Photonics Challenger: Transparent 3D Volumetric POV (PHABLABS): 8 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Před několika týdny jsem dostal pozvánku na poslední chvíli k účasti na hackathonu PhabLabs ve vědeckém centru Delft v Nizozemsku. Pro nadšeného fandy, jako jsem já, který může normálně trávit jen omezené množství času vrtáním, jsem to viděl jako skvělou příležitost naplánovat si nějaký vyhrazený čas na proměnu jednoho z mých mnoha nápadů v rámci Hackathon: Photonics na skutečný projekt. A díky skvělému vybavení v Makerspace ve Science Center Delft bylo prostě nemožné tuto pozvánku odmítnout.

Jednou z myšlenek, které jsem již nějakou dobu měl v souvislosti s fotonikou, bylo, že chci něco udělat s Persistence of Vision (POV). Na internetu je již k dispozici mnoho příkladů, jak pomocí základních komponentů sestavit základní POV displej: mikrokontrolér, starý ventilátor/pevný disk/motor a jeden řetězec diod připojených kolmo na osu rotujícího zařízení. S relativně jednoduchým nastavením již můžete vytvořit působivý dvourozměrný obrázek, např.:

Další variace displejů POV spojuje řetězec diod rovnoběžně s osou rotujícího zařízení. Výsledkem bude trojrozměrný válcový displej POV, například:

Namísto připojení řetězce diod rovnoběžně s osou rotačního zařízení můžete také oblouk řetězců diod LED. Výsledkem bude sférický (globusový) POV displej, např.: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Další úrovní je vybudování několika vrstev LED řetězců pro vytvoření volumetrického 3D zobrazení. Zde je několik příkladů takových objemových 3D POV displejů, které jsem použil jako inspiraci pro tento konkrétní 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…

Jelikož tvůrci výše uvedených příkladů poskytli velmi užitečné informace, dávalo smysl remixovat části svých projektů. Ale protože Hackathon má být náročný, rozhodl jsem se také postavit jiný typ volumetrického 3D POV displeje. Někteří z nich používali rotory a spoustu horkého lepidla, aby komponenty neletěly kolem. Jiní vytvořili pro svůj projekt vlastní PCB. Po přezkoumání některých dalších projektů 3D POV jsem viděl prostor pro nějakou „inovaci“nebo pro sebe představil některé výzvy:

• Bez předchozích zkušeností s vytvářením přizpůsobených desek plošných spojů a kvůli časové tísni Hackathonu jsem se rozhodl použít základnější prototypový přístup. Ale místo vytváření skutečných rotorů mě zajímalo, jak by takový objemový 3D POV displej vypadal při použití válce sestaveného z vrstev akrylového plastu.
• Žádné použití nebo minimální používání horkého lepidla, aby bylo zařízení méně nebezpečné

Krok 1: Použitý materiál a nástroje

Pro ovladač motoru

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• Malé prkénko
• 3144 Senzor spínače s Hallovým efektem
• Magnet s průměrem: 1 cm, výškou: 3 mm
• Přepínač - MTS -102
• 10K potenciometr
• Dupontové propojovací vodiče
• 16 x matice M5
• Modul LCD displeje s modrým podsvícením (HD44780 16 × 2 znaky)
• 10K odpor - vytahovací odpor pro snímač s Hallovým efektem
• Rezistor 220Ohm - pro ovládání kontrastu obrazovky LCD
• Průměr závitové tyče: 5 mm
• Překližka, tloušťka: 3 mm

Pro základnu platformy

• Kus šrotu (250 x 180 x 18 mm)
• Mean Well - 12V 4,2 A - spínaný napájecí zdroj LRS -50-12
• Napájecí kabel 220V
• Bezdrátový převodník DC -DC - 5V 2A (vysílač)
• Bezkartáčový motor Turnigy D2836/8 1100KV
• Turnigy Plush 30amp regulátor rychlosti W/BEC
• Konektory koncových bloků
• 12 x matic M6 k zajištění plošiny pomocí závitových tyčí o průměru 6 mm.
• 3 x šrouby M2 (délka 18 mm) pro zajištění přišroubovaného adaptéru k bezkartáčovému motoru
• 4 matice a šrouby M3 pro zajištění bezkartáčového motoru ke kusu šrotu
• Průměr závitové tyče: 6 mm (4 x délka 70 mm)
• Průměr závitové tyče: 4 mm (1 x délka 80 mm)
• Překližka, tloušťka: 3 mm

