Photonics Challenger: Transparent 3D Volumetric POV (PHABLABS): 8 vaihetta (kuvilla)

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

Muutama viikko sitten sain viime hetken kutsun osallistua PhabLabs Hackathoniin Delftin tiedekeskuksessa Alankomaissa. Minun kaltaiselle innostuneelle harrastajalle, joka voi tavallisesti käyttää vain rajoitetun ajan höpöttelyyn, näin tämän loistavana tilaisuutena varata aikaa, jotta voin muuttaa yhden monista Hackathon: Photonics -alueen ideoistani todellinen projekti. Ja tiedekeskus Delftin Makerspace -tilojen upeiden tilojen ansiosta oli vain mahdotonta hylätä tämä kutsu.

Yksi ajatuksista, joita minulla oli jo jonkin aikaa fotoniikkaan liittyen, oli se, että halusin tehdä jotain vision pysyvyydellä (POV). Verkossa on jo tonnia esimerkkejä siitä, miten POV -perusnäyttö voidaan rakentaa käyttämällä joitain peruskomponentteja: mikrokontrolleri, vanha tuuletin/kiintolevy/moottori ja yksi merkkijono, joka on kytketty kohtisuoraan pyörivän laitteen akseliin nähden. Suhteellisen yksinkertaisella asetuksella voit jo luoda vaikuttavan 2 -ulotteisen kuvan, esimerkiksi:

Toinen POV -näyttöjen muunnelma yhdistää LED -merkkijonon pyörivän laitteen akselin suuntaisesti. Tämä johtaa kolmiulotteiseen lieriömäiseen POV-näyttöön, esimerkiksi:

Sen sijaan, että liität merkkijonon yhdensuuntaisesti pyörivän laitteen akselin kanssa, voit myös valokaaren. Tämä johtaa pallomaiseen (maapallon) POV-näyttöön, esim.. Tässä on muutamia esimerkkejä tällaisista volumetrisistä 3D POV -näytöistä, joita käytin inspiraationa tähän projektiin:

• 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…

Koska yllä olevien esimerkkien tekijät antoivat erittäin hyödyllistä tietoa, oli järkevää sekoittaa osia projekteistaan. Mutta koska Hackathonin oletetaan olevan haastava, päätin myös rakentaa erityyppisen volumetrisen 3D POV -näytön. Jotkut heistä käyttivät roottoria ja paljon kuumaa liimaa estääkseen komponentteja lentämästä. Toiset loivat mukautettuja piirilevyjä projektilleen. Tarkasteltaessa joitain muita 3D POV -hankkeita näin tilaa”innovaatiolle” tai esittelin itselleni haasteita:

• Minulla ei ole aiempaa kokemusta räätälöityjen piirilevyjen luomisesta ja Hackathonin aikarajoitusten vuoksi päätän noudattaa yksinkertaisempaa prototyyppilähestymistapaa. Mutta todellisten roottorien luomisen sijaan olin utelias miltä tällainen volumetrinen 3D POV -näyttö näyttäisi käytettäessä sylinteriä, joka on rakennettu akryylimuovikerroksista.
• Älä käytä tai vähintään käytä kuumaliimaa, jotta laite olisi vähemmän vaarallinen

Vaihe 1: Käytetyt materiaalit ja työkalut

Moottorin ohjaimelle

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Pieni leipälauta
• 3144 Hall Effect -kytkinanturi
• Magneetti, halkaisija: 1 cm, korkeus: 3 mm
• Vaihtokytkin - MTS -102
• 10K potentiometri
• Dupont -hyppyjohdot
• 16 x M5 -mutterit
• LCD -näyttömoduuli, sininen taustavalo (HD44780 16 × 2 merkkiä)
• 10K vastus - Vedä vastus Hall Effect -anturille
• 220 ohmin vastus - Nestekidenäytön kontrastin säätämiseen
• Kierretangon halkaisija: 5 mm
• Vaneri, paksuus: 3 mm

