Sanakello, jota ohjaa 114 servoa: 14 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Fusion 360 -projektit »

Mikä on 114 LED -valoa ja palaa aina? Kuten ehkä tiedät, vastaus on sanakello. Mikä on 114 LEDiä + 114 servoa ja liikkuu aina? Vastaus on tämä servo -ohjattu sanakello.

Tätä projektia varten tein yhteistyötä ystäväni kanssa, mikä osoittautui välttämättömäksi tämän rakenteen suurten ponnistelujen vuoksi. Lisäksi elektroniikkani ja hänen mekaaniset taitoni täydensivät toisiaan varsin hyvin. Idea suositun sanakellon mukauttamisesta tuli meille, kun teimme tavallisen joululahjaksi. Siellä huomasimme, että on myös mahdollista heijastaa kirjeet takaa valkoiselle paperiarkille. Tuolloin tämä oli vain kiertotie, jolla piilotimme huonot ammattitaidomme, koska päädyimme kupliin, kun kiinnitimme vinyylitarran, jossa oli kirjaimet lasilevyn taakse. Sitten huomasimme, että paperiarkin taivutuksessa voidaan saavuttaa mielenkiintoisia vaikutuksia, koska kirjaimet muuttavat kokoaan ja hämärtyvät. Tämä sai meidät keksimään idean tehdä sanakello, jossa kirjaimet heijastetaan takaa ruudulle ja joita voidaan siirtää edestakaisin heijastetun kuvan koon muuttamiseksi. Aluksi olimme hieman haluttomia rakentamaan tätä projektia kustannusten ja vaivannäön vuoksi, kun haluat siirtää kaikki 114 kirjainta erikseen. Joten meillä oli ajatus tehdä versio, jossa vain jokainen sana, jota käytetään ajan näyttämiseen, voidaan siirtää edestakaisin. Kuitenkin, kun olimme nähneet, että Epilog -kilpailu oli tulossa Instructablesiin, jossa pyydettiin eeppisiä projekteja, ja myös kun löysimme suhteellisen halpoja servomoottoreita, päätimme mennä loppuun asti ja tehdä oikean version, jossa jokaista kirjainta ohjataan erikseen servolla.

HUOMIO: Tämä ei ole yhden päivän rakennus!

Saadaksesi käsityksen tähän hankkeeseen liittyvistä ponnisteluista, ota huomioon seuraavat numerot. Valmis kello sisältää

• 798 yksittäistä 3D -tulostettua mallia (tulostusaika yhteensä ~ 200 tuntia)
• ~ 600 ruuvia + ~ 250 mutteria ja aluslevyä
• ~ 500 johtoa (kokonaispituus ~ 50 m). Lukuun ottamatta johtoja, jotka olivat jo kiinnitetty servoihin.

Vaihe 1: Suunnittelu

Kello on suunniteltu Autodesk Fusion 360: n ja Inventorin avulla. Kuten näet, kello koostuu 114 kirjelaatikosta, joita liikuttavat lineaariset toimimoottorit, joita vuorostaan käyttävät servomoottorit. Jokaisessa kirjelaatikossa on LED, joka heijastaa kirjeen valkoisesta PVC -kalvosta valmistetun näytön taakse. Kaikki komponentit on sijoitettu puurunkoon.

Vaihe 2: Materiaalien kerääminen

Elektroniset komponentit

114x SG90 -mikro -servomoottorit (ebay.de)

Vaikka servot oli merkitty suositun "Tower Pro" -merkin nimellä, ne ovat varmasti halvempia lyöntejä. Kuitenkin, koska koputushinta on noin 1 EUR verrattuna 3 EUR: iin alkuperäisestä, tämä tekee koko projektista edullisemman. Ilmeisesti myös koputukset kuluttavat vähemmän virtaa (tietysti tämä tarkoittaa myös pienempää vääntömomenttia), mikä helpotti sopivan virtalähteen löytämistä koko projektille.

