Photonics Challenger: Прозрачен 3D обемен POV (PHABLABS): 8 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Преди няколко седмици получих покана в последния момент да участвам в PhabLabs хакатон в Научния център Делфт, Холандия. За ентусиазиран любител като мен, който обикновено може да отдели само ограничен период от време за калайджия, видях това като чудесна възможност да планирам известно време, за да превърна една от многото си идеи, в рамките на Хакатона: Фотоника, в реален проект. И със страхотните съоръжения в Makerspace в Научния център Делфт беше просто невъзможно да откажа тази покана.

Една от идеите, които вече имах известно време, свързани с фотониката, беше, че искам да направя нещо с Persistence of Vision (POV). В мрежата вече има много примери за това как да се изгради основен POV дисплей с помощта на някои основни компоненти: микроконтролер, стар вентилатор/твърд диск/мотор и един низ от светодиоди, свързани перпендикулярно на оста на въртящото се устройство. Със сравнително проста настройка вече можете да създадете впечатляващо двуизмерно изображение, например:

Друг вариант на POV дисплеи свързва низ от светодиоди, успоредни на оста на въртящото се устройство. Това ще доведе до триизмерен цилиндричен POV дисплей, например:

Вместо да свързвате низ от светодиоди успоредно на оста на въртящото се устройство, можете също така да извиете дъгата на низ от светодиоди. Това ще доведе до сферичен (глобус) POV дисплей, например: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Следващото ниво е да се изгради няколко слоя от LED низове, за да се създаде обемен 3D дисплей. Ето някои примери за такива обемни 3D POV дисплеи, които използвах като вдъхновение за този конкретен проект:

• 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…

Тъй като създателите на горните примери предоставиха много полезна информация, имаше много смисъл да ремиксират части от своите проекти. Но тъй като се предполага, че хакатонът е предизвикателство, аз също реших да създам различен тип обемен 3D POV дисплей. Някои от тях използваха ротори и много горещо лепило, за да предпазят компонентите да летят наоколо. Други създадоха персонализирани печатни платки за своя проект. След като прегледах някои от другите 3D POV проекти, видях място за някои „иновации“или въведох някои предизвикателства за себе си:

• Без предишен опит в създаването на персонализирани печатни платки и поради ограничението във времето на хакатона, аз избирам да следвам по -основен прототипен подход. Но вместо да създавам реални ротори, ми беше любопитно как би изглеждал такъв обемен 3D POV дисплей, когато използвам цилиндър, изграден от слоеве акрилна пластмаса.
• Не се използва или иначе се използва горещо лепило, за да се направи устройството по -малко опасно

Стъпка 1: Използвани материали и инструменти

За контролера на двигателя

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Малка дъска
• 3144 Сензор за превключване на ефекта на Хол
• Магнит с диаметър: 1 см, височина: 3 мм
• Превключвател - MTS -102
• 10K потенциометър
• Dupont Jumper проводници
• 16 x M5 гайки
• Модул за LCD дисплей със синя подсветка (HD44780 16 × 2 знака)
• 10K резистор - Издърпайте резистор за сензора за ефекта на Хол
• 220Ohm резистор - за контрол на контраста на LCD екрана
• Диаметър на пръта с резба: 5 мм
• Шперплат, дебелина: 3 мм

За платформата база

• Парче скрап (250 x 180 x 18 mm)
• Mean Well - 12V 4.2A - Превключващо захранване LRS -50-12
• Захранващ кабел 220V
• Безжичен конвертор DC -DC - 5V 2A (предавател)
• Turnigy D2836/8 1100KV Безчетков двигател за изпреварване
• Turnigy плюшен 30amp регулатор на скоростта W/BEC
• Съединители на клемни блокове
• 12 x M6 гайки за закрепване на платформата с помощта на резбовани пръти с диаметър 6 мм.
• 3 x M2 болта (дължина 18 мм) за закрепване на адаптера с болтове към безчетковия двигател
• 4 x M3 гайки и болтове за закрепване на безчетков двигател към парчето скрап
• Диаметър на пръта с резба: 6 мм (4 х дължина 70 мм)
• Диаметър на резбова резба: 4 мм (1 х дължина 80 мм)
• Шперплат, дебелина: 3 мм