Platform Base

• Puupala (250 x 180 x 18 mm)
• Mean Well - 12V 4.2A - Kytkentävirtalähde LRS -50-12
• Virtajohto 220V
• Langaton DC -DC -muunnin - 5V 2A (lähetin)
• Turnigy D2836/8 1100KV Brushless Outrunner -moottori
• Turnigy -pehmo 30 ampeerin nopeudensäädin W/BEC
• Riviliittimet Liittimet
• 12 x M6 -mutteria korin kiinnittämiseen kierretangoilla, joiden halkaisija on 6 mm.
• 3 x M2-ruuvia (pituus 18 mm) kiinnitysadapterin kiinnittämiseen harjaton moottori
• 4 x M3 -mutteria ja -pulttia, joilla harjaton moottori kiinnitetään puunpalaan
• Kierretangon halkaisija: 6 mm (4 x pituus 70 mm)
• Kierretangon halkaisija: 4 mm (1 x pituus 80 mm)
• Vaneri, paksuus: 3 mm

Pyörivälle kotelolle

• Langaton DC -DC -muunnin - 5V 2A (vastaanotin)
• 3D -painettu pultisovitin (PLA -filamentti, valkoinen)
• Teensy 3.6
• IC 74AHCT125 Quad Logic Level Converter/Shifter (3V - 5V)
• 10K vastus - Vedä vastus Hall Effect -anturille
• 1000uF 16V kondensaattori
• Kierretangon halkaisija 4 mm
• Magneetti, halkaisija: 1 cm, korkeus: 3 mm
• Vaneri, paksuus: 3 mm
• Vaneri, paksuus: 2 mm
• Akryylilevy, paksuus: 2 mm
• Terästangon halkaisija: 2 mm
• Mutterit ja pultit
• 0,5 metrin led -nauha APA102C 144 lediä / metri

Käytetyt työkalut

• Merlin Laserleikkuri M1300 - Laserleikkausvaneri ja akryylilevy
• Ultimaker 2+ pultisovittimen 3D -tulostamiseen
• Juotosasema ja juote
• Pöytäpora
• Ruuvimeisselit
• Plyers
• Vasara
• Jarrusatula
• Rautasaha
• Avaimet
• Lämpökutistuva letku

Käytetty ohjelmisto

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE ja Teensyduino (sisältää Teensy Loaderin)

Vaihe 2: Moottorin ohjainyksikkö pyörimisnopeuden säätämiseksi

Moottorin ohjausyksikkö lähettää signaalin Turnigy Electronic Speed Controllerille (ESC), joka ohjaa harjaton moottori.

Lisäksi halusin pystyä näyttämään POV -sylinterin todelliset kierrokset minuutissa. Siksi olen päättänyt sisällyttää Hall -tehosteanturin ja 16x2 LCD -näytön moottorin ohjausyksikköön.

Liitetystä zip -tiedostosta (MotorControl_Board.zip) löydät kolme dxf -tiedostoa, joiden avulla voit leikata yhden pohjalevyn ja kaksi ylälevyä moottorin ohjausyksikölle. Käytä vaneria, jonka paksuus on 3 mm. Kaksi ylälevyä voidaan sijoittaa päällekkäin, jolloin voit kiinnittää 16x2 LCD -näytön.

Ylälevyn kaksi reikää on tarkoitettu yhdelle virtakytkimelle ja yhdelle potentiometrille harjaton moottorin nopeuden säätämiseksi (en ole vielä kytkenyt päälle/pois -kytkintä itse). Moottorin ohjausyksikön rakentamiseksi sinun täytyy sahata kierretanko, jonka halkaisija on 5 mm, 4 haluttuun korkeuteen. Kiinnitä alusta ensin 8 M5 -mutterilla. Sitten kiinnitin pienen leipälevyn pohjalevyyn käyttämällä leipälevyn mukana toimitettua kaksipuolista tarraa. Oheinen kaavio osoittaa, miten komponentit tulee kytkeä, jotta ne voivat toimia tähän vaiheeseen liitetyn lähdekoodin (MotorControl.ino) kanssa. Olen käyttänyt 10K pull up -vastusta hall -anturille. 220 ohmin vastus toimi riittävän hyvin, jotta teksti näkyisi nestekidenäytössä.

