Photonics Challenger: Transparentný 3D volumetrický POV (FABLABS): 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Pred niekoľkými týždňami som dostal pozvánku na poslednú chvíľu na účasť na hackathone PhabLabs vo Science Center Delft v Holandsku. Pre nadšeného fanúšika, akým som ja, ktorý môže bežne tráviť čas len obmedzeným množstvom času, by som to považoval za skvelú príležitosť, ako si naplánovať vyhradený čas na premenu jednej z mojich mnohých myšlienok v rámci programu Hackathon: Photonics na skutočný projekt. A keďže v Makerspace vo Vedeckom centre Delft bolo k dispozícii skvelé vybavenie, bolo nemožné túto pozvánku odmietnuť.

Jednou z myšlienok, ktoré som už nejaký čas mal v súvislosti s fotonikou, bolo, že by som chcel urobiť niečo s Persistence of Vision (POV). Na internete je už k dispozícii veľa príkladov, ako vytvoriť základný displej POV pomocou niektorých základných komponentov: mikrokontroléra, starého ventilátora/pevného disku/motora a jedného reťazca LED diód zapojených kolmo na os rotujúceho zariadenia. Pomerne jednoduchým nastavením už môžete vytvoriť pôsobivý dvojrozmerný obrázok, napr.:

Ďalšia variácia displejov POV spája reťazec LED rovnobežných s osou rotujúceho zariadenia. Výsledkom bude trojrozmerný cylindrický displej POV, napríklad:

Namiesto pripojenia reťazca LED rovnobežne s osou rotujúceho zariadenia môžete tiež oblúkovať reťaz LED. Výsledkom bude sférický (globusový) POV displej, napr.: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Ďalšou úrovňou je vybudovanie niekoľkých vrstiev led reťazcov na vytvorenie volumetrického 3D zobrazenia.. Tu je niekoľko príkladov takýchto volumetrických 3D POV displejov, ktoré som použil ako inšpiráciu pre tento konkrétny 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…

Pretože tvorcovia vyššie uvedených príkladov poskytli veľmi užitočné informácie, bolo rozumné remixovať časti svojich projektov. Ale pretože Hackathon má byť náročný, rozhodol som sa postaviť aj iný typ volumetrického 3D POV displeja. Niektorí z nich používali rotory a veľa horúceho lepidla, aby komponenty nelietali okolo. Iní vytvorili pre svoj projekt vlastné PCB. Po preskúmaní niektorých ďalších projektov 3D POV som videl priestor na nejaké „inovácie“alebo na seba zaviedol niektoré výzvy:

• Bez predchádzajúcich skúseností s vytváraním prispôsobených DPS a vzhľadom na časové obmedzenie hackackonu som sa rozhodol použiť základnejší prototypový prístup. Ale namiesto vytvárania skutočných rotorov som bol zvedavý, ako bude taký objemový 3D POV displej vyzerať pri použití valca zostaveného z vrstiev akrylového plastu.
• Žiadne používanie alebo minimálne používanie horúceho lepidla, aby bolo zariadenie menej nebezpečné

Krok 1: Použitý materiál a nástroje

Pre ovládač motora

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Malý Breadboard
• 3144 Senzor spínača s Hallovým efektom
• Magnet s priemerom: 1 cm, výškou: 3 mm
• Prepínač - MTS -102
• 10K potenciometer
• Dupontové prepojovacie vodiče
• 16 x matice M5
• Modul LCD displeja s modrým podsvietením (HD44780 16 × 2 znaky)
• 10K odpor - vyťahovací odpor pre snímač s Hallovým efektom
• Rezistor 220 Ohm - na ovládanie kontrastu obrazovky LCD
• Priemer závitovej tyče: 5 mm
• Preglejka, hrúbka: 3 mm

Pre základňu platformy

• Kus šrotu (250 x 180 x 18 mm)
• Mean Well - 12V 4,2A - spínaný zdroj LRS -50-12
• Napájací kábel 220V
• Bezdrôtový prevodník DC -DC - 5V 2A (vysielač)
• Bezkartáčový motor Turnigy D2836/8 1100KV
• Turnigy plyšový 30ampový regulátor rýchlosti W/BEC
• Konektory koncových blokov
• 12 x matíc M6 na zaistenie plošiny pomocou závitových tyčí s priemerom 6 mm.
• 3 x skrutky M2 (dĺžka 18 mm) na zaistenie naskrutkovateľného adaptéra k bezkartáčovému motoru
• 4 x M3 matice a skrutky na zaistenie bezuhlíkového motora k kusu šrotu
• Priemer závitovej tyče: 6 mm (4 x dĺžka 70 mm)
• Priemer závitovej tyče: 4 mm (1 x dĺžka 80 mm)
• Preglejka, hrúbka: 3 mm

