Photonics Challenger: POV Volumetrik 3D Transparan (PHABLABS): 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Beberapa minggu yang lalu saya menerima undangan menit terakhir untuk berpartisipasi dalam PhabLabs Hackathon di Science Center Delft di Belanda. Untuk penghobi yang antusias seperti saya, yang biasanya hanya dapat menghabiskan waktu terbatas untuk mengutak-atik, saya melihat ini sebagai peluang bagus untuk menjadwalkan waktu khusus untuk mengubah salah satu dari banyak ide saya, dalam lingkup Hackathon: Photonics, menjadi sebuah proyek yang sebenarnya. Dan dengan fasilitas hebat di Makerspace di Science Center Delft, tidak mungkin menolak undangan ini.

Salah satu ide yang sudah saya miliki untuk beberapa waktu terkait dengan fotonik adalah bahwa saya ingin melakukan sesuatu dengan Persistence of Vision (POV). Sudah ada banyak contoh yang tersedia secara online tentang cara membuat tampilan POV dasar menggunakan beberapa komponen dasar: mikrokontroler, kipas lama/hard disk/motor dan satu string led yang terhubung tegak lurus dengan sumbu perangkat yang berputar. Dengan pengaturan yang relatif sederhana, Anda sudah dapat membuat gambar 2 dimensi yang mengesankan, misalnya:

Variasi lain dari tampilan POV menghubungkan serangkaian led yang sejajar dengan sumbu perangkat yang berputar. Ini akan menghasilkan tampilan POV silinder 3 dimensi, mis.:

Alih-alih menghubungkan string led sejajar dengan sumbu perangkat yang berputar, Anda juga dapat membuat busur string led. Ini akan menghasilkan tampilan POV berbentuk bola (globe), misalnya: https://www.instructables.com/id/POV-Globe-24bit-… Level selanjutnya adalah membangun beberapa lapisan string led untuk membuat tampilan 3D volumetrik. Berikut adalah beberapa contoh tampilan POV 3D volumetrik yang saya gunakan sebagai inspirasi untuk proyek 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…

Karena pembuat contoh di atas memberikan informasi yang sangat berguna, sangat masuk akal untuk membuat remix bagian dari proyek mereka. Tetapi karena Hackathon seharusnya menantang, saya juga memutuskan untuk membuat jenis tampilan POV 3D volumetrik yang berbeda. Beberapa dari mereka menggunakan rotor dan banyak lem panas agar komponen tidak beterbangan. Yang lain membuat PCB khusus untuk proyek mereka. Setelah meninjau beberapa proyek POV 3D lainnya, saya melihat ruang untuk beberapa "inovasi" atau memperkenalkan beberapa tantangan untuk diri saya sendiri:

• Tanpa pengalaman sebelumnya dalam membuat PCB yang disesuaikan dan karena batasan waktu Hackathon, saya memilih untuk mengikuti pendekatan prototipe yang lebih mendasar. Namun, alih-alih membuat rotor yang sebenarnya, saya penasaran bagaimana tampilan 3D POV volumetrik seperti itu jika menggunakan silinder yang terbuat dari lapisan plastik akrilik.
• Tidak ada gunanya atau penggunaan minimum lem panas untuk membuat perangkat tidak terlalu berbahaya

Langkah 1: Bahan dan Alat yang Digunakan

Untuk Pengendali Motor

• Arduino Pro Mikro 5V/16Mhz
• Papan tempat memotong roti kecil
• 3144 Sensor Saklar Efek Hall
• Magnet dengan Diameter: 1cm, Tinggi: 3mm
• Sakelar Beralih - MTS-102
• Potensiometer 10K
• Kabel Jumper Dupont
• 16 x M5 Kacang
• Modul tampilan LCD dengan lampu latar biru (HD44780 16×2 Karakter)
• Resistor 10K - Resistor Tarik untuk Sensor Efek Hall
• Resistor 220Ohm - Untuk mengontrol kontras Layar LCD
• Diameter Batang Berulir: 5mm
• Kayu lapis, Tebal: 3mm

Untuk Basis Platform

• Potongan Kayu Scrap (250 x 180 x 18 mm)
• Berarti Sumur - 12V 4.2A - Beralih Catu Daya LRS-50-12
• Kabel Steker Listrik 220V
• Konverter Nirkabel DC-DC - 5V 2A (Pemancar)
• Turnigy D2836/8 1100KV Brushless Outrunner Motor
• Turnigy Plush 30amp Pengontrol Kecepatan W/BEC
• Konektor Blok Terminal
• 12 x M6 Nuts untuk mengamankan platform menggunakan batang berulir dengan diameter 6mm.
• 3 x M2 Baut (panjang 18mm) untuk mengencangkan adaptor baut ke motor tanpa sikat
• 4 x M3 Mur dan Baut untuk mengamankan motor tanpa sikat ke potongan kayu bekas
• Diameter Batang Berulir: 6mm (4 x panjang 70 mm)
• Diameter Batang Berulir: 4mm (1 x panjang 80 mm)
• Kayu lapis, Tebal: 3mm