Varmista, että eristät hallitehosteanturin nastat lämpökutistusputkilla, aivan kuten kuvissa. Hall -anturin oikea toiminta perustuu magneettiin, joka sijoitetaan pyörivään koteloon vaiheessa 3.

Kun johdotus on valmis, voit kiinnittää kaksi ylälevyä nestekidenäytöllä, kytkimellä ja potentiometrillä käyttämällä jälleen 8 M5 mutteria, kuten kuvassa.

Käytetyn moottorin mallista riippuen sinun on ehkä säädettävä seuraava koodirivi MotorControl.ino -tiedostossa:

kaasu = kartta (keskimääräinenPotValue, 0, 1020, 710, 900);

Tämä koodirivi (rivi 176) kuvaa 10K -potentiometrin sijainnin ESC: n signaaliin. ESC hyväksyy arvon välillä 700 ja 2000. Ja kun tässä projektissa käyttämäni moottori alkoi pyöriä 823 ympäri, rajoitin moottorin kierroslukuja rajoittamalla maksimiarvon 900: een.

Vaihe 3: Alustan rakentaminen langatonta lähetystehoa varten

Nykyään on periaatteessa kaksi tapaa käyttää laitteita, joiden on pyöritettävä: liukurenkaat tai voiman siirtäminen langattomasti induktiokäämien kautta. Koska korkealaatuiset liukurenkaat, jotka tukevat korkeita kierroslukuja, ovat yleensä erittäin kalliita ja alttiimpia kulumiselle, valitsin langattoman vaihtoehdon käyttämällä 5 V: n langatonta DC-DC-muunninta. Teknisten tietojen mukaan tällaisen muuntimen avulla pitäisi olla mahdollista siirtää enintään 2 ampeeria.

Langaton DC-DC-muunnin koostuu kahdesta osasta, lähettimestä ja vastaanottimesta. Huomaa, että lähettävään induktiokelaan liitetty piirilevy on pienempi kuin vastaanotin.

Itse alusta on rakennettu puunpalasta (250 x 180 x 18 mm).

Kierrän alustalle Mean Well 12V -virtalähteen. 12 V: n lähtö on kytketty ESC: hen (katso kaaviot vaiheessa 1) ja langattoman DC-DC-muuntimen lähettävän osan piirilevyyn.

Oheisesta Platform_Files.zip -tiedostosta löydät dxf -tiedostot alustan leikkaamiseksi 3 mm paksuisesta vanerista:

• Platform_001.dxf ja Platform_002.dxf: Ne on asetettava toistensa päälle. Tämä luo upotetun alueen lähettävälle induktiokelalle.
• Magnet_Holder.dxf: Leikkaa tämä malli kolme kertaa. Sisällytä ympyrä johonkin kolmesta kerrasta. Kahdessa muussa laserleikkauksessa: poista ympyrä leikkaamisesta. Leikkaa leikkaamisen jälkeen kolme osaa yhteen luodaksesi pidikkeen magneetille (halkaisija 10 mm, paksuus: 3 mm). Käytin superliimaa magneetin liimaamiseen magneettipidikkeeseen. Varmista, että liimaat magneetin oikean puolen pidikkeeseen, koska aulaanturi toimii vain magneetin toisella puolella.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Tämä kappale auttaa pitämään moottorin ohjausyksikköön kiinnitetyn hallianturin paikallaan, kuten ensimmäisessä kuvassa.
• Platform_Drill_Template.dxf: Käytin tätä kappaletta mallina porausreikien reikien poraamiseen. Neljä isompaa 6 mm: n reikää on tarkoitettu kannattaville 6 mm: n kierretangoille alustan tukemiseksi. 4 pienempää reikää on tarkoitettu harjaton moottorin kiinnittämiseen puunpalaan. Suurin reikä keskellä tarvittiin akselille, joka tarttui harjattomasta moottorista. Koska moottorin pultit ja korin kierretangot on kiinnitettävä korin pohjaan, reikiä on suurennettava muutaman mm syvyyteen, jotta mutterit mahtuvat paikalleen.

