Photonics Challenger: Transparent 3D Volumetric POV (ФАБЛАБЫ): 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Несколько недель назад я получил в последний момент приглашение принять участие в хакатоне PhabLabs в Научном центре Делфта в Нидерландах. Для энтузиаста-энтузиаста вроде меня, который обычно тратит на возня лишь ограниченное количество времени, я увидел в этом прекрасную возможность выделить какое-то время, чтобы превратить одну из моих многочисленных идей в рамках Хакатона: Фотоника в реальный проект. И с прекрасными условиями в Makerspace в Научном центре Делфта было просто невозможно отклонить это приглашение.

Одна из идей, которые у меня уже были относительно фотоники, заключалась в том, что я хотел что-то сделать с Persistence of Vision (POV). В Интернете уже доступно множество примеров того, как построить базовый дисплей POV с использованием некоторых основных компонентов: микроконтроллера, старого вентилятора / жесткого диска / двигателя и одной цепочки светодиодов, подключенных перпендикулярно оси вращающегося устройства. С помощью относительно простой настройки вы уже можете создать впечатляющее двухмерное изображение, например:

Другой вариант POV-дисплеев соединяет цепочку светодиодов, параллельную оси вращающегося устройства. Это приведет к трехмерному цилиндрическому дисплею POV, например:

Вместо того, чтобы соединять гирлянду светодиодов параллельно оси вращающегося устройства, вы также можете изогнуть гирлянду светодиодов. Это приведет к сферическому (глобусу) отображению точки обзора, например: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Следующий уровень - создание нескольких слоев светодиодных цепочек для создания объемного 3D-дисплея.. Вот несколько примеров таких объемных 3D-дисплеев POV, которые я использовал в качестве вдохновения для этого конкретного проекта:

• 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…

Поскольку создатели приведенных выше примеров предоставили очень полезную информацию, имело смысл ремикшировать части своих проектов. Но поскольку хакатон должен быть сложным, я также решил создать другой тип объемного 3D-дисплея POV. Некоторые из них использовали роторы и много горячего клея, чтобы компоненты не разлетались. Другие создали собственные печатные платы для своего проекта. Изучив некоторые другие проекты 3D POV, я увидел место для некоторых «инноваций» или поставил перед собой некоторые задачи:

• Не имея предыдущего опыта создания индивидуальных печатных плат и из-за ограниченности времени, проводимого на хакатоне, я предпочитаю следовать более простому подходу к прототипу. Но вместо того, чтобы создавать настоящие роторы, мне было любопытно, как будет выглядеть такой объемный 3D-дисплей POV при использовании цилиндра, построенного из слоев акрилового пластика.
• Никакого использования или минимального использования горячего клея, чтобы сделать устройство менее опасным

Шаг 1. Используемые материалы и инструменты

Для контроллера мотора

• Arduino Pro Micro 5 В / 16 МГц
• Малая макетная плата
• 3144 Датчик переключателя на эффекте Холла
• Магнит с диаметром: 1 см, высотой: 3 мм
• Тумблер - МТС-102
• Потенциометр 10K
• Провода для перемычек Dupont
• 16 гаек M5
• Модуль ЖК-дисплея с синей подсветкой (HD44780 16 × 2 символов)
• Резистор 10 кОм - подтягивающий резистор для датчика Холла
• Резистор 220 Ом - для управления контрастностью ЖК-экрана.
• Диаметр резьбового стержня: 5 мм
• Фанера, толщина: 3 мм

Для платформы Base

• Кусок древесного лома (250 x 180 x 18 мм)
• Mean Well - 12V 4.2A - Импульсный блок питания LRS-50-12
• Кабель питания 220 В
• Беспроводной преобразователь постоянного тока в постоянный - 5 В, 2 А (передатчик)
• Turnigy D2836 / 8 Бесщеточный двигатель Outrunner 1100KV
• Turnigy Plush 30amp Регулятор скорости W / BEC
• Клеммные колодки Разъемы
• 12 гаек M6 для фиксации платформы с помощью стержней с резьбой диаметром 6 мм.
• 3 болта M2 (длина 18 мм) для крепления переходника к бесщеточному двигателю.
• 4 гайки и болта M3 для крепления бесщеточного двигателя к куску древесины.
• Диаметр резьбового стержня: 6 мм (4 x длина 70 мм)
• Диаметр резьбового стержня: 4 мм (1 x длина 80 мм)
• Фанера, толщина: 3 мм

