Photonics Challenger: Şeffaf 3D Hacimsel POV (PHABLABS): 8 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Birkaç hafta önce Hollanda'daki Delft Science Center'da bir PhabLabs Hackathon'a katılmak için son dakika daveti aldım. Normalde tamir işine yalnızca sınırlı bir zaman ayırabilen benim gibi hevesli bir hobici için, bunu Hackathon: Fotonik kapsamındaki birçok fikrimden birini dönüştürmek için özel bir zaman planlamak için harika bir fırsat olarak gördüm. gerçek bir proje. Ve Science Center Delft'teki Makerspace'deki harika olanaklarla bu daveti geri çevirmek imkansızdı.

Fotonikle ilgili bir süredir aklımda olan fikirlerden biri, Persistence of Vision (POV) ile bir şeyler yapmak istediğimdi. Bazı temel bileşenleri kullanarak temel bir POV ekranının nasıl oluşturulacağına dair çevrimiçi olarak halihazırda tonlarca örnek mevcut: mikro denetleyici, eski fan/sabit disk/motor ve dönen cihazın eksenine dik olarak bağlanmış bir dizi led. Nispeten basit bir kurulumla etkileyici bir 2 boyutlu görüntü oluşturabilirsiniz, örneğin:

POV ekranlarının başka bir varyasyonu, dönen cihazın eksenine paralel bir dizi led bağlar. Bu, 3 boyutlu silindirik bir POV görüntüsü ile sonuçlanacaktır, örneğin:

Döner cihazın eksenine paralel led dizisini bağlamak yerine, led dizisini de yaylayabilirsiniz. Bu, küresel (küresel) bir POV görüntüsü ile sonuçlanacaktır, örneğin: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Bir sonraki seviye, hacimsel bir 3D görüntü oluşturmak için birkaç kat led dizileri oluşturmaktır.. Bu özel proje için ilham kaynağı olarak kullandığım bu tür hacimsel 3D POV ekranlarının bazı örnekleri:

• 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…

Yukarıdaki örneklerin yapımcıları çok faydalı bilgiler sağladığından, projelerinin bazı kısımlarını yeniden düzenlemek çok mantıklı geldi. Ancak bir Hackathon'un zorlu olması gerektiği için, farklı türde bir hacimsel 3D POV ekranı oluşturmaya da karar verdim. Bazıları, bileşenlerin uçuşmasını önlemek için rotorlar ve çok sayıda sıcak tutkal kullanıyordu. Diğerleri projeleri için özel PCB'ler yarattı. Diğer 3D POV projelerinden bazılarını inceledikten sonra, bazı “yenilik” için yer gördüm veya kendime bazı zorluklar getirdim:

• Önceden özelleştirilmiş PCB'ler oluşturma deneyimim olmadığından ve Hackathon'un zaman kısıtlaması nedeniyle daha temel bir prototip yaklaşımını izlemeyi seçiyorum. Ancak gerçek rotorlar oluşturmak yerine, akrilik plastik katmanlardan oluşan bir silindir yapısı kullanırken böyle hacimsel bir 3D POV ekranının nasıl görüneceğini merak ediyordum.
• Cihazı daha az tehlikeli hale getirmek için hiçbir kullanım veya minimum sıcak tutkal kullanımı

Adım 1: Kullanılan Malzeme ve Araçlar

Motor Kontrolörü için

• Arduino Pro Mikro 5V/16Mhz
• Küçük Ekmek Tahtası
• 3144 Hall Etkisi Anahtarı Sensörü
• Çaplı Mıknatıs: 1cm, Yükseklik: 3mm
• Geçiş Anahtarı - MTS-102
• 10K Potansiyometre
• Dupont Jumper Telleri
• 16 x M5 Somun
• Mavi aydınlatmalı LCD ekran modülü (HD44780 16×2 Karakter)
• 10K Direnç - Hall Etkisi Sensörü için Yukarı Çekme Direnci
• 220Ohm Direnç - LCD Ekranın kontrastını kontrol etmek için
• Dişli Çubuk Çapı: 5mm
• Kontrplak, Kalınlık: 3mm

