Photonics Challenger: Transparentni 3D volumetrični POV (PHABLABS): 8 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Pred nekaj tedni sem v zadnjem trenutku prejel povabilo k sodelovanju na PhabLabs hackathonu v Science Centru Delft na Nizozemskem. Za navdušenega hobista, kot sem jaz, ki običajno lahko porabi le omejeno količino časa za petljanje, sem to videl kot odlično priložnost, da določim nekaj namenskega časa, da eno od mojih številnih zamisli, v okviru Hackathona: Photonics, spremenim v dejanski projekt. In z odličnimi prostori v Makerspaceu v Znanstvenem centru Delft je bilo preprosto nemogoče zavrniti to vabilo.

Ena od idej, ki sem jih že nekaj časa imel v zvezi s fotoniko, je bila, da želim nekaj narediti s Persistence of Vision (POV). Na spletu je na voljo že na stotine primerov, kako z osnovnimi komponentami sestaviti osnovni zaslon POV: mikrokrmilnik, stari ventilator/trdi disk/motor in en niz LED, ki so pravokotno na os vrtljive naprave. Z relativno preprosto nastavitvijo lahko že ustvarite impresivno dvodimenzionalno sliko, na primer:

Druga različica prikazovalnikov POV povezuje niz LED, vzporednih z osjo vrtljive naprave. To bo povzročilo tridimenzionalni cilindrični zaslon POV, na primer:

Namesto da niz svetilk povežete vzporedno z osjo vrteče se naprave, lahko tudi zasukate niz LED. To bo povzročilo sferičen (globus) POV zaslon, npr.: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Naslednja raven je izdelava več plasti LED nizov za ustvarjanje volumetričnega 3D prikaza. Tukaj je nekaj primerov takšnih volumetričnih 3D POV zaslonov, ki sem jih uporabil kot navdih za ta poseben 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…

Ker so ustvarjalci zgornjih primerov dali zelo koristne informacije, je bilo smiselno, da se deli njihovih projektov ponovno premešajo. Ker pa naj bi bil Hackathon izziv, sem se odločil tudi za izdelavo drugačne vrste volumetričnega 3D POV zaslona. Nekateri so uporabljali rotorje in veliko vročega lepila, da komponente niso letele. Drugi so za svoj projekt ustvarili PCB -je po meri. Po pregledu nekaterih drugih projektov 3D POV sem videl prostor za nekaj »inovacij« ali pa sam uvedel nekaj izzivov:

• Brez predhodnih izkušenj pri ustvarjanju prilagojenih PCB -jev in zaradi časovne omejitve Hackathona se odločim za bolj osnovni pristop prototipa. Namesto ustvarjanja dejanskih rotorjev me je zanimalo, kako bi izgledal tak volumetrični 3D POV zaslon, ko bi uporabili valj, izdelan iz plasti akrilne plastike.
• Nobena uporaba ali pa minimalna uporaba vročega lepila, da bi bila naprava manj nevarna

1. korak: Uporabljeni materiali in orodja

Za krmilnik motorja

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Majhna deska
• 3144 Senzor stikala Hall Hall Effect
• Magnet s premerom: 1 cm, višina: 3 mm
• Preklopno stikalo - MTS -102
• 10K potenciometer
• Mostične žice Dupont
• 16 x matice M5
• Modul LCD zaslona z modro osvetlitvijo ozadja (HD44780 16 × 2 znaka)
• 10K upor - izvlecite upor za Hall -ov senzor
• 220Ohm upor - za nadzor kontrasta LCD zaslona
• Premer navojne palice: 5 mm
• Vezan les, debelina: 3 mm

Za osnovo platforme

• Kos odpadnega lesa (250 x 180 x 18 mm)
• Mean Well - 12V 4.2A - Stikalno napajanje LRS -50-12
• Napajalni kabel 220V
• Brezžični pretvornik DC -DC - 5V 2A (oddajnik)
• Turnigy D2836/8 1100KV brezkrtačni motor za prehitevanje
• Krmilnik hitrosti Turnigy Plush 30amp W/BEC
• Konektorji priključnih sponk
• 12 x matice M6 za pritrditev platforme z navojnimi palicami s premerom 6 mm.
• 3 x vijaki M2 (dolžina 18 mm) za pritrditev vijačnega adapterja na motor brez krtačk
• 4 x M3 matice in vijaki za pritrditev brezkrtačnega motorja na kos odpadnega lesa
• Premer navojne palice: 6 mm (4 x dolžina 70 mm)
• Premer navojne palice: 4 mm (1 x dolžina 80 mm)
• Vezan les, debelina: 3 mm

