Photonics Challenger: мөлдір 3D көлемді POV (PHABLABS): 8 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Бірнеше апта бұрын мен Нидерландыдағы Delft Science Center PhabLabs хакатонына қатысуға соңғы минуттық шақыруды алдым. Мен сияқты құмар әуесқойлар үшін, әдетте, тек қана шектеулі уақыт жұмсай алады, мен мұны Хакатон: Фотоника аясында көптеген идеяларымның біріне айналдыру үшін арнайы уақытты жоспарлаудың тамаша мүмкіндігі деп білдім. нақты жоба. Delft ғылыми орталығының Makerspace кеңістігіндегі керемет мүмкіндіктермен бұл шақырудан бас тарту мүмкін болмады.

Фотоникаға қатысты менде бұрыннан бар идеялардың бірі - мен «Тұрақтылықты көру» (POV) көмегімен бірдеңе жасағым келді. Интернетте бірнеше негізгі компоненттерді қолдана отырып, негізгі POV дисплейін құру туралы көптеген мысалдар бар: микроконтроллер, ескі желдеткіш/қатты диск/қозғалтқыш және айналатын құрылғының осіне перпендикуляр қосылған светодиодтардың бір тізбегі. Қарапайым орнатудың көмегімен сіз әсерлі 2 өлшемді кескін жасай аласыз, мысалы:

POV дисплейінің басқа нұсқасы айналатын құрылғының осіне параллель жарықдиодты қосады. Бұл 3 өлшемді цилиндрлік POV дисплейіне әкеледі, мысалы:

Светодиодты айналдыратын құрылғының осіне параллель қосудың орнына, сонымен қатар, светодиодтың жолын доғалауға болады. Бұл сфералық (глобустық) POV дисплейіне әкеледі, мысалы: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Келесі деңгей-көлемді 3D дисплейін құру үшін бірнеше қатарлы жолдардың жиектерін құру.. Міне, мен осы жобаға шабыт ретінде пайдаланған көлемді 3D POV дисплейлерінің кейбір мысалдары:

• 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…

Жоғарыда келтірілген мысалдарды жасаушылар өте пайдалы ақпарат бергендіктен, олардың жобаларының бөліктерін ремикс жасаудың мағынасы болды. Бірақ хакатон қиын болуы мүмкін болғандықтан, мен сонымен қатар көлемді 3D POV дисплейінің басқа түрін құруды шештім. Олардың кейбіреулері компоненттердің айналасында ұшып кетпеуі үшін ротор мен ыстық желімнің көп мөлшерін қолданды. Басқалары өз жобасы үшін теңшелетін ПХД жасады. Басқа 3D POV жобаларын қарастырғаннан кейін мен кейбір «инновацияларға» орын таптым немесе өзіме кейбір қиындықтарды енгіздім:

• Теңшелген ПХД құру тәжірибесі болмағандықтан және Хакатонның уақыт шектеулігіне байланысты мен прототиптің қарапайым тәсілін ұстануды таңдадым. Бірақ нақты роторларды құрудың орнына мен акрил пластик қабаттарынан жасалған цилиндрді қолданған кезде мұндай көлемді 3D POV дисплейі қалай болатынын білгім келді.
• Құрылғыны қауіпті етпеу үшін ыстық желімді пайдаланбаңыз немесе минималды қолданыңыз

1 -қадам: Қолданылатын материалдар мен құралдар

Мотор контроллері үшін

• Arduino Pro Micro 5V/16 МГц
• Кішкене тақта
• 3144 Холл әсерінің қосқыш сенсоры
• Диаметрі бар магнит: 1 см, биіктігі: 3 мм
• Ауыстыру - МТС -102
• 10K потенциометр
• Dupont Jumper Wires
• 16 x M5 жаңғақтар
• СКД дисплей модулі артқы жарығы көк (HD44780 16 × 2 таңбалы)
• 10K резисторы - Холл әсерінің сенсоры үшін жоғары тартылатын резистор
• 220 Ом резисторы - СКД экранының контрастын басқаруға арналған
• Бұрандалы диаметрі: 5 мм
• Фанера, қалыңдығы: 3 мм