За въртящ се корпус

• Безжичен конвертор DC -DC - 5V 2A (приемник)
• Адаптер за 3D отпечатани болтове (PLA нишка, бял)
• Тийнейджърски 3.6
• IC 74AHCT125 Четириядрен преобразувател/превключвател на логически нива (3V до 5V)
• 10K резистор - Издърпайте резистор за сензора за ефекта на Хол
• 1000uF 16V кондензатор
• Диаметър на резбова резба 4 мм
• Магнит с диаметър: 1 см, височина: 3 мм
• Шперплат, дебелина: 3 мм
• Шперплат, дебелина: 2 мм
• Акрилен лист, дебелина: 2 мм
• Диаметър на стоманена пръчка: 2 мм
• Гайки и болтове
• 0,5 метра LED лента APA102C 144 светодиода / метър

Използвани инструменти

• Merlin Laser Cutter M1300 - Лазерно рязане на шперплат и акрилни листове
• Ultimaker 2+ за 3D отпечатване на адаптера с болтове
• Поялна станция и запояване
• Настолна бормашина
• Отвертки
• Клещи
• Чук
• Дебеломер
• Ножовка
• Гаечни ключове
• Термосвиваеми тръби

Използван софтуер

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE и Teensyduino (съдържащи Teensy Loader)

Стъпка 2: Блокът за управление на двигателя за регулиране на скоростта на въртене

Устройството за управление на двигателя изпраща сигнал към електронния регулатор на скоростта Turnigy (ESC), който ще контролира броя на завъртанията, осигурени от безчетковия двигател.

Освен това исках да мога да показвам действителните обороти в минута на цилиндъра POV. Ето защо реших да включа сензор за ефект на Хол и 16x2 LCD дисплей към блока за управление на двигателя.

В прикачения zip файл (MotorControl_Board.zip) ще намерите три dxf файла, които ще ви позволят да изрежете с лазер една основна плоча и две горни плочи за блока на контролера на двигателя. Моля, използвайте шперплат с дебелина 3 мм. Двете горни плочи могат да бъдат поставени една върху друга, което ще ви позволи да завиете 16x2 LCD дисплея.

Двата отвора в горната плоча са предназначени за един превключвател за включване/изключване и един потенциометър за контрол на скоростта на безчетковия двигател (все още не съм свързал превключвателя за включване/изключване сам). За да конструирате блока за управление на двигателя, трябва да изрежете резбования прът с диаметър 5 мм на 4 парчета с желаната височина. Използвайки 8 -те гайки M5, първо можете да закрепите основата. След това прикрепих малката дъска към основната плоча с помощта на двустранно залепващия стикер, който беше предоставен с дъската. Приложената схема показва как трябва да свържете компонентите, така че да може да работи с изходния код (MotorControl.ino), прикрепен към тази стъпка. Използвал съм 10K издърпващ резистор за сензора на Хола. Резистор от 220 ома работи достатъчно добре, за да направи текста видим на LCD екрана.

Моля, уверете се, че сте изолирали щифтовете на сензора за ефекта на Хол с помощта на термоусадочни тръби, както е показано на снимките. Правилното функциониране на сензора на Хол ще разчита на магнит, който ще бъде поставен във въртящия се корпус на стъпка 3.

След като окабеляването приключи, можете да закрепите двете горни плочи с LCD дисплея, превключвателя и потенциометъра, като използвате отново 8 гайки M5, както е показано на снимките.

В очакване на използвания модел на вашия двигател, може да се наложи да коригирате следния ред код във файла MotorControl.ino:

throttle = map (averagePotValue, 0, 1020, 710, 900);

Този ред код (ред 176) съпоставя позицията на 10K потенциометъра със сигнала за ESC. ESC приема стойност между 700 и 2000 г. И тъй като двигателят, който използвах за този проект, започна да се върти около 823, ограничих оборотите на двигателя, като ограничих максималната стойност до 900.

