Photonics Challenger: Transparent 3D Volumetric POV (PHABLABS): 8 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

'N Paar weke gelede het ek 'n laaste uitnodiging ontvang om deel te neem aan 'n PhabLabs Hackathon by die Science Center Delft in Nederland. Vir 'n entoesiastiese stokperdjie soos ek, wat normaalweg slegs 'n beperkte tyd aan knoeiery kan spandeer, het ek dit as 'n wonderlike geleentheid beskou om 'n tydjie in te stel om een van my vele idees binne die bestek van die Hackathon: Photonics te omskep in 'n werklike projek. En met die wonderlike geriewe in die Makerspace by Science Center Delft was dit net onmoontlik om hierdie uitnodiging van die hand te wys.

Een van die idees wat ek al 'n rukkie met betrekking tot fotonika gehad het, was dat ek iets wou doen met Persistence of Vision (POV). Daar is reeds tonne voorbeelde aanlyn beskikbaar oor hoe om 'n basiese POV -skerm te bou met behulp van 'n paar basiese komponente: mikrobeheerder, ou waaier/hardeskyf/motor en een string leds wat loodreg op die as van die roterende toestel gekoppel is. Met 'n relatief eenvoudige opset kan u reeds 'n indrukwekkende tweedimensionele beeld skep, byvoorbeeld:

'N Ander variasie van POV -skerms verbind 'n string LED's parallel met die as van die roterende toestel. Dit sal lei tot 'n 3-dimensionele silindriese POV-skerm, byvoorbeeld:

In plaas daarvan om die string LED's parallel met die as van die roterende toestel te verbind, kan u ook die string LED's boog. Dit sal 'n sferiese (aardbol) POV-vertoning tot gevolg hê, bv: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Die volgende vlak is om verskeie lae geleide snare te bou om 'n volumetriese 3D-skerm te skep. Hier is 'n paar voorbeelde van sulke volumetriese 3D POV -skerms wat ek as inspirasie vir hierdie spesifieke projek gebruik het:

• 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…

Aangesien die vervaardigers van die voorbeelde hierbo baie nuttige inligting verskaf het, was dit baie sinvol om dele van hul projekte weer saam te voeg. Maar aangesien 'n Hackathon veronderstel is om 'n uitdaging te wees, het ek ook besluit om 'n ander soort volumetriese 3D POV -skerm te bou. Sommige het rotors en baie warm gom gebruik om te voorkom dat die komponente rondvlieg. Ander het persoonlike PCB's vir hul projek geskep. Nadat ek 'n paar van die ander 3D POV -projekte nagegaan het, het ek ruimte gesien vir 'innovasie' of 'n paar uitdagings vir myself voorgestel:

• Sonder voorafgaande ervaring met die skep van persoonlike PCB's en as gevolg van die tydsbeperking van die Hackathon, kies ek om 'n meer basiese prototipe -benadering te volg. Maar in plaas daarvan om werklike rotors te skep, was ek nuuskierig oor hoe so 'n volumetriese 3D POV -skerm sou lyk as 'n silinder uit lae akrielplastiek gebruik word.
• Geen gebruik nie, of die minimum gebruik van warm gom om die toestel minder gevaarlik te maak

Stap 1: Materiaal en gereedskap wat gebruik word

Vir die motorbeheerder

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Klein broodbord
• 3144 Hall Effect Switch Sensor
• Magneet met deursnee: 1 cm, hoogte: 3 mm
• Wisselskakelaar - MTS -102
• 10K potensiometer
• Dupont Jumper Wires
• 16 x M5 Neute
• LCD -skermmodule met blou agtergrond (HD44780 16 × 2 karakters)
• 10K weerstand - optrekweerstand vir die hall -effek sensor
• 220 Ohm weerstand - Om die kontras van die LCD -skerm te beheer
• Skroefdraad Diameter: 5 mm
• Laaghout, dikte: 3 mm