Platform Tabanı için

• Hurda Ahşap Parçası (250 x 180 x 18 mm)
• Ortalama Kuyu - 12V 4.2A - Anahtarlamalı Güç Kaynağı LRS-50-12
• Elektrik Fiş Kablosu 220V
• DC-DC Kablosuz Dönüştürücü - 5V 2A (Verici)
• Turnigy D2836/8 1100KV Fırçasız Outrunner Motor
• Turnigy Peluş 30amp Hız Kontrol Cihazı W/BEC
• Terminal Blokları Konnektörleri
• 6 mm çapında dişli çubukları kullanarak platformu sabitlemek için 12 x M6 Somun.
• Cıvatalı adaptörü fırçasız motora sabitlemek için 3 x M2 Cıvata (18 mm uzunluk)
• Fırçasız motoru hurda ahşap parçasına sabitlemek için 4 x M3 Somun ve Cıvata
• Dişli Çubuk Çapı: 6mm (4 x uzunluk 70 mm)
• Dişli Çubuk Çapı: 4mm (1 x uzunluk 80 mm)
• Kontrplak, Kalınlık: 3mm

Döner Muhafaza için

• DC-DC Kablosuz Dönüştürücü - 5V 2A (Alıcı)
• 3D Baskılı Bolt On Adaptörü (PLA Filament, Beyaz)
• Ufacık 3.6
• IC 74AHCT125 Dörtlü Mantık Seviyesi Dönüştürücü/Shifter (3V - 5V)
• 10K Direnç - Hall Etkisi Sensörü için Yukarı Çekme Direnci
• 1000uF 16V Kondansatör
• Dişli Çubuk Çapı 4mm
• Çaplı Mıknatıs: 1cm, Yükseklik: 3mm
• Kontrplak, Kalınlık: 3mm
• Kontrplak, Kalınlık: 2mm
• Akrilik Levha, Kalınlık: 2mm
• Çelik Çubuk Çapı: 2mm
• Hırdavat
• 0,5 metre led şerit APA102C 144 led / metre

Kullanılan aletler

• Merlin Lazer Kesici M1300 - Lazer Kesim Kontrplak ve Akrilik Levha
• Bolt On Adaptörü 3D Baskı için Ultimaker 2+
• Lehimleme İstasyonu ve Lehim
• Masa Matkabı
• Tornavidalar
• pense
• Çekiç
• Kaliper
• Demir testeresi
• anahtarlar
• Isıyla Daralan Makaron

Kullanılan Yazılım

• Füzyon 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE ve Teensyduino (Teensy Loader içerir)

Adım 2: Dönme Hızını Düzenleyen Motor Kontrol Ünitesi

Motor Kontrol Ünitesi, fırçasız motorun sağladığı dönüş sayısını kontrol edecek olan Turnigy Elektronik Hız Kontrol Ünitesine (ESC) bir sinyal gönderir.

Ek olarak, POV silindirinin dakikadaki gerçek dönüşlerini de görüntüleyebilmek istedim. Bu yüzden Motor Kontrol Ünitesine hall efekt sensörü ve 16x2 LCD Ekran eklemeye karar verdim.

Ekli zip dosyasında (MotorControl_Board.zip), motor kontrol ünitesi için bir taban plakasını ve iki üst plakayı lazerle kesmenizi sağlayacak üç dxf dosyası bulacaksınız. Lütfen 3 mm kalınlığında kontrplak kullanın. İki üst plaka üst üste yerleştirilebilir, bu da 16x2 LCD Ekranı vidalamanıza olanak tanır.