Untuk Casing Berputar

• Konverter Nirkabel DC-DC - 5V 2A (Penerima)
• Adaptor Baut Pada Cetakan 3D (Filamen PLA, Putih)
• Kecil 3.6
• IC 74AHCT125 Konverter/Shifter Tingkat Logika Quad (3V hingga 5V)
• Resistor 10K - Resistor Tarik untuk Sensor Efek Hall
• Kapasitor 1000uF 16V
• Diameter Batang Berulir 4mm
• Magnet dengan Diameter: 1cm, Tinggi: 3mm
• Kayu lapis, Tebal: 3mm
• Kayu lapis, Tebal: 2mm
• Lembaran Akrilik, Tebal: 2mm
• Diameter Batang Baja: 2mm
• Mur & Baut
• 0.5 meter ledstrip APA102C 144 led/meter

Alat yang digunakan

• Merlin Laser Cutter M1300 - Pemotongan Laser Kayu Lapis dan Lembaran Akrilik
• Ultimaker 2+ untuk 3D Mencetak Adaptor Bolt On
• Stasiun Solder dan Solder
• Bor Meja
• Obeng
• tang
• Palu
• kaliper
• Gergaji besi
• kunci pas
• Tabung Panas Menyusut

Perangkat Lunak yang Digunakan

• Fusi 360
• Ultimaker Cura
• Arduino IDE dan Teensyduino (mengandung Teensy Loader)

Langkah 2: Unit Pengendali Motor untuk Mengatur Kecepatan Rotasi

Motor Controller Unit mengirimkan sinyal ke Turnigy Electronic Speed Controller (ESC) yang akan mengontrol jumlah putaran yang diberikan oleh motor brushless.

Selain itu saya juga ingin dapat menampilkan rotasi aktual per menit dari silinder POV. Itu sebabnya saya memutuskan untuk menyertakan sensor efek hall dan Layar LCD 16x2 ke Unit Pengendali Motor.

Dalam file zip terlampir (MotorControl_Board.zip) Anda akan menemukan tiga file dxf yang memungkinkan Anda memotong laser satu pelat dasar dan dua pelat atas untuk unit pengontrol motor. Silakan gunakan kayu lapis dengan ketebalan 3mm. Kedua pelat atas dapat ditempatkan di atas satu sama lain yang memungkinkan Anda memasang Layar LCD 16x2.

Dua lubang di pelat atas dimaksudkan untuk satu sakelar sakelar hidup / mati dan satu potensiometer untuk mengontrol kecepatan motor tanpa sikat (saya sendiri belum menghubungkan sakelar sakelar hidup / mati). Untuk membangun Unit Pengendali Motor Anda perlu melihat batang berulir dengan diameter 5mm menjadi 4 bagian dengan ketinggian yang diinginkan. Dengan menggunakan mur 8 M5, Anda dapat mengencangkan alasnya terlebih dahulu. Kemudian saya menempelkan papan tempat memotong roti kecil ke pelat dasar menggunakan stiker perekat dua sisi yang disediakan dengan papan tempat memotong roti. Skema terlampir menunjukkan bagaimana Anda harus menghubungkan komponen sehingga dapat bekerja dengan kode sumber (MotorControl.ino) yang dilampirkan pada langkah ini. Saya telah menggunakan resistor pull up 10K untuk sensor hall. Sebuah resistor 220 Ohm bekerja cukup baik untuk membuat teks terlihat di layar LCD.

Pastikan Anda mengisolasi pin sensor efek hall menggunakan tabung panas menyusut, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Fungsi sensor hall yang benar akan bergantung pada magnet yang akan ditempatkan di kotak berputar pada langkah 3.

Setelah pengkabelan selesai, Anda dapat mengamankan 2 pelat atas dengan Layar LCD, Sakelar, dan Potensiometer menggunakan lagi 8 mur M5 seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Tergantung pada model motor yang digunakan, Anda mungkin perlu menyesuaikan baris kode berikut di file MotorControl.ino:

throttle = peta(NilaiPot rata-rata, 0, 1020, 710, 900);

Baris kode ini (baris 176) memetakan posisi potensiometer 10K ke sinyal untuk ESC. ESC menerima nilai antara 700 dan 2000. Dan karena motor yang saya gunakan untuk proyek ini mulai berputar sekitar 823, saya membatasi RPM motor dengan membatasi nilai maksimal menjadi 900.