Платформа базасы үшін

• Ағаш сынықтары (250 x 180 x 18 мм)
• Орташа ұңғыма - 12V 4.2A - LRS -50-12 коммутациялық қуат көзі
• Қуат кабелі 220 В
• DC -DC сымсыз түрлендіргіші - 5V 2A (таратқыш)
• Turnigy D2836/8 1100KV щеткасыз шығыс қозғалтқышы
• Turnigy Plush 30amp жылдамдық реттегіші W/BEC
• Терминал блоктарының қосқыштары
• Платформаны диаметрі 6 мм бұрандалы шыбықтар көмегімен бекіту үшін 12 x M6 жаңғақтар.
• Бұрандалы адаптерді щеткасыз қозғалтқышқа бекітуге арналған 3 x M2 болттар (ұзындығы 18 мм)
• Қылшықсыз қозғалтқышты ағаш сынықтарына бекітуге арналған 4 x M3 гайкалар мен болттар
• Бұрандалы диаметрі: 6мм (ұзындығы 4х70 мм)
• Бұрандалы шыбықтың диаметрі: 4мм (1 x ұзындығы 80 мм)
• Фанера, қалыңдығы: 3 мм

Айналмалы корпус үшін

• DC -DC сымсыз түрлендіргіші - 5V 2A (қабылдағыш)
• Адаптердегі 3D басылған болт (PLA жіпшесі, ақ)
• Жасөспірім 3.6
• IC 74AHCT125 Quad Logic Level Converter/Shifter (3V - 5V)
• 10K резисторы - Холл әсерінің сенсоры үшін жоғары тартылатын резистор
• 1000ВФ 16В конденсатор
• Бұрандалы диаметрі 4 мм
• Диаметрі бар магнит: 1 см, биіктігі: 3 мм
• Фанера, қалыңдығы: 3 мм
• Фанера, қалыңдығы: 2 мм
• Акрил парағы, қалыңдығы: 2 мм
• Болат шыбықтың диаметрі: 2 мм
• Жаңғақтар мен болттар
• APA102C 0,5 метрлік жолақ 144 лед / метр

Қолданылатын құралдар

• Мерлин лазерлік кескіш M1300 - фанера мен акрил парағын лазермен кесу
• Болтты адаптерге 3D басып шығаруға арналған Ultimaker 2+
• Дәнекерлеу станциясы мен дәнекерлеу
• Үстел жаттығуы
• Бұрауыштар
• Плайлер
• Балға
• Штангенциркуль
• Hacksaw
• Кілттер
• Шөгілетін құбырлар

Қолданылған бағдарламалық қамтамасыз ету

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE және Teensyduino (құрамында Teensy Loader бар)

2 -қадам: Айналу жылдамдығын реттейтін мотор контроллері

Қозғалтқышты басқару блогы Turnigy электронды жылдамдық реттегішіне (ESC) сигнал жібереді, ол щеткасыз қозғалтқыш қамтамасыз ететін айналу санын басқарады.

Сонымен қатар мен POV цилиндрінің минутына нақты айналуын көрсеткім келді. Сондықтан мен мотор контроллеріне холл эффектінің сенсоры мен 16x2 СКД дисплейін қосуды шештім.

Қосылған zip файлында (MotorControl_Board.zip) сіз үш dxf файлын таба аласыз, бұл мотор контроллерінің бір негізгі тақтасы мен екі үстіңгі тақтасын кесуге мүмкіндік береді. Қалыңдығы 3 мм фанераны қолданыңыз. Екі тақтаны бір -бірінің үстіне қоюға болады, бұл сізге 16x2 СКД дисплейді бұрауға мүмкіндік береді.

Үстіңгі тақтадағы екі тесік щеткасыз қозғалтқыштың жылдамдығын басқаруға арналған бір қосуға/өшіруге және бір потенциометрге арналған (мен қосу/өшіру қосқышын әлі қосқан жоқпын). Қозғалтқышты басқару блогын құру үшін диаметрі 5 мм болатын бұрандалы штанганы қажетті биіктіктің 4 бөлігіне аралау қажет. 8 M5 гайкасын пайдаланып алдымен негізді бекітуге болады. Содан кейін мен кішкене нан тақтасын негізгі тақтаға бекітілген екі жақты жабысқақ жапсырманың көмегімен жаптым. Қосылған схема осы қадамға бекітілген бастапқы кодпен (MotorControl.ino) жұмыс істеуі үшін компоненттерді қалай сымдау керектігін көрсетеді. Мен холл сенсоры үшін 10K тартылатын резисторды қолдандым. СКД экранында мәтін көрінуі үшін 220 Ом резисторы жақсы жұмыс жасады.

