Besedna ura, ki jo nadzira 114 servomotorjev: 14 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Projekti Fusion 360 »

Kaj ima 114 LED in vedno deluje? Kot morda veste, je odgovor besedna ura. Kaj ima 114 LED in 114 servomotorjev in se vedno premika? Odgovor je ta besedna ura s servo krmiljenjem.

Pri tem projektu sem se povezal s prijateljem, kar se je izkazalo za nujno zaradi velikega truda pri gradnji. Poleg tega sta se moja elektronska in njegova mehanska znanja precej dobro dopolnjevala. Ideja za to priredbo priljubljene besedne ure se je porodila, ko smo delali običajno kot božično darilo. Tam smo opazili, da je mogoče črke s hrbtne strani projicirati tudi na bel list papirja. Takrat je bila to le rešitev, s katero smo lahko prikrili našo neumnost, saj smo na koncu steklene plošče prilepili vinilsko nalepko s črkami. Nato smo opazili, da lahko pri upogibanju lista papirja dosežemo zanimive učinke, saj se črke spremenijo in postanejo zamegljene. To nam je dalo idejo, da bi naredili besedno uro, kjer so črke projicirane od zadaj na zaslon in jih je mogoče premikati naprej in nazaj, da spremenimo velikost projicirane slike. Sprva smo bili nekoliko zadržani pri gradnji tega projekta zaradi stroškov in truda, ki jih potrebuje, ko želite premakniti vsako od 114 črk posebej. Zato smo se zamislili, da bi naredili različico, kjer bi lahko vsako besedo, ki se uporablja za prikaz časa, premikali naprej in nazaj. Ko pa smo videli, da prihaja tekmovanje Epilog na Instructables, ki prosi za epske projekte, in tudi potem, ko smo našli relativno poceni servo motorje, smo se odločili, da gremo do konca in naredimo ustrezno različico, kjer vsako črko individualno nadzoruje servo.

POZOR: To ni enodnevna gradnja!

Za predstavitev prizadevanj, ki so bila vložena v ta projekt, upoštevajte naslednje številke. Končana ura vsebuje

• 798 posameznih 3D tiskanih modelov (skupni čas tiskanja ~ 200 ur)
• ~ 600 vijakov + ~ 250 matic in podložk
• ~ 500 žic (skupna dolžina ~ 50 m). Ne štejem žic, ki so bile že priključene na servomotorje.

1. korak: Oblikovanje

Ura je bila zasnovana z Autodesk Fusion 360 in Inventor. Kot lahko vidite, je ura sestavljena iz 114 nabiralnikov, ki jih premikajo linearni pogoni, ki jih poganjajo servo motorji. Vsak nabiralnik vsebuje LED, ki črko projicira na zadnjo stran zaslona iz bele PVC folije. Vse komponente so nameščene v lesenem okvirju.

2. korak: Zbiranje materialov

Elektronske komponente

114x mikro servo motorji SG90 (ebay.de)

Čeprav so bili servomotorji označeni z imenom priljubljene blagovne znamke "Tower Pro", so zagotovo cenejši udarci. Ker pa je cena udarca približno 1 EUR v primerjavi s 3 EUR za izvirnik, je celoten projekt bolj dostopen. Očitno tudi udarci črpajo manj toka (seveda to pomeni tudi manjši navor), kar je olajšalo iskanje ustreznega napajalnika za celoten projekt.

• 5 m LED trak WS2812B, 60 LED/m (ebay.de)
• 8x 16 Ch PWM servo gonilnik PCA9685 (ebay.de)
• DS3231 RTC modul (ebay.de)
• Arduino nano (ebay.de)
• VS1838B IR sprejemnik + daljinski upravljalnik (ebay.de)
• Napajanje 5 V, 10 A (ebay.de)
• 20x 15 cm servo podaljšek (ebay.de)
• kabel DC vtičnica do gole žice (conrad.de)
• 300-500 ohmski upor
• 1000 µF kondenzator (> 5 V)

