Photonics Challenger: שקוף תלת מימדי 3D שקוף (PHABLABS): 8 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

לפני מספר שבועות קיבלתי הזמנה ברגע האחרון להשתתף בהאקתון PhabLabs במרכז המדע דלפט בהולנד. עבור חובב נלהב כמוני, שבדרך כלל יכול להשקיע רק זמן מוגבל בהתעסקות, ראיתי זאת כהזדמנות מצוינת לתזמן זמן ייעודי להפוך את אחד הרעיונות הרבים שלי, במסגרת האקתון: פוטוניקה, ל פרויקט של ממש. ועם המתקנים הנהדרים ב- Makerspace במרכז המדע דלפט פשוט אי אפשר היה לדחות את ההזמנה הזו.

אחד הרעיונות שכבר היו לי במשך תקופה הקשורים לפוטוניקה היה שרציתי לעשות משהו עם התמדה של חזון (POV). יש כבר המון דוגמאות זמינות באינטרנט לבניית תצוגת POV בסיסית באמצעות כמה רכיבים בסיסיים: מיקרו -בקר, מאוורר ישן/דיסק קשיח/מנוע ומחרוזת אחת של נוריות המחוברות בניצב לציר ההתקן המסתובב. עם התקנה פשוטה יחסית אתה כבר יכול ליצור תמונה דו ממדית מרשימה, למשל:

וריאציה נוספת של תצוגות POV מחברת מחרוזת של נוריות במקביל לציר של המכשיר המסתובב. זה יביא לתצוגת POV גלילית בתלת מימד, למשל:

במקום לחבר את מחרוזת העדים במקביל לציר המכשיר המסתובב ניתן גם להקשת את מחרוזת העדים. זה יביא לתצוגת POV כדורית (גלובוס), למשל: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… הרמה הבאה היא לבנות מספר שכבות של מחרוזות לד ליצירת תצוגה תלת מימדית נפחית. להלן כמה דוגמאות לתצוגות POV תלת מימדיות כאלה, בהן השתמשתי כהשראה לפרויקט ספציפי זה:

• 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…

מכיוון שיוצרי הדוגמאות לעיל סיפקו מידע שימושי מאוד, הגיוני מאוד לערבב מחדש חלקים מהפרויקטים שלהם. אבל מכיוון שהאקתון אמור להיות מאתגר, החלטתי גם לבנות סוג אחר של תצוגת 3D POV נפח. חלקם השתמשו ברוטורים והרבה דבק חם כדי למנוע מהרכיבים לעוף. אחרים יצרו PCB מותאם אישית לפרויקט שלהם. לאחר שעיינתי בכמה מהפרויקטים האחרים בתלת -ממד ראיתי מקום ל"חדשנות "או להציג בפני עצמי כמה אתגרים:

• ללא ניסיון קודם ביצירת PCB מותאם אישית ובשל מגבלת הזמן של האקתון אני בוחר לעקוב אחר גישת אב טיפוס בסיסית יותר. אבל במקום ליצור רוטורים אמיתיים, סקרן אותי לדעת איך תראה תצוגה 3D נפחית כלשהי של POV בעת שימוש בגליל בנוי משכבות פלסטיק אקרילי.
• אין שימוש או שימוש מינימלי בדבק חם כדי להפוך את המכשיר פחות מסוכן

שלב 1: חומר וכלים בשימוש

לבקר המנוע

• Arduino Pro Micro 5V/16Mhz
• לוח לחם קטן
• 3144 חיישן מתג אפקט הול
• מגנט עם קוטר: 1 ס"מ, גובה: 3 מ"מ
• מתג החלפה - MTS -102
• 10K פוטנציומטר
• חוטי מגשר של דופונט
• 16 x אגוזים M5
• מודול תצוגת LCD עם תאורה אחורית כחולה (HD44780 16 × 2 תווים)
• הנגד 10K - הנגד למעלה למשוך את חיישן אפקט האולם
• Resistor 220Ohm - לשליטה על הניגודיות של מסך ה- LCD
• קוטר מוט מושחל: 5 מ"מ
• דיקט, עובי: 3 מ"מ