Суреттерде көрсетілгендей, жылуды қысқарту түтіктерінің көмегімен холл әсерінің сенсорының түйреуіштерін оқшаулағандығыңызға көз жеткізіңіз. Зал сенсорының дұрыс жұмыс істеуі 3 -қадамда айналмалы корпусқа орналастырылатын магнитке сүйенеді.

Сымдар аяқталғаннан кейін сіз суреттерде көрсетілгендей 8 M5 жаңғағын қолдана отырып, СКД дисплей, қосқыш және потенциометр көмегімен 2 үстіңгі тақтаны бекітуге болады.

Қозғалтқыштың үлгісін күткенде, MotorControl.ino файлында келесі код жолын реттеу қажет болуы мүмкін:

дроссель = карта (орташаPotValue, 0, 1020, 710, 900);

Бұл код жолы (176 жол) 10К потенциометрінің орнын ЭСК сигналына салыстырады. ESC 700 -ден 2000 -ге дейінгі мәнді қабылдайды. Мен осы жобада қолданған қозғалтқыш 823 айнала бастағандықтан, мен максималды мәнді 900 -ге дейін шектей отырып, қозғалтқыштың айналу жиілігін шектедім.

3 -қадам: сымсыз тарату қуаты платформасын құру

Қазіргі уақытта құрылғыларды айналдыруды қажет ететін екі әдіс бар: сырғанау сақиналары немесе индукциялық катушкалар арқылы сымсыз қуат беру. Жоғары айналу жиілігін қолдайтын жоғары сапалы сырғанау сақиналары өте қымбат және тозуға бейім болғандықтан, мен 5В сымсыз DC-DC түрлендіргіші арқылы сымсыз опцияны таңдадым. Техникалық сипаттамаларға сәйкес мұндай түрлендіргішті қолдана отырып, 2 амперге дейін беру мүмкіндігі болуы керек.

DC-DC сымсыз түрлендіргіші екі компоненттен тұрады: таратқыш және қабылдағыш. Беруші индукциялық катушкаға қосылған ПХД қабылдағышқа қарағанда кішірек екенін ескеріңіз.

Платформаның өзі ағаш сынықтары (250 x 180 x 18 мм) арқылы салынған.

Платформада мен орташа вольтты 12 В қуат көзін бұрап алдым. 12В шығысы ESC-ке (1-қадамдағы схеманы қараңыз) және DC-DC сымсыз түрлендіргішінің таратушы бөлігінің ПХД-на қосылған.

Қосылған Platform_Files.zip -те сіз dxf файлдарын қалыңдығы 3 мм фанерден кесу үшін dxf файлдарын табасыз:

• Platform_001.dxf және Platform_002.dxf: Сіз оларды бір -біріне орналастыруыңыз керек. Бұл индукциялық катушка үшін тереңдетілген аймақ жасайды.
• Magnet_Holder.dxf: Ласеркут бұл дизайнды үш рет. Үш уақыттың бірі шеңберді қамтиды. Қалған екі лазерде: шеңберді кесуден алып тастаңыз. Кесіп болғаннан кейін үш бөлікті желімдеп магнит ұстағышын жасаңыз (диаметрі 10 мм, қалыңдығы: 3 мм). Магнит ұстағышына магнитті желімдеу үшін мен суперглют қолдандым. Магниттің дұрыс жағын ұстағышқа жабыстырғаныңызға көз жеткізіңіз, себебі холл сенсоры магниттің бір жағымен ғана жұмыс істейді.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Бұл бөлік бірінші суретте көрсетілгендей моторды басқару блогына бекітілген холл сенсорын сақтауға көмектеседі.
• Platform_Drill_Template.dxf: Мен бұл бөлікті ағаш сынықтарының тесіктерін бұрғылауға үлгі ретінде қолдандым. 6 мм үлкен төрт тесік платформаны қолдау үшін диаметрі 6 мм болатын тірек бұрандалы өзектерге арналған. Кішкене 4 тесік щеткасыз қозғалтқышты ағаш сынықтарына бекітуге арналған. Ортадағы ең үлкен тесік щеткасыз қозғалтқыштан шығып кеткен ось үшін қажет болды. Қозғалтқыштың болттары мен платформаның бұрандалы шыбықтары платформаның түбіне бекітілуі керек болғандықтан, гайкаларды бекіту үшін олардың тесіктерін бірнеше мм тереңдікте үлкейту қажет.