Valitettavasti harjattoman moottorin akseli jäi tästä projektista "väärältä" puolelta. Mutta pystyin kääntämään akselin seuraavan Youtubesta löytyneen ohjeen avulla:

Kun moottori ja tukitangot on kiinnitetty, taso voidaan rakentaa laserleikkauslavan kappaleista. Itse lava voidaan kiinnittää 8 M6 -mutterilla. Magneettipidike voidaan liimata alustalle reunalla ensimmäisen kuvan mukaisesti.

Liitetty tiedosto "Bolt-On Adapter.stl" voidaan tulostaa 3D-tulostimella. Tämä sovitin on tarpeen 4 mm: n kierretangon kiinnittämiseksi harjaton moottori 3 x M2 -pultilla, jonka pituus on 18 mm.

Vaihe 4: Pyörivä kotelo

Liitteenä oleva Base_Case_Files.zip sisältää dxf -tiedostot 6 kerroksen laserleikkaukseen, jotta voidaan rakentaa kotelo APA102C -led -nauhaa ohjaaville komponenteille.

Kotelomallin kerrokset 1-3 on tarkoitettu liimaamaan yhteen. Varmista kuitenkin, että magneetti (halkaisija 10 mm, korkeus: 3 mm) asetetaan kerroksen 2 pyöreään aukkoon ennen kuin liimaat kolme kerrosta yhteen. Varmista myös, että magneetti on liimattu oikeaan napaan pohjaan, koska vaiheessa 3 rakennetulle tasolle sijoitettu hallitehosensori reagoi vain magneetin toiselle puolelle.

Kotelon rakenne sisältää lokerot liitteenä olevissa kytkentäkaavioissa luetelluille komponenteille. IC 74AHCT125 vaaditaan muuntamaan Teensyn 3,3 V: n signaali 5 V: n signaaliksi, jota tarvitaan APA102 -led -nauhalle. Kerrokset 4 ja 5 voidaan myös liimata yhteen. Yläkerros 6 voidaan kasata muiden kerrosten päälle. Kaikki kerrokset pysyvät oikeassa asennossa 3 terästangon avulla, joiden halkaisija on 2 mm. Harjattomaan moottoriin kiinnitetyn pyörivän 4 mm: n kierretangon suuremman reiän ympärillä on kolme pientä reikää 2 mm: n terästangoille. Kun kaikki komponentit on juotettu kaavion mukaisesti, koko kotelo voidaan laittaa vaiheessa 3 painettuun ruuvattavaan sovittimeen. Varmista, että kaikki avoimet johdot on eristetty asianmukaisesti lämpökutistusputkilla. Huomaa, että hallin anturin oikea toiminta näissä vaiheissa riippuu vaiheessa 3 kuvatusta magneettipidikkeeseen asetetusta magneetista.

Liitteenä oleva todiste konseptikoodista 3D_POV_POC.ino sytyttää joitakin punaisia ledejä. Luonnoksen seurauksena neliö tulee näkyviin, kun sylinteri alkaa pyöriä. Mutta ennen pyörimisen aloittamista neliön simulointiin tarvittavat ledit kytketään oletusarvoisesti päälle. Tämä on hyödyllistä testataksesi ledien oikean toiminnan seuraavassa vaiheessa.