Pre otočné puzdro

• Bezdrôtový prevodník DC -DC - 5V 2A (prijímač)
• 3D tlačený skrutkový adaptér (vlákno PLA, biele)
• Teensy 3.6
• Quad Logic Converter/Shifter IC 74AHCT125 (3V až 5V)
• 10K odpor - vyťahovací odpor pre snímač s Hallovým efektom
• Kondenzátor 16V 1000uF
• Priemer závitovej tyče 4 mm
• Magnet s priemerom: 1 cm, výškou: 3 mm
• Preglejka, hrúbka: 3 mm
• Preglejka, hrúbka: 2 mm
• Akrylový list, hrúbka: 2 mm
• Priemer oceľovej tyče: 2 mm
• Matice a skrutky
• 0,5 metra LED pásik APA102C 144 LED / meter

Použité nástroje

• Laserová rezačka Merlin M1300 - laserové rezanie preglejky a akrylového plechu
• Ultimaker 2+ pre 3D tlač skrutkového adaptéra
• Spájkovacia stanica a spájkovačka
• Stolová vŕtačka
• Skrutkovače
• Plyers
• Kladivo
• Hmatadlo
• Pílka na drevo
• Kľúče
• Teplom zmrštiteľné trubice

Použitý softvér

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE a Teensyduino (obsahujúce nakladač Teensy)

Krok 2: Riadiaca jednotka motora na reguláciu rýchlosti otáčania

Riadiaca jednotka motora posiela signál do elektronického regulátora otáčok (ESC) Turnigy, ktorý bude riadiť počet otáčok poskytovaných bezkartáčovým motorom.

Okrem toho som tiež chcel, aby bolo možné zobrazovať skutočné otáčky valca POV za minútu. Preto som sa rozhodol zahrnúť do jednotky riadenia motora snímač s Hallovým efektom a LCD displej 16x2.

V priloženom súbore zip (MotorControl_Board.zip) nájdete tri súbory dxf, ktoré vám umožnia laserovo vyrezať jednu základnú dosku a dve horné dosky pre riadiacu jednotku motora. Použite preglejku s hrúbkou 3 mm. Dve horné dosky je možné položiť na seba, čo vám umožní zaskrutkovať displej 16x2 LCD.

Dva otvory v hornej doske sú určené pre jeden prepínač zapnutia/vypnutia a jeden potenciometer na ovládanie otáčok bezkartáčového motora (prepínač zapnutia/vypnutia som zatiaľ nezapájal). Na stavbu jednotky riadenia motora je potrebné napíliť závitovú tyč s priemerom 5 mm na 4 kusy požadovanej výšky. Pomocou 8 matíc M5 môžete najskôr upevniť základňu. Potom som pripevnil malú dosku na základnú dosku pomocou obojstrannej lepiacej nálepky, ktorá bola dodaná s doskou na chlieb. Priložená schéma ukazuje, ako by ste mali zapojiť komponenty, aby mohli pracovať so zdrojovým kódom (MotorControl.ino) pripojeným k tomuto kroku. Na Hallov senzor som použil 10K pull up odpor. Rezistor 220 Ohm fungoval dostatočne dobre na to, aby bol text viditeľný na obrazovke LCD.

Dbajte na to, aby ste kolíky snímača Hallovho efektu izolovali pomocou zmršťovacích bužírok, ako je znázornené na obrázkoch. Správna funkcia Hallovho senzora bude závisieť od magnetu, ktorý bude v kroku 3 umiestnený v otočnom puzdre.

Akonáhle je zapojenie dokončené, môžete 2 horné dosky zaistiť pomocou LCD displeja, spínača a potenciometra opäť pomocou 8 matíc M5, ako je znázornené na obrázkoch.

V závislosti od modelu použitého motora možno budete musieť v súbore MotorControl.ino upraviť nasledujúci riadok kódu:

škrtiaca klapka = mapa (averagePotValue, 0, 1020, 710, 900);

Tento riadok kódu (riadok 176) mapuje polohu 10K potenciometra k signálu pre ESC. ESC prijíma hodnotu medzi 700 a 2000. A keďže motor, ktorý som použil pre tento projekt, sa začal točiť okolo 823, obmedzil som otáčky motora obmedzením maximálnej hodnoty na 900.

