Photonics Challenger: Transparent 3D Volumetric POV (PHABLABS): 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Beberapa minggu yang lalu saya menerima jemputan pada saat-saat terakhir untuk menyertai PhabLabs Hackathon di Science Center Delft di Belanda. Bagi penggemar hobi seperti saya, yang biasanya hanya menghabiskan sedikit masa untuk bermain-main, saya melihat ini sebagai peluang yang baik untuk menjadualkan masa yang khusus untuk mengubah salah satu daripada banyak idea saya, dalam ruang lingkup Hackathon: Photonics, menjadi projek sebenar. Dan dengan kemudahan hebat di Makerspace di Science Center Delft, mustahil untuk menolak jemputan ini.

Salah satu idea yang saya ada sejak sekian lama berkaitan dengan fotonik adalah bahawa saya ingin melakukan sesuatu dengan Persistence of Vision (POV). Sudah ada banyak contoh yang terdapat dalam talian mengenai cara membuat paparan POV asas menggunakan beberapa komponen asas: mikrokontroler, kipas lama / cakera keras / motor dan satu rentetan led yang disambungkan tegak lurus dengan paksi peranti berputar. Dengan persediaan yang agak mudah, anda sudah boleh membuat gambar 2 dimensi yang mengagumkan, misalnya:

Variasi lain dari paparan POV menghubungkan rentetan led yang selari dengan paksi peranti berputar. Ini akan menghasilkan paparan POV silinder 3 dimensi, contohnya:

Daripada menyambungkan rentetan led yang selari dengan paksi peranti berputar, anda juga boleh melengkapkan tali led. Ini akan menghasilkan paparan POV berbentuk bola (globe), misalnya: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Tahap seterusnya adalah membina beberapa lapisan rentetan led untuk membuat paparan 3D volumetrik. Berikut adalah beberapa contoh paparan 3D POV volumetrik yang saya gunakan sebagai inspirasi untuk projek khusus ini:

• 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…

Oleh kerana pembuat contoh di atas memberikan maklumat yang sangat berguna, sangat masuk akal untuk menyusun semula beberapa bahagian projek mereka. Tetapi kerana Hackathon semestinya mencabar, saya juga memutuskan untuk membina paparan 3D POV volumetrik yang berbeza. Sebahagian daripada mereka menggunakan rotor dan banyak lem panas untuk mengelakkan komponennya terbang. Yang lain membuat PCB khas untuk projek mereka. Setelah meninjau beberapa projek 3D POV lain, saya melihat ruang untuk "inovasi" atau memperkenalkan beberapa cabaran untuk diri saya sendiri:

• Tanpa pengalaman sebelumnya membuat PCB yang disesuaikan dan kerana kekangan masa Hackathon, saya memilih untuk mengikuti pendekatan prototaip yang lebih asas. Tetapi daripada membuat rotor sebenarnya, saya ingin tahu bagaimana paparan 3D POV volumetrik seperti itu apabila menggunakan silinder yang terbuat dari lapisan plastik akrilik.
• Tidak ada penggunaan atau penggunaan gam panas minimum untuk menjadikan peranti kurang berbahaya

Langkah 1: Bahan dan Alat Yang Digunakan

Untuk Pengawal Motor

• Arduino Pro Micro 5V / 16Mhz
• Papan Roti Kecil
• 3144 Sensor Suis Hall Effect
• Magnet dengan Diameter: 1cm, Tinggi: 3mm
• Toggle Switch - MTS-102
• Potensiometer 10K
• Wayar Jumper Dupont
• 16 x M5 Kacang
• Modul paparan LCD dengan lampu latar biru (HD44780 16 × 2 Aksara)
• Perintang 10K - Penarikan Perintang untuk Sensor Kesan Hall
• 220Ohm Resistor - Untuk mengawal kontras Skrin LCD
• Diameter Batang Berulir: 5mm
• Papan lapis, Ketebalan: 3mm