Vir die platformbasis

• Stuk afvalhout (250 x 180 x 18 mm)
• Mean Well - 12V 4.2A - Skakelvoeding LRS -50-12
• Kragkabel 220V
• DC -DC draadlose omskakelaar - 5V 2A (sender)
• Turnigy D2836/8 1100KV Borsellose Outrunner -motor
• Turnigy Plush 30amp Speed Controller W/BEC
• Terminalblokke -aansluitings
• 12 x M6 -moere om die platform vas te maak met die draaddrade met 'n deursnee van 6 mm.
• 3 x M2 boute (18 mm lank) vir die bevestiging van die aanpasadapter aan die borsellose motor
• 4 x M3 moere en boute om die motor sonder borstel aan die stuk hout vas te maak
• Skroefdraaddiameter: 6 mm (4 x lengte 70 mm)
• Skroefdraad Diameter: 4 mm (1 x lengte 80 mm)
• Laaghout, dikte: 3 mm

Vir die roterende omhulsel

• DC -DC draadlose omskakelaar - 5V 2A (ontvanger)
• 3D -gedrukte aansluitadapter (PLA -filament, wit)
• Teensy 3.6
• IC 74AHCT125 Quad Logic Level Converter/Shifter (3V tot 5V)
• 10K weerstand - optrekweerstand vir die hall -effek sensor
• 1000uF 16V kondensator
• Skroefdraad Diameter 4 mm
• Magneet met deursnee: 1 cm, hoogte: 3 mm
• Laaghout, dikte: 3 mm
• Laaghout, dikte: 2 mm
• Akrielblad, dikte: 2 mm
• Diameter staalstang: 2 mm
• Moere en boute
• 0.5 meter ledstrip APA102C 144 leds / meter

Gereedskap gebruik

• Merlin Laser Cutter M1300 - Lasersny laaghout en akrielblad
• Ultimaker 2+ vir 3D -druk van die aanpasadapter
• Soldeerstasie en soldeer
• Tafelboor
• Skroewedraaiers
• Plyers
• Hamer
• Remklauw
• Ystersaag
• Sleutels
• Krimp buis

Sagteware gebruik

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE en Teensyduino (bevat Teensy Loader)

Stap 2: Motorbeheereenheid om die rotasiesnelheid te reguleer

Die motorbeheereenheid stuur 'n sein na die Turnigy Electronic Speed Controller (ESC) wat die aantal rotasies wat die borsellose motor verskaf, beheer.

Boonop wou ek ook die werklike rotasies per minuut van die POV -silinder vertoon. Daarom het ek besluit om 'n saal -effek -sensor en 'n 16x2 LCD -skerm by die motorbeheereenheid in te sluit.

In die aangehegte zip -lêer (MotorControl_Board.zip) vind u drie dxf -lêers waarmee u een basisplaat en twee boonste plate vir die motorbeheereenheid kan las. Gebruik laaghout met 'n dikte van 3 mm. Die twee boonste plate kan bo -op mekaar geplaas word, waarmee u die 16x2 LCD -skerm kan vasskroef.

Die twee gate in die boonste plaat is bedoel vir een aan/af skakelaar en een potensiometer om die spoed van die borsellose motor te beheer (ek het nog nie self die aan/af skakelaar bedraad nie). Om die motorbeheereenheid te bou, moet u die draadstang met 'n deursnee van 5 mm in 4 stukke van die gewenste hoogte saag. Met die 8 M5 -moere kan u die basis eers vasmaak. Toe maak ek die klein broodbord vas aan die basisplaat met behulp van die dubbelzijdige kleefplakker wat by die broodbord was. Die aangehegte skema toon hoe u die komponente moet bedraad sodat dit kan werk met die bronkode (MotorControl.ino) wat by hierdie stap aangeheg is. Ek het 'n 10K optrekweerstand vir die saalsensor gebruik. 'N Weerstand van 220 Ohm werk goed genoeg om die teks op die LCD -skerm sigbaar te maak.

Maak seker dat u die penne van die saaleffekte -sensor met behulp van krimpbuise isoleer, net soos op die foto's. Die korrekte werking van die saalsensor is afhanklik van 'n magneet wat in stap 3 in die draaikas geplaas word.

Sodra die bedrading voltooi is, kan u die twee boonste plate met die LCD -skerm, skakelaar en potensiometer bevestig deur weer 8 M5 moere te gebruik, soos op die foto's.

Afhangende van die model van u motor wat u gebruik het, moet u moontlik die volgende reël kode in die MotorControl.ino -lêer aanpas:

gas = kaart (gemiddeldePotValue, 0, 1020, 710, 900);

Hierdie kodelyn (reël 176) karteer die posisie van die 10K potensiometer na die sein vir die ESC. Die ESC aanvaar waarde tussen 700 en 2000. En toe die motor wat ek vir hierdie projek gebruik het, om 823 begin draai, het ek die RPM's van die motor beperk deur die maksimum waarde tot 900 te beperk.