לבסיס הפלטפורמה

• פיסת עץ גרוטאות (250 x 180 x 18 מ"מ)
• Mean Well - 12V 4.2A - מתג אספקת חשמל LRS -50-12
• כבל תקע חשמל 220V
• ממיר אלחוטי DC -DC - 5V 2A (משדר)
• מנוע טורני D2836/8 1100KV ללא מברשות
• בקר מהירות קטיפה 30 אמפר W/BEC
• מחברי בלוקים מסופים
• 12 x M6 אגוזים לאבטחת הרציף באמצעות מוטות הברגה בקוטר 6 מ"מ.
• 3 x M2 ברגים (אורך 18 מ"מ) לאבטחת מתאם הברגה למנוע ללא מברשת
• 4 x M3 ברגים וברגים לאבטחת המנוע ללא מברשת לחתיכת עץ הגרוטאות
• קוטר מוט מושחל: 6 מ"מ (4 x אורך 70 מ"מ)
• קוטר מוט מושחל: 4 מ"מ (1 x אורך 80 מ"מ)
• דיקט, עובי: 3 מ"מ

למארז המסתובב

• ממיר אלחוטי DC -DC - 5V 2A (מקלט)
• מתאם מודפס בתלת -ממד (נימה PLA, לבן)
• נוער 3.6
• ממיר/מחלף רבע לוגי IC 74AHCT125 (3V עד 5V)
• הנגד 10K - הנגד למעלה למשוך את חיישן אפקט האולם
• קבלים 1000uF 16V
• קוטר מוט מושחל 4 מ"מ
• מגנט עם קוטר: 1 ס"מ, גובה: 3 מ"מ
• דיקט, עובי: 3 מ"מ
• דיקט, עובי: 2 מ"מ
• יריעת אקריליק, עובי: 2 מ"מ
• קוטר מוט פלדה: 2 מ"מ
• ברגי אגוזים
• רצועת LED APA102C של 0.5 מטר 144 נוריות / מטר

כלים בשימוש

• חיתוך לייזר מרלין M1300 - דיקט חיתוך לייזר ויריעה אקרילית
• Ultimaker 2+ להדפסת תלת ממד
• תחנת הלחמה והלחמה
• תרגיל שולחן
• מברגים
• פלירס
• פטיש
• קליפר
• מַסוֹר לְמַתֶכֶת
• מפתחות
• צינורות כיווץ חום

תוכנה בשימוש

• פיוז'ן 360
• אולטמייקר קורא
• Arduino IDE ו- Teensyduino (המכיל Teensy Loader)

שלב 2: יחידת בקר מנוע להסדרת מהירות הסיבוב

יחידת בקר המנוע שולחת אות לבקר המהירות האלקטרוני של Turnigy (ESC) אשר ישלוט במספר הסיבובים שמספק המנוע ללא מברשת.

בנוסף רציתי גם להיות מסוגל להציג את הסיבובים בפועל לדקה של גליל ה- POV. לכן החלטתי לכלול חיישן אפקט אולם ותצוגת LCD בגודל 16x2 ליחידת בקר המנוע.

בקובץ ה- zip המצורף (MotorControl_Board.zip) תמצא שלושה קבצי dxf שיאפשרו לך לחתוך צלחת בסיס אחת ושתי צלחות עליונות ליחידת בקר המנוע. אנא השתמש בדיקט בעובי 3 מ מ. ניתן להניח את שתי הלוחות העליונות זו על גבי זו מה שיאפשר לך לדפוק את צג ה- LCD בגודל 16x2.