Untuk Pangkalan Platform

• Sekeping Kayu Sekerap (250 x 180 x 18 mm)
• Telaga Bererti - 12V 4.2A - Menukar Bekalan Kuasa LRS-50-12
• Kabel Palam Kuasa 220V
• Penukar Tanpa Wayar DC-DC - 5V 2A (Pemancar)
• Turnigy D2836 / 8 1100KV Brushless Outrunner Motor
• Turnigy Plush 30amp Speed Controller W / BEC
• Penyambung Blok Terminal
• Nuts 12 x M6 untuk mengikat platform menggunakan rod berulir dengan diameter 6mm.
• 3 x M2 Bolt (panjang 18mm) untuk menahan bolt-on adapter ke motor tanpa berus
• 4 x M3 Mur dan Baut untuk menahan motor tanpa berus ke sekeping kayu sekerap
• Diameter Rod Berulir: 6mm (panjang 4 x 70 mm)
• Diameter Rod Berulir: 4mm (1 x panjang 80 mm)
• Papan lapis, Ketebalan: 3mm

Untuk Selongsong Berputar

• Penukar Tanpa Wayar DC-DC - 5V 2A (Penerima)
• 3D Printed Bolt On Adapter (PLA Filamen, Putih)
• Remaja 3.6
• IC 74AHCT125 Quad Logic Level Converter / Shifter (3V hingga 5V)
• Perintang 10K - Penarikan Perintang untuk Sensor Kesan Hall
• Kapasitor 1000uF 16V
• Diameter Batang Berulir 4mm
• Magnet dengan Diameter: 1cm, Tinggi: 3mm
• Papan lapis, Ketebalan: 3mm
• Papan lapis, Ketebalan: 2mm
• Lembaran Akrilik, Ketebalan: 2mm
• Diameter Batang Keluli: 2mm
• Mur dan Baut
• 0,5 meter ledstrip APA102C 144 leds / meter

Alatan Yang Digunakan

• Merlin Laser Cutter M1300 - Papan Lapis Pemotong Laser dan Lembaran Akrilik
• Ultimaker 2+ untuk Pencetakan 3D Bolt On Adapter
• Stesen Pematerian dan Pateri
• Gerudi Jadual
• Pemutar skru
• Lapisan
• Tukul
• Caliper
• Hacksaw
• Perengkuh
• Tiub Pengecutan Panas

Perisian Yang Digunakan

• Fusion 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE dan Teensyduino (mengandungi Teensy Loader)

Langkah 2: Unit Pengawal Motor untuk Mengatur Kelajuan Putaran

Unit Pengawal Motor menghantar isyarat kepada Turnigy Electronic Speed Controller (ESC) yang akan mengawal jumlah putaran yang disediakan oleh motor tanpa berus.

Selain itu saya juga ingin dapat memaparkan putaran sebenar silinder POV per minit. Itulah sebabnya saya memutuskan untuk memasukkan sensor kesan ruang dan Paparan LCD 16x2 ke Unit Pengawal Motor.

Dalam fail zip yang dilampirkan (MotorControl_Board.zip) anda akan menemui tiga fail dxf yang akan membolehkan anda meletakkan satu plat asas dan dua plat atas untuk unit pengawal motor. Sila gunakan papan lapis dengan ketebalan 3mm. Kedua-dua plat atas boleh diletakkan di atas satu sama lain yang akan membolehkan anda memasang Skrin LCD 16x2.