Za vrtljivo ohišje

• Brezžični pretvornik DC -DC - 5V 2A (sprejemnik)
• 3D natisnjen vijak na adapterju (PLA nit, bela)
• Najstniški 3.6
• IC 74AHCT125 Quad Logic Level Converter/Shifter (3V do 5V)
• 10K upor - izvlecite upor za Hall -ov senzor
• 1000uF 16V kondenzator
• Premer navojne palice 4 mm
• Magnet s premerom: 1 cm, višina: 3 mm
• Vezan les, debelina: 3 mm
• Vezan les, debelina: 2 mm
• Akrilna folija, debelina: 2 mm
• Premer jeklene palice: 2 mm
• Matice in vijaki
• 0,5 metra led trak APA102C 144 LED / meter

Uporabljena orodja

• Merlinski laserski rezalnik M1300 - Lasersko rezanje vezanega lesa in akrilne pločevine
• Ultimaker 2+ za 3D tiskanje adapterja Bolt On
• Spajkalna postaja in spajkanje
• Namizni vrtalnik
• Izvijači
• Klešče
• Kladivo
• Čeljust
• Ročna žaga
• Ključi
• Termoskrčljive cevi

Uporabljena programska oprema

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE in Teensyduino (ki vsebuje Teensy Loader)

Korak: Enota krmilnika motorja za regulacijo hitrosti vrtenja

Enota za krmiljenje motorja pošilja signal do elektronskega krmilnika hitrosti Turnigy (ESC), ki bo nadzoroval število vrtljajev motorja brez krtačk.

Poleg tega sem želel prikazati tudi dejanske vrtljaje cilindra POV na minuto. Zato sem se odločil, da v krmilno enoto motorja vključim senzor Hallovega učinka in LCD zaslon 16x2.

V priloženi datoteki zip (MotorControl_Board.zip) boste našli tri datoteke dxf, ki vam bodo omogočile lasersko rezanje ene osnovne plošče in dveh zgornjih plošč za krmilno enoto motorja. Uporabite vezane plošče debeline 3 mm. Dve zgornji plošči sta lahko nameščeni drug na drugega, kar vam bo omogočilo privijanje 16 -palčnega LCD zaslona.

Dve luknji na zgornji plošči sta namenjeni za eno stikalo za vklop/izklop in en potenciometer za nadzor hitrosti brezkrtačnega motorja (stikala za vklop/izklop še nisem ožičil). Za izdelavo krmilne enote motorja morate navojno palico s premerom 5 mm razrezati na 4 kose želene višine. Z 8 maticami M5 lahko najprej pritrdite podlago. Nato sem majhno ploščo pritrdil na osnovno ploščo z dvostransko lepilno nalepko, ki je priložena plošči. Priložena shema prikazuje, kako priključite komponente tako, da lahko deluje z izvorno kodo (MotorControl.ino), priloženo temu koraku. Za senzor Hall sem uporabil 10K vlečni upor. 220 ohmski upor je deloval dovolj dobro, da je bilo besedilo vidno na LCD zaslonu.

Prosimo, da izolirate nožice senzorja za Hall -ov učinek z uporabo toplotno skrčljivih cevi, kot je prikazano na slikah. Za pravilno delovanje hallovega senzorja bo odvisen magnet, ki bo v 3. koraku postavljen v vrtljivo ohišje.

Ko je ožičenje končano, lahko pritrdite 2 zgornji plošči z LCD zaslonom, stikalom in potenciometrom z uporabo 8 matic M5, kot je prikazano na slikah.

V čakanju na model vašega uporabljenega motorja boste morda morali prilagoditi naslednjo vrstico kode v datoteki MotorControl.ino:

dušilec = zemljevid (povprečnoPotValue, 0, 1020, 710, 900);

Ta vrstica kode (vrstica 176) preslika položaj 10K potenciometra v signal za ESC. ESC sprejme vrednost med 700 in 2000. In ker se je motor, ki sem ga uporabil za ta projekt, začel vrteti okoli 823, sem omejil število vrtljajev motorja z omejitvijo največje vrednosti na 900.