שני החורים בצלחת העליונה מיועדים למתג הפעלה/כיבוי אחד ופוטנציומטר אחד לשליטה על מהירות המנוע ללא מברשת (עדיין לא חיברתי את מתג ההפעלה/כיבוי בעצמי). כדי לבנות את יחידת הבקר המוטורי עליך לנסר את מוט ההברגה בקוטר של 5 מ מ ל -4 חלקים בגובה הרצוי. באמצעות 8 אגוזים M5 אתה יכול להדק תחילה את הבסיס. לאחר מכן חיברתי את לוח הלחם הקטן לצלחת הבסיס באמצעות מדבקת הדבקה הדו -צדדית שסופקה עם לוח הלחם. הסכימה המצורפת מראה כיצד עליך לחבר את הרכיבים כך שיוכל לעבוד עם קוד המקור (MotorControl.ino) המצורף לשלב זה. השתמשתי בנגד משיכה של 10K לחיישן האולם. נגד 220 אוהם עבד מספיק טוב כדי שהטקסט יהיה גלוי על מסך LCD.

אנא הקפד לבודד את הפינים של חיישן אפקט האולם באמצעות צינורות כיווץ חום, בדיוק כפי שמוצג בתמונות. תפקודו התקין של חיישן האולם יסתמך על מגנט שיונח בתיבה המסתובבת בשלב 3.

לאחר השלמת החיווט ניתן לאבטח את 2 הלוחות העליונים בעזרת תצוגת LCD, מתג ופוטנציומטר באמצעות שוב 8 אגוזים M5 כפי שמוצג בתמונות.

בהמתנה לדגם המנוע שלך המשמש, ייתכן שיהיה עליך להתאים את שורת הקוד הבאה בקובץ MotorControl.ino:

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

שורת קוד זו (שורה 176) ממפה את המיקום של פוטנציומטר 10K לאות ה- ESC. ה- ESC מקבל ערך בין 700 ל -2000. וכאשר המנוע בו השתמשתי לפרויקט זה החל להסתובב סביב 823, הגבלתי את סל ד המנוע על ידי הגבלת הערך המרבי ל -900.

שלב 3: בניית הפלטפורמה לכוח שידור אלחוטי

כיום יש בעצם שתי דרכים להפעיל מכשירים שצריכים להסתובב: טבעות החלקה או העברת כוח באופן אלחוטי באמצעות סלילי אינדוקציה. כטבעות החלקה באיכות גבוהה שיכולות לתמוך בסל ד גבוה נוטות להיות יקרות מאוד ומוטות יותר לבלאי בחרתי באפשרות האלחוטית באמצעות ממיר DC-DC אלחוטי 5V. על פי המפרט צריך להיות ניתן להעביר עד 2 אמפר באמצעות ממיר כזה.

ממיר ה- DC-DC האלחוטי מורכב משני רכיבים, משדר ומקלט. שים לב שה- PCB המחובר לסליל האינדוקציה המשדר קטן מזה המקבל.

הרציף עצמו בנוי באמצעות פיסת עץ גרוטאות (250 x 180 x 18 מ מ).

בפלטפורמה התברגתי על ספק הכוח 12V Mean Well. יציאת 12V מחוברת ל- ESC (ראו את התרשימים בשלב 1) ואת ה- PCB של החלק המשדר של ממיר ה- DC-DC האלחוטי.

ב Platform_Files.zip המצורף אתה מוצא את קבצי ה- dxf כדי לחתוך את הפלטפורמה מתוך דיקט בעובי 3 מ מ:

• Platform_001.dxf ו- Platform_002.dxf: עליך להציב אותם זה על זה. זה ייצור אזור שקוע לסליל האינדוקציה המשדר.
• Magnet_Holder.dxf: חיתוך עיצוב זה שלוש פעמים. אחת משלוש הפעמים, כלול את המעגל. בשני חיתוכי הלייזר האחרים: הסר את העיגול מהחתך. לאחר החיתוך מדביקים את שלושת החלקים יחד כדי ליצור מחזיק למגנט (קוטר 10 מ"מ, עובי: 3 מ"מ). השתמשתי בדבק על כדי להדביק את המגנט במחזיק המגנט. אנא הקפד להדביק את הצד הנכון של המגנט למחזיק כיוון שחיישן האולם יעבוד רק עם צד אחד של המגנט.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: יצירה זו תעזור לך לשמור על חיישן האולם מחובר ליחידת הבקרה המוטורית כפי שמוצג בתמונה הראשונה.
• Platform_Drill_Template.dxf: השתמשתי ביצירה זו כתבנית לקידוח החורים בחתיכת עץ הגרוטאות. ארבעת החורים הגדולים של 6 מ"מ מיועדים למוטות הברגה תומכים בקוטר 6 מ"מ לתמיכה בפלטפורמה. 4 החורים הקטנים מיועדים לאבטחת המנוע ללא מברשת לחתיכת עץ הגרוטאות. החור הגדול ביותר באמצע נדרש לציר שבקע מהמנוע ללא מברשת. מכיוון שצריך לאבטח את הברגים של המנוע ואת מוטות הברגה לפלטפורמה בתחתית הרציף, יש צורך להגדיל את החורים האלה לעומק של כמה מ"מ כדי לאפשר לאגוזים להיכנס.

לרוע המזל, פיר המנוע ללא מברשות בלט מהצד 'הלא נכון' לפרויקט זה. אבל הצלחתי להפוך את הפיר בעזרת ההוראה הבאה שמצאתי ביוטיוב:

לאחר שהמנוע ומוטות התמיכה מאובטחים, ניתן לבנות את הרציף באמצעות חתיכות פלטפורמת הלסת. ניתן לאבטח את הרציף עצמו באמצעות 8 אגוזים M6. ניתן להדביק את מחזיק המגנט לרציף בגבול כפי שמוצג בתמונה הראשונה.

ניתן להדפיס את הקובץ המצורף "Bolt-On Adapter.stl" באמצעות מדפסת תלת מימד. מתאם זה נחוץ כדי לחבר מוט מושחל בקוטר של 4 מ"מ למנוע המברשת ללא 3 מברגים M2 באורך של 18 מ"מ.

שלב 4: מעטפת מסתובבת

Base_Case_Files.zip המצורף מכיל את קבצי ה- dxf לחיתוך לייזר של 6 השכבות לבניית מארז הרכיבים השולטים ברצועת ה- LED APA102C.

שכבות 1-3 של עיצוב המארז נועדו להדביק יחד. אך אנא ודא כי מגנט (קוטר 10 מ"מ, גובה: 3 מ"מ) מוחדר לחיתוך המעגלי בשכבה 2 לפני הדבקת שלוש השכבות יחד. כמו כן וודא שהמגנט מודבק עם המוט הנכון לתחתית, שכן חיישן אפקט האולם המונח על הרציף שנבנה בשלב 3 יגיב רק לצד אחד של המגנט.

עיצוב המארז מכיל תאים לרכיבים המפורטים בתרשימי החיווט המצורפים. IC 74AHCT125 נדרש להמיר את האות 3.3V מהטנסי לאות 5V הנדרש עבור רצועת ה- LED APA102. ניתן גם להדביק את השכבות 4 ו -5. השכבה העליונה 6 ניתנת להערמה על השכבות האחרות. כל השכבות יישארו במיקום הנכון בעזרת 3 מוטות פלדה בקוטר 2 מ"מ. ישנם שלושה חורים קטנים למוטות הפלדה בגודל 2 מ"מ המקיפים את החור הגדול יותר עבור מוט המשורשר 4 מ"מ המסתובב המנוע ללא מברשת. לאחר שכל הרכיבים מולחמים בהתאם לסכימה, ניתן לשים את המארז המלא על מתאם ההברגה המודפס בשלב 3. אנא ודא כי כל החוטים הפתוחים מבודדים כראוי באמצעות צינורות כיווץ חום. לידיעתך, תפקודו הנכון של חיישן האולם של שלבים אלה תלוי במגנט המוצב במחזיק המגנט המתואר בשלב 3.

ההוכחה המצורפת לקוד הרעיון 3D_POV_POC.ino תבהיר כמה נוריות באדום. הסקיצה מביאה לריבוע המוצג ברגע שהגליל מתחיל להסתובב. אך לפני שהסיבוב מתחיל, הנורות הנדרשות לדמות ריבוע מופעלות כברירת מחדל. זה מועיל לבדוק את תפקודם הנכון של הנוריות בשלב הבא.