Dua lubang di plat atas dimaksudkan untuk satu suis togol on / off dan satu potensiometer untuk mengawal kelajuan motor tanpa berus (saya belum memasang sendiri suis togol on / off). Untuk membina Unit Pengawal Motor anda perlu melihat batang berulir dengan diameter 5mm menjadi 4 keping dari ketinggian yang dikehendaki. Dengan menggunakan kacang 8 M5, anda boleh mengikat asasnya terlebih dahulu. Kemudian saya melekatkan papan roti kecil ke piring dasar menggunakan pelekat pelekat dua sisi yang disediakan dengan papan roti. Skema yang dilampirkan menunjukkan bagaimana anda harus memasukkan komponen agar dapat berfungsi dengan kod sumber (MotorControl.ino) yang dilampirkan pada langkah ini. Saya telah menggunakan resistor penarik 10K untuk sensor dewan. Perintang 220 Ohm berfungsi dengan cukup baik untuk menjadikan teks kelihatan di skrin LCD.

Pastikan anda mengasingkan pin sensor kesan ruang dengan menggunakan tabung penyusutan haba, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Fungsi sensor ruang yang betul akan bergantung pada magnet yang akan diletakkan di dalam kotak berputar pada langkah 3.

Setelah pendawaian selesai, anda boleh memasang 2 plat atas dengan Paparan LCD, Suis dan Potensiometer menggunakan kacang 8 M5 lagi seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Sementara menunggu model motor yang digunakan, anda mungkin perlu menyesuaikan baris kod berikut dalam fail MotorControl.ino:

pendikit = peta (rata-rataPotValue, 0, 1020, 710, 900);

Garis kod ini (garis 176) memetakan kedudukan potensiometer 10K ke isyarat untuk ESC. ESC menerima nilai antara 700 dan 2000. Dan ketika motor yang saya gunakan untuk projek ini mula berpusing sekitar 823, saya mengehadkan RPM motor dengan menghadkan nilai maksimum hingga 900.

Langkah 3: Membangun Platform untuk Kuasa Penghantaran Tanpa Wayar

Pada masa ini pada dasarnya terdapat dua cara untuk menghidupkan peranti yang perlu dipusingkan: gelincir gelincir atau menghantar kuasa secara wayarles melalui gegelung aruhan. Sebagai gelang gelincir berkualiti tinggi yang dapat menyokong RPM tinggi cenderung sangat mahal dan lebih cenderung keausan, saya memilih pilihan tanpa wayar menggunakan penukar DC-DC Tanpa Wayar 5V. Mengikut spesifikasi, mungkin untuk memindahkan hingga 2 Amps menggunakan penukar sedemikian.

Penukar Wireless DC-DC terdiri daripada dua komponen, pemancar dan penerima. Perlu diketahui bahawa PCB yang disambungkan ke gegelung aruhan pemancar lebih kecil daripada yang diterima.

Platform itu sendiri dibina menggunakan sekeping kayu sekerap (250 x 180 x 18 mm).

Di platform saya menggunakan Bekalan Kuasa 12V Telaga Maksud. Output 12V disambungkan ke ESC (lihat skema pada Langkah 1) dan PCB bahagian pemancar Penukar DC-DC Tanpa Wayar.

Di Platform_Files.zip yang dilampirkan, anda akan menemui fail dxf untuk meletakkan platform dari papan lapis dengan ketebalan 3mm:

• Platform_001.dxf dan Platform_002.dxf: Anda perlu meletakkannya satu sama lain. Ini akan mewujudkan kawasan tersembunyi untuk gegelung aruhan pemancar.
• Magnet_Holder.dxf: Lasercut reka bentuk ini tiga kali. Satu daripada tiga kali, sertakan bulatan. Dalam dua lasercuts yang lain: lepaskan bulatan daripada dipotong. Setelah memotong, tempelkan ketiga-tiga kepingan tersebut bersama-sama untuk membuat penahan untuk magnet (diameter 10mm, ketebalan: 3mm). Saya menggunakan superglue untuk merekatkan magnet pada pemegang Magnet. Pastikan anda melekatkan sisi Magnet yang betul ke pemegangnya kerana sensor ruang hanya akan berfungsi dengan satu sisi magnet.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Bahagian ini akan membantu anda memastikan sensor dewan terpasang pada Unit Kawalan Motor di tempat seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama.
• Platform_Drill_Template.dxf: Saya menggunakan bahagian ini sebagai templat untuk menggerudi lubang pada sekeping kayu sekerap. Empat lubang 6 mm yang lebih besar adalah untuk batang berulir yang menyokong dengan diameter 6mm untuk menyokong platform. 4 lubang yang lebih kecil adalah untuk menahan motor tanpa berus ke sekeping kayu sekerap. Lubang terbesar di tengah-tengah diperlukan untuk sumbu yang keluar dari motor tanpa berus. Oleh kerana baut untuk motor dan rod berulir untuk platform perlu diikat di bahagian bawah pelantar, perlu untuk membesarkan lubang tersebut sedalam beberapa mm untuk membolehkan kacang masuk.