Өкінішке орай, щеткасыз қозғалтқыштың білігі бұл жобаның «дұрыс емес» жағынан шығып кетті. Бірақ мен Youtube -те табылған келесі нұсқаулықтың көмегімен білікті кері айналдыра алдым:

Қозғалтқыш пен тірек штангалары бекітілгеннен кейін платформаны лазерлік платформа бөлшектерінің көмегімен жасауға болады. Платформаның өзі 8 M6 гайкасының көмегімен бекітілуі мүмкін. Магнит ұстағышты бірінші суретте көрсетілгендей шекарадағы платформаға жабыстыруға болады.

Қосылған «Bolt-On Adapter.stl» файлын 3D принтер көмегімен басып шығаруға болады. Бұл адаптер щеткасыз қозғалтқышқа ұзындығы 18 мм болатын 3 х М2 болт көмегімен диаметрі 4 мм бұрандалы штанганы бекіту үшін қажет.

4 -қадам: айналмалы корпус

Қосылған Base_Case_Files.zip құрамында APA102C светодиодты басқаратын компоненттердің корпусын құру үшін 6 қабатты лазермен кесуге арналған dxf файлдары бар.

Корпус дизайнының 1-3 қабаттары бір-біріне жабыстыруға арналған. Үш қабатты бір -біріне жабыстырмас бұрын магнит (диаметрі 10 мм, биіктігі: 3 мм) 2 -қабаттағы дөңгелек ойыққа салынғанына көз жеткізіңіз. Сондай -ақ, магниттің төменгі жаққа дұрыс полюспен жабыстырылғанына көз жеткізіңіз, себебі 3 -қадамда салынған платформаға қойылған холл эффект датчигі магниттің тек бір жағына ғана жауап береді.

Корпустың конструкциясында бекітілген сымдар схемасында көрсетілген компоненттерге арналған бөлімдер бар. IC 74AHCT125 3.3В сигналын Teensy -ден APA102 жарық диодты жолағына қажетті 5В сигналына түрлендіру үшін қажет. 4 және 5 қабаттарды бір -біріне жабыстыруға болады. Үстіңгі 6 қабатты басқа қабаттарға қоюға болады. Диаметрі 2 мм болатын 3 болат штанганың көмегімен барлық қабаттар дұрыс қалыпта қалады. Қылқаламсыз қозғалтқышқа бекітілген айналмалы 4 мм бұрандалы штанганың үлкен тесігін қоршайтын 2 мм болат шыбықтар үшін үш кішкене тесік бар. Барлық компоненттер схемаға сәйкес дәнекерленгеннен кейін, толық корпусты 3-қадамда басылған болтты адаптерге қоюға болады. Кез келген ашық сымдардың жылу қысқыш түтіктер көмегімен дұрыс оқшауланғанына көз жеткізіңіз. Бұл қадамдардың холл сенсорының дұрыс жұмысы 3 -қадамда сипатталған магнит ұстағышына қойылған магнитке байланысты екенін ескеріңіз.

3D_POV_POC.ino тұжырымдамалық кодымен расталған дәлел қызыл түспен жарықтандырады. Эскиз цилиндр айнала бастаған кезде квадраттың шығуына әкеледі. Бірақ айналу басталмас бұрын квадратты модельдеуге қажет жарықдиодты шамдар әдепкі бойынша қосылады. Бұл келесі қадамда шамдардың дұрыс жұмыс істеуін тексеруге көмектеседі.