Materiali za okvir

• lesene letvice

  • 2 kosa 40 x 10 x 497 mm
  • 2 kosa 12 x 12 x 461 mm
  • 2 kosa 12 x 12 x 20 mm

• multipleks

  • 2 kosa 12 x 77 x 481 mm
  • 2 kosa 12 x 84 x 489 mm
• bela PVC folija (700 x 1000 x 0,3 mm) (modulor.de)
• 500 x 500 mm HDF plošča, debela 3 mm

Vijaki, kabli itd

• 228x vijaki M2, dolžine 8 mm + podložke + šestrobe matice
• 228x samorezni vijaki M2.2, dolgi 6,5 mm
• različni vijaki za les
• 50 m, 0,22 mm2 (24 AWG) žice

Poleg tega je ta projekt zahteval obsežno 3D tiskanje in spajkanje. Zadnja plošča je bila izdelana z laserskim rezanjem. Okvir je bil izdelan s krožno žago, vbodno žago in vrtalnikom. Kot pri vsakem dostojnem projektu smo uporabili tudi veliko vročega lepila, tudi nekaj epoksidnega in plastičnega lepila.

Skupni stroški tega projekta so znašali približno 350 EUR.

3. korak: 3D natisnjene komponente

Škatle za pisma

Vsak nabiralnik je sestavljen iz 3D natisnjenega ovitka, ki deluje kot senčna maska, in osnovne plošče, na katero bo pritrjena LED. Osnovna plošča vključuje štiri zatiče za moznike, ki pomagajo pri poravnavi na pogon, in šest lukenj za napajanje skozi LED kable. Skupno je to 228 modelov, ki so bili vsi natisnjeni iz črnega PLA (Formfutura EasyFill PLA) z višino sloja 0,4 mm. Skupni čas tiskanja na mojem Anycubic Kossel Linear Plus je bil približno 23 ur za ovitke za črke in 10 ur za osnovne plošče. Vse datoteke stl najdete v priloženi datoteki zip.

Pogon

Oblikovanje pogona je bil prilagojen iz linearnega servo podaljška Roger Rabbit, ki je bil zelo koristen. Ker se deli tesno prilegajo, jih je treba natisniti na dostojnem 3D tiskalniku. Majhna višina plasti ni tako pomembna (0,2 mm je v redu) kot majhen premer šobe (priporočamo 0,4 mm). Deli morajo biti natisnjeni v prikazani orientaciji. Vsak pogon je sestavljen iz 5 posameznih delov, saj smo potrebovali 114 pogonov, kar skupaj pomeni 570 delov (!). Za njihovo tiskanje smo uporabili skupno moč več profesionalnih 3D tiskalnikov (Ultimaker S2+, Ultimaker S5, Lulzbot TAZ6, Sindoh 3D Wox DP200). Kljub temu smo imeli na delih veliko neuspešnih odtisov in priložil sem nekaj slik za vaše zabavo. Skupni čas tiskanja je bil približno 150 ur (!). Tudi datoteke stl lahko najdete v priloženi datoteki zip.

4. korak: Konstrukcija okvirja

Okvir je bil izdelan iz lesenih letvic in multiplex plošč. Deli so bili rezani s krožno žago in sestavljanko, nato pa jih pritrdili skupaj z lepilom za les in vijaki za les. Zgornji in spodnji pokrov sta bila obarvana tudi zaradi lepšega videza. Podroben opis delov, vključno z vsemi dimenzijami, najdete v priloženih risbah.

5. korak: Sestavljanje poštnih nabiralnikov

Sestavljanje nabiralnikov je bilo veliko dela in trajalo je zelo dolgo, zlasti spajkanje. To je zato, ker je treba vsak korak, ki ga naredite, ponoviti 114 -krat.