Стъпка 3: Изграждане на платформа за безжично предаване на енергия

В днешно време има основно два начина за захранване на устройства, които трябва да се въртят: плъзгащи пръстени или безжично предаване на мощност чрез индукционни бобини. Тъй като висококачествените плъзгащи пръстени, които могат да поддържат високи обороти, обикновено са много скъпи и по-склонни към износване, аз избрах безжичната опция, използвайки 5V безжичен DC-DC конвертор. Според спецификациите би трябвало да е възможно да се прехвърлят до 2 ампера с помощта на такъв преобразувател.

Безжичният DC-DC преобразувател се състои от два компонента, предавател и приемник. Моля, имайте предвид, че печатната платка, свързана към предавателната индукционна бобина, е по -малка от тази, която приема.

Самата платформа е изградена от парче скрап (250 x 180 x 18 mm).

На платформата завих захранването на Mean Well 12V. Изходът 12V е свързан към ESC (вижте схемите в стъпка 1) и печатната платка на предаващата част на безжичния DC-DC преобразувател.

В прикачения файл Platform_Files.zip ще намерите dxf файловете за лазерно изрязване на платформата от шперплат с дебелина 3 мм:

• Platform_001.dxf и Platform_002.dxf: Трябва да ги поставите един върху друг. Това ще създаде вдлъбнатина за предаващата индукционна бобина.
• Magnet_Holder.dxf: Изрежете лазерно този дизайн три пъти. Един от трите пъти включва кръга. В другите две лазерни срези: премахнете кръга от изрязване. След изрязване залепете трите парчета заедно, за да създадете държач за магнит (диаметър 10 мм, дебелина: 3 мм). Използвах суперлепило, за да залепя магнита в държача за магнит. Моля, уверете се, че сте залепили правилната страна на магнита към държача, тъй като сензорът на Хол ще работи само с едната страна на магнита.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Тази част ще ви помогне да задържите сензора на Хола, прикрепен към блока за управление на двигателя, както е показано на първата снимка.
• Platform_Drill_Template.dxf: Използвах това парче като шаблон за пробиване на отворите в парчето скрап. Четирите по -големи отвора от 6 мм са за носещите резбовани пръти с диаметър 6 мм, за да поддържат платформата. 4 -те по -малки отвора са за закрепване на безчетков двигател към парчето скрап. Най -големият отвор в средата беше необходим за оста, която стърчеше от безчетковия двигател. Тъй като болтовете за двигателя и резбованите пръти за платформата трябва да бъдат закрепени на дъното на платформата, е необходимо тези отвори да се увеличат с няколко мм дълбочина, за да се поставят гайките.

За съжаление валът на безчетковия двигател изпъкна от „грешната“страна за този проект. Но успях да обърна вала с помощта на следната инструкция, която намерих в Youtube:

След като двигателят и поддържащите пръти са закрепени, платформата може да бъде конструирана с помощта на лазерно изрязани части от платформата. Самата платформа може да бъде обезопасена с помощта на 8 гайки M6. Поставката за магнит може да бъде залепена към платформата на границата, както е показано на първата снимка.

Прикаченият файл "Bolt-On Adapter.stl" може да бъде отпечатан с помощта на 3D принтер. Този адаптер е необходим за закрепване на резбован прът с диаметър 4 мм към безчетковия двигател с помощта на 3 x болта M2 с дължина 18 мм.

Стъпка 4: Въртящ се корпус

Приложеният Base_Case_Files.zip съдържа dxf файловете за лазерно изрязване на 6 слоя, за да се конструира кутията за компонентите, управляващи APA102C LED лентата.

Слоевете 1-3 на дизайна на кутията са предназначени да бъдат залепени заедно. Но моля, уверете се, че магнит (диаметър 10 мм, височина: 3 мм) е поставен в кръговия изрез в слой 2, преди да залепите трите слоя заедно. Уверете се също, че магнитът е залепен с правилния полюс към дъното, тъй като сензорът за ефекта на Хол, поставен на платформата, изградена в стъпка 3, ще реагира само на едната страна на магнита.