• 5 m WS2812B LED -nauha, 60 LEDiä/m (ebay.de)
• 8x 16 -kanavainen PWM -servo -ohjain PCA9685 (ebay.de)
• DS3231 RTC -moduuli (ebay.de)
• Arduino nano (ebay.de)
• VS1838B IR -vastaanotin + kaukosäädin (ebay.de)
• 5 V, 10 A virtalähde (ebay.de)
• 20x 15 cm servo -jatkojohto (ebay.de)
• kaapeli DC -liitäntä paljaalle johdolle (conrad.de)
• 300-500 ohmin vastus
• 1000 µF kondensaattori (> 5 V)

Materiaalit kehykseen

• puiset säleet

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

• multipleksi

  • 2 kpl 12 x 77 x 481 mm
  • 2 kpl 12 x 84 x 489 mm
• valkoinen PVC -kalvo (700 x 1000 x 0,3 mm) (moduuli.de)
• 500 x 500 mm HDF -levy, 3 mm paksu

Ruuvit, kaapelit jne

• 228x M2 -ruuvi, 8 mm pitkä + aluslevyt + kuusiomutterit
• 228x itsekierteittävät ruuvit M2.2, pituus 6,5 mm
• erilaiset puuruuvit
• 50 m, 0,22 mm2 (24 AWG) johto

Lisäksi tämä projekti vaati laajan määrän 3D -tulostusta ja juottamista. Takalevy valmistettiin laserleikkauksella. Runko rakennettiin pyörösahalla, palapelillä ja poralla. Kuten jokaisessa kunnollisessa projektissa, käytimme myös paljon kuumaa liimaa, myös epoksi- ja muoviliimaa.

Hankkeen kokonaiskustannukset olivat noin 350 euroa.

Vaihe 3: 3D -tulostetut komponentit

Kirjelaatikot

Jokaisessa kirjelaatikossa on 3D -painettu kansi, joka toimii varjomaskina, ja pohjalevy, johon LED kiinnitetään. Pohjalevyssä on neljä tapitappia, jotka helpottavat kohdistamista toimilaitteeseen, ja kuusi reikää LED -kaapeleiden syöttämistä varten. Kaikkiaan tämä tekee 228 mallia, jotka kaikki on painettu mustasta PLA: sta (Formfutura EasyFill PLA) 0,4 mm: n kerroksen korkeudella. Anycubic Kossel Linear Plus -laitteen tulostusaika oli yhteensä noin 23 tuntia kirjeiden kansissa ja 10 tuntia pohjalevyissä. Kaikki stl -tiedostot löytyvät liitteenä olevasta zip -tiedostosta.

Toimilaitteet

Toimilaitteen muotoilu on mukautettu Roger Rabbitin Linear Servo Extender -laitteesta, joka oli erittäin hyödyllinen. Koska osat sopivat tiiviisti yhteen, ne tulee tulostaa kunnolliselle 3D -tulostimelle. Pieni kerroksen korkeus ei ole niin tärkeä (0,2 mm on hyvä) kuin pieni suuttimen halkaisija (suosittelemme 0,4 mm). Osat tulee tulostaa esitetyssä suunnassa. Jokainen toimilaite koostuu 5 erillisestä osasta, koska tarvitsimme 114 toimilaitetta, mikä tarkoittaa yhteensä 570 osaa (!). Näiden tulostamiseen käytimme useiden ammattimaisten 3D -tulostimien (Ultimaker S2+, Ultimaker S5, Lulzbot TAZ6, Sindoh 3D Wox DP200) yhdistettyä tehoa. Silti meillä oli paljon epäonnistuneita tulosteita osiin ja lisäsin joitain kuvia huviksesi. Tulostuksen kokonaisaika oli noin 150 tuntia (!). Stl -tiedostot löytyvät jälleen liitteenä olevasta zip -tiedostosta.

Vaihe 4: Kehyksen rakentaminen

Runko rakennettiin puisista säleistä ja monilevystä. Osat leikattiin pyörösahalla ja palapelillä ja kiinnitettiin sitten yhteen puuliimalla ja puuruuvilla. Ylä- ja alakansi myös värjättiin, jotta se näyttäisi mukavammalta. Yksityiskohtainen kuvaus osista ja kaikki mitat löytyvät oheisista piirustuksista.

Vaihe 5: Kirjelaatikoiden kokoaminen

Postilaatikoiden kokoaminen oli paljon työtä ja kesti hyvin kauan, varsinkin juottaminen. Tämä johtuu siitä, että jokainen tekemäsi vaihe on toistettava 114 kertaa.