5 -қадам: Цилиндрді жарықдиодты жолақтармен айналдыру

Қосылған Rotor_Cylinder_Files.zip қалыңдығы 2 мм акрил парағын кесуге арналған dxf файлдарын қамтиды. Алынған 14 диск POV жобасы үшін мөлдір цилиндрді құру үшін қажет. Дискілерді бір -біріне жинау керек. Цилиндрлік дискілердің дизайны 12 ұзын жолақты бір ұзын жолақ тәрізді бірге дәнекерлеуге мүмкіндік береді. Дискіден бастап, жарықдиодты жабысқақ жапсырмаларды қолдана отырып, дискіге 6 светодиодты қамтитын кішкене светодиодты бекіту керек. Жеткізгіш жапсырмаларды пайдаланып дискіге таспаларды бекітпес бұрын сымдарды алдыңғы жолаққа дәнекерлеңіз. Әйтпесе, пистолеттің акрил дискіні еріту қаупі бар.

Мөлдір цилиндрге №13 диск үйілгеннен кейін, барлық қабаттарды дұрыс қалыпта ұстау үшін қолданылатын 2 мм болат шыбықты енді цилиндрдің №13 дискінің жоғарғы жағына туралап, оң жақ ұзындыққа кесуге болады. No14 диск 2 мм болат шыбықтарды екі M4 жаңғақтарының көмегімен орнында ұстау үшін қолданыла алады.

Бүкіл құрылғыны құруға қажет уақыт болғандықтан, мен хакатонның уақытында визуалды қызықты 3D дисплейлерді әлі бағдарламалай алмадым. Сонымен қатар, жарықдиодты басқарудың берілген коды тұжырымдаманы дәлелдеуге әлі де өте маңызды болып табылады, әзірге 3 өлшемді қызыл шаршыны көрсетеді.

6 -қадам: Сабақтар

Жасөспірім 3.6

• Мен бұл жобаға Teensy 3.5 -ке тапсырыс бердім, бірақ жеткізуші қате жіберіп маған Teensy 3.6 жіберді. Мен жобаны хакатон мерзімінде аяқтағысы келгендіктен, Teensy 3.6 -мен алға жылжуды шештім. Мен Teensy 3.5 -ті қолданғым келген себеп порттардың арқасында болды, олар 5В төзімді. Бұл Teensy 3.6 нұсқасында болмайды. Мен қондыруға екі бағытты логикалық түрлендіргішті енгізуге тура келді. Teensy 3.5 үшін бұл қажет емес еді.
• Қуатты жоғарылату мәселесі: құрылғыны қосқанда, Teensy 3.6-ды қосу үшін сымсыз тұрақты ток-зарядтау модулі арқылы қуат жоғарылайды. Өкінішке орай, Teensy 3.6 дұрыс іске қосылуы үшін жылдамдық тым баяу. Шешім ретінде мен қазіргі уақытта Teensy 3.6-ді микро USB қосылымы арқылы қосуым керек, сосын тұрақты сымсыз DC таратқышты беретін 12 В қуат көзін қосуым керек. Сымсыз DC-DC қабылдағышы Teensy-ге қуат берсе, мен USB кабелін ажыратуға болады. Адамдар MIC803-пен қуатты баяу көтеру мәселесін мына жерде бөлісті:

СКД экран модулі

Сыртқы қуаттағы тұрақсыз мінез -құлық. USB арқылы қосылған кезде экран дұрыс жұмыс істейді. Бірақ мен СКД экранын BEC немесе тәуелсіз қуат көзі беретін 5В көмегімен тақта арқылы қуаттандыратын болсам, мәтін өзгеруі керек болғаннан кейін бірнеше секундтан кейін мәтін шиырыла бастайды. Мен әлі де бұл мәселеге не себеп болғанын зерттеуім керек