Vaihe 5: Pyörivä sylinteri LED -nauhoilla

Liitteenä oleva Rotor_Cylinder_Files.zip sisältää dxf -tiedostot 2 mm paksuisen akryylilevyn leikkaamiseen. Tuloksena olevat 14 kiekkoa ovat välttämättömiä läpinäkyvän sylinterin rakentamiseksi tätä POV -projektia varten. Levyt on kasattava toistensa päälle. Lieriömäisten levyjen muotoilu mahdollistaa 12 led -nauhan juottamisen yhteen yhdeksi pitkäksi led -nauhana. Levyltä alkaen pieni led -nauha, joka sisältää 6 lediä, on kiinnitettävä levyyn käyttämällä LED -nauhan tarroja. Juotta johdot led -nauhalle ennen kuin kiinnität led -nauhat levyyn liimatarroilla. Muuten olet vaarassa, että juotospistooli sulaa akryylilevyn.

Kun levy #13 on kasattu läpinäkyvän sylinterin päälle, 2 mm: n terästanko, jota käytetään pitämään kaikki kerrokset oikeissa paikoissa, voidaan nyt myös leikata oikealle pituudelle, kohdistettuna sylinterin levyn #13 yläosaan. Levyä #14 voidaan käyttää pitämään 2 mm: n terästangot paikallaan kahden M4 -mutterin avulla.

Koska koko laitteen rakentamiseen tarvittava aika ei ole pystynyt ohjelmoimaan vakaampia visuaalisesti mielenkiintoisia 3D -näyttöjä vielä hackathonin aikataulun puitteissa. Tämä on myös syy siihen, miksi annettu koodi ledien ohjaamiseen on edelleen hyvin yksinkertainen konseptin todistamiseksi, ja se näyttää toistaiseksi vain punaisen neliön 3 ulottuvuudessa.

Vaihe 6: Oppiaiheet

Teensy 3.6

• Tilasin Teensy 3.5: n tähän projektiin, mutta toimittaja lähetti minulle vahingossa Teensy 3.6: n. Koska olin innokas saattamaan projektin päätökseen hackathonin aikataulussa, päätin siirtyä eteenpäin Teensy 3.6: n kanssa. Miksi halusin käyttää Teensy 3.5: tä, johtui porteista, ne sietävät 5V. Näin ei ole Teensy 3.6: n kohdalla. Tämä on myös syy, miksi minun oli otettava käyttöön kaksisuuntainen logiikkamuunnin kokoonpanoon. Teensy 3.5: llä tätä ei olisi vaadittu.
• Power Ramp Up -ongelma: Kun kytket laitteen päälle, langaton DC-DC-latausmoduuli kytkee virtaa Teensy 3.6: n virransyöttöön. Valitettavasti nousu on liian hidas, jotta Teensy 3.6 käynnistyy oikein. Kiertoratkaisuna minun on tällä hetkellä käynnistettävä Teensy 3.6 mikro-USB-liitännän kautta ja kytkettävä sitten 12 V: n virtalähde, joka syöttää langatonta tasavirtalähetintä. Kun langaton DC-DC-vastaanotin syöttää myös virtaa Teensyyn, voin irrottaa USB-kaapelin. Ihmiset ovat jakaneet hakkerointinsa MIC803: n kanssa hitaaseen tehon nousuongelmaan täällä:

LCD -näyttömoduuli

Epätasainen käyttäytyminen ulkoisessa virtalähteessä. Näyttö toimii oikein, kun se saa virtaa USB: n kautta. Mutta kun virran LCD -näyttöön leipälevyn kautta käyttämällä BEC: n toimittamaa 5 V: n jännitettä tai riippumatonta virtalähdettä, teksti alkaa sekoittua muutaman sekunnin kuluttua tekstin muutoksen jälkeen. Täytyy vielä tutkia mistä tämä ongelma johtuu