Pro otočné pouzdro

• Bezdrátový převodník DC -DC - 5V 2A (přijímač)
• 3D tištěný šroubový adaptér (vlákno PLA, bílá)
• Teensy 3.6
• IC 74AHCT125 Quad Logic Converter/Shifter (3V až 5V)
• 10K odpor - vytahovací odpor pro snímač s Hallovým efektem
• Kondenzátor 16V 1000uF
• Průměr závitové tyče 4 mm
• Magnet s průměrem: 1 cm, výškou: 3 mm
• Překližka, tloušťka: 3 mm
• Překližka, tloušťka: 2 mm
• Akrylový list, tloušťka: 2 mm
• Průměr ocelové tyče: 2 mm
• Matice a šrouby
• 0,5 m ledstrip APA102C 144 LED / metr

Použité nástroje

• Laserová řezačka Merlin M1300 - laserové řezání překližky a akrylového plechu
• Ultimaker 2+ pro 3D tisk šroubového adaptéru
• Pájecí stanice a pájka
• Stolní vrtačka
• Šroubováky
• Plyers
• Kladivo
• Posuvné měřítko
• Pilka na kov
• Klíče
• Smršťovací bužírky

Použitý software

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE a Teensyduino (obsahující Teensy Loader)

Krok 2: Řídicí jednotka motoru pro regulaci rychlosti otáčení

Řídicí jednotka motoru vysílá signál do elektronického regulátoru otáček (ESC) Turnigy, který bude řídit počet otáček poskytovaných bezkartáčovým motorem.

Kromě toho jsem také chtěl mít možnost zobrazit skutečné otáčky válce POV za minutu. Proto jsem se rozhodl zahrnout do řídicí jednotky motoru snímač s Hallovým efektem a LCD displej 16x2.

V přiloženém souboru zip (MotorControl_Board.zip) najdete tři soubory dxf, které vám umožní laserově vyřezat jednu základní desku a dvě horní desky pro řídicí jednotku motoru. Použijte překližku o tloušťce 3 mm. Dvě horní desky lze umístit na sebe, což vám umožní přišroubovat LCD displej 16x2.

Dva otvory v horní desce jsou určeny pro jeden přepínací spínač zapnuto/vypnuto a jeden potenciometr pro ovládání otáček střídavého motoru (sám jsem zatím nezapojil zapínací/vypínací přepínač). Pro konstrukci jednotky řízení motoru potřebujete řezat závitovou tyč o průměru 5 mm na 4 kusy požadované výšky. Pomocí 8 matic M5 můžete nejprve upevnit základnu. Potom jsem připevnil malé prkénko k základní desce pomocí oboustranné lepicí nálepky, která byla dodána s prkénkem. Připojené schéma ukazuje, jak byste měli zapojit součásti, aby mohly pracovat se zdrojovým kódem (MotorControl.ino) připojeným k tomuto kroku. Pro Hallovo čidlo jsem použil 10K pull up odpor. Rezistor 220 Ohm fungoval dostatečně dobře, aby byl text viditelný na obrazovce LCD.

Ujistěte se, že izolujete kolíky senzoru Hallova efektu pomocí smršťovacích trubic, jak je znázorněno na obrázcích. Správná funkce Hallova senzoru bude záviset na magnetu, který bude v kroku 3 umístěn v otočném pouzdře.

Jakmile je kabeláž dokončena, můžete 2 horní desky zajistit pomocí LCD displeje, spínače a potenciometru opět pomocí 8 matic M5, jak je znázorněno na obrázcích.

V závislosti na použitém modelu vašeho motoru možná budete muset upravit následující řádek kódu v souboru MotorControl.ino:

škrticí klapka = mapa (averagePotValue, 0, 1020, 710, 900);

Tento řádek kódu (řádek 176) mapuje polohu potenciometru 10K na signál pro ESC. ESC přijímá hodnotu mezi 700 a 2000. A protože motor, který jsem použil pro tento projekt, se začal točit kolem 823, omezil jsem otáčky motoru omezením maximální hodnoty na 900.

