Đồng hồ từ được điều khiển bởi 114 Servos: 14 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Các dự án Fusion 360 »

Cái gì có 114 đèn LED và luôn chạy? Như bạn có thể biết câu trả lời là đồng hồ từ. Cái gì có 114 đèn LED + 114 servos và luôn chuyển động? Câu trả lời là đồng hồ từ điều khiển servo này.

Đối với dự án này, tôi đã hợp tác với một người bạn của tôi, điều này hóa ra là phải vì nỗ lực lớn của việc xây dựng này. Ngoài ra, kỹ năng điện tử của tôi và kỹ năng cơ khí của anh ấy bổ sung cho nhau khá tốt. Ý tưởng về sự chuyển thể từ đồng hồ chữ phổ biến này đến với chúng tôi khi chúng tôi đang làm một chiếc đồng hồ thông thường làm quà tặng Giáng sinh. Ở đó, chúng tôi nhận thấy rằng cũng có thể chiếu các chữ cái từ phía sau lên một tờ giấy trắng. Vào thời điểm đó, đây chỉ là một giải pháp thay thế để che giấu sự khéo léo của chúng tôi vì chúng tôi đã