Mekaaninen

Jotta voisin testata moottorinohjainyksikköäni todellisten kierroslukujen mittaamiseksi, annan moottorin pyöriä sovittimen pultin, pultin ja rungon ollessa kiinni moottorissa. Ensimmäisen testiajon aikana ruuvit, jotka yhdistävät moottorin pidikkeen moottoriin, avautuvat tärinän vuoksi. Onneksi huomasin tämän ongelman ajoissa, joten mahdollinen katastrofi vältettiin. Ratkaisin tämän ongelman ruuvaamalla ruuvit hiukan tiukemmin moottoriin ja käytin myös muutamaa tippaa Loctitea ruuvien kiinnittämiseksi entisestään

Ohjelmisto

Kun viet Fusion 360 -luonnoksia laserleikkurin dxf -tiedostoina, tukiviivat viedään tavallisina viivoina

Vaihe 7: Mahdolliset parannukset

Mitä olisin tehnyt toisin tämän hankkeen kokemuksen perusteella:

• Käyttämällä led -nauhaa, joka sisältää vähintään 7 lediä kuuden ledin sijaan kerrosta kohti, saadaan joitakin hienompia tekstivisualisointeja
• Osta toinen harjaton moottori, jossa akseli on jo kiinni moottorin oikealla (alhaalla) puolella. (esim. https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Tämä säästää vaivaa joko leikkaamalla akselia tai työntämällä akselia oikealle puolelle kuten minä piti tehdä nyt.
• Käytä enemmän aikaa laitteen tasapainottamiseen minimoidaksesi tärinän, joko mekaanisesti tai mallintamalla sitä Fusion 360: ssä.

Olen myös miettinyt joitain mahdollisia parannuksia, joita voisin tutkia, jos aika sallii:

• Käytä tosiasiallisesti Teensyn SD -korttitoimintoa luodaksesi pidempiä animaatioita
• Lisää kuvantamisen tiheyttä pienemmillä ledeillä (APA102 (C) 2020). Kun aloitin tämän projektin muutama viikko sitten, LED -nauhat, jotka sisälsivät nämä pienet ledit (2x2 mm), eivät olleet helposti saatavilla markkinoilla. On mahdollista ostaa ne erillisinä SMD -komponentteina, mutta harkitsisin tätä vaihtoehtoa vain, jos olet valmis juottamaan nämä komponentit mukautetulle piirilevylle.
• Siirrä 3D -kuvia langattomasti laitteeseen (Wifi tai Bluetooth). Tämän pitäisi myös mahdollistaa laitteen ohjelmointi visualisoimaan ääntä/musiikkia.
• Muunna Blender -animaatiot tiedostomuotoon, jota voidaan käyttää laitteen kanssa
• Aseta kaikki led -nauhat pohjalevylle ja kohdista valo akryylikerroksiin. Jokaiseen kerrokseen voidaan kaivertaa pieniä alueita heijastamaan valoa, kun ne jätetään pois ledeistä. Valo on kohdistettava kaiverrettuihin kohtiin. Tämän pitäisi olla mahdollista luomalla valoa ohjaava tunneli tai käyttämällä LED -objektiiveja valon kohdistamiseen.
• Parannetaan 3D -tilavuusnäytön vakautta ja pyörimisnopeuden säätöä irrottamalla pyörivä alusta harjattomasta moottorista vaihteiden ja jakohihnan avulla.

Vaihe 8: Huuda ulos

Haluan kiittää erityisesti seuraavia henkilöitä:

• Fantastinen vaimoni ja tyttäreni tuesta ja ymmärryksestä.
• Teun Verkerk, kutsumalla minut Hackathoniin
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri ja Aidan Wyber, tuestanne, avustanne ja ohjauksistanne koko Hackatonin aikana
• Luuk Meints, taiteilija ja tämän Hackatonin osallistuja, joka oli niin ystävällinen ja antoi minulle henkilökohtaisen 1 tunnin esittelynopeuskurssin Fusion 360: een, jonka avulla sain mallintaa kaikki osat, joita tarvitsin tähän projektiin.