Malangnya batang motor tanpa berus tersekat dari sisi 'salah' untuk projek ini. Tetapi saya dapat membalikkan poros dengan bantuan arahan berikut yang saya dapati di Youtube:

Setelah motor dan rod sokongan diikat, platform dapat dibina menggunakan kepingan platform lasercut. Platform itu sendiri boleh dilindungi dengan menggunakan kacang 8 M6. Pemegang Magnet dapat dilekatkan pada platform di perbatasan seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama.

Fail terlampir "Bolt-On Adapter.stl" boleh dicetak menggunakan pencetak 3D. Penyesuai ini diperlukan untuk memasang rod berulir dengan diameter 4mm ke Motor Brushless menggunakan bolt 3 x M2 dengan panjang 18mm.

Langkah 4: Selongsong Berputar

Base_Case_Files.zip yang dilampirkan mengandungi fail dxf untuk memotong laser dengan lapisan 6 untuk membina kotak bagi komponen yang mengawal jalur LED APA102C.

Lapisan 1-3 reka bentuk Kes dimaksudkan untuk dilekatkan bersama. Tetapi pastikan magnet (diameter 10mm, tinggi: 3mm) dimasukkan ke dalam potongan bulat di Lapisan 2 sebelum merekatkan ketiga-tiga lapisan itu bersama-sama. Pastikan juga magnet terpaku dengan tiang yang betul ke bawah, kerana sensor kesan lorong yang diletakkan di platform yang dibina pada Langkah 3 hanya akan bertindak balas pada satu sisi magnet.

Reka bentuk casing mengandungi ruang untuk komponen yang disenaraikan dalam skema pendawaian yang dilampirkan. IC 74AHCT125 diperlukan untuk menukar isyarat 3.3V dari Teensy ke isyarat 5V yang diperlukan untuk jalur LED APA102. Lapisan 4 dan 5 juga boleh dilekatkan bersama. Lapisan atas 6 boleh ditumpuk pada lapisan lain. Semua lapisan akan berada di kedudukan yang betul dengan bantuan 3 batang keluli dengan diameter 2mm. Terdapat tiga lubang kecil untuk batang keluli 2mm yang mengelilingi lubang yang lebih besar untuk batang berulir 4mm berputar yang dilekatkan pada motor tanpa berus. Setelah semua komponen disolder mengikut skema, casing yang lengkap dapat diletakkan pada penyesuai bolt-on yang dicetak pada Langkah 3. Pastikan setiap wayar terbuka diisolkan dengan betul menggunakan tabung penyusutan panas. Perlu diketahui bahawa fungsi sensor ruang yang betul dari langkah ini bergantung pada magnet yang diletakkan di pemegang magnet yang dijelaskan pada langkah 3.

Bukti kod konsep 3D_POV_POC.ino yang dilampirkan akan menyala beberapa kepingan warna merah. Sketsa menghasilkan sebuah kotak yang dipaparkan setelah silinder mula berputar. Tetapi sebelum putaran dimulakan, led yang diperlukan untuk mensimulasikan segiempat dihidupkan secara lalai. Ini berguna untuk menguji fungsi led yang betul pada langkah seterusnya.