Для вращающегося корпуса

• Беспроводной преобразователь постоянного тока в постоянный - 5V 2A (приемник)
• Напечатанный на 3D-принтере адаптер с болтовым креплением (нить PLA, белый)
• Малолетка 3.6
• Четырех логический преобразователь / переключатель уровня IC 74AHCT125 (с 3 В на 5 В)
• Резистор 10 кОм - подтягивающий резистор для датчика Холла
• Конденсатор 1000 мкФ 16 В
• Диаметр резьбового стержня 4 мм
• Магнит с диаметром: 1 см, высота: 3 мм
• Фанера, толщина: 3 мм
• Фанера, толщина: 2 мм
• Акриловый лист, толщина: 2 мм
• Диаметр стального стержня: 2 мм
• Гайки и болты
• Светодиодная лента 0,5 метра APA102C 144 светодиода / метр

Используемые инструменты

• Станок для лазерной резки Merlin M1300 - Лазерная резка фанеры и акрилового листа
• Ultimaker 2+ для 3D-печати переходника с болтовым креплением
• Паяльная станция и припой
• Настольное сверло
• Отвертки
• Plyers
• Молоток
• Каверномер
• Ножовка
• Гаечные ключи
• Термоусадочные трубки

Используемое программное обеспечение

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE и Teensyduino (содержащие Teensy Loader)

Шаг 2: блок управления двигателем для регулирования скорости вращения

Блок управления двигателем посылает сигнал на электронный регулятор скорости Turnigy (ESC), который будет контролировать количество оборотов, обеспечиваемых бесщеточным двигателем.

Кроме того, я также хотел иметь возможность отображать фактические обороты цилиндра POV в минуту. Вот почему я решил включить датчик Холла и ЖК-дисплей 16x2 в блок управления двигателем.

В прикрепленном zip-файле (MotorControl_Board.zip) вы найдете три файла dxf, которые позволят вам вырезать лазером одну опорную пластину и две верхние пластины для блока контроллера мотора. Используйте фанеру толщиной 3 мм. Две верхние пластины могут быть размещены друг над другом, что позволит вам прикрутить ЖК-дисплей 16x2.

Два отверстия в верхней пластине предназначены для одного тумблера включения / выключения и одного потенциометра для управления скоростью бесщеточного двигателя (я сам еще не подключал тумблер включения / выключения). Чтобы построить блок управления двигателем, вам необходимо распилить стержень с резьбой диаметром 5 мм на 4 части желаемой высоты. Используя 8 гаек M5, вы можете сначала закрепить основание. Затем я прикрепил небольшую макетную плату к опорной плите с помощью двусторонней клейкой наклейки, которая прилагалась к макету. На прилагаемой схеме показано, как вы должны соединить компоненты, чтобы они могли работать с исходным кодом (MotorControl.ino), прикрепленным к этому шагу. Я использовал подтягивающий резистор 10 кОм для датчика Холла. Резистор 220 Ом работал достаточно хорошо, чтобы текст был виден на ЖК-экране.

Убедитесь, что вы изолировали контакты датчика Холла с помощью термоусадочных трубок, как показано на рисунках. Правильное функционирование датчика Холла будет зависеть от магнита, который будет помещен во вращающийся корпус на шаге 3.

После завершения электромонтажа вы можете закрепить 2 верхние панели с ЖК-дисплеем, переключателем и потенциометром, снова используя 8 гаек M5, как показано на рисунках.