Üst plakadaki iki delik, bir açma/kapama geçiş anahtarı ve fırçasız motorun hızını kontrol etmek için bir potansiyometre içindir (açma/kapama geçiş anahtarını henüz kendim bağlamadım). Motor Kontrol Ünitesini oluşturmak için 5 mm çapında dişli çubuğu istenilen yükseklikte 4 parça halinde kesmeniz gerekir. 8 M5 somunu kullanarak önce tabanı sabitleyebilirsiniz. Daha sonra küçük devre tahtasını, devre tahtasıyla birlikte verilen iki taraflı yapışkan etiketi kullanarak taban plakasına yapıştırdım. Ekli şema, bu adıma eklenen kaynak koduyla (MotorControl.ino) çalışabilmesi için bileşenleri nasıl kablolamanız gerektiğini gösterir. Hall sensörü için 10K çekme direnci kullandım. 220 Ohm'luk bir direnç, metni LCD ekranda görünür kılmak için yeterince iyi çalıştı.

Lütfen hall efekt sensörünün pimlerini, resimlerde gösterildiği gibi ısıyla daralan makaronlar kullanarak izole ettiğinizden emin olun. Hall sensörünün doğru çalışması, 3. adımda dönen kasaya yerleştirilecek bir mıknatısa bağlı olacaktır.

Kablolama tamamlandıktan sonra 2 üst plakayı LCD Ekran, Anahtar ve Potansiyometre ile tekrar 8 adet M5 somun kullanarak resimlerde görüldüğü gibi sabitleyebilirsiniz.

Kullanılan motorunuzun modeline bağlı olarak, MotorControl.ino dosyasındaki aşağıdaki kod satırını ayarlamanız gerekebilir:

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

Bu kod satırı (satır 176), 10K potansiyometrenin konumunu ESC sinyaline eşler. ESC 700 ile 2000 arası bir değer kabul ediyor. Ve bu proje için kullandığım motor 823 civarında dönmeye başlayınca, maksimum değeri 900 ile sınırlayarak motorun RPM'lerini sınırladım.

3. Adım: Kablosuz İletim Gücü Platformunun Oluşturulması

Günümüzde, dönmesi gereken cihazlara güç vermenin temel olarak iki yolu vardır: kayar halkalar veya endüksiyon bobinleri aracılığıyla kablosuz olarak güç iletme. Yüksek RPM'leri destekleyebilen yüksek kaliteli kayma halkaları çok pahalı olma eğiliminde olduğundan ve aşınmaya ve yıpranmaya daha yatkın olduğundan, 5V Kablosuz DC-DC dönüştürücü kullanan kablosuz seçeneği tercih ettim. Spesifikasyonlara göre, böyle bir dönüştürücü kullanarak 2 Ampere kadar aktarım yapmak mümkün olmalıdır.

Kablosuz DC-DC dönüştürücü, bir verici ve bir alıcı olmak üzere iki bileşenden oluşur. Lütfen verici endüksiyon bobinine bağlı PCB'nin alıcıdan daha küçük olduğunu unutmayın.

Platformun kendisi bir parça ahşap (250 x 180 x 18 mm) kullanılarak yapılmıştır.

Platformda Mean Well 12V Güç Kaynağını vidaladım. 12V çıkış ESC'ye (Adım 1'deki şemalara bakın) ve Kablosuz DC-DC Dönüştürücünün verici kısmının PCB'sine bağlanır.

Ekli Platform_Files.zip dosyasında, platformu 3 mm kalınlığında kontrplaktan lazerle kesmek için dxf dosyalarını bulacaksınız:

• Platform_001.dxf ve Platform_002.dxf: Bunları birbirinin üzerine yerleştirmeniz gerekiyor. Bu, verici endüksiyon bobini için girintili bir alan yaratacaktır.
• Magnet_Holder.dxf: Bu tasarımı üç kez lazerle kesin. Üç kereden biri, daireyi içerir. Diğer iki lazer kesimde: daireyi kesilmekten çıkarın. Kestikten sonra, bir mıknatıs tutucusu oluşturmak üzere üç parçayı birbirine yapıştırın (çap 10 mm, kalınlık: 3 mm). Mıknatısı Mıknatıs tutucuya yapıştırmak için süper yapıştırıcı kullandım. Hall sensörü mıknatısın sadece bir tarafı ile çalışacağından lütfen Mıknatısın doğru tarafını tutucuya yapıştırdığınızdan emin olun.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Bu parça, Motor Kontrol Ünitesine bağlı hall sensörünü ilk resimde gösterildiği gibi yerinde tutmanıza yardımcı olacaktır.
• Platform_Drill_Template.dxf: Bu parçayı, hurda ahşap parçasındaki delikleri delmek için şablon olarak kullandım. Dört büyük 6 mm delik, platformu desteklemek için 6 mm çapındaki destekleyici dişli çubuklar içindir. 4 küçük delik, fırçasız motoru hurda tahta parçasına sabitlemek içindir. Ortadaki en büyük delik fırçasız motordan dışarı çıkan eksen için gerekliydi. Motorun cıvataları ve platform için dişli çubukların platformun alt kısmına sabitlenmesi gerektiğinden, somunların sığması için bu deliklerin birkaç mm derinliğe kadar büyütülmesi gerekir.

Ne yazık ki fırçasız motorun şaftı bu proje için 'yanlış' taraftan çıkmış. Ancak Youtube'da bulduğum aşağıdaki talimat yardımıyla şaftı tersine çevirebildim:

Motor ve destek çubukları sabitlendikten sonra, lazer kesim platform parçaları kullanılarak platform oluşturulabilir. Platformun kendisi 8 M6 somun kullanılarak sabitlenebilir. Mıknatıs tutucu, ilk resimde gösterildiği gibi bordürde platforma yapıştırılabilir.

Ekli "Bolt-On Adapter.stl" dosyası bir 3D yazıcı kullanılarak yazdırılabilir. Bu adaptör, 18 mm uzunluğunda 3 x M2 cıvata kullanarak Fırçasız Motora 4 mm çapında dişli bir çubuk takmak için gereklidir.

Adım 4: Döner Muhafaza

Ekli Base_Case_Files.zip, APA102C led şeridi kontrol eden bileşenler için kasayı oluşturmak üzere 6 katmanı lazerle kesmek için dxf dosyalarını içerir.

Kasa tasarımının 1-3. katmanları birbirine yapıştırılmak üzere tasarlanmıştır. Ancak lütfen üç katmanı birbirine yapıştırmadan önce Katman 2'deki dairesel oyuğa bir mıknatıs (çap 10 mm, yükseklik: 3 mm) yerleştirildiğinden emin olun. Adım 3'te oluşturulan platform üzerine yerleştirilen hall efekt sensörü, mıknatısın yalnızca bir tarafına tepki vereceğinden, mıknatısın doğru kutupla alta yapıştırıldığından da emin olun.

Kasanın tasarımı, ekli kablolama şemalarında listelenen bileşenler için bölmeler içerir. IC 74AHCT125, Teensy'den gelen 3.3V sinyalini APA102 led şeridi için gereken 5V sinyaline dönüştürmek için gereklidir. 4. ve 5. katmanlar da birbirine yapıştırılabilir. Üst katman 6 diğer katmanların üzerine yığılabilir. 2 mm çapında 3 adet çelik çubuk yardımıyla tüm katmanlar doğru pozisyonda kalacaktır. Fırçasız motora bağlı dönen 4 mm dişli çubuk için daha büyük deliği çevreleyen 2 mm çelik çubuklar için üç küçük delik vardır. Tüm bileşenler şemaya göre lehimlendikten sonra, kasanın tamamı Adım 3'te basılan cıvatalı adaptöre yerleştirilebilir. Lütfen bu adımların hall sensörünün doğru çalışmasının 3. adımda açıklanan mıknatıs tutucuya yerleştirilen mıknatısa bağlı olduğunu unutmayın.

Ekli konsept kodu 3D_POV_POC.ino, bazı ledleri kırmızı olarak aydınlatacaktır. Çizim, silindir dönmeye başladığında bir karenin görüntülenmesiyle sonuçlanır. Ancak döndürme başlamadan önce, bir kareyi simüle etmesi gereken ledler varsayılan olarak yanar. Bu, bir sonraki adımda ledlerin doğru çalışıp çalışmadığını test etmek için yararlıdır.

