kas baro bezvadu līdzstrāvas raidītāju. Kad bezvadu līdzstrāvas uztvērējs arī piegādā strāvu Teensy, es varu atvienot USB kabeli. Cilvēki ir dalījušies savā uzlaušanā ar MIC803 par lēnas jaudas palielināšanas problēmu šeit:

LCD ekrāna modulis

Nepareiza uzvedība uz ārējo spēku. Ekrāns darbojas pareizi, ja tiek darbināts, izmantojot USB. Bet, kad es baroju LCD ekrānu, izmantojot maizes dēli, izmantojot 5 V, ko piegādā BEC, vai neatkarīgu barošanas avotu, teksts sāk sajaukt pēc dažām sekundēm pēc tam, kad teksts ir jāmaina. Man vēl ir jāizpēta, kas izraisa šo problēmu

Mehānisks

Lai pārbaudītu savu motora kontrollera bloku, lai izmērītu faktiskos apgriezienus, es ļauju motoram griezties ar adaptera skrūvi, skrūvi un pamatnes korpusu, kas piestiprināts pie motora. Vienā no sākotnējiem testiem skrūves, kas savieno motora turētāju ar motoru, vibrāciju dēļ atskrūvējas. Par laimi es pamanīju šo problēmu savlaicīgi, tāpēc tika novērsta iespējamā katastrofa. Es atrisināju šo problēmu, nedaudz pieskrūvējot skrūves motoram, kā arī izmantoju dažus pilienus Loctite, lai vēl vairāk nostiprinātu skrūves

Programmatūra

Eksportējot Fusion 360 skices kā lāzera griezēja dxf failus, atbalsta līnijas tiek eksportētas kā parastas līnijas

7. darbība. Iespējamie uzlabojumi

Ko es būtu darījis citādi, pamatojoties uz pieredzi, ko ieguvu ar šo projektu:

• Izmantojot LED sloksni, kurā ir vismaz 7 gaismas diodes, nevis 6 gaismas diodes vienā slānī, lai iegūtu labākas teksta vizualizācijas
• Pērciet citu motoru bez birstēm, kur vārpsta jau ir izvirzīta uz pareizā (apakšējā) motora sāna. (piemēram: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Tas ietaupīs jūs, sagriežot vārpstu vai stumjot vārpstu uz pareizo pusi, kā es bija jādara tagad.
• Pavadiet vairāk laika ierīces līdzsvarošanai, lai samazinātu vibrācijas, vai nu mehāniskas, vai modelējiet to Fusion 360.

Esmu arī domājis par dažiem iespējamiem uzlabojumiem, kurus es varētu izskatīt, ja laiks ļaus:

• Faktiski izmantojot SD kartes funkcionalitāti Teensy, lai izveidotu garākas animācijas
• Palieliniet attēlveidošanas blīvumu, izmantojot mazākas gaismas diodes (APA102 (C) 2020). Kad pirms dažām nedēļām uzsāku šo projektu, tirgū nebija viegli pieejamas LED sloksnes, kas satur šos mazos gaismas diodes (2x2 mm). Tos ir iespējams iegādāties kā atsevišķus SMD komponentus, taču es apsvērtu šo iespēju tikai tad, ja esat gatavs lodēt šos komponentus uz pielāgotas PCB.
• Pārsūtiet 3D attēlus bezvadu režīmā uz ierīci (Wifi vai Bluetooth). Tam vajadzētu arī ļaut ieprogrammēt ierīci skaņas/mūzikas vizualizēšanai.
• Pārvērtiet Blender animācijas faila formātā, ko var izmantot kopā ar ierīci
• Uzlieciet visas led sloksnes uz pamatnes un fokusējiet gaismu uz akrila slāņiem. Uz katra slāņa var iegravēt nelielas vietas, lai atstarotu gaismu, kad tās netiek izlaistas no gaismas diodēm. Gaismai jābūt vērstai uz iegravētajām vietām. Tam vajadzētu būt iespējai, izveidojot tuneli, kas vada gaismu, vai izmantojot gaismas diodes, lai fokusētu gaismu.
• 3D tilpuma displeja stabilitātes uzlabošana un rotācijas ātruma regulēšana, atdalot rotējošo pamatni no motora bez suku, izmantojot pārnesumus un zobsiksnu.

8. solis: kliedziet

Es vēlos īpaši pateikties šādām personām:

• Mana fantastiskā sieva un meitas par atbalstu un sapratni.
• Teun Verkerk, par uzaicināšanu uz Hakatonu
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri un Aidan Wyber, par jūsu atbalstu, palīdzību un norādījumiem visā Hackaton
• Luuks Meints, mākslinieks un šī Hakatona dalībnieks, kurš bija tik laipns, lai man dotu personisku 1 stundas ievadkursu Fusion 360, kas ļāva man modelēt visas detaļas, kas man bija nepieciešamas šim projektam.