1. Leikkaa LED -nauhasta 114 yksittäistä kappaletta
2. Tina kaikki LED -tyynyt
3. Kiinnitä jokainen LED kirjelaatikon 3D -tulostettuun takalevyyn. LEDin tulee olla keskellä. Kiinnitimme sen myös kuumaliimalla.
4. Seuraavaksi valmistelimme 3x114 = 442 lankaa, ts. Pituussuuntaista leikkaamista, päiden kuorimista ja tinomista. Jokaisen langan pituus oli 10 cm, paitsi johdot, jotka yhdistävät viimeisen kirjaimen pisteisiin, joiden on oltava pidempiä (~ 25 cm). Myös ensimmäiseen kirjaimeen kytkettyjen johtojen, jotka liitetään arduinoon ja virtalähteeseen, tulisi olla pidempiä.
5. Diasy -ketjun LEDit johtimilla. Johdot syötetään jokaisen postilaatikon 3D -tulostetun takalevyn reikien läpi.
6. Kirjelaatikon etukansi kiinnitettiin liimalla
7. Toimilaitteen lineaarisen telineen osat on liimattava yhteen
8. Lineaarinen teline kiinnitetään postilaatikon takaosaan liimalla

Vaihe 6: Toimilaitteiden kokoaminen

Toimilaitteiden kokoaminen oli jälleen hyvin työläs toimenpide, joka kesti kauan.

1. Kiinnitä servo 3D -tulostettuun koteloon mukana toimitetuilla ruuveilla
2. Pyöreä hammaspyörä kiinnitetään servoon mukana toimitetulla muoviristillä, mutta ensin risti on leikattava muotoon ja kiinnitettävä hammaspyörään epoksilla.
3. Kiinnitä vaihde servoon mukana toimitetulla ruuvilla
4. Ennen lineaarisen telineen asettamista jokainen servo nollataan samaan asentoon
5. Lineaarisen telineen asettaminen postilaatikon kanssa
6. Kaksi M2 -kuusipähkinää asetetaan 3D -tulostettuun koteloon, jota käytetään myöhemmin kiinnittämään se takalevyyn
7. Sulje kotelo 3D -painetulla kannella M2.2 -itsekelausruuveilla

Lopulta päädyimme suureen paksuun sotkuun diasy -ketjutetuilla toimilaitteilla, kuten yllä olevassa kuvassa näkyy

Vaihe 7: Taustalevyn valmistus

Takalevy leikattiin laserilla 3 mm paksusta HDF -puusta käyttämällä paikallisen valmistajamme CO2 -laserleikkuria. Aluksi kokeilimme vaneria, mutta se osoittautui liian heikoksi kestämään kaikkien osien painoa. Tässä tapauksessa olisi ollut parempi käyttää alumiinia, mutta se on tietysti kalliimpaa eikä sitä voida leikata CO2 -laserilla. Taustalevyn dxf -tiedosto on liitetty.

Vaihe 8: Kiinnitä osat taustalevyyn ja johdotukseen

Aluksi PCA9685 -levyt on kiinnitettävä taustalevyyn käyttämällä piirilevyjä. Sitten Arduino nano- ja RTC -moduuli voidaan sijoittaa yllä olevan kuvan mukaisesti. Kaksi jälkimmäistä käytimme 3D -tulostettuja pidikkeitä, jotka kiinnitettiin kuumaliimalla. Osat liitettiin kytkentäkaavion mukaisesti. Huomaa, että on parasta käyttää jokaista PCA9685: tä erikseen virtaliittimen kautta. Aluksi ketjutimme ketjussa myös V+ ja GND -liittimet ja kytkettiin vain ensimmäisen levyn riviliitin (kuten adafruit -sivulla ehdotettiin), mutta tässä tapauksessa kaikki virta kulkee ensimmäisen levyn läpi ja päädyimme polttamaan MOSFETin peruutussuojapiiristä. Liitteenä on myös laskentataulukko, joka näyttää servojen kaapeloinnin. Servojen jatkojohtoja käytetään aina tarvittaessa. Huomaa, että sinun on määritettävä eri I2C -osoitteet kullekin PCA9685: lle adafruit -sivun mukaisesti.

Toimilaitteet kiinnitettiin sitten taustalevyyn 228x M2 -ruuveilla. Työ oli jälleen hyvin yksitoikkoista, mutta sen valmistumisen jälkeen kello alkoi jo muodostua. Yritimme myös järjestää servokaapelit mahdollisimman hyvin, mutta lopulta kaapelointi oli edelleen erittäin sotkuista.

Virta syötettiin syöttämällä DC -kaapeli takalevyn läpi ja kytkemällä se riviliittimeen.

Vaihe 9: Taustalevyn kiinnittäminen runkoon

Kun kaikki komponentit oli asennettu ja kaapelit järjestetty, kiinnitimme taustalevyn runkoon 6x M4 -ruuveilla. Valitettavasti jätimme hyvin vähän tilaa kaikille kaapeleille, jotta ne joutuisivat puristumaan sisään.