Langkah 3: Membangun Platform untuk Tenaga Transmisi Nirkabel

Saat ini pada dasarnya ada dua cara untuk memberi daya pada perangkat yang perlu diputar: slip ring atau mentransmisikan daya secara nirkabel melalui kumparan induksi. Karena slip ring berkualitas tinggi yang dapat mendukung RPM tinggi cenderung sangat mahal dan lebih rentan terhadap keausan, saya memilih opsi nirkabel menggunakan konverter DC-DC Nirkabel 5V. Menurut spesifikasinya, mungkin untuk mentransfer hingga 2 Amps menggunakan konverter semacam itu.

Konverter DC-DC Nirkabel terdiri dari dua komponen, yaitu pemancar dan penerima. Perlu diketahui bahwa PCB yang terhubung ke koil induksi transmisi lebih kecil dari yang menerima.

Platform itu sendiri dibangun menggunakan sepotong kayu bekas (250 x 180 x 18 mm).

Pada platform saya memasang Catu Daya 12V Mean Well. Output 12V terhubung ke ESC (lihat skema pada Langkah 1) dan PCB bagian transmisi Konverter DC-DC Nirkabel.

Di Platform_Files.zip terlampir Anda menemukan file dxf untuk memotong platform dari kayu lapis dengan ketebalan 3mm:

• Platform_001.dxf dan Platform_002.dxf: Anda harus menempatkannya satu sama lain. Ini akan menciptakan area tersembunyi untuk koil induksi transmisi.
• Magnet_Holder.dxf: Lasercut desain ini tiga kali. Salah satu dari tiga kali, termasuk lingkaran. Dalam dua pemotongan laser lainnya: lepaskan lingkaran agar tidak dipotong. Setelah dipotong, rekatkan ketiga bagian tersebut untuk membuat dudukan magnet (diameter 10mm, tebal: 3mm). Saya menggunakan lem super untuk merekatkan magnet di tempat magnet. Pastikan Anda merekatkan sisi Magnet yang benar ke dudukannya karena sensor hall hanya akan bekerja dengan satu sisi magnet.
• Platform_Sensor_Cover.dxf: Bagian ini akan membantu Anda untuk menjaga sensor hall terpasang ke Unit Kontrol Motor di tempatnya seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama.
• Platform_Drill_Template.dxf: Saya menggunakan potongan ini sebagai template untuk mengebor lubang di potongan kayu bekas. Empat lubang 6 mm yang lebih besar adalah untuk batang berulir pendukung dengan diameter 6 mm untuk menopang platform. 4 lubang yang lebih kecil untuk mengamankan motor brushless ke potongan kayu bekas. Lubang terbesar di tengah diperlukan untuk sumbu yang mencuat dari motor brushless. Karena baut untuk motor dan batang berulir untuk platform perlu diamankan di bagian bawah platform, lubang tersebut perlu diperbesar beberapa mm untuk memungkinkan mur masuk.

Sayangnya poros motor brushless mencuat dari sisi yang 'salah' untuk proyek ini. Tetapi saya dapat membalikkan poros dengan bantuan instruksi berikut yang saya temukan di Youtube:

Setelah motor dan batang pendukung diamankan, platform dapat dibangun menggunakan potongan platform lasercut. Platform itu sendiri dapat diamankan menggunakan 8 mur M6. Pemegang Magnet dapat direkatkan ke platform di perbatasan seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama.

File terlampir "Bolt-On Adapter.stl" dapat dicetak menggunakan printer 3D. Adaptor ini diperlukan untuk memasang batang berulir dengan diameter 4mm ke Motor Brushless menggunakan baut 3 x M2 dengan panjang 18mm.

Langkah 4: Memutar Casing

Base_Case_Files.zip yang dilampirkan berisi file dxf untuk memotong 6 lapisan dengan laser guna membuat casing untuk komponen yang mengontrol strip led APA102C.

Lapisan 1-3 dari desain Case dimaksudkan untuk direkatkan. Tapi harap pastikan bahwa magnet (diameter 10mm, tinggi: 3mm) dimasukkan ke dalam guntingan melingkar di Lapisan 2 sebelum merekatkan ketiga lapisan menjadi satu. Juga pastikan bahwa magnet direkatkan dengan kutub yang benar ke bawah, karena sensor efek hall yang ditempatkan pada platform yang dibangun pada Langkah 3 hanya akan merespons satu sisi magnet.