В зависимости от модели используемого двигателя вам может потребоваться изменить следующую строку кода в файле MotorControl.ino:

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

Эта строка кода (строка 176) отображает положение потенциометра 10K на сигнал для ESC. ESC принимает значение от 700 до 2000. И поскольку двигатель, который я использовал для этого проекта, начал вращаться вокруг 823, я ограничил число оборотов двигателя, ограничив максимальное значение до 900.

Шаг 3. Создание платформы для беспроводной передачи мощности

В настоящее время существует два основных способа питания устройств, которые должны вращаться: контактные кольца или беспроводная передача энергии через индукционные катушки. Поскольку высококачественные контактные кольца, которые могут поддерживать высокие обороты, обычно очень дороги и более подвержены износу, я выбрал вариант беспроводной связи с использованием 5-вольтового беспроводного преобразователя постоянного тока в постоянный. Согласно спецификациям, с помощью такого преобразователя должна быть возможна передача до 2 ампер.

Беспроводной преобразователь постоянного тока в постоянный состоит из двух компонентов: передатчика и приемника. Имейте в виду, что печатная плата, подключенная к передающей индукционной катушке, меньше принимающей.

Сама платформа построена из куска дерева (250 x 180 x 18 мм).

На платформу прикрутил блок питания Mean Well 12V. Выход 12 В подключен к ESC (см. Схему на шаге 1) и печатной плате передающей части беспроводного преобразователя постоянного тока в постоянный.

В прикрепленном Platform_Files.zip вы найдете файлы dxf для лазерной резки платформы из фанеры толщиной 3 мм:

• Platform_001.dxf и Platform_002.dxf: вам нужно разместить их друг на друге. Это создаст углубление для передающей индукционной катушки.
• Magnet_Holder.dxf: Вырежьте этот рисунок лазером три раза. Один из трех раз включите кружок. В двух других лазерных резках: удалить круг из разреза. После вырезания склейте три части вместе, чтобы получился держатель для магнита (диаметр 10 мм, толщина: 3 мм). Я приклеил магнит к держателю с помощью суперклея. Убедитесь, что вы приклеили правильную сторону магнита к держателю, так как датчик Холла будет работать только с одной стороной магнита.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Эта деталь поможет вам удерживать датчик Холла, прикрепленный к блоку управления двигателем, на месте, как показано на первом рисунке.
• Platform_Drill_Template.dxf: Я использовал эту деталь в качестве шаблона для сверления отверстий в куске обрезков древесины. Четыре больших отверстия диаметром 6 мм предназначены для опорных стержней с резьбой диаметром 6 мм для поддержки платформы. 4 отверстия меньшего размера предназначены для крепления бесщеточного двигателя к куску древесины. Самое большое отверстие посередине требовалось для оси, которая торчала из бесщеточного двигателя. Поскольку болты для двигателя и резьбовые стержни для платформы должны быть закреплены на дне платформы, необходимо увеличить эти отверстия на несколько мм глубиной, чтобы гайки вошли внутрь.

К сожалению, для этого проекта вал бесщеточного двигателя торчал не с той стороны. Но я смог перевернуть вал с помощью следующей инструкции, которую я нашел на Youtube:

После того, как двигатель и опорные стержни закреплены, платформу можно сконструировать с использованием частей платформы, вырезанных методом лазерной резки. Сама платформа может быть закреплена с помощью 8 гаек M6. Держатель магнита можно приклеить к платформе на границе, как показано на первом рисунке.

Прикрепленный файл "Bolt-On Adapter.stl" можно распечатать на 3D-принтере. Этот адаптер необходим для прикрепления стержня с резьбой диаметром 4 мм к бесщеточному двигателю с помощью 3 болтов M2 длиной 18 мм.

Шаг 4: вращающийся корпус

Прикрепленный Base_Case_Files.zip содержит файлы dxf для лазерной резки 6 слоев и создания корпуса для компонентов, управляющих светодиодной лентой APA102C.

Слои 1-3 конструкции корпуса предназначены для склеивания. Но, пожалуйста, убедитесь, что магнит (диаметр 10 мм, высота: 3 мм) вставлен в круглое отверстие в слое 2, прежде чем склеивать три слоя вместе. Также убедитесь, что магнит приклеен правильным полюсом ко дну, поскольку датчик Холла, размещенный на платформе, построенной на шаге 3, будет реагировать только на одну сторону магнита.