Дизайнът на кутията съдържа отделения за компонентите, изброени в приложените схеми на окабеляване. IC 74AHCT125 е необходим за преобразуване на 3.3V сигнала от Teensy в 5V сигнал, необходим за APA102 LED лентата. Слоеве 4 и 5 също могат да бъдат залепени заедно. Горният слой 6 може да бъде натрупан върху останалите слоеве. Всички слоеве ще останат в правилното положение с помощта на 3 стоманени пръта с диаметър 2 мм. Има три малки отвора за 2 мм стоманени пръти, обграждащи по -големия отвор за въртящия се 4 мм резбован прът, прикрепен към безчетковия двигател. След като всички компоненти са запоени съгласно схемата, целият калъф може да бъде поставен върху адаптера с болтове, отпечатан в Стъпка 3. Моля, уверете се, че всички отворени проводници са правилно изолирани с помощта на термоусадочни тръби. Моля, имайте предвид, че правилното функциониране на сензора на Хола на тези стъпки зависи от магнита, поставен в държача за магнит, описан в стъпка 3.

Приложеното доказателство за концептуален код 3D_POV_POC.ino ще изсветли някои светодиоди в червено. Скицата води до показване на квадрат, след като цилиндърът започне да се върти. Но преди да започне въртенето, светодиодите, които са необходими за симулиране на квадрат, се включват по подразбиране. Това е полезно за тестване на правилното функциониране на светодиодите в следващата стъпка.

Стъпка 5: Въртящ се цилиндър със светодиодните ленти

Приложеният Rotor_Cylinder_Files.zip съдържа файловете dxf за изрязване на акрилен лист с дебелина 2 мм. Получените 14 диска са необходими за изграждането на прозрачния цилиндър за този POV проект. Дисковете трябва да бъдат натрупани един върху друг. Дизайнът на цилиндричните дискове позволява 12 LED ленти да бъдат запоени заедно като една дълга LED лента. Започвайки от един диск, малка LED лента, съдържаща 6 светодиода, трябва да бъде прикрепена към диск с помощта на лепящите стикери върху LED лентата. Запоявайте първо проводниците към светодиодната лента, преди да прикрепите светодиодните ленти към диска, като използвате лепящите стикери. В противен случай рискувате пистолетът за запояване да разтопи акрилния диск.

След като диск #13 е натрупан върху прозрачния цилиндър, 2 -милиметровият стоманен прът, използван за поддържане на всички слоеве в правилните позиции, сега може също да бъде отрязан до правилната дължина, подравнена към горната част на диск #13 на цилиндъра. След това диск #14 може да се използва за задържане на 2 мм стоманени пръти на място с помощта на две гайки М4.

Тъй като времето, необходимо за изграждането на цялото устройство, все още не успях да програмирам по -стабилни визуално интересни 3D дисплеи в рамките на времевата рамка на хакатона. Това е и причината, поради която предоставеният код за управление на светодиодите все още е много основен за доказване на концепцията, показвайки засега само червен квадрат 3 с размери.

Стъпка 6: Извлечени уроци

Тийнейджърски 3.6

• Поръчах Teensy 3.5 за този проект, но доставчикът ми изпрати по погрешка Teensy 3.6. Тъй като бях нетърпелив да завърша проекта в рамките на сроковете на хакатона, реших да продължа напред с Teensy 3.6. Причината, поради която исках да използвам Teensy 3.5, беше поради портовете, те са толерантни към 5V. Това не е случаят с Teensy 3.6. Това е и причината, поради която трябваше да въведа двупосочен логически преобразувател в настройката. С Teensy 3.5 това не би било необходимо.
• Проблем с усилването на захранването: При включване на устройството се увеличава захранването чрез безжичния модул за зареждане на dc-dc за захранване на Teensy 3.6. За съжаление нарастването е твърде бавно, за да може Teensy 3.6 да се стартира правилно. Като заобиколно решение в момента трябва да захранвам Teensy 3.6 чрез микро USB връзка и след това да включа 12V захранване, захранващо безжичния dc-dc предавател. След като безжичният dc-dc приемник също захранва Teensy, мога да изключа USB кабела. Хората са споделили своя хак с MIC803 за проблема с бавното нарастване на захранването тук:

Модул за LCD екран

Неравномерно поведение при външно захранване. Екранът работи правилно, когато се захранва чрез USB. Но когато захранвам LCD екрана чрез чертежа, използвайки 5V, предоставен от BEC или независимо захранване, текстът започва да се кодира след няколко секунди, след като текстът трябва да се промени. Все още трябва да проуча какво причинява този проблем

Механични

За да тествам моя блок за управление на двигателя за измерване на действителните обороти, оставих двигателя да се върти с болта на адаптера, болта и основата, прикрепени към двигателя. По време на един от първоначалните тестове винтовете, свързващи държача на двигателя с двигателя, се развиват поради вибрациите. За щастие забелязах този проблем навреме, така че потенциално бедствие беше избегнато. Реших този проблем, като завинтвах малко по -здраво винтовете към двигателя и също използвах няколко капки Loctite, за да закрепя още повече винтовете

Софтуер

Когато експортирате скици на Fusion 360 като dxf файлове за лазерния нож, поддържащите линии се експортират като обикновени линии

Стъпка 7: Потенциални подобрения

Какво бих направил по различен начин въз основа на опита, натрупан с този проект:

• Използване на LED лента, съдържаща най -малко 7 светодиода вместо 6 светодиода на слой за някои по -хубави текстови визуализации
• Купете различен безчеткови двигател, където валът вече стърчи от правилната (долната) страна на двигателя. (напр.: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Това ще ви спести неприятностите или да отрежете вала, или да избутате вала на правилната страна, както аз трябваше да направя сега.
• Консумирайте повече време за балансиране на устройството, за да сведете до минимум вибрациите, механични или моделирайте го във Fusion 360.

Обмислях и някои потенциални подобрения, които бих могъл да разгледам, ако времето позволява:

• Действително използване на функционалността на SD картата на Teensy за създаване на по -дълги анимации
• Увеличете плътността на изображенията, като използвате по -малки светодиоди (APA102 (C) 2020). Когато започнах този проект преди няколко седмици, светодиодните ленти, съдържащи тези малки светодиоди (2x2 мм), не бяха лесно достъпни на пазара. Възможно е да ги закупите като отделни SMD компоненти, но бих взел предвид тази опция само ако желаете да запоите тези компоненти на персонализирана печатна платка.
• Прехвърлете 3D изображения безжично към устройството (Wifi или Bluetooth). Това също трябва да даде възможност за програмиране на устройството за визуализиране на звук/музика.
• Конвертирайте анимациите на Blender във файлов формат, който може да се използва с устройството
• Поставете всички LED ленти върху основната плоча и фокусирайте светлината върху слоевете акрил. На всеки различен слой могат да бъдат гравирани малки области, които да отразяват светлината, когато се пропуснат от светодиодите. Светлината трябва да бъде насочена към гравираните области. Това би трябвало да бъде възможно чрез създаване на тунел, насочващ светлината, или използване на лещи върху светодиодите за фокусиране на светлината.
• Подобряване на стабилността на 3D обемния дисплей и регулиране на скоростта на въртене чрез отделяне на въртящата се основа от безчетковия двигател с помощта на зъбни колела и зъбен ремък.

Стъпка 8: Извикайте

Бих искал да благодаря специално на следните лица:

• Моята фантастична съпруга и дъщери, за тяхната подкрепа и разбиране.
• Теун Веркерк, за това, че ме покани на хакатона
• Наби Камбиз, Нуридин Кадури и Айдан Уайбър, за вашата подкрепа, помощ и напътствия в целия Хакатон
• Luuk Meints, художник и колега участник в този хакатон, който беше толкова любезен да ми даде личен 1 часов курс за въвеждане във Fusion 360, който ми позволи да моделирам всички части, от които се нуждаех за този проект.