1. Iz LED traku izrežite 114 posameznih kosov
2. Kosite vse LED blazinice
3. Pritrdite vsako LED na 3D natisnjeno zadnjo stran nabiralnika. LED mora biti centrirana. Prav tako smo ga pritrdili z vročim lepilom.
4. Nato smo pripravili žice 3x114 = 442, to je rezanje po dolžini, odstranjevanje koncev in njihovo kositranje. Dolžina vsake žice je bila 10 cm, razen žic, ki povezujejo zadnjo črko s pikami, ki morajo biti daljše (~ 25 cm). Tudi žice, povezane s prvo črko, ki bo povezana z arduinom in napajanjem, bi morale biti daljše.
5. LED -diode v preskusni verigi z žicami. Žice se napajajo skozi luknje v 3D natisnjeni zadnji plošči vsakega nabiralnika.
6. Sprednji pokrov poštnega predala je bil pritrjen z lepilom
7. Deli linearnega stojala za pogon morajo biti zlepljeni skupaj
8. Linearno stojalo se z lepilom pritrdi na zadnjo stran nabiralnika

Korak 6: Sestavljanje aktuatorjev

Ponovno sestavljanje pogonov je bilo zelo dolgočasen postopek, ki je trajal dolgo.

1. Servo pritrdite na 3D tiskano ohišje s priloženimi vijaki
2. Okrogel zobnik je pritrjen na servo z uporabo priloženega plastičnega križa, vendar ga je treba najprej prerezati v obliki in ga z epoksidom pritrditi na orodje.
3. Z uporabo priloženega vijaka pritrdite orodje na servo
4. Pred vstavljanjem linearnega stojala je bil vsak servo nastavljen na enak položaj
5. Vstavljanje linearnega stojala z nabiralnikom
6. Vstavite dva šestkotna matica M2 v 3D natisnjeno ohišje, ki ju boste kasneje uporabili za pritrditev na hrbtno ploščo
7. Zaprite ohišje s 3D natisnjenim pokrovom s samoreznimi vijaki M2.2

Na koncu smo končali z velikim kosom neurejenih pogonov, kot je prikazano na zgornji sliki

7. korak: Izdelava zadnje plošče

Zadnja plošča je bila lasersko izrezana iz 3 mm debelega lesa HDF z uporabo laserskega rezalnika CO2 iz našega lokalnega proizvajalca. Sprva smo poskusili vezane plošče, vendar se je izkazalo, da je preveč krhka, da bi podprla težo vseh sestavnih delov. V tem primeru bi bilo še bolje uporabiti aluminij, vendar je seveda dražji in ga ni mogoče rezati s CO2 laserjem. Priložena je datoteka dxf za zadnjo ploščo.

8. korak: pritrdite komponente na hrbtno ploščo in ožičenje

Najprej je treba plošče PCA9685 pritrditi na hrbtno ploščo s pomočjo stojala za PCB. Nato lahko namestite modul Arduino nano in RTC, kot je prikazano na zgornji sliki. Za zadnja dva smo uporabili 3D tiskana držala, ki sta bila pritrjena z vročim lepilom. Komponente so bile povezane, kot je prikazano na shemi ožičenja. Upoštevajte, da je najbolje, da vsak PCA9685 napajate posebej prek priključnega bloka. Najprej smo marjetico priklenili tudi na priključke V+ in GND ter priključili samo priključni blok prve plošče (kot je predlagano na strani adafruit), vendar v tem primeru ves tok gre skozi prvo ploščo in na koncu smo zažgali MOSFET zaščitnega tokokroga za vzvratno vožnjo. Priložena je tudi preglednica, ki prikazuje kable servomotorjev. Podaljševalni kabli za servomotorje, kjer se uporabljajo, kadar je to potrebno. Upoštevajte, da morate vsakemu PCA9685 dodeliti različne naslove I2C, kot je razloženo na strani adafruit.

Pogon je bil nato pritrjen na hrbtno ploščo z vijaki 228x M2. Delo je bilo spet zelo monotono, vendar se je ura po zaključku že začela oblikovati. Poskušali smo tudi čim bolje organizirati servo kable, vendar je bilo na koncu ožičenje še vedno zelo neurejeno.