Krok 3: Budovanie platformy pre bezdrôtový prenos energie

V dnešnej dobe existujú v zásade dva spôsoby napájania zariadení, ktoré je potrebné otáčať: zberné krúžky alebo bezdrôtový prenos energie cez indukčné cievky. Pretože klzné krúžky vysokej kvality, ktoré môžu podporovať vysoké otáčky, bývajú veľmi drahé a náchylnejšie na opotrebovanie, rozhodol som sa pre bezdrôtovú možnosť pomocou 5V bezdrôtového prevodníka DC-DC. Podľa špecifikácií by malo byť možné pomocou takéhoto prevodníka prenášať až 2 ampéry.

Bezdrôtový menič DC-DC sa skladá z dvoch komponentov, vysielača a prijímača. Uvedomte si prosím, že PCB pripojená k vysielacej indukčnej cievke je menšia ako tá, ktorá prijíma.

Samotná platforma je postavená z kusu šrotu (250 x 180 x 18 mm).

Na plošinu som zaskrutkoval napájací zdroj Mean Well 12V. Výstup 12V je pripojený k ESC (pozri schémy v kroku 1) a doske plošného spoja vysielacej časti bezdrôtového prevodníka DC-DC.

V priloženom Platform_Files.zip nájdete súbory dxf na laserové vyrezanie platformy z preglejky s hrúbkou 3 mm:

• Platform_001.dxf a Platform_002.dxf: Musíte ich položiť na seba. Tým sa vytvorí zapustená oblasť pre vysielaciu indukčnú cievku.
• Magnet_Holder.dxf: Tento návrh vyrezajte laserom trikrát. Jeden z troch krát zahrňte kruh. V ďalších dvoch laserových rezoch: odstráňte kruh z rezania. Po narezaní zlepte tri kusy dohromady a vytvorte držiak na magnet (priemer 10 mm, hrúbka: 3 mm). Na prilepenie magnetu v držiaku magnetu som použil superglue. Uistite sa, že ste k držiaku prilepili správnu stranu magnetu, pretože Hallov senzor bude fungovať iba s jednou stranou magnetu.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Tento diel vám pomôže udržať Hallov senzor na riadiacej jednotke motora na svojom mieste, ako je to znázornené na prvom obrázku.
• Platform_Drill_Template.dxf: Tento kus som použil ako šablónu na vŕtanie otvorov do kúska šrotu. Štyri väčšie 6 mm otvory slúžia na podoprenie plošiny závitovými tyčami s priemerom 6 mm. Štyri menšie otvory slúžia na zaistenie bezkartáčového motora ku kúsku šrotu. Najväčší otvor v strede bol potrebný pre os, ktorá trčala z bezkartáčového motora. Pretože skrutky motora a závitové tyče pre plošinu je potrebné zaistiť v spodnej časti plošiny, je potrebné tieto otvory zväčšiť o niekoľko mm do hĺbky, aby matice zapadli.

Hriadeľ bezuhlíkového motora bohužiaľ pri tomto projekte vyčnieval z „nesprávnej“strany. Ale dokázal som obrátiť hriadeľ pomocou nasledujúceho návodu, ktorý som našiel na Youtube:

Akonáhle je motor a nosné tyče zaistené, platformu je možné skonštruovať pomocou dielov plošiny laserom rezaných. Samotnú plošinu je možné zaistiť pomocou 8 matíc M6. Držiak magnetu je možné prilepiť k platforme na okraji, ako je to znázornené na prvom obrázku.

Priložený súbor „Bolt-On Adapter.stl“je možné vytlačiť pomocou 3D tlačiarne. Tento adaptér je potrebný na pripevnenie závitovej tyče s priemerom 4 mm k bezkartáčovému motoru pomocou 3 skrutiek M2 s dĺžkou 18 mm.

Krok 4: Rotujúce puzdro

Pripojený súbor Base_Case_Files.zip obsahuje súbory dxf na laserové rezanie 6 vrstiev na konštrukciu puzdra pre komponenty ovládajúce LED pásik APA102C.

Vrstvy 1-3 dizajnu puzdra sú určené na zlepenie. Pred lepením týchto troch vrstiev sa však uistite, že je do kruhového výrezu vo vrstve 2 vložený magnet (priemer 10 mm, výška: 3 mm). Tiež sa uistite, že magnet je na spodok prilepený správnym pólom, pretože snímač Hallovho efektu umiestnený na plošine skonštruovanej v kroku 3 bude reagovať iba na jednu stranu magnetu.