Krok 3: Budování platformy pro bezdrátový přenos energie

V současné době existují v zásadě dva způsoby napájení zařízení, která se musí otáčet: kroužky nebo bezdrátový přenos energie přes indukční cívky. Protože vysoce kvalitní kluzné kroužky, které mohou podporovat vysoké otáčky, bývají velmi drahé a náchylnější k opotřebení, rozhodl jsem se pro bezdrátovou možnost pomocí 5V bezdrátového DC-DC převodníku. Podle specifikací by mělo být možné pomocí takového převodníku přenášet až 2 ampéry.

Bezdrátový převodník DC-DC se skládá ze dvou komponent, vysílače a přijímače. Pamatujte, že PCB připojená k vysílací indukční cívce je menší než přijímací.

Samotná platforma je postavena z kusu šrotu (250 x 180 x 18 mm).

Na plošinu jsem přišrouboval napájecí zdroj Mean Well 12V. Výstup 12V je připojen k ESC (viz schémata v kroku 1) a PCB vysílací části bezdrátového DC-DC převodníku.

V přiloženém souboru Platform_Files.zip najdete soubory dxf k laserovému vyřezání platformy z překližky o tloušťce 3 mm:

• Platform_001.dxf a Platform_002.dxf: Musíte je umístit na sebe. Tím se vytvoří zapuštěná oblast pro vysílací indukční cívku.
• Magnet_Holder.dxf: Lasercut this design three times. Jeden ze tříkrát zahrňte kruh. U dalších dvou laserových řezů: vyjměte kruh z řezání. Po řezání slepte tři kusy dohromady a vytvořte držák na magnet (průměr 10 mm, tloušťka: 3 mm). Na lepení magnetu v držáku magnetu jsem použil superglue. Ujistěte se, že jste na držák nalepili správnou stranu magnetu, protože Hallovo čidlo bude fungovat pouze s jednou stranou magnetu.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Tento kus vám pomůže udržet Hallovo čidlo připojené k řídicí jednotce motoru na svém místě, jak ukazuje první obrázek.
• Platform_Drill_Template.dxf: Tento kousek jsem použil jako šablonu pro vrtání otvorů v kusu šrotu. Čtyři větší 6 mm otvory jsou pro podpůrné závitové tyče o průměru 6 mm k podepření plošiny. Čtyři menší otvory slouží k připevnění bezkartáčového motoru ke kusu šrotu. Největší otvor uprostřed byl vyžadován pro osu, která trčela z bezkartáčového motoru. Vzhledem k tomu, že šrouby motoru a závitové tyče pro plošinu je třeba zajistit na spodní straně plošiny, je nutné tyto otvory zvětšit o několik mm hloubky, aby se matice vešly dovnitř.

Bohužel hřídel bezkartáčového motoru u tohoto projektu trčel ze „špatné“strany. Ale dokázal jsem obrátit hřídel pomocí následujícího návodu, který jsem našel na Youtube:

Jakmile jsou motor a nosné tyče zajištěny, lze platformu zkonstruovat pomocí kusů plošiny laserem řezaných. Samotnou plošinu lze zajistit pomocí 8 matic M6. Držák magnetu lze nalepit na plošinu na okraji, jak ukazuje první obrázek.

Přiložený soubor "Bolt-On Adapter.stl" lze vytisknout pomocí 3D tiskárny. Tento adaptér je nezbytný k připevnění závitové tyče o průměru 4 mm na střídavý motor pomocí 3 šroubů M2 o délce 18 mm.

Krok 4: Otočné pouzdro

Připojený soubor Base_Case_Files.zip obsahuje soubory dxf pro laserové řezání 6 vrstev pro konstrukci pouzdra pro komponenty ovládající LED pásek APA102C.

Vrstvy 1-3 designu pouzdra jsou určeny k lepení k sobě. Před slepením tří vrstev se však ujistěte, že je do kruhového výřezu ve vrstvě 2 vložen magnet (průměr 10 mm, výška: 3 mm). Ujistěte se také, že je magnet přilepený správným pólem ke dnu, protože snímač s Hallovým efektem umístěný na platformě postavené v kroku 3 bude reagovat pouze na jednu stranu magnetu.