Механикалық

Қозғалтқыштың реттегіш қондырғысын нақты айналу жиілігін өлшеу үшін сынау үшін мен қозғалтқышқа адаптердегі болтпен, болтпен және қозғалтқышқа бекітілген корпуспен айналдыруға рұқсат бердім. Алғашқы сынақтардың бірінде қозғалтқыш ұстағышын қозғалтқышқа қосатын бұрандалар діріл әсерінен өздігінен бұралады. Бақытымызға орай, мен бұл мәселені уақытында байқадым, сондықтан ықтимал апаттың алдын алдық. Мен бұл мәселені бұрандаларды қозғалтқышқа қаттырақ бұрау арқылы шештім, сонымен қатар бұрандаларды бекіту үшін бірнеше тамшы Локтит қолдандым

Бағдарламалық қамтамасыз ету

Fusion 360 эскиздерін лазерлік кескіш үшін dxf файлдары ретінде экспорттаған кезде, тірек сызықтар тұрақты жолдар ретінде экспортталады

7 -қадам: Ықтимал жақсартулар

Осы жобада алған тәжірибеме сүйене отырып, мен басқаша не істер едім:

• Мәтіннің көрнекі көріністері үшін қабат үшін 6 жарықдиодты емес, кемінде 7 светодиодты қамтитын жарықдиодты пайдалану
• Қозғалтқыштың оң (төменгі) жағында ілулі тұрған басқа щеткасыз қозғалтқышты сатып алыңыз. (мысалы: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Бұл білікті кесу немесе білікті мен сияқты оң жаққа итеру қиындықтарынан құтқарады. қазір істеу керек болды.
• Дірілді азайту үшін құрылғыны теңестіруге көбірек уақыт бөліңіз, оны механикалық немесе Fusion 360 -да модельдеу.

Мен сондай -ақ, мүмкін болатын жақсартулар туралы ойладым, егер уақыт мүмкіндік берсе, мен оларды қарастыра аламын:

• Ұзын анимацияларды жасау үшін Teensy -де SD картасының мүмкіндіктерін нақты пайдалану
• Кішірек жарықдиодты қолдану арқылы бейнелеу тығыздығын арттырыңыз (APA102 (C) 2020). Мен бұл жобаны бірнеше апта бұрын бастаған кезде, осы кішкентай шамдар (2х2 мм) бар жарықдиодты жолақтар нарықта оңай қол жетімді болмады. Оларды бөлек SMD компоненттері ретінде сатып алуға болады, бірақ мен егер сіз бұл компоненттерді реттелетін ПХД -де дәнекерлеуге дайын болсаңыз ғана мен бұл опцияны қарастырар едім.
• 3D кескіндерді құрылғыға сымсыз жіберіңіз (Wifi немесе Bluetooth). Бұл сонымен қатар құрылғыны дыбысты/музыканы елестетуге бағдарламалауға мүмкіндік беруі керек.
• Blender анимациясын құрылғыда қолдануға болатын файл пішіміне түрлендіріңіз
• Барлық жарықтандырылған жолақтарды негізгі тақтаға қойып, жарықты акрил қабаттарына бағыттаңыз. Әр түрлі қабатта светодиоды түсірмеген кезде жарықты шағылыстыратын шағын жерлерді ойып жазуға болады. Жарық ойылған жерлерге бағытталуы керек. Бұл жарықты басқаратын туннель құру арқылы немесе жарыққа фокустау үшін линзаларды қолдану арқылы мүмкін болуы керек.
• 3D көлемді дисплейінің тұрақтылығын жақсарту және беріліс пен уақыт белдеуін қолдану арқылы айналатын негізді щеткасыз қозғалтқыштан бөлу арқылы айналу жылдамдығын реттеу.

8 -қадам: айқайлаңыз

Мен мына адамдарға ерекше алғысымды білдіргім келеді:

• Менің керемет әйелім мен қыздарым, қолдау мен түсіністік үшін.
• Тюн Веркерк, мені Хакатонға шақырғаны үшін
• Наби Камбиз, Нуриддин Кадури және Айдан Уайбер, Хакатонға қолдау көрсеткеніңіз, көмек көрсеткеніңіз үшін
• Люк Мейнц, суретші және осы Хакатонның қатысушысы, ол маған Fusion 360 -қа 1 сағаттық жеке кіріспе курсын берді, бұл маған осы жобаға қажет бөлшектерді модельдеуге мүмкіндік берді.