Adım 5: Led Şeritlerle Dönen Silindir

Ekli Rotor_Cylinder_Files.zip, 2 mm kalınlığında bir Akrilik Levha kesmek için dxf dosyalarını içerir. Ortaya çıkan 14 disk, bu POV projesi için şeffaf silindiri oluşturmak için gereklidir. Disklerin birbiri üzerine yığılması gerekir. Silindirik disklerin tasarımı, 12 led şeridin bir uzun led şeridi olarak birbirine lehimlenmesine izin verir. Disk 1'den başlayarak, 6 led içeren küçük bir led şerit, led şerit üzerindeki yapışkan çıkartmalar kullanılarak bir diske yapıştırılmalıdır. Yapışkan çıkartmaları kullanarak led şeritleri diske yapıştırmadan önce telleri led şeride lehimleyin. Aksi takdirde, lehim tabancasının akrilik diski eritme riskini taşırsınız.

13 numaralı disk şeffaf silindir üzerine yığıldığında, tüm katmanları doğru konumlarda tutmak için kullanılan 2 mm'lik çelik çubuk da artık silindirin 13 numaralı diskinin üst kısmına hizalanarak doğru uzunlukta kesilebilir. Disk #14 daha sonra iki M4 somun yardımıyla 2 mm çelik çubukları yerinde tutmak için kullanılabilir.

Tüm cihazı inşa etmek için gereken süre nedeniyle, hackathon'un zaman çerçevesi içinde henüz görsel olarak daha ilginç 3D ekranlar programlayamadım. Ledleri kontrol etmek için sağlanan kodun konsepti kanıtlamak için hala çok temel olmasının nedeni de budur, şimdilik sadece 3 boyutlu olarak kırmızı bir kare gösteriyor.

Adım 6: Alınan Dersler

Ufacık 3.6

• Bu proje için bir Teensy 3.5 sipariş ettim, ancak tedarikçi bana yanlışlıkla bir Teensy 3.6 gönderdi. Projeyi hackathon süresi içinde bitirmeye hevesli olduğum için Teensy 3.6 ile ilerlemeye karar verdim. Teensy 3.5'i kullanmak istememin sebebi portların 5V toleranslı olmasıydı. Teensy 3.6 ile durum böyle değil. Kuruluma çift yönlü bir mantık dönüştürücüsü eklemek zorunda kalmamın nedeni de bu. Bir Teensy 3.5 ile bu gerekli olmazdı.
• Güç Arttırma Sorunu: Aygıtı açarken, Teensy 3.6'ya güç sağlamak için kablosuz dc-dc şarj modülü aracılığıyla bir güç artışı olur. Ne yazık ki hızlanma, Teensy 3.6'nın doğru şekilde başlatılması için çok yavaş. Geçici bir çözüm olarak şu anda Teensy 3.6'yı mikro USB bağlantısı aracılığıyla çalıştırmam ve ardından kablosuz dc-dc vericiyi besleyen 12V Güç Kaynağını takmam gerekiyor. Kablosuz dc-dc alıcısı da Teensy'ye güç sağladığında, USB kablosunu çıkarabilirim. İnsanlar, yavaş güç artışı sorunu için hack'lerini burada bir MIC803 ile paylaştılar: https://forum.pjrc.com/threads/44704-Boot-on-Power-Up-Problem-with- Three-T3-6s

LCD Ekran Modülü

Harici güçte düzensiz davranış. USB üzerinden güç verildiğinde ekran düzgün çalışır. Ancak, BEC veya bağımsız bir Güç Kaynağı tarafından sağlanan 5V'yi kullanarak devre tahtası aracılığıyla LCD ekrana güç verdiğimde, metnin değişmesi gerektiğinden birkaç saniye sonra metin karışmaya başlıyor. Hala bu soruna neyin neden olduğunu araştırmam gerekiyor