שלב 5: גליל מסתובב עם רצועות לד

המצורף Rotor_Cylinder_Files.zip מכיל את קבצי dxf לחיתוך גיליון אקרילי בעובי 2 מ מ. 14 הדיסקים המתקבלים נחוצים לבניית הגליל השקוף לפרויקט POV זה. הדיסקים צריכים להיערם זה על זה. עיצוב הדיסקים הגליליים מאפשרים הלחמה של 12 רצועות לד יחד כמו רצועת לד אחת ארוכה. החל מדיסק אחד יש לחבר לרצועת לד קטנה המכילה 6 נוריות באמצעות דיסק מדבקות ברצועת הלדים. הלחם את החוטים ברצועת הלד תחילה לפני הצמדת רצועות הלד לדיסק בעזרת מדבקות הדבקה. אחרת אתה מסתכן שאקדח ההלחמה ימס את הדיסק האקרילי.

לאחר שדיסק 13 נערם על הגליל השקוף, כעת ניתן לחתוך את מוט הפלדה בגודל 2 מ"מ המשמש לשמירה על כל השכבות במיקומים הנכונים לאורך המתאים לחלקו העליון של הדיסק מס '13 של הגליל. לאחר מכן ניתן להשתמש בדיסק מס '14 כדי לשמור על מוטות הפלדה 2 מ"מ במקומם בעזרת שני אגוזים M4.

מכיוון שכמות הזמן הנדרשת לבניית המכשיר כולו, עדיין לא הצלחתי לתכנת תצוגות תלת מימד מעניינות ויזואלית בטווח הזמן של האקתון. זו גם הסיבה לכך שהקוד המסופק לשליטה על הנורות עדיין בסיסי מאוד להוכחת הרעיון, ומראה רק ריבוע אדום 3 ממדי לעת עתה.

שלב 6: לקחים

נוער 3.6

• הזמנתי Teensy 3.5 לפרויקט הזה, אך הספק שלח לי בטעות Teensy 3.6. מכיוון שהייתי להוט לסיים את הפרויקט בטווח הזמן של האקתון החלטתי להתקדם עם ה- Teensy 3.6. הסיבה שרציתי להשתמש ב- Teensy 3.5 הייתה בגלל היציאות, הן עמידות 5V. זה לא המקרה של ה- Teensy 3.6. זו גם הסיבה שהייתי צריך להציג ממיר לוגי דו-כיווני להתקנה. עם Teensy 3.5 זה לא היה נדרש.
• בעיה בהגברת החשמל: בעת הפעלת המכשיר יש עליית מתח באמצעות מודול הטעינה האלחוטי dc-dc להנעת ה- Teensy 3.6. לרוע המזל העלייה איטית מדי מכדי שהטנסי 3.6 יתחיל כראוי. כפתרון, כרגע עלי להפעיל את ה- Teensy 3.6 באמצעות חיבור המיקרו USB ולאחר מכן לחבר את ספק הכוח 12V המזין את משדר ה- DC האלחוטי. ברגע שמקלט ה- dc-dc האלחוטי מספק גם את החשמל ל- Teensy אני יכול לנתק את כבל ה- USB. אנשים שיתפו את הפריצה שלהם עם MIC803 לבעיית עליית הכוח האיטית כאן:

מודול מסך LCD

התנהגות לא יציבה על כוח חיצוני. המסך פועל כהלכה כאשר הוא מופעל באמצעות USB. אך כשאני מפעיל את מסך ה- LCD באמצעות לוח הלחם באמצעות ה- 5V שסופק על ידי ה- BEC או ספק כוח עצמאי, הטקסט מתחיל להסתבך כעבור מספר שניות לאחר שהטקסט אמור להשתנות. אני עדיין צריך לבדוק מה גורם לבעיה זו