Langkah 5: Silinder Berputar Dengan Jalur Led

Rotor_Cylinder_Files.zip yang dilampirkan mengandungi fail dxf untuk memotong Lembaran Akrilik setebal 2mm. 14 cakera yang dihasilkan diperlukan untuk membina silinder lutsinar untuk projek POV ini. Cakera perlu ditumpuk antara satu sama lain. Reka bentuk cakera silinder membolehkan 12 jalur LED disolder bersama sebagai satu jalur dipimpin panjang. Bermula dari cakera satu jalur LED kecil yang mengandungi 6 led perlu dilekatkan pada cakera menggunakan pelekat pelekat pada jalur led. Pateri wayar ke jalur yang dipimpin terlebih dahulu sebelum melekatkan jalur yang dipimpin ke cakera menggunakan pelekat pelekat. Jika tidak, anda berisiko bahawa pateri solder akan mencairkan cakera akrilik.

Setelah cakera # 13 ditumpuk pada silinder lutsinar, batang keluli 2mm yang digunakan untuk menyimpan semua lapisan pada kedudukan yang betul sekarang juga dapat dipotong dengan panjang yang tepat, sejajar dengan bahagian atas cakera # 13 silinder. Cakera # 14 kemudian boleh digunakan untuk menjaga rod keluli 2mm di tempat dengan bantuan dua kacang M4.

Oleh kerana jumlah masa yang diperlukan untuk membina keseluruhan peranti, saya belum dapat memprogram paparan 3D yang lebih menarik secara visual namun dalam jangka masa hackathon. Itulah juga sebab mengapa kod yang disediakan untuk mengendalikan led masih sangat asas untuk membuktikan konsepnya, yang menunjukkan hanya kotak merah 3 dimensi buat masa ini.

Langkah 6: Pelajaran yang Dipelajari

Remaja 3.6

• Saya memesan Teensy 3.5 untuk projek ini, tetapi pembekal menghantar Teensy 3.6 kepada saya secara tidak sengaja. Oleh kerana saya ingin menyelesaikan projek ini dalam jangka masa hackathon, saya memutuskan untuk terus maju dengan Teensy 3.6. Sebab mengapa saya mahu menggunakan Teensy 3.5 adalah kerana port, mereka tahan 5V. Ini tidak berlaku dengan Teensy 3.6. Itulah juga sebab mengapa saya terpaksa memperkenalkan penukar logik dua arah ke persediaan. Dengan Teensy 3.5 ini tidak akan diperlukan.
• Masalah Power Ramp Up: Ketika menghidupkan peranti, terdapat peningkatan daya melalui modul pengecasan dc-dc tanpa wayar untuk menghidupkan Teensy 3.6. Sayangnya jalan keluar terlalu perlahan untuk Teensy 3.6 untuk memulakan dengan betul. Sebagai jalan penyelesaian, saya sekarang harus menghidupkan Teensy 3.6 melalui sambungan USB mikro dan kemudian pasangkan Power Supply 12V yang memberi makan pemancar dc-dc tanpa wayar. Setelah penerima dc-dc tanpa wayar juga membekalkan kuasa kepada Teensy saya dapat mencabut kabel USB. Orang telah berkongsi peretasan mereka dengan MIC803 untuk masalah peningkatan kuasa perlahan di sini:

Modul Skrin LCD

Tingkah laku yang tidak menentu pada daya luaran. Skrin berfungsi dengan betul semasa digerakkan melalui USB. Tetapi ketika saya menghidupkan skrin LCD melalui papan roti menggunakan 5V yang dibekalkan oleh BEC atau Bekalan Daya bebas, teksnya mula dikacau setelah beberapa saat setelah teks sepatutnya berubah. Saya masih perlu menyiasat apa yang menyebabkan masalah ini