Napajanje je potekalo tako, da je kabel enosmernega toka napajal skozi zadnjo ploščo in ga priključil na priključni blok.

9. korak: pritrditev zadnje plošče na okvir

Ko so bile vse komponente nameščene in kabli organizirani, smo hrbtno ploščo pritrdili na okvir s pomočjo vijakov 6x M4. Žal smo pustili zelo malo prostora za namestitev vseh kablov, zato jih je bilo treba malo stisniti.

10. korak: Umerjanje servomotorjev

Ker je bila višina vseh poštnih nabiralnikov po montaži nekoliko drugačna, smo s priloženo kodo kalibrirali vse servomotorje, tako da imajo nabiralniki enake minimalne in največje položaje. Za največji položaj smo poskušali nabiralnik postaviti čim bližje zaslonu. Umerjeni položaji min/max za vsak servo se nato vnesejo v glavno kodo.

11. korak: nalaganje kode

Priložena je glavna koda besedne ure. Obstajajo tri vrste učinkov za prikaz časa.

1. Hitro premaknite vse črke nazaj (eno za drugo) in prižgite LED z enako naključno barvo. Nato hitro premaknite črke, ki prikazujejo čas, eno za drugo in vsako besedo osvetlite v naključni barvi.
2. Hitro premaknite vse črke nazaj (eno za drugo) in prižgite LED z enako naključno barvo. Počasi premaknite vsako besedo, ki prikazuje čas, naprej (vse črke hkrati) in zbledijo iz barve ozadja na naključno vrednost.
3. Hitro premaknite vse črke v naključni položaj (eno za drugo) in prižgite LED z različnimi naključnimi barvami. Nato počasi premaknite vse črke nazaj in zbledite barvo. Nadaljujte s 1. ali 2.

Želel sem tudi uresničiti učinek, pri katerem se pika, ki prikazuje trenutno minuto, postopoma premika naprej in zbledi, tako da je na koncu s pravilno barvo, ko je minuta končana. Žal mi še ni uspelo, ker se zdi, da se IR sprejemnik ne odziva.

12. korak: Pritrditev zaslona

Sprva smo želeli kot zaslon uporabiti belo tkanino. Težava je bila v tem, da se je tkanina, ko smo jo pritrdili na okvir, upognila na sredini in na koncu smo imeli popačenje v obliki igle. Nato smo se odločili, da za zaslon uporabimo tanko belo PVC folijo. Folija se oglašuje tudi za izdelavo senčnikov za svetilke, zato ima razumen prenos, vendar ni prosojna, zato črni nabiralniki ostanejo skriti. V prvem poskusu smo folijo pritrdili z epoksidom, vendar se ni dobro držala, zato smo prešli na vroče lepilo. Bodite previdni, da lahko lepilo, če je prevroče, dejansko stopi folijo. Odvečno folijo smo odstranili z natančnim nožem.

Korak: Namestitev zgornjega in spodnjega pokrova

Končno so bili obarvani leseni pokrovi pritrjeni na zgornji in spodnji del. Temna barva je lep kontrast z belim zaslonom. IR sprejemnik je dovodil skozi luknjo na zadnji plošči in ga z vročim lepilom pritrdil na zgornji pokrov.

Korak 14: Dokončana ura in povzetek

Po dveh mesecih intenzivnega dela je bila ura končno končana in deluje. Na splošno smo z rezultatom zelo zadovoljni. Premikanje črk za zaslonom v kombinaciji s spreminjanjem barv LED daje zelo kul videz. Na koncu črke niso bile popolnoma poravnane in zaslon ni bil 100% raven, vendar je zaradi tega skoraj videti še lepši. Vsekakor je mogoče izboljšati stvari, vendar mislim, da zaradi ogromnega truda te gradnje ne bo verzije 2.0, razen če naslednjič proizvodnjo prepustimo na Kitajsko.

Če vam je ta zgradba všeč in ste se uspeli pomakniti navzdol do dna, prosimo, glasujte za nas na natečaju Epilog.

Prva nagrada na tekmovanju Epilog X