Konstrukce pouzdra obsahuje oddíly pro součásti uvedené v přiložených schématech zapojení. IC 74AHCT125 je vyžadován pro převod signálu 3,3 V z Teensy na signál 5 V požadovaný pro LED pásek APA102. Vrstvy 4 a 5 lze také slepit dohromady. Horní vrstvu 6 lze navršit na ostatní vrstvy. Všechny vrstvy zůstanou ve správné poloze pomocí 3 ocelových tyčí o průměru 2 mm. K bezkartáčovému motoru jsou tři větší otvory pro 2mm ocelové tyče obklopující větší otvor pro otáčející se 4mm závitovou tyč. Jakmile jsou všechny součásti připájeny podle schématu, lze celé pouzdro nasadit na přišroubovaný adaptér vytištěný v kroku 3. Ujistěte se, že jsou všechny otevřené vodiče řádně izolovány pomocí smršťovacích trubic. Mějte prosím na paměti, že správná funkce Hallova senzoru v těchto krocích závisí na magnetu umístěném v držáku magnetu popsaném v kroku 3.

Přiložený důkaz koncepčního kódu 3D_POV_POC.ino rozsvítí některé LED červeně. Výsledkem skici je čtverec, jakmile se válec začne otáčet. Před spuštěním otáčení jsou však LED diody, které jsou nutné k simulaci čtverce, ve výchozím nastavení zapnuty. To je užitečné pro otestování správné funkce LED v dalším kroku.

Krok 5: Otočný válec s LED pásy

Přiložený soubor Rotor_Cylinder_Files.zip obsahuje pilníky dxf pro řezání akrylátového plechu o tloušťce 2 mm. Výsledných 14 disků je nezbytných pro stavbu průhledného válce pro tento projekt POV. Disky je třeba skládat na sebe. Konstrukce válcových kotoučů umožňuje spojit 12 LED pásků dohromady jako jeden dlouhý LED pás. Počínaje od jednoho disku je třeba na disk připevnit malý LED pásek obsahující 6 LED pomocí lepicích nálepek na LED pásku. Před připevněním pásků LED k disku pomocí lepicích nálepek nejprve připájejte dráty k pásku LED. Jinak riskujete, že pájka roztaví akrylový disk.

Jakmile je disk #13 navršen na průhledný válec, 2mm ocelová tyč použitá k udržení všech vrstev ve správných polohách může být nyní také oříznuta na správnou délku, zarovnána s horní částí disku #13 válce. Disk č. 14 pak lze použít k uchycení ocelových tyčí o průměru 2 mm pomocí dvou matic M4.

Protože čas potřebný na konstrukci celého zařízení, nebyl jsem schopen naprogramovat stabilnější vizuálně zajímavé 3D displeje v časovém rámci hackathonu. To je také důvod, proč je poskytovaný kód pro ovládání LED diod stále velmi základní pro důkaz konceptu, prozatím ukazuje pouze červený čtverec 3 rozměrově.

Krok 6: Poučení

Teensy 3.6

• Objednal jsem pro tento projekt Teensy 3.5, ale dodavatel mi omylem poslal Teensy 3.6. Protože jsem toužil dokončit projekt v časovém rámci hackathonu, rozhodl jsem se pokročit s Teensy 3.6. Důvod, proč jsem chtěl použít Teensy 3.5, byl kvůli portům, které jsou tolerantní k 5V. To není případ Teensy 3.6. To je také důvod, proč jsem do instalace musel zavést obousměrný logický převodník. U Teensy 3.5 by to nebylo nutné.
• Problém se zvýšením výkonu: Při zapnutí zařízení dochází k nárůstu výkonu prostřednictvím bezdrátového nabíjecího modulu DC-DC k napájení Teensy 3.6. Nájezd je bohužel příliš pomalý na to, aby se Teensy 3.6 správně spustil. Jako řešení v současné době musím zapnout Teensy 3.6 pomocí připojení micro USB a poté zapojit napájecí zdroj 12V napájející bezdrátový vysílač stejnosměrného proudu. Jakmile bezdrátový přijímač stejnosměrného proudu také napájí Teensy, mohu odpojit kabel USB. Lidé sdíleli svůj hack s MIC803 kvůli problému s pomalým náběhem energie zde:

Modul LCD obrazovky

Nepravidelné chování na externí energii. Při napájení přes USB obrazovka funguje správně. Když ale napájím obrazovku LCD přes prkénko pomocí 5 V dodávaného BEC nebo nezávislým napájecím zdrojem, text se začne míchat po několika sekundách poté, co se má text změnit. Stále musím prozkoumat, co je příčinou tohoto problému

Mechanické

Abych otestoval svoji řídicí jednotku motoru k měření skutečných otáček, nechal jsem motor točit pomocí šroubu na adaptéru, šroubu a základové skříni připojeného k motoru. Během jednoho z počátečních testů se šrouby, které spojují držák motoru s motorem, odšroubují kvůli vibracím. Naštěstí jsem si tohoto problému všiml včas, takže se předešlo potenciální katastrofě. Tento problém jsem vyřešil zašroubováním šroubů trochu těsněji k motoru a také jsem použil několik kapek Loctite, abych šrouby ještě více zajistil

Software

Když exportujete skici Fusion 360 jako soubory dxf pro laserovou řezačku, podpůrné čáry se exportují jako běžné čáry

Krok 7: Potenciální vylepšení

Co bych udělal jinak na základě zkušeností, které jsem získal s tímto projektem:

• U některých hezčích textových vizualizací použití LED pásku obsahujícího alespoň 7 LED místo 6 LED na vrstvu
• Kupte si jiný bezkartáčový motor, kde hřídel již trčí na správné (spodní) straně motoru. (např.: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Tím si ušetříte starosti s řezáním hřídele nebo tlačením hřídele na správnou stranu jako já musel udělat teď.
• Trávit více času vyvažováním zařízení za účelem minimalizace vibrací, ať už mechanických, nebo jej vymodelovat ve Fusion 360.

Také jsem přemýšlel o některých potenciálních vylepšeních, na která bych se mohl podívat, pokud mi to čas dovolí:

• Skutečné využití funkcí karty SD na Teensy k vytváření delších animací
• Zvyšte hustotu zobrazování pomocí menších LED diod (APA102 (C) 2020). Když jsem před několika týdny zahájil tento projekt, LED pásky obsahující tyto malé LED (2x2 mm) nebyly na trhu snadno dostupné. Je možné je zakoupit jako samostatné součástky SMD, ale tuto možnost bych zvážil pouze v případě, že jste ochotni tyto součásti pájet na vlastní desku plošných spojů.
• Přenášejte 3D snímky bezdrátově do zařízení (Wifi nebo Bluetooth). To by také mělo umožnit naprogramovat zařízení na vizualizaci zvuku/hudby.
• Převeďte animace Blenderu na formát souboru, který lze použít se zařízením
• Umístěte všechny LED pásky na základní desku a zaměřte světlo na vrstvy akrylu. Na každé jiné vrstvě mohou být vyryty malé oblasti, které odrážejí světlo, když jsou vynechány z LED diod. Světlo by mělo být zaostřeno na vyryté oblasti. To by mělo být možné vytvořením tunelu, který vede světlo, nebo pomocí čoček na LED pro zaostření světla.
• Vylepšení stability 3D volumetrického zobrazení a regulace rychlosti otáčení oddělením rotující základny od bezkartáčového motoru pomocí ozubených kol a rozvodového řemene.

Krok 8: Křičte

Chtěl bych poděkovat zejména těmto osobám:

• Moje fantastická manželka a dcery za jejich podporu a porozumění.
• Teunu Verkerkovi za pozvání na Hackathon
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri a Aidan Wyber, za vaši podporu, pomoc a vedení v celém Hackatonu
• Luuk Meints, umělec a spoluúčastník tohoto Hackatonu, který byl tak laskavý a poskytl mi osobní hodinový úvodní kurz rychlosti Fusion 360, který mi umožnil modelovat všechny součásti, které jsem pro tento projekt potřeboval.