Mekanikal

Untuk menguji unit pengawal motor saya untuk mengukur RPM sebenar, saya membiarkan motor berputar dengan bolt pada penyesuai, bolt dan case dasar yang terpasang pada motor. Semasa salah satu ujian awal dijalankan, skru yang menghubungkan pemegang motor ke motor melepaskan diri kerana getaran. Nasib baik saya melihat masalah ini tepat pada masanya sehingga kemungkinan bencana dapat dielakkan. Saya menyelesaikan masalah ini dengan memautkan skru sedikit lebih ketat ke motor dan juga menggunakan beberapa tetes Loctite untuk mengikat skru lebih banyak lagi

Perisian

Apabila anda mengeksport lakaran Fusion 360 sebagai fail dxf untuk pemotong laser, garis sokongan dieksport sebagai garis biasa

Langkah 7: Peningkatan Potensi

Apa yang akan saya lakukan berbeza berdasarkan pengalaman yang saya perolehi dengan projek ini:

• Menggunakan jalur LED yang mengandungi sekurang-kurangnya 7 led dan bukannya 6 led setiap lapisan untuk visualisasi teks yang lebih baik
• Beli motor tanpa berus yang berbeza di mana poros sudah melekat di sebelah kanan (bawah) motor. (cth: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Ini akan menyelamatkan anda masalah sama ada memotong poros atau menolak poros ke bahagian yang betul seperti saya terpaksa buat sekarang.
• Menghabiskan lebih banyak masa untuk mengimbangkan peranti untuk meminimumkan getaran, sama ada mekanikal atau memodelkannya di Fusion 360.

Saya juga telah memikirkan beberapa kemungkinan peningkatan, yang mungkin saya perhatikan sekiranya masa memungkinkan:

• Menggunakan fungsi kad SD pada Teensy untuk membuat animasi yang lebih panjang
• Meningkatkan kepadatan pengimejan dengan menggunakan led yang lebih kecil (APA102 (C) 2020). Semasa saya memulakan projek ini beberapa minggu yang lalu, jalur led yang mengandungi led kecil ini (2x2 mm) tidak tersedia di pasaran. Adalah mungkin untuk membelinya sebagai komponen SMD yang berasingan, tetapi saya hanya akan mempertimbangkan pilihan ini sekiranya anda bersedia menyolder komponen ini pada PCB khusus.
• Pindahkan gambar 3D secara wayarles ke peranti (Wifi atau Bluetooth). Ini juga memungkinkan program diatur untuk memvisualisasikan suara / muzik.
• Tukar animasi Blender ke format fail yang dapat digunakan dengan peranti
• Letakkan semua jalur yang dipimpin pada plat asas dan fokuskan cahaya ke lapisan acryl. Pada setiap lapisan yang berlainan, kawasan kecil dapat terukir untuk memantulkan cahaya ketika dihilangkan dari led. Lampu harus difokuskan ke kawasan yang terukir. Ini mungkin dilakukan dengan membuat terowong yang memandu cahaya atau menggunakan lensa pada led untuk memfokuskan cahaya.
• Meningkatkan kestabilan paparan Volumetrik 3D dan pengaturan kelajuan putaran dengan memisahkan asas berputar dari motor tanpa berus dengan menggunakan roda gigi dan tali masa.

Langkah 8: Berseru

Saya ingin mengucapkan terima kasih khas kepada orang-orang berikut:

• Isteri dan anak perempuan saya yang hebat, atas sokongan dan pemahaman mereka.
• Teun Verkerk, kerana menjemput saya ke Hackathon
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri dan Aidan Wyber, atas sokongan, bantuan dan bimbingan anda di seluruh Hackaton
• Luuk Meints, seorang seniman dan rakan peserta Hackaton ini yang begitu baik memberi saya kursus kelajuan pengenalan 1 jam peribadi kepada Fusion 360 yang membolehkan saya memodelkan semua bahagian yang saya perlukan untuk projek ini.