Konštrukcia puzdra obsahuje priehradky na komponenty uvedené v priložených schémach zapojenia. IC 74AHCT125 je potrebný na konverziu 3,3V signálu z Teensy na 5V signál požadovaný pre LED pásik APA102. Vrstvy 4 a 5 je tiež možné lepiť dohromady. Hornú vrstvu 6 je možné navrstviť na ďalšie vrstvy. Všetky vrstvy zostanú v správnej polohe pomocou 3 oceľových tyčí s priemerom 2 mm. K bezkartáčovému motoru sú okolo väčšieho otvoru pre rotujúcu 4 mm závitovú tyč pripevnené tri malé otvory pre 2 mm oceľové tyče. Hneď ako sú všetky súčiastky spájkované podľa schémy, je možné kompletné puzdro nasadiť na naskrutkovaný adaptér vytlačený v kroku 3. Uistite sa, že všetky otvorené vodiče sú správne izolované tepelne zmršťovacími rúrkami. Majte na pamäti, že správna činnosť Hallovho senzora v týchto krokoch závisí od magnetu umiestneného v držiaku magnetu popísaného v kroku 3.

Priložený dôkaz koncepčného kódu 3D_POV_POC.ino rozsvieti niektoré diódy na červeno. Náčrt vyústi do štvorca, ktorý sa zobrazí, akonáhle sa valec začne otáčať. Pred spustením otáčania sú však diódy LED, ktoré sú potrebné na simuláciu štvorca, v predvolenom nastavení zapnuté. Toto je nápomocné pri testovaní správneho fungovania LED diód v nasledujúcom kroku.

Krok 5: Rotujúci valec s LED pásikmi

Pripojený súbor Rotor_Cylinder_Files.zip obsahuje pilníky dxf na rezanie 2 mm hrubého akrylového plechu. Výsledných 14 diskov je potrebných na stavbu priehľadného valca pre tento projekt POV. Disky je potrebné ukladať na seba. Konštrukcia valcových kotúčov umožňuje spájkovanie 12 LED pásikov dohromady ako jeden dlhý LED pás. Začínajúc od jedného disku, je potrebné na disk pripevniť malý LED pásik obsahujúci 6 LED diód pomocou lepiacich nálepiek na pásiku LED. Pred pripevnením pásikov s diódami k disku pomocou lepiacich nálepiek najskôr spájkujte drôty s pásom LED. V opačnom prípade riskujete, že spájkovacia pištoľ roztaví akrylový kotúč.

Akonáhle je kotúč č. 13 navrstvený na priehľadný valec, 2 mm oceľová tyč používaná na udržanie všetkých vrstiev v správnych polohách môže byť teraz narezaná na správnu dĺžku zarovnanú k hornej časti kotúča č. 13 valca. Disk č. 14 potom možno použiť na udržanie 2 mm oceľových tyčí na mieste pomocou dvoch matíc M4.

Pretože množstvo času potrebného na zostrojenie celého zariadenia som zatiaľ nedokázal naprogramovať stabilnejšie vizuálne zaujímavé 3D displeje v časovom rámci hackathonu. To je tiež dôvod, prečo je poskytovaný kód na ovládanie LED diód stále veľmi základný na preukázanie konceptu, zatiaľ čo rozmerovo ukazuje iba červený štvorec 3.

Krok 6: Získané ponaučenia

Teensy 3.6

• Na tento projekt som si objednal Teensy 3.5, ale dodávateľ mi omylom poslal Teensy 3.6. Keďže som túžil dokončiť projekt v časovom rámci hackathonu, rozhodol som sa posunúť vpred s Teensy 3.6. Dôvod, prečo som chcel použiť Teensy 3.5, bol kvôli portom, ktoré tolerujú 5V. To nie je prípad Teensy 3.6. To je tiež dôvod, prečo som musel do nastavenia zaviesť obojsmerný logický prevodník. Pri Teensy 3.5 by to nebolo potrebné.
• Problém so zvýšením výkonu: Pri zapnutí zariadenia sa prostredníctvom bezdrôtového nabíjacieho modulu DC-DC nabíja elektrická energia na napájanie zariadenia Teensy 3.6. Nábeh je bohužiaľ príliš pomalý na to, aby sa Teensy 3.6 správne spustil. Ako alternatívne riešenie musím v súčasnej dobe zapnúť Teensy 3.6 prostredníctvom pripojenia micro USB a potom zapojiť napájací zdroj 12V napájajúci bezdrôtový vysielač DC-DC. Akonáhle bezdrôtový prijímač DC-DC napája aj Teensy, môžem odpojiť kábel USB. Ľudia zdieľali svoj hack s MIC803 kvôli problému s pomalým nábehom napájania tu:

Modul obrazovky LCD

Nepravidelné správanie z externého zdroja. Obrazovka funguje správne, keď je napájaná cez USB. Keď však napájam obrazovku LCD pomocou prepojovacieho panelu pomocou 5 V napájaného BEC alebo nezávislého zdroja napájania, text sa začne zamiešať po niekoľkých sekundách po tom, ako sa text mal zmeniť. Musím ešte preskúmať, čo je príčinou tohto problému

Mechanický

Aby som mohol otestovať svoju riadiacu jednotku motora na meranie skutočných otáčok, nechal som motor točiť pomocou skrutky na adaptéri, skrutky a skrinky základne pripevnenej k motoru. Počas jedného z počiatočných testovacích chodov sa skrutky spájajúce držiak motora s motorom odskrutkujú v dôsledku vibrácií. Našťastie som si tento problém všimol včas, takže sa zabránilo potenciálnej katastrofe. Tento problém som vyriešil tým, že som skrutky trocha pevnejšie priskrutkoval k motoru a tiež som použil niekoľko kvapiek Loctite, aby som skrutky ešte viac zaistil

Softvér

Keď exportujete skice Fusion 360 ako súbory dxf pre laserovú rezačku, podporné riadky sa exportujú ako bežné čiary

Krok 7: Potenciálne vylepšenia

Čo by som urobil inak na základe skúseností, ktoré som získal s týmto projektom:

• Pre niektoré krajšie textové vizualizácie použite led pásik obsahujúci najmenej 7 LED diód namiesto 6 LED diód na vrstvu
• Kúpte si iný bezkartáčový motor, v ktorom hriadeľ už vyčnieva na správnej (spodnej) strane motora. (napr.: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) To vám ušetrí starosti s rezaním hriadeľa alebo tlačením hriadeľa na správnu stranu ako ja musel urobiť teraz.
• Tráviť viac času vyvažovaním zariadenia, aby sa minimalizovali vibrácie, či už mechanické, alebo ho modelujte vo Fusion 360.

Tiež som premýšľal o niektorých potenciálnych vylepšeniach, na ktoré by som sa mohol pozrieť, ak mi to čas dovolí:

• Skutočné využitie funkcií karty SD na zariadení Teensy na vytváranie dlhších animácií
• Zvýšte hustotu zobrazovania pomocou menších LED diód (APA102 (C) 2020). Keď som pred niekoľkými týždňami začínal s týmto projektom, led pásy obsahujúce tieto malé LED (2x2 mm) neboli na trhu ľahko dostupné. Je možné ich kúpiť ako samostatné súčiastky SMD, ale túto možnosť by som zvážil iba vtedy, ak ste ochotní spájkovať tieto súčiastky na vlastnú dosku plošných spojov.
• Prenášajte 3D obrázky bezdrôtovo do zariadenia (Wifi alebo Bluetooth). To by tiež malo umožniť naprogramovať zariadenie na vizualizáciu zvuku/hudby.
• Previesť animácie mixéra na formát súboru, ktorý je možné použiť so zariadením
• Položte všetky led pásy na základnú dosku a zamerajte svetlo na vrstvy akrylu. Na každú inú vrstvu môžu byť vyryté malé oblasti, ktoré odrážajú svetlo, ak sú vynechané z LED diód. Svetlo by malo byť zaostrené na vyryté oblasti. To by malo byť možné vytvorením tunela vedúceho svetlo alebo použitím šošoviek na diódach na zaostrenie svetla.
• Vylepšenie stability 3D volumetrického displeja a regulácia rýchlosti otáčania oddelením rotujúcej základne od bezkartáčového motora pomocou ozubených kolies a rozvodového remeňa.

Krok 8: Kričte

Osobitne by som sa chcel poďakovať týmto osobám:

• Moja fantastická manželka a dcéry za podporu a porozumenie.
• Teunovi Verkerkovi za pozvanie na Hackathon
• Nabi Kambizovi, Nuriddinovi Kadourimu a Aidanovi Wyberovi za vašu podporu, pomoc a usmernenie počas celého Hackatonu
• Luuk Meints, umelec a spoluúčastník tohto Hackatonu, ktorý bol taký láskavý a poskytol mi osobný 1 -hodinový úvodný kurz rýchlosti do Fusion 360, ktorý mi umožnil modelovať všetky diely, ktoré som pre tento projekt potreboval.