В конструкции корпуса предусмотрены отсеки для компонентов, перечисленных в прилагаемых схемах подключения. IC 74AHCT125 требуется для преобразования сигнала 3,3 В от Teensy в сигнал 5 В, необходимый для светодиодной ленты APA102. Слои 4 и 5 также можно склеивать. Верхний слой 6 можно накладывать на остальные слои. Все слои останутся в правильном положении с помощью 3-х стальных стержней диаметром 2 мм. Есть три маленьких отверстия для 2-миллиметровых стальных стержней, окружающих большее отверстие для вращающегося 4-миллиметрового резьбового стержня, прикрепленного к бесщеточному двигателю. После того, как все компоненты будут спаяны в соответствии со схемой, весь корпус можно надеть на адаптер с болтовым креплением, напечатанный на шаге 3. Убедитесь, что все открытые провода должным образом изолированы с помощью термоусадочных трубок. Имейте в виду, что правильное функционирование датчика Холла на этом этапе зависит от магнита, помещенного в держатель магнита, описанный на этапе 3.

Прилагаемое доказательство концептуального кода 3D_POV_POC.ino осветит некоторые светодиоды красным цветом. В результате эскиза отображается квадрат, когда цилиндр начинает вращаться. Но перед началом вращения по умолчанию включаются светодиоды, необходимые для имитации квадрата. Это полезно для проверки правильности работы светодиодов на следующем этапе.

Шаг 5: Вращающийся цилиндр со светодиодными полосами

Прикрепленный Rotor_Cylinder_Files.zip содержит файлы dxf для резки акрилового листа толщиной 2 мм. Полученные 14 дисков необходимы для создания прозрачного цилиндра для этого проекта POV. Диски нужно сложить друг на друга. Конструкция цилиндрических дисков позволяет спаять 12 светодиодных лент вместе в одну длинную светодиодную полосу. Начиная с первого диска, к диску необходимо прикрепить небольшую светодиодную полосу, содержащую 6 светодиодов, с помощью наклеек на светодиодной полосе. Припаяйте провода к светодиодной ленте, прежде чем прикреплять светодиодные ленты к диску с помощью липких этикеток. Иначе вы рискуете, что паяльник расплавит акриловый диск.

После того, как диск № 13 уложен на прозрачный цилиндр, 2-миллиметровый стальной стержень, используемый для удержания всех слоев в правильных положениях, теперь также можно обрезать до нужной длины, выровняв его по верхней части диска № 13 цилиндра. Затем можно использовать диск № 14, чтобы удерживать 2-миллиметровые стальные стержни на месте с помощью двух гаек M4.

Из-за количества времени, необходимого для создания всего устройства, я еще не смог запрограммировать более стабильные визуально интересные 3D-дисплеи за время хакатона. Это также причина, по которой предоставленный код для управления светодиодами по-прежнему является очень простым для подтверждения концепции, на данный момент показывая только красный квадрат в 3 измерениях.

Шаг 6: извлеченные уроки

Малолетка 3.6

• Я заказал Teensy 3.5 для этого проекта, но поставщик по ошибке прислал мне Teensy 3.6. Поскольку мне не терпелось завершить проект в сроки, отведенные на хакатон, я решил продолжить работу с Teensy 3.6. Причина, по которой я хотел использовать Teensy 3.5, заключалась в том, что порты терпимы к 5 В. Это не относится к Teensy 3.6. Это также причина, по которой мне пришлось ввести в установку двунаправленный логический преобразователь. С Teensy 3.5 этого бы не потребовалось.
• Проблема с повышением мощности: при включении устройства происходит повышение мощности с помощью модуля беспроводной зарядки постоянного и переменного тока для питания Teensy 3.6. К сожалению, нарастание скорости происходит слишком медленно, чтобы Teensy 3.6 запускалась правильно. В качестве обходного пути в настоящее время мне нужно включить Teensy 3.6 через соединение micro USB, а затем подключить блок питания 12 В, питающий беспроводной передатчик постоянного тока. Как только беспроводной приемник постоянного тока также подает питание на Teensy, я могу отсоединить USB-кабель. Люди поделились своим хаком с MIC803 для проблемы медленного увеличения мощности здесь:

Модуль ЖК-экрана

Неустойчивое поведение от внешнего источника питания. Экран корректно работает при питании по USB. Но когда я включаю ЖК-экран через макетную плату, используя 5 В от BEC или независимого источника питания, текст начинает зашифровываться через несколько секунд после того, как текст должен измениться. Мне все еще нужно выяснить, что вызывает эту проблему

Механический

Чтобы проверить свой блок управления двигателем и измерить фактические обороты, я позволил двигателю вращаться с болтом на адаптере, болтом и базовым корпусом, прикрепленными к двигателю. Во время одного из начальных испытаний винты, соединяющие держатель двигателя с двигателем, откручиваются из-за вибрации. К счастью, я вовремя заметил эту проблему, чтобы избежать потенциальной катастрофы. Я решил эту проблему, немного прикрутив винты к двигателю, а также использовал несколько капель Loctite, чтобы закрепить винты еще сильнее

Программное обеспечение

Когда вы экспортируете эскизы Fusion 360 как файлы dxf для лазерного резака, вспомогательные линии экспортируются как обычные линии

Шаг 7: Возможные улучшения

Что бы я сделал по-другому, исходя из опыта, полученного в этом проекте:

• Использование светодиодной ленты, содержащей не менее 7 светодиодов вместо 6 светодиодов на слой для более красивой визуализации текста.
• Купите другой бесщеточный двигатель, у которого вал уже торчит с правильной (нижней) стороны двигателя. (например: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Это избавит вас от необходимости обрезать вал или толкать вал в нужную сторону, как я нужно было делать сейчас.
• Уделите больше времени балансировке устройства, чтобы минимизировать вибрации, механические или смоделированные в Fusion 360.

Я также думал о некоторых потенциальных улучшениях, которые я мог бы изучить, если позволит время:

• Фактическое использование функций SD-карты на Teensy для создания более длинных анимаций
• Увеличьте плотность изображения, используя светодиоды меньшего размера (APA102 (C) 2020). Когда я начал этот проект несколько недель назад, светодиодные ленты, содержащие эти маленькие светодиоды (2x2 мм), не были доступны на рынке. Их можно купить как отдельные компоненты SMD, но я бы рассмотрел этот вариант только в том случае, если вы хотите припаять эти компоненты на специальной печатной плате.
• Передайте 3D-изображения на устройство по беспроводной сети (Wi-Fi или Bluetooth). Это также должно позволить запрограммировать устройство для визуализации звука / музыки.
• Преобразуйте анимацию Blender в формат файла, который можно использовать с устройством
• Положите все светодиодные ленты на основание и сфокусируйте свет на слои акрила. На каждом отдельном слое могут быть выгравированы небольшие участки, отражающие свет, если они не попадают в светодиоды. Свет должен быть сфокусирован на выгравированных участках. Это должно быть возможно за счет создания туннеля, направляющего свет, или использования линз на светодиодах для фокусировки света.
• Повышение стабильности трехмерного объемного изображения и регулирование скорости вращения путем отделения вращающейся базы от бесщеточного двигателя с помощью шестерен и зубчатого ремня.

Шаг 8: крикнуть

Хочу особо поблагодарить следующих лиц:

• Моей фантастической жене и дочерям за их поддержку и понимание.
• Теун Веркерк, за приглашение на хакатон
• Наби Камбиз, Нуриддин Кадури и Эйдан Вайбер за вашу поддержку, помощь и руководство на протяжении всего Хакатона.
• Люук Мейнтс, художник и соучастник этого хакатона, был так любезен, что провел для меня персональный часовой вводный курс по Fusion 360, который позволил мне смоделировать все детали, необходимые для этого проекта.