Desain kasing berisi kompartemen untuk komponen yang tercantum dalam skema pengkabelan terlampir. IC 74AHCT125 diperlukan untuk mengubah sinyal 3.3V dari Teensy ke sinyal 5V yang diperlukan untuk strip led APA102. Lapisan 4 dan 5 juga bisa direkatkan. Lapisan atas 6 dapat ditumpuk di atas lapisan lainnya. Semua lapisan akan tetap pada posisi yang benar dengan bantuan 3 batang baja dengan diameter 2mm. Ada tiga lubang kecil untuk batang baja 2mm yang mengelilingi lubang yang lebih besar untuk batang ulir 4mm berputar yang terpasang pada motor tanpa sikat. Setelah semua komponen disolder sesuai skema, casing lengkap dapat dipasang pada adaptor baut yang dicetak pada Langkah 3. Pastikan bahwa semua kabel yang terbuka diisolasi dengan benar menggunakan tabung heat shrink. Perlu diketahui bahwa fungsi sensor hall yang benar dari langkah-langkah ini tergantung pada magnet yang ditempatkan di dudukan magnet yang dijelaskan pada langkah 3.

Bukti terlampir dari kode konsep 3D_POV_POC.ino akan menerangi beberapa led berwarna merah. Hasil sketsa di kotak yang ditampilkan setelah silinder mulai berputar. Tetapi sebelum putaran dimulai, led yang diperlukan untuk mensimulasikan persegi dihidupkan secara default. Ini berguna untuk menguji fungsi led yang benar pada langkah berikutnya.

Langkah 5: Memutar Silinder Dengan Strip Led

Rotor_Cylinder_Files.zip terlampir berisi file dxf untuk memotong Lembaran Akrilik setebal 2mm. 14 disc yang dihasilkan diperlukan untuk membuat silinder transparan untuk proyek POV ini. Disk harus ditumpuk satu sama lain. Desain cakram silinder memungkinkan 12 strip led untuk disolder bersama sebagai satu strip led panjang. Mulai dari disc satu led strip kecil berisi 6 led perlu dipasang pada disc menggunakan stiker perekat pada led strip. Solder kabel ke strip led terlebih dahulu sebelum menempelkan strip led ke disk menggunakan stiker perekat. Jika tidak, Anda berisiko bahwa pistol solder akan melelehkan cakram akrilik.

Setelah cakram #13 ditumpuk di atas silinder transparan, batang baja 2mm yang digunakan untuk menjaga semua lapisan pada posisi yang benar sekarang juga dapat dipotong dengan panjang yang tepat, sejajar dengan bagian atas cakram #13 silinder. Disk #14 kemudian dapat digunakan untuk menahan batang baja 2mm pada tempatnya dengan bantuan dua mur M4.

Karena jumlah waktu yang diperlukan untuk membangun seluruh perangkat, saya belum dapat memprogram tampilan 3D yang menarik secara visual lebih stabil dalam jangka waktu hackathon. Itu juga alasan mengapa kode yang diberikan untuk mengendalikan led masih sangat mendasar untuk membuktikan konsepnya, hanya menampilkan kotak merah 3 dimensi untuk saat ini.

Langkah 6: Pelajaran yang Dipetik

Kecil 3.6

• Saya memesan Teensy 3.5 untuk proyek ini, tetapi pemasok mengirimi saya Teensy 3.6 karena kesalahan. Karena saya sangat ingin menyelesaikan proyek dalam jangka waktu hackathon, saya memutuskan untuk melanjutkan dengan Teensy 3.6. Alasan mengapa saya ingin menggunakan Teensy 3.5 adalah karena portnya toleran 5V. Ini tidak terjadi dengan Teensy 3.6. Itu juga alasan mengapa saya harus memperkenalkan konverter logika dua arah ke pengaturan. Dengan Teensy 3.5 ini tidak diperlukan.
• Masalah Power Ramp Up: Saat menyalakan perangkat, ada power ramp up melalui modul pengisian dc-dc nirkabel untuk memberi daya pada Teensy 3.6. Sayangnya ramp up terlalu lambat untuk Teensy 3.6 untuk memulai dengan benar. Sebagai solusi saat ini saya harus menyalakan Teensy 3.6 melalui koneksi micro USB dan kemudian mencolokkan Power Supply 12V yang memberi makan pemancar dc-dc nirkabel. Setelah penerima dc-dc nirkabel juga memasok daya ke Teensy, saya dapat mencabut kabel USB. Orang-orang telah membagikan peretasan mereka dengan MIC803 untuk masalah peningkatan daya yang lambat di sini:

Modul Layar LCD

Perilaku tidak menentu pada kekuatan eksternal. Layar berfungsi dengan benar saat diberi daya melalui USB. Tetapi ketika saya menyalakan layar LCD melalui papan tempat memotong roti menggunakan 5V yang disediakan oleh BEC atau Catu Daya independen, teks mulai diacak setelah beberapa detik setelah teks seharusnya berubah. Saya masih perlu menyelidiki apa yang menyebabkan masalah ini

Mekanis

Untuk menguji unit pengontrol motor saya untuk mengukur RPM yang sebenarnya, saya membiarkan motor berputar dengan baut pada adaptor, baut dan kasing terpasang ke motor. Selama salah satu pengujian awal berjalan, sekrup yang menghubungkan dudukan motor ke motor terlepas sendiri karena adanya getaran. Untungnya saya memperhatikan masalah ini tepat waktu sehingga potensi bencana dapat dihindari. Saya memecahkan masalah ini dengan mengencangkan sekrup sedikit lebih kencang ke motor dan juga menggunakan beberapa tetes Loctite untuk lebih mengencangkan sekrup

Perangkat lunak

Saat Anda mengekspor sketsa Fusion 360 sebagai file dxf untuk pemotong laser, garis pendukung diekspor sebagai garis biasa

Langkah 7: Potensi Peningkatan

Apa yang akan saya lakukan secara berbeda berdasarkan pengalaman yang saya peroleh dengan proyek ini:

• Menggunakan strip led yang berisi setidaknya 7 led alih-alih 6 led per lapisan untuk beberapa visualisasi tekstual yang lebih bagus
• Beli motor brushless yang berbeda di mana porosnya sudah mencuat di sisi yang benar (bawah) motor. (Misalnya: https://hobbyking.com/de_de/ntm-prop-drive-28-36-1000kv-400w.html) Ini akan menyelamatkan Anda dari kesulitan memotong poros atau mendorong poros ke sisi yang benar seperti saya harus lakukan sekarang.
• Menghabiskan lebih banyak waktu untuk menyeimbangkan perangkat untuk meminimalkan getaran, baik mekanis atau model di Fusion 360.

Saya juga telah memikirkan beberapa peningkatan potensial, yang mungkin akan saya pertimbangkan jika waktu memungkinkan:

• Sebenarnya memanfaatkan fungsi kartu SD di Teensy untuk membuat animasi yang lebih panjang
• Tingkatkan kepadatan pencitraan dengan menggunakan led yang lebih kecil (APA102(C) 2020). Ketika saya memulai proyek ini beberapa minggu yang lalu, strip led yang berisi led kecil ini (2x2 mm) tidak tersedia di pasaran. Dimungkinkan untuk membelinya sebagai komponen SMD terpisah, tetapi saya hanya akan mempertimbangkan opsi ini jika Anda ingin menyolder komponen ini pada PCB khusus.
• Transfer gambar 3D secara nirkabel ke perangkat (Wifi atau Bluetooth). Ini juga harus memungkinkan untuk memprogram perangkat untuk memvisualisasikan suara/musik.
• Konversikan animasi Blender ke format file yang dapat digunakan dengan perangkat
• Letakkan semua strip led di pelat dasar dan fokuskan cahaya ke lapisan akrilik. Pada setiap lapisan yang berbeda, area kecil dapat diukir untuk memantulkan cahaya saat dihilangkan dari led. Cahaya harus difokuskan ke area terukir. Ini harus dimungkinkan dengan membuat terowongan yang memandu cahaya atau menggunakan lensa pada led untuk memfokuskan cahaya.
• Meningkatkan stabilitas tampilan Volumetrik 3D dan pengaturan kecepatan putaran dengan memisahkan alas putar dari motor tanpa sikat dengan menggunakan roda gigi dan timing belt.

Langkah 8: Berteriak

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

• Istri dan anak perempuan saya yang luar biasa, atas dukungan dan pengertiannya.
• Teun Verkerk, karena mengundang saya ke Hackathon
• Nabi Kambiz, Nuriddin Kadouri dan Aidan Wyber, atas dukungan, bantuan, dan bimbingan Anda selama Hackaton
• Luuk Meints, seorang seniman dan sesama peserta Hackaton ini yang begitu baik memberi saya kursus kecepatan pengenalan pribadi selama 1 jam ke Fusion 360 yang memungkinkan saya untuk membuat model semua bagian yang saya butuhkan untuk proyek ini.