Stap 3: Bou die platform vir draadlose transmissiekrag

Tans is daar basies twee maniere om toestelle wat moet draai, aan te dryf: glyringe of draadloos oordrag van krag via induksiespoele. Aangesien glyringe van hoë gehalte wat hoë toeren kan toelaat, baie duur en meer geneig is tot slytasie, het ek gekies vir die draadlose opsie met 'n 5V draadlose DC-DC-omskakelaar. Volgens die spesifikasies behoort dit moontlik te wees om met so 'n omskakelaar tot 2 Ampere oor te dra.

Die draadlose DC-DC-omskakelaar bestaan uit twee komponente, 'n sender en 'n ontvanger. Hou in gedagte dat die PCB wat gekoppel is aan die sender -induksiespoel kleiner is as die wat ontvang word.

Die platform self word gebou met 'n stuk hout (250 x 180 x 18 mm).

Op die platform het ek die Mean Well 12V -kragtoevoer ingeskakel. Die 12V-uitset is gekoppel aan die ESC (sien die skemas by stap 1) en die printplaat van die oordraggedeelte van die draadlose DC-DC-omskakelaar.

In die aangehegte Platform_Files.zip vind u die dxf -lêers om die platform uit laaghout met 'n dikte van 3 mm te sny:

• Platform_001.dxf en Platform_002.dxf: U moet dit op mekaar plaas. Dit sal 'n ingeboude gebied skep vir die oordrag van induksiespoel.
• Magnet_Holder.dxf: sny hierdie ontwerp drie keer af. Sluit die sirkel een van die drie keer in. In die ander twee lasersnitte: verwyder die sirkel om te sny. Na die sny, plak die drie stukke saam om 'n houer vir 'n magneet te skep (deursnee 10mm, dikte: 3mm). Ek het superlijm gebruik om die magneet in die magneethouer vas te plak. Maak seker dat u die regte kant van die magneet aan die houer plak, aangesien die saalsensor slegs met die een kant van die magneet werk.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Hierdie stuk help u om die saalsensor aan die motorbeheereenheid vas te hou, soos op die eerste foto getoon.
• Platform_Drill_Template.dxf: Ek het hierdie stuk as 'n sjabloon gebruik om die gate in die stuk hout te boor. Die vier groter 6 mm -gate is vir die draagdraadstawe met 'n deursnee van 6 mm om die platform te ondersteun. Die 4 kleiner gate is vir die bevestiging van die borsellose motor aan die stuk hout. Die grootste gat in die middel was nodig vir die as wat uit die borsellose motor steek. Aangesien die boute vir die motor en die draaddrade vir die platform aan die onderkant van die platform vasgemaak moet word, is dit nodig om die gate 'n paar mm diep te vergroot sodat die moere kan inpas.

Ongelukkig steek die as van die borsellose motor aan die 'verkeerde' kant van hierdie projek. Maar ek kon die as omkeer met behulp van die volgende instruksie wat ek op Youtube gevind het:

Sodra die motor en ondersteuningsstawe vasgemaak is, kan die platform gebou word met behulp van die lasersnyplatformstukke. Die platform self kan met 8 M6 -moere vasgemaak word. Die magneethouer kan op die platform aan die rand vasgeplak word, soos op die eerste foto getoon.

Die aangehegte lêer "Bolt-On Adapter.stl" kan met 'n 3D-drukker gedruk word. Hierdie adapter is nodig om 'n draadstang met 'n deursnee van 4 mm aan die borsellose motor vas te maak met behulp van 3 x M2 -boute met 'n lengte van 18 mm.

Stap 4: Roterende omhulsel

Die aangehegte Base_Case_Files.zip bevat die dxf -lêers om die 6 lae met lasersnitte te sny om die omhulsel vir die komponente wat die APA102C -ledstrook beheer, te bou.

Lae 1-3 van die omhulselontwerp is bedoel om aan mekaar vasgeplak te word. Maar maak seker dat 'n magneet (deursnee 10 mm, hoogte: 3 mm) in die sirkelvormige uitsny in laag 2 geplaas word voordat u die drie lae aan mekaar plak. Maak ook seker dat die magneet met die korrekte paal aan die onderkant vasgeplak is, aangesien die saal effek sensor wat op die platform in stap 3 geplaas is, slegs op die een kant van die magneet reageer.

