Photonics Challenger: Transparent 3D Volumetric POV (PHABLABS): 8 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

For et par uger siden modtog jeg en sidste minut -invitation til at deltage i et PhabLabs Hackathon på Science Center Delft i Holland. For en entusiastisk amatør som mig, der normalt kun kan bruge en begrænset tid på at pille, så jeg dette som en god mulighed for at planlægge en dedikeret tid til at omdanne en af mine mange ideer inden for rammerne af Hackathon: Photonics til et egentligt projekt. Og med de flotte faciliteter i Makerspace på Science Center Delft var det bare umuligt at afvise denne invitation.

En af de ideer, jeg allerede havde et stykke tid relateret til fotonik, var, at jeg ville gøre noget med Persistence of Vision (POV). Der findes allerede masser af eksempler online på, hvordan man opbygger en grundlæggende POV -skærm ved hjælp af nogle grundlæggende komponenter: mikrokontroller, gammel blæser/harddisk/motor og en streng af lysdioder forbundet vinkelret på aksen på den roterende enhed. Med en relativt enkel opsætning kan du allerede oprette et imponerende 2 -dimensionelt billede, f.eks.:

En anden variant af POV -skærme forbinder en streng af lysdioder parallelt med aksen for den roterende enhed. Dette vil resultere i et tredimensionelt cylindrisk POV-display, f.eks.:

I stedet for at forbinde ledsstrengen parallelt med aksen på den roterende enhed, kan du også bue ledsstrengen. Dette vil resultere i en sfærisk (globus) POV-skærm, f.eks.: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Det næste niveau er at bygge flere lag led-strenge for at skabe et volumetrisk 3D-display. Her er nogle eksempler på sådanne volumetriske 3D POV -skærme, som jeg brugte som inspiration til dette specifikke 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…

Da producenterne af eksemplerne ovenfor gav meget nyttig information, gav det meget mening at remix dele af deres projekter. Men da et Hackathon formodes at være udfordrende, besluttede jeg også at bygge en anden type volumetrisk 3D POV -skærm. Nogle af dem brugte rotorer og masser af varm lim for at forhindre komponenterne i at flyve rundt. Andre oprettede brugerdefinerede printkort til deres projekt. Efter at have gennemgået nogle af de andre 3D POV -projekter så jeg plads til noget "innovation" eller introducerede nogle udfordringer for mig selv:

• Uden forudgående erfaring med at oprette tilpassede printkort og på grund af tidsbegrænsningen i Hackathon vælger jeg at følge en mere grundlæggende prototype tilgang. Men i stedet for at skabe egentlige rotorer var jeg nysgerrig efter, hvordan sådan et volumetrisk 3D POV -display ville se ud, når man bruger en cylinder, der er bygget op af lag af akrylplast.
• Ingen brug eller minimal brug af varm lim for at gøre enheden mindre farlig

Trin 1: Brugt materiale og værktøjer

Til motorstyringen

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Lille brødbræt
• 3144 Hall Effect Switch Sensor
• Magnet med diameter: 1 cm, højde: 3 mm
• Vippekontakt - MTS -102
• 10K potentiometer
• Dupont Jumper Wires
• 16 x M5 møtrikker
• LCD -displaymodul med blå baggrundsbelysning (HD44780 16 × 2 tegn)
• 10K modstand - Træk op modstand til hall -effektføleren
• 220Ohm modstand - Til kontrol af kontrasten på LCD -skærmen
• Gevindstang Diameter: 5 mm
• Krydsfiner, Tykkelse: 3 mm

Til platformens base

• Stykke skrot (250 x 180 x 18 mm)
• Mean Well - 12V 4.2A - Skifte strømforsyning LRS -50-12
• Strømkabel 220V
• DC -DC trådløs konverter - 5V 2A (sender)
• Turnigy D2836/8 1100KV børsteløs outrunner motor
• Turnigy Plush 30amp Speed Controller W/BEC
• Terminalblokke Stik
• 12 x M6 møtrikker til sikring af platformen ved hjælp af gevindstængerne med en diameter på 6 mm.
• 3 x M2 bolte (18 mm længde) til fastgørelse af bolt-on adapteren til den børsteløse motor
• 4 x M3 møtrikker og bolte til fastgørelse af den børsteløse motor til stykke træ
• Gevindstangdiameter: 6 mm (4 x længde 70 mm)
• Gevindstangdiameter: 4 mm (1 x længde 80 mm)
• Krydsfiner, Tykkelse: 3 mm