Mekanik

Motor kontrol ünitemi gerçek RPM'leri ölçmek için test etmek için, motora bağlı adaptör, cıvata ve taban kasası üzerindeki cıvata ile motorun dönmesine izin verdim. İlk test çalıştırmalarından biri sırasında, motor tutucuyu motora bağlayan vidalar, titreşimler nedeniyle kendiliğinden gevşer. Şans eseri bu sorunu zamanında fark ettim, böylece olası bir felaketten kaçınıldı. Bu sorunu vidaları motora biraz daha sıkı vidalayarak çözdüm ve vidaları daha da sabitlemek için birkaç damla Loctite kullandım

Yazılım

Fusion 360 çizimlerini lazer kesici için dxf dosyaları olarak dışa aktardığınızda, destekleyici çizgiler normal çizgiler olarak dışa aktarılır

7. Adım: Potansiyel İyileştirmeler

Bu projeyle kazandığım deneyime dayanarak neyi farklı yapardım:

• Daha güzel metin görselleştirmeleri için katman başına 6 led yerine en az 7 led içeren bir led şerit kullanmak
• Şaftın zaten motorun doğru (alt) tarafında dışarı çıktığı farklı bir fırçasız motor satın alın. (Örn: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Bu sizi benim gibi şaftı kesme veya şaftı doğru tarafa itme zahmetinden kurtaracaktır. şimdi yapmak zorundaydı.
• Titreşimleri en aza indirgemek için cihazı dengelemek için daha fazla zaman harcamak, ister mekanik ister Fusion 360'ta modelleyin.

Ayrıca, zaman izin verirse inceleyebileceğim bazı potansiyel iyileştirmeler hakkında da düşünüyordum:

• Daha uzun animasyonlar oluşturmak için Teensy'deki SD kart işlevinin fiili kullanımı
• Daha küçük led'ler kullanarak görüntüleme yoğunluğunu artırın (APA102(C) 2020). Birkaç hafta önce bu projeye başladığımda, bu küçük ledleri (2x2 mm) içeren led şeritler piyasada hazır değildi. Bunları ayrı SMD bileşenleri olarak satın almak mümkündür, ancak bu seçeneği yalnızca bu bileşenleri özel bir PCB üzerinde lehimlemeye istekliyseniz düşünürdüm.
• 3D görüntüleri kablosuz olarak cihaza aktarın (Wifi veya Bluetooth). Bu aynı zamanda cihazı sesi/müziği görselleştirecek şekilde programlamayı da mümkün kılmalıdır.
• Blender animasyonlarını cihazla kullanılabilecek bir dosya formatına dönüştürün
• Tüm led şeritleri taban plakasına koyun ve ışığı akrilik katmanlarına odaklayın. Her farklı katmanda, ledlerden çıkarıldığında ışığı yansıtmak için küçük alanlar oyulabilir. Işık, kazınmış alanlara odaklanmalıdır. Bu, ışığı yönlendiren bir tünel oluşturarak veya ışığı odaklamak için ledler üzerinde lensler kullanarak mümkün olmalıdır.
• Dişliler ve bir triger kayışı kullanarak döner tabanı fırçasız motordan ayırarak 3D Volumetrik ekranın kararlılığını ve dönüş hızının düzenlenmesini geliştirmek.

Adım 8: Bağırın

Aşağıdaki kişilere özellikle teşekkür etmek istiyorum:

• Destekleri ve anlayışları için harika karım ve kızlarım.
• Teun Verkerk, beni Hackathon'a davet ettiği için
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri ve Aidan Wyber, Hackaton boyunca desteğiniz, yardımınız ve rehberliğiniz için
• Bir sanatçı ve bu Hackaton'un diğer bir katılımcısı olan Luuk Meints, bana bu proje için ihtiyaç duyduğum tüm parçaları modellememe izin veren Fusion 360'a 1 saatlik kişisel bir hızlı giriş kursu verme nezaketini gösterdi.