Die ontwerp van die omhulsel bevat kompartemente vir die komponente wat in die aangehegte bedradingskema verskyn. Die IC 74AHCT125 is nodig om die 3.3V sein van die Teensy om te skakel na die 5V sein wat benodig word vir die APA102 led strip. Lae 4 en 5 kan ook aan mekaar geplak word. Die boonste laag 6 kan op die ander lae gestapel word. Alle lae bly in die regte posisie met behulp van 3 staalstawe met 'n deursnee van 2 mm. Daar is drie klein gaatjies vir die 2 mm staalstawe rondom die groter gat vir die roterende 4 mm draadstang wat aan die borsellose motor geheg is. Sodra alle komponente volgens die skema gesoldeer is, kan die volledige omhulsel op die vasgemaakte adapter geplaas word, wat in stap 3 gedruk is. Hou in gedagte dat die korrekte werking van die gangsensor van hierdie stappe afhang van die magneet wat in die magneethouer in stap 3 beskryf is.

Die aangehegte bewys van die konsepkode 3D_POV_POC.ino verlig sommige LED's in rooi. Die skets het tot gevolg dat 'n vierkant vertoon word sodra die silinder begin draai. Maar voordat die rotasie begin, word die LED's wat nodig is om 'n vierkant te simuleer, standaard aangeskakel. Dit is handig om die korrekte werking van die LED's in die volgende stap te toets.

Stap 5: Draaiende silinder met die Led Strips

Die aangehegte Rotor_Cylinder_Files.zip bevat die dxf -lêers om 'n 2 mm dik akrielblad te sny. Die gevolglike 14 skywe is nodig om die deursigtige silinder vir hierdie POV -projek te bou. Die skywe moet op mekaar gepak word. Die ontwerp van die silindriese skywe laat toe dat 12 ledstroke aanmekaar gesoldeer word as 'n lang geleide strook. Vanaf skyf een moet 'n klein led -strook met 6 LED's aan 'n skyf geheg word met die kleefplakkers op die led -strook. Soldeer eers die drade aan die ledstrook voordat u die ledstroke met kleefplakkers aan die skyf vasmaak. Anders loop u die risiko dat die soldeergeweer die akrielskyf sal smelt.

Sodra skyf #13 op die deursigtige silinder gestapel is, kan die 2 mm staalstaaf wat gebruik word om alle lae in die regte posisies te hou, ook op die regte lengte gesny word, in lyn met die bokant van die skyf #13 van die silinder. Skyf #14 kan dan gebruik word om die 2 mm staalstawe op hul plek te hou met behulp van twee M4 moere.

Omdat die hoeveelheid tyd wat nodig is om die hele toestel te bou, kon ek nog nie stabieler visueel interessante 3D -skerms binne die tydperk van die hackathon programmeer nie. Dit is ook die rede waarom die gegewe kode vir die beheer van die LED's nog steeds baie basies is om die konsep te bewys, en slegs 'n rooi vierkant 3 dimensioneel vertoon.

Stap 6: lesse geleer

Teensy 3.6

• Ek het 'n Teensy 3.5 vir hierdie projek bestel, maar die verskaffer het per ongeluk 'n Teensy 3.6 vir my gestuur. Omdat ek gretig was om die projek binne die tydperk van die hackathon af te handel, het ek besluit om met die Teensy 3.6 vorentoe te gaan. Die rede waarom ek die Teensy 3.5 wou gebruik, was as gevolg van die poorte, hulle is 5V -verdraagsaam. Dit is nie die geval met die Teensy 3.6 nie. Dit is ook die rede waarom ek 'n tweerigting-logika-omskakelaar aan die opstelling moes voorstel. Met 'n Teensy 3.5 sou dit nie nodig gewees het nie.
• Power Ramp Up-probleem: as u die toestel aanskakel, is daar 'n oprit via die draadlose DC-DC-laadmodule om die Teensy 3.6 aan te dryf. Ongelukkig is die oprit te stadig vir die Teensy 3.6 om reg te begin. As 'n oplossing moet ek tans die Teensy 3.6 via die mikro-USB-aansluiting aanskakel en dan die 12V-kragbron aansluit wat die draadlose DC-DC-sender voed. Sodra die draadlose dc-dc ontvanger ook die stroom aan die Teensy verskaf, kan ek die USB-kabel ontkoppel. Mense het hul hack gedeel met 'n MIC803 vir die stadige kragopwekking hier:

LCD skerm module

Onreëlmatige gedrag op eksterne krag. Die skerm werk korrek as dit via USB aangedryf word. Maar as ek die LCD -skerm via die broodbord aanskakel met behulp van die 5V wat deur die BEC of 'n onafhanklike kragbron verskaf word, begin die teks na 'n paar sekondes na die teks verander word. Ek moet nog ondersoek wat die probleem veroorsaak

Meganies

Om my motorbeheereenheid te toets om die werklike toeren te meet, het ek die motor laat draai met die bout op die adapter, bout en basiskas wat aan die motor geheg is. Tydens een van die eerste toetse word die skroewe wat die motorhouer met die motor verbind, losgeskroef as gevolg van die trillings. Gelukkig het ek hierdie probleem betyds opgemerk, sodat 'n moontlike ramp vermy kon word. Ek het hierdie probleem opgelos deur die skroewe 'n bietjie stywer aan die motor te skroef en ook 'n paar druppels Loctite gebruik om die skroewe nog meer vas te maak

Sagteware

As u Fusion 360 -sketse as dxf -lêers vir die lasersnyer uitvoer, word ondersteunende lyne as gewone lyne uitgevoer

Stap 7: Potensiële verbeterings

Wat sou ek anders gedoen het op grond van die ervaring wat ek met hierdie projek opgedoen het:

• Gebruik 'n LED -strook met ten minste 7 LED's in plaas van 6 LED's per laag vir 'n paar mooier tekstuele visualisasies
• Koop 'n ander borsellose motor waar die as reeds aan die korrekte (onderkant) van die motor uitsteek. (bv: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Dit bespaar u die moeite om óf die as te sny óf die as na die regte kant te stoot soos ek moes nou doen.
• Spandeer meer tyd aan die balansering van die toestel om die vibrasies te verminder, óf meganies of om dit in Fusion 360 te modelleer.

Ek het ook nadink oor moontlike verbeterings, waarna ek kan kyk as die tyd dit toelaat:

• Maak werklik gebruik van die SD -kaartfunksionaliteit op die Teensy om langer animasies te skep
• Verhoog die digtheid van beeldvorming deur kleiner LED's te gebruik (APA102 (C) 2020). Toe ek 'n paar weke gelede met hierdie projek begin, was LED -stroke met hierdie klein ledetjies (2x2 mm) nie maklik op die mark beskikbaar nie. Dit is moontlik om dit as afsonderlike SMD -komponente te koop, maar ek sal hierdie opsie slegs oorweeg as u bereid is om hierdie komponente op 'n pasgemaakte PCB te soldeer.
• Dra 3D -beelde draadloos oor na die toestel (Wifi of Bluetooth). Dit moet dit ook moontlik maak om die toestel te programmeer om klank/musiek te visualiseer.
• Skakel Blender -animasies om na 'n lêerformaat wat saam met die toestel gebruik kan word
• Plaas alle LED -stroke op die basisplaat en fokus die lig op die lae akriel. Op elke verskillende laag kan klein oppervlaktes gegraveer word om die lig te weerkaats as dit uit die leds weggelaat word. Die lig moet gefokus wees op die gegraveerde gebiede. Dit moet moontlik wees deur 'n tonnel te maak wat die lig lei of lense op die LED's te gebruik om die lig te fokus.
• Verbetering van die stabiliteit van die 3D Volumetric display en regulering van rotasiesnelheid deur die roterende basis van die borsellose motor te skei deur ratte en 'n tandriem te gebruik.

Stap 8: Roep uit

Ek wil graag die volgende persone bedank:

• My fantastiese vrou en dogters, vir hul ondersteuning en begrip.
• Teun Verkerk, omdat hy my uitgenooi het na die Hackathon
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri en Aidan Wyber, vir u ondersteuning, hulp en leiding tydens die Hackaton
• Luuk Meints, 'n kunstenaar en 'n mede -deelnemer van hierdie Hackaton, wat so gaaf was om my 'n persoonlike inleidingsnelheidskursus van 1 uur vir Fusion 360 te gee, wat my in staat gestel het om al die dele wat ek vir hierdie projek benodig, te modelleer.