מֵכָנִי

על מנת לבדוק את יחידת בקר המנוע שלי כדי למדוד את מהירות הסל"ד בפועל, נתתי למנוע להסתובב כשהבורג על המתאם, הבורג ומארז הבסיס מחוברים למנוע. במהלך אחת הבדיקות הראשוניות פועלים הברגים המחברים את מחזיק המנוע למנוע מתברגים בגלל הרטט. למזלי שמתי לב לבעיה זו בזמן כך שאסון אפשרי נמנע. פתרתי את הבעיה הזו על ידי הברגתי את הברגים מעט חזק יותר במנוע וגם השתמשתי בכמה טיפות לוקייט כדי לאבטח את הברגים עוד יותר

תוֹכנָה

בעת ייצוא סקיצות Fusion 360 כקובצי dxf עבור חותך הלייזר, קווי ייעוץ מיוצאים כקווים רגילים

שלב 7: שיפורים אפשריים

מה הייתי עושה אחרת בהתבסס על הניסיון שצברתי עם הפרויקט הזה:

• שימוש בפס לד המכיל לפחות 7 נוריות במקום 6 נוריות לשכבה עבור כמה ויזואליזציות טקסטואליות נחמדות יותר
• קנה מנוע אחר ללא מברשת שבו הפיר כבר בולט בצד הנכון (התחתון) של המנוע. (למשל: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) זה יחסוך לך את הצרות של או לחתוך את הפיר או לדחוף את הפיר לצד הנכון כמו אני היה צריך לעשות עכשיו.
• השקיע יותר זמן באיזון המכשיר כדי למזער את הרטט, מכני או דגם אותו ב- Fusion 360.

חשבתי גם על כמה שיפורים אפשריים, שאוכל לבדוק אם הזמן מאפשר זאת:

• שימוש בפועל בפונקציונליות של כרטיס ה- SD ב- Teensy ליצירת אנימציות ארוכות יותר
• הגדל את צפיפות ההדמיה על ידי שימוש בעדשות קטנות יותר (APA102 (C) 2020). כשהתחלתי את הפרויקט הזה לפני מספר שבועות, רצועות לד שהכילו את הנורות הקטנות האלה (2x2 מ"מ) לא היו זמינות בשוק. אפשר לרכוש אותם כרכיבי SMD נפרדים, אבל אני אשקול אפשרות זו רק אם אתה מוכן להלחם רכיבים אלה על לוח PCB מותאם אישית.
• העבר תמונות תלת מימד באופן אלחוטי למכשיר (Wifi או Bluetooth). זה אמור גם לאפשר לתכנת את המכשיר לדמיית צליל/מוזיקה.
• המר אנימציות של בלנדר לפורמט קובץ שניתן להשתמש בו עם המכשיר
• הניחו את כל רצועות הלד על צלחת הבסיס ומיקדו את האור לשכבות האקריל. על כל שכבה שונה ניתן לחרוט אזורים קטנים כדי לשקף את האור כאשר הם מושמטים מהאורות. האור צריך להיות ממוקד לאזורים החקוקים. זה צריך להיות אפשרי על ידי יצירת מנהרה המנחה את האור או באמצעות עדשות על העדים כדי למקד את האור.
• שיפור יציבות התצוגה הוולומטרית התלת -ממדית וויסות מהירות הסיבוב על ידי הפרדת הבסיס המסתובב מהמנוע ללא מברשת באמצעות הילוכים וחגורת תזמון.

שלב 8: צעק החוצה

ברצוני להודות לאנשים הבאים:

• אשתי ובנותי הפנטסטיות, על התמיכה וההבנה.
• טון ורקק, שהזמין אותי להאקתון
• נבי קמביז, נורידין כדורי ואיידן וויבר, על התמיכה, העזרה וההכוונה שלך לאורך כל ההאקתון.
• Luuk Meints, אמן ומשתתף אחר בהאקתון הזה שהיה כל כך אדיב לתת לי קורס מהירות היכרות אישי של שעה אחת ל- Fusion 360 שאפשר לי לדגמן את כל החלקים הדרושים לי לפרויקט זה.