3. korak: Izdelava platforme za brezžično oddajno moč

Danes obstajata dva načina napajanja naprav, ki se morajo vrteti: drsni obroči ali brezžični prenos moči preko indukcijskih tuljav. Ker so visokokakovostni drsni obroči, ki podpirajo visoke vrtljaje, ponavadi zelo dragi in bolj nagnjeni k obrabi, sem se odločil za brezžično možnost z uporabo 5V brezžičnega pretvornika DC-DC. V skladu s specifikacijami bi bilo treba s takšnim pretvornikom omogočiti prenos do 2 amperov.

Brezžični DC-DC pretvornik je sestavljen iz dveh komponent, oddajnika in sprejemnika. Upoštevajte, da je tiskano vezje, priključeno na oddajno indukcijsko tuljavo, manjše od tistega, ki sprejema.

Platforma je zgrajena iz kosa odpadnega lesa (250 x 180 x 18 mm).

Na platformi sem privijal napajalnik Mean Well 12V. 12V izhod je priključen na ESC (glej sheme v 1. koraku) in na tiskano vezje oddajnega dela brezžičnega pretvornika DC-DC.

V priloženi datoteki Platform_Files.zip najdete datoteke dxf za lasersko izrezovanje platforme iz vezanega lesa debeline 3 mm:

• Platform_001.dxf in Platform_002.dxf: postaviti ju morate drug na drugega. To bo ustvarilo vdolbino za oddajno indukcijsko tuljavo.
• Magnet_Holder.dxf: To zasnovo lasersko izrežite trikrat. Eden od treh krat vključite krog. V drugih dveh laserskih odsekih: odstranite krog, da ga ne izrežete. Po rezanju zlepite tri kose skupaj, da ustvarite držalo za magnet (premer 10 mm, debelina: 3 mm). Za lepljenje magneta v držalo za magnet sem uporabil superlepilo. Poskrbite, da boste pravilno držalo magneta prilepili na držalo, saj bo hallovo tipalo delovalo samo z eno stranjo magneta.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Ta del vam bo pomagal ohraniti hodnikov senzor, pritrjen na krmilno enoto motorja, kot je prikazano na prvi sliki.
• Platform_Drill_Template.dxf: Ta kos sem uporabil kot predlogo za vrtanje lukenj v kosu ostankov lesa. Štiri večje 6 -milimetrske luknje so za nosilne navojne palice s premerom 6 mm za podporo platformi. 4 manjše luknje so za pritrditev brezkrtačnega motorja na kos odpadnega lesa. Največja luknja na sredini je bila potrebna za os, ki je štrlela iz motorja brez krtačk. Ker je treba vijake za motor in navojne palice za ploščad pritrditi na dno ploščadi, je treba te luknje povečati za nekaj mm globoko, da se lahko prilegajo matice.

Žal brezkrtačnega motorja je za ta projekt štrlelo z "napačne" strani. A gred sem lahko obrnil s pomočjo naslednjih navodil, ki sem jih našel na Youtube:

Ko sta motor in podporne palice zavarovane, je mogoče ploščad sestaviti z deli lasersko izrezane ploščadi. Platformo je mogoče zavarovati z 8 maticami M6. Nosilec magneta lahko prilepite na ploščad na meji, kot je prikazano na prvi sliki.

Priloženo datoteko "Bolt-On Adapter.stl" lahko natisnete s 3D-tiskalnikom. Ta adapter je potreben za pritrditev navojne palice s premerom 4 mm na brezkrtačni motor z uporabo 3 x vijakov M2 dolžine 18 mm.

4. korak: vrtljivo ohišje

Priloženi Base_Case_Files.zip vsebuje datoteke dxf za lasersko rezanje 6 slojev za izdelavo ohišja za komponente, ki nadzorujejo LED trak APA102C.

Plasti 1-3 zasnove ohišja so namenjene lepljenju. Prosimo, da se prepričate, da je magnet (premer 10 mm, višina: 3 mm) vstavljen v krožni izrez v sloju 2, preden zlepite tri plasti skupaj. Prepričajte se tudi, da je magnet pritrjen s pravilnim polom na dno, saj se senzor Hallovega učinka, nameščen na ploščadi, zgrajeni v 3. koraku, odziva le na eno stran magneta.

Zasnova ohišja vsebuje predelke za komponente, navedene v priloženih shemah ožičenja. IC 74AHCT125 je potreben za pretvorbo 3.3V signala iz Teensyja v 5V signal, potreben za trak APA102. Plasti 4 in 5 lahko tudi zlepimo skupaj. Zgornji sloj 6 je mogoče naložiti na druge plasti. Vse plasti bodo ostale v pravilnem položaju s pomočjo 3 jeklenih palic s premerom 2 mm. Obstajajo tri majhne luknje za 2 mm jeklene palice, ki obdajajo večjo luknjo za vrtljivo 4 mm navojno palico, pritrjeno na motor brez krtač. Ko so vse komponente spajkane v skladu s shemo, lahko celotno ohišje namestite na vijačni adapter, natisnjen v 3. koraku. Prepričajte se, da so vse odprte žice ustrezno izolirane s toplotno skrčljivimi cevmi. Upoštevajte, da je pravilno delovanje hallovega senzorja pri teh korakih odvisno od magneta, ki je nameščen v nosilcu magneta, opisanega v 3. koraku.

Priloženi dokaz konceptne kode 3D_POV_POC.ino bo osvetlil nekatere LED diode v rdeči barvi. Skica povzroči, da se kvadrat prikaže, ko se valj začne vrteti. Toda pred začetkom vrtenja se LED diode, ki so potrebne za simulacijo kvadrata, privzeto vklopijo. To je v pomoč pri preverjanju pravilnega delovanja LED v naslednjem koraku.

5. korak: Vrteč se valj z LED trakovi

Priloženi Rotor_Cylinder_Files.zip vsebuje datoteke dxf za rezanje 2 mm debele akrilne pločevine. Nastalih 14 diskov je potrebno za izdelavo prozornega cilindra za ta projekt POV. Diske je treba zložiti drug na drugega. Zasnova cilindričnih diskov omogoča spajkanje 12 LED trakov skupaj kot enega dolgega LED traku. Od diska enega je treba na disk pritrditi majhen LED trak, ki vsebuje 6 LED, z lepilnimi nalepkami na traku LED. Najprej spajkajte žice na LED trak, preden lepilne trakove pritrdite na disk z lepilnimi nalepkami. V nasprotnem primeru tvegate, da bo spajkalna pištola stopila akrilno ploščo.

Ko je disk #13 zložen na prozoren valj, lahko 2 -milimetrsko jekleno palico, ki ohranja vse plasti v pravilnih položajih, razrežete tudi na pravo dolžino, poravnano z vrhom diska #13 jeklenke. Disk #14 lahko nato uporabite za pritrditev 2 mm jeklenih palic na mestu z dvema maticama M4.

Ker časa, potrebnega za izdelavo celotne naprave, še nisem uspel programirati stabilnejših vizualno zanimivih 3D prikazov v časovnem okviru hackathona. To je tudi razlog, zakaj je priložena koda za nadzor LED še vedno zelo osnovna za dokazovanje koncepta, saj zaenkrat prikazuje le rdeč kvadrat 3 dimenzijsko.

6. korak: Naučene lekcije

Najstniški 3.6

• Za ta projekt sem naročil Teensy 3.5, vendar mi je dobavitelj pomotoma poslal Teensy 3.6. Ker sem si želel dokončati projekt v časovnem okviru hackathona, sem se odločil, da nadaljujem s Teensy 3.6. Razlog, zakaj sem hotel uporabiti Teensy 3.5, so bila vrata, ki so tolerantna na 5V. To ne velja za Teensy 3.6. To je tudi razlog, da sem moral v nastavitev uvesti dvosmerni logični pretvornik. Pri Teensyju 3.5 to ne bi bilo potrebno.
• Težava pri povečanju moči: Ko vklopite napravo, se prek brezžičnega polnilnega modula dc-dc poveča napajanje za napajanje Teensy 3.6. Na žalost je povečanje prepočasno, da bi se Teensy 3.6 pravilno zagnal. Kot rešitev sem trenutno vklopil Teensy 3.6 prek povezave micro USB in nato priključil 12V napajalnik, ki napaja brezžični dc-dc oddajnik. Ko brezžični dc-dc sprejemnik napaja tudi Teensy, lahko odklopim kabel USB. Ljudje so svoj kramp delili z MIC803 zaradi počasnega povečevanja porabe energije tukaj:

Modul LCD zaslona

Nenormalno vedenje pri zunanjem napajanju. Zaslon deluje pravilno, če ga napajate prek USB -ja. Ko pa napajam LCD zaslon prek plošče s pomočjo 5 V, ki ga dobavlja BEC, ali neodvisnim napajalnikom, se besedilo začne kodirati po nekaj sekundah po tem, ko naj bi se besedilo spremenilo. Še vedno moram raziskati, kaj povzroča to težavo

Mehanski

Da bi preizkusil svojo krmilno enoto motorja za merjenje dejanskih vrtljajev, sem pustil, da se motor vrti z vijakom na adapterju, vijakom in ohišjem, pritrjenim na motor. Med enim od začetnih preskusov se vijaki, ki povezujejo nosilec motorja z motorjem, odvijejo zaradi vibracij. Na srečo sem to težavo opazil pravočasno, zato sem se izognil morebitni katastrofi. To težavo sem rešil tako, da sem nekoliko močneje privijal vijake na motor in uporabil tudi nekaj kapljic Loctite, da bi še bolj pritrdil vijake

Programska oprema

Ko izvozite skice Fusion 360 kot datoteke dxf za laserski rezalnik, se podporne črte izvozijo kot običajne vrstice

7. korak: Možne izboljšave

Kaj bi na podlagi izkušenj, pridobljenih s tem projektom, naredil drugače:

• Uporaba ledenega traku, ki vsebuje vsaj 7 LED namesto 6 LED na plast, za nekaj boljših vizualnih vizualizacij
• Kupite drug motor brez krtačk, kjer gred že štrli na pravilno (spodnjo) stran motorja. (npr.: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Tako boste prihranili težave pri rezanju gredi ali potiskanju gredi na pravo stran, tako kot jaz je bilo treba storiti zdaj.
• Več časa porabite za uravnoteženje naprave, da zmanjšate vibracije, bodisi mehanske bodisi jih modelirajte v Fusion 360.

Razmišljal sem tudi o nekaterih možnih izboljšavah, na katere bi lahko pogledal, če bo čas dopuščal:

• Dejansko z uporabo kartice SD na Teensyju ustvarite daljše animacije
• Povečajte gostoto slikanja z uporabo manjših LED diod (APA102 (C) 2020). Ko sem pred nekaj tedni začel s tem projektom, led trakovi s temi majhnimi LED diodami (2x2 mm) niso bili na voljo na trgu. Možno jih je kupiti kot ločene komponente SMD, vendar bi to možnost upošteval le, če ste pripravljeni te komponente spajkati na tiskano vezje po meri.
• Brezžično prenesite 3D slike v napravo (Wifi ali Bluetooth). To naj bi omogočilo tudi programiranje naprave za vizualizacijo zvoka/glasbe.
• Pretvorite animacije mešalnika v obliko datoteke, ki jo lahko uporabljate z napravo
• Vse led trakove položite na osnovno ploščo in svetlobo usmerite na plasti akrila. Na vsakem posameznem sloju so lahko vgravirana majhna območja, ki odbijajo svetlobo, če jih izpustimo z LED. Svetloba mora biti osredotočena na vgravirana območja. To bi moralo biti mogoče z ustvarjanjem tunela, ki vodi svetlobo, ali z uporabo leč na svetilkah za fokusiranje svetlobe.
• Izboljšanje stabilnosti 3D volumetričnega zaslona in regulacija hitrosti vrtenja z ločevanjem vrtljivega dna od motorja brez krtačk z uporabo zobnikov in zobatega jermena.

8. korak: Izklopite

Še posebej bi se rad zahvalil naslednjim osebam:

• Moja fantastična žena in hčere, za podporo in razumevanje.
• Teun Verkerk, ker ste me povabili na Hackathon
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri in Aidan Wyber za vašo podporo, pomoč in vodenje po Hackatonu
• Luuk Meints, umetnik in sodelavec tega Hackatona, ki je bil tako prijazen, da mi je dal osebni 1 -urni uvodni tečaj hitrosti v Fusion 360, ki mi je omogočil modeliranje vseh delov, ki sem jih potreboval za ta projekt.