Vaihe 10: Servojen kalibrointi

Koska kaikkien postilaatikoiden korkeus oli hieman erilainen asennuksen jälkeen, kalibroimme liitteenä olevan koodin avulla kaikki servot niin, että postilaatikoilla on samat minimi- ja maksimiasemat. Maksimiasentoa varten yritimme sijoittaa postilaatikon mahdollisimman lähelle näyttöä. Kalibroidut min/max -asemat kullekin servolle syötetään myöhemmin pääkoodiin.

Vaihe 11: Koodin lataaminen

Liitteenä on sanan kello pääkoodi. Aikaa näytetään kolmenlaisia tehosteita.

1. Siirrä kaikki kirjaimet nopeasti taaksepäin (yksi toisensa jälkeen) ja sytytä samanväriset LEDit. Siirrä sitten nopeasti kirjaimet, jotka näyttävät kellonajan eteen peräkkäin, ja valaise jokainen sana satunnaisella värillä.
2. Siirrä kaikki kirjaimet nopeasti taaksepäin (yksi toisensa jälkeen) ja sytytä samanväriset LEDit. Siirrä hitaasti jokaista aikaa näyttävää sanaa eteen (kaikki kirjaimet samanaikaisesti) ja häivytä väri taustaväristä satunnaisarvoon.
3. Siirrä kaikki kirjaimet nopeasti satunnaiseen paikkaan (yksi toisensa jälkeen) ja sytytä LEDit eri satunnaisilla väreillä. Siirrä sitten kaikki kirjaimet hitaasti taaksepäin ja häivytä väri. Jatka kohdasta 1. tai 2.

Halusin myös toteuttaa tehosteen, jossa piste, joka näyttää nykyisen minuutin, siirtyy vähitellen eteenpäin ja häivyttää väriä niin, että se on etupuolella oikealla värillä minuutin kuluttua. Valitettavasti en saanut sitä vielä toimimaan, koska se näyttää saavan IR -vastaanottimen reagoimatta.

Vaihe 12: Näytön kiinnittäminen

Aluksi halusimme käyttää valkoista kangasta seulana. Ongelmana oli, että sen kiinnittämisen jälkeen runkoon kangas taipui keskeltä ja päädyimme neulatyynyn vääristymään. Päätimme sitten käyttää sen sijaan ohutta valkoista PVC -kalvoa näytölle. Kalvoa mainostetaan myös lampunvarjostimien valmistamiseksi, joten sillä on kohtuullinen lähetys, mutta se ei ole läpinäkyvä, joten mustat kirjelaatikot pysyvät piilossa. Ensimmäisessä kokeessa kiinnitimme kalvon epoksilla, mutta se ei tarttunut liian hyvin, joten vaihdoimme kuumaliimalle. Varo kuitenkin, että jos liima on liian kuumaa, se voi todella sulattaa kalvon. Ylimääräinen kalvo poistettiin veitsellä.

Vaihe 13: Ylä- ja alakannen kiinnittäminen

Lopuksi värjätyt puukannet kiinnitettiin ylä- ja alaosaan. Tumma väri tekee hienon kontrastin valkoiselle näytölle. IR -vastaanotin syötettiin takalevyn reiän läpi ja kiinnitettiin yläkanteen kuumalla liimalla.

Vaihe 14: Valmis kello ja yhteenveto

Kahden kuukauden intensiivisen työn jälkeen kello oli vihdoin valmis ja toiminut. Kaiken kaikkiaan olemme erittäin tyytyväisiä tulokseen. Kirjainten siirtäminen näytön taakse ja LED -valojen värin vaihtaminen tuottaa erittäin viileän näköisiä tehosteita. Lopulta kirjaimet eivät olleet täydellisessä rivissä, eikä näyttö ollut 100% litteä, mutta tämä melkein tekee siitä näyttävän vieläkin paremmalta. Varmasti on asioita, joita voidaan parantaa, mutta en usko, että versiota 2.0 tulee tämän rakenteen monumentaalisen ponnistelun vuoksi, ellet seuraavan kerran ulkoista tuotantoa Kiinaan.

Jos pidät tästä rakenteesta ja onnistuit vierittämään alas asti, äänestä meitä Epilog -kilpailussa.

Ensimmäinen palkinto Epilog X -kilpailussa