Til det roterende kabinet

• DC -DC trådløs konverter - 5V 2A (modtager)
• 3D -trykt bolt -on -adapter (PLA -filament, hvid)
• Teenager 3.6
• IC 74AHCT125 Quad Logic Level Converter/Shifter (3V til 5V)
• 10K modstand - Træk op modstand til hall -effektføleren
• 1000uF 16V kondensator
• Gevindstang Diameter 4 mm
• Magnet med diameter: 1 cm, højde: 3 mm
• Krydsfiner, Tykkelse: 3 mm
• Krydsfiner, Tykkelse: 2 mm
• Akrylplade, tykkelse: 2 mm
• Stål Diameter: 2 mm
• Møtrikker og bolte
• 0,5 meter ledstrip APA102C 144 leds / meter

Brugte værktøjer

• Merlin laserskærer M1300 - Laserskæring krydsfiner og akrylark
• Ultimaker 2+ til 3D -udskrivning af Bolt On -adapteren
• Loddestation og lodning
• Bordbor
• Skruetrækkere
• Plyers
• Hammer
• Bremsekaliber
• Hacksav
• Nøgler
• Krympeslange

Brugt software

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE og Teensyduino (indeholder Teensy Loader)

Trin 2: Motorstyringsenhed for at regulere rotationshastigheden

Motorstyringsenheden sender et signal til Turnigy Electronic Speed Controller (ESC), som styrer antallet af omdrejninger fra den børsteløse motor.

Derudover ønskede jeg også at kunne vise de faktiske rotationer pr. Minut af POV -cylinderen. Derfor har jeg besluttet at inkludere en hall -effektsensor og et 16x2 LCD -display til motorens styreenhed.

I den vedhæftede zip -fil (MotorControl_Board.zip) finder du tre dxf -filer, som giver dig mulighed for at laserskære en bundplade og to topplader til motorstyringsenheden. Brug venligst krydsfiner med en tykkelse på 3 mm. De to topplader kan placeres oven på hinanden, så du kan skrue 16x2 LCD -skærmen i.

De to huller i toppladen er beregnet til en tænd/sluk -switch og et potentiometer til at styre hastigheden på den børsteløse motor (jeg har ikke selv koblet tænd/sluk -kontakten selv). For at konstruere motorstyreenheden skal du save gevindstangen med en diameter på 5 mm i 4 stykker af den ønskede højde. Ved hjælp af de 8 M5 møtrikker kan du først fastgøre bunden. Derefter fastgjorde jeg det lille brødbræt til bundpladen ved hjælp af det tosidede klistermærke, der fulgte med brødbrættet. Den vedlagte skematisk viser, hvordan du skal tilslutte komponenterne, så det kan fungere med kildekoden (MotorControl.ino) knyttet til dette trin. Jeg har brugt en 10K pull up -modstand til hallsensoren. En 220 Ohm modstand fungerede godt nok til at gøre teksten synlig på LCD -skærmen.

Sørg for, at du isolerer stifterne på hall -effektsensoren ved hjælp af varmekrympeslanger, som vist på billederne. Halsensorens korrekte funktion afhænger af en magnet, der placeres i det roterende etui i trin 3.

Når ledningerne er gennemført, kan du fastgøre de 2 topplader med LCD -display, switch og potentiometer ved hjælp af igen 8 M5 møtrikker som vist på billederne.

Afventende på modellen af din motor, du skal bruge, skal du muligvis justere følgende kodelinje i filen MotorControl.ino:

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

Denne kode linje (linje 176) kortlægger positionen af 10K potentiometeret til signalet for ESC. ESC accepterer værdi mellem 700 og 2000. Og da motoren, jeg brugte til dette projekt, begyndte at dreje rundt på 823, begrænsede jeg motorens omdrejningstal ved at begrænse maxværdien til 900.

Trin 3: Opbygning af platformen for trådløs transmissionskraft

I dag er der dybest set to måder at drive enheder på, som skal roteres: slipringe eller transmission af strøm trådløst via induktionsspoler. Da glidringe af høj kvalitet, der kan understøtte høje omdrejningstal, har tendens til at være meget dyre og mere tilbøjelige til at blive slidt, valgte jeg den trådløse mulighed ved hjælp af en 5V trådløs DC-DC-omformer. Ifølge specifikationerne bør det være muligt at overføre op til 2 ampere ved hjælp af en sådan konverter.

Den trådløse DC-DC-konverter består af to komponenter, en sender og en modtager. Vær opmærksom på, at printkortet, der er tilsluttet den transmitterende induktionsspole, er mindre end det, der modtager.

Selve platformen er bygget ved hjælp af et stykke skrot (250 x 180 x 18 mm).

På platformen skruede jeg på Mean Well 12V strømforsyningen. 12V-udgangen er forbundet til ESC (se skemaerne i trin 1) og printkortet i den transmitterende del af den trådløse DC-DC-omformer.

I den vedhæftede Platform_Files.zip finder du dxf -filerne til laserskæring af platformen af krydsfiner med en tykkelse på 3 mm:

• Platform_001.dxf og Platform_002.dxf: Du skal placere dem på hinanden. Dette vil skabe et forsænket område til den transmitterende induktionsspole.
• Magnet_Holder.dxf: Laserskær dette design tre gange. En af de tre gange inkluderer cirklen. I de to andre lasercuts: fjern cirklen fra at blive skåret. Efter skæring limes de tre stykker sammen for at skabe en holder til en magnet (diameter 10 mm, tykkelse: 3 mm). Jeg brugte superlim til at lime magneten i magnetholderen. Sørg for, at du limer den rigtige side af magneten til holderen, da halsensoren kun fungerer med den ene side af magneten.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Dette stykke hjælper dig med at holde hallsensoren fastgjort til motorstyringsenheden på plads som vist på det første billede.
• Platform_Drill_Template.dxf: Jeg brugte dette stykke som en skabelon til at bore hullerne i stykket skrot. De fire større 6 mm huller er til understøttende gevindstænger med en diameter på 6 mm til at understøtte platformen. De 4 mindre huller er til sikring af den børsteløse motor til stykke træ. Det største hul i midten var påkrævet til aksen, der stak ud af den børsteløse motor. Da boltene til motoren og gevindstængerne til platformen skal fastgøres i bunden af platformen, er det nødvendigt at forstørre disse huller med et par mm dybde, så møtrikkerne kan passe ind.

Desværre stak akslen på den børsteløse motor ud af den 'forkerte' side til dette projekt. Men jeg var i stand til at vende akslen ved hjælp af følgende instruktion, jeg fandt på Youtube:

Når motoren og understøtningsstængerne er fastgjort, kan platformen konstrueres ved hjælp af laserskårne platformstykker. Selve platformen kan sikres ved hjælp af 8 M6 møtrikker. Magnetholderen kan limes til platformen ved grænsen som vist på det første billede.

Den vedhæftede fil "Bolt-On Adapter.stl" kan udskrives ved hjælp af en 3D-printer. Denne adapter er nødvendig for at fastgøre en gevindstang med en diameter på 4 mm til den børsteløse motor ved hjælp af 3 x M2 bolte med en længde på 18 mm.

Trin 4: Roterende kappe

Den vedhæftede Base_Case_Files.zip indeholder dxf -filer til laserskæring af de 6 lag for at konstruere kabinettet til komponenterne, der styrer APA102C -ledstrimlen.

Lag 1-3 i Case-designet er beregnet til at blive limet sammen. Men sørg for, at en magnet (diameter 10 mm, højde: 3 mm) sættes i den cirkulære udskæring i lag 2, før du limer de tre lag sammen. Sørg også for, at magneten er limet med den korrekte pol til bunden, da hall -effektsensoren placeret på platformen konstrueret i trin 3 kun reagerer på den ene side af magneten.

Kabinettets design indeholder rum til de komponenter, der er anført i det vedlagte ledningsskema. IC 74AHCT125 er påkrævet for at konvertere 3.3V -signalet fra Teensy til det 5V -signal, der kræves for APA102 -ledestripen. Lag 4 og 5 kan også limes sammen. Toplag 6 kan stables på de andre lag. Alle lag forbliver i den korrekte position ved hjælp af 3 stålstænger med en diameter på 2 mm. Der er tre små huller til de 2 mm stålstænger, der omgiver det større hul til den roterende 4 mm gevindstang fastgjort til den børsteløse motor. Når alle komponenter er loddet i henhold til skematisk, kan hele sagen sættes på bolt-on-adapteren, der er trykt i trin 3. Sørg for, at eventuelle åbne ledninger er korrekt isoleret ved hjælp af varmekrympeslanger. Vær opmærksom på, at den korrekte funktion af hallsensoren i disse trin afhænger af magneten placeret i magnetholderen beskrevet i trin 3.

Det vedlagte bevis på konceptkoden 3D_POV_POC.ino lyser nogle lysdioder op i rødt. Skitsen resulterer i, at en firkant vises, når cylinderen begynder at rotere. Men før rotationen starter, er lysdioderne, der kræves for at simulere en firkant, tændt som standard. Dette er nyttigt for at teste lysdiodernes korrekte funktion i det næste trin.

Trin 5: Roterende cylinder med LED -strimlerne

Den vedlagte Rotor_Cylinder_Files.zip indeholder dxf -filer til skæring af et 2 mm tykt akrylark. De resulterende 14 skiver er nødvendige for at bygge den transparente cylinder til dette POV -projekt. Skiverne skal lægges på hinanden. Designet af de cylindriske skiver gør det muligt at lodde 12 ledstrimler sammen som en lang ledstrimmel. Fra skive 1 skal en lille ledstrimmel med 6 lysdioder fastgøres til en skive ved hjælp af klistermærkerne på ledstrimlen. Lod lodningerne til ledstrimlen først, før ledstrimlerne fastgøres til disken ved hjælp af klistermærkerne. Ellers risikerer du, at loddepistolen smelter akrylskiven.

Når skive #13 er stablet på den transparente cylinder, kan 2 mm stålstangen, der bruges til at holde alle lag i de korrekte positioner, nu også skæres til den rigtige længde, justeret til toppen af skiven #13 i cylinderen. Skive #14 kan derefter bruges til at holde 2 mm stålstængerne på plads ved hjælp af to M4 møtrikker.

Fordi den tid, der kræves til at konstruere hele enheden, har jeg ikke været i stand til at programmere mere stabile visuelt interessante 3D -skærme endnu inden for tidsrammen for hackathon. Det er også grunden til, at den angivne kode til styring af lysdioderne stadig er meget grundlæggende for at bevise konceptet og kun viser en rød firkant 3 dimensionelt foreløbig.

Trin 6: Lærte lektioner

Teenager 3.6

• Jeg bestilte en Teensy 3.5 til dette projekt, men leverandøren sendte mig ved en fejl ved en Teensy 3.6. Da jeg var ivrig efter at afslutte projektet inden for tidsrammen for hackathon, besluttede jeg at komme videre med Teensy 3.6. Grunden til at jeg ville bruge Teensy 3.5 var på grund af portene, de er 5V -tolerante. Dette er ikke tilfældet med Teensy 3.6. Det er også grunden til, at jeg var nødt til at introducere en tovejs logisk konverter til opsætningen. Med en Teensy 3.5 ville dette ikke have været påkrævet.
• Power Ramp Up-problem: Når der tændes for enheden, er der en power-rampe op via det trådløse DC-DC-opladningsmodul til at tænde Teensy 3.6. Desværre er rampen for langsom til, at Teensy 3.6 kan starte korrekt. Som en løsning skal jeg i øjeblikket tænde Teensy 3.6 via mikro-USB-forbindelsen og derefter tilslutte 12V-strømforsyningen til den trådløse DC-DC-sender. Når den trådløse dc-dc-modtager også leverer strøm til Teensy, kan jeg tage USB-kablet ud. Folk har delt deres hack med en MIC803 til problemet med langsom opstart her:

LCD skærm modul

Uregelmæssig adfærd på ekstern strøm. Skærmen fungerer korrekt, når den drives via USB. Men når jeg driver LCD -skærmen via brødbrættet ved hjælp af 5V leveret af BEC eller en uafhængig strømforsyning, begynder teksten at blive krypteret efter et par sekunder, efter at teksten skal ændres. Jeg mangler stadig at undersøge, hvad der forårsager dette problem

Mekanisk

For at teste min motorstyringsenhed til at måle de faktiske omdrejningstal, lod jeg motoren dreje med bolten på adapteren, bolten og bundkassen fastgjort til motoren. Under en af de første tests kører skruerne, der forbinder motorholderen med motoren, selv på grund af vibrationerne. Heldigvis bemærkede jeg dette problem i tide, så en potentiel katastrofe blev undgået. Jeg løste dette problem ved at skrue skruerne lidt strammere til motoren og brugte også et par dråber Loctite til at fastgøre skruerne endnu mere

Software

Når du eksporterer Fusion 360 -skitser som dxf -filer til laserskæreren, eksporteres understøttende linjer som almindelige linjer

Trin 7: Potentielle forbedringer

Hvad ville jeg have gjort anderledes ud fra de erfaringer, jeg fik med dette projekt:

• Ved hjælp af en LED -strip, der indeholder mindst 7 LED'er i stedet for 6 LED'er pr. Lag til nogle pænere tekstmæssige visualiseringer
• Køb en anden børsteløs motor, hvor akslen allerede stikker ud på den korrekte (nederste) side af motoren. (f.eks.: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Dette sparer dig for besværet med enten at skære akslen eller skubbe akslen til den rigtige side som jeg måtte gøre nu.
• Brug mere tid på at afbalancere enheden for at minimere vibrationerne, enten mekanisk eller model den i Fusion 360.

Jeg har også tænkt på nogle potentielle forbedringer, som jeg måske kan undersøge, hvis tiden tillader det:

• Faktisk brug af SD -kortets funktionalitet på Teensy til at oprette længere animationer
• Øg tætheden af billeddannelse ved at bruge mindre lysdioder (APA102 (C) 2020). Da jeg startede dette projekt for et par uger siden, var LED strips med disse små lysdioder (2x2 mm) ikke let tilgængelige på markedet. Det er muligt at købe dem som separate SMD -komponenter, men jeg ville kun overveje denne mulighed, hvis du er villig til at lodde disse komponenter på et brugerdefineret printkort.
• Overfør 3D -billeder trådløst til enheden (Wifi eller Bluetooth). Dette skulle også gøre det muligt at programmere enheden til at visualisere lyd/musik.
• Konverter Blender -animationer til et filformat, der kan bruges med enheden
• Læg alle ledstrimler på bundpladen og fokusér lyset på lagene af acryl. På hvert forskellige lag kan der indgraveres små områder for at reflektere lyset, når de udelades fra lysdioderne. Lyset skal fokuseres på de indgraverede områder. Dette bør være muligt ved at oprette en tunnel, der styrer lyset, eller ved hjælp af linser på lysdioderne til at fokusere lyset.
• Forbedring af 3D Volumetrisk displays stabilitet og regulering af rotationshastighed ved at adskille den roterende base fra den børsteløse motor ved hjælp af gear og et tandrem.

Trin 8: Råb ud

Jeg vil gerne rette en særlig tak til følgende personer:

• Min fantastiske kone og døtre, for deres støtte og forståelse.
• Teun Verkerk, fordi han inviterede mig til Hackathon
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri og Aidan Wyber, for din støtte, bistand og vejledning i hele Hackaton
• Luuk Meints, en kunstner og en meddeltager i denne Hackaton, der var så venlig at give mig et personligt 1 times introduktionshastighedskursus til Fusion 360, som gjorde det muligt for mig at modellere alle de dele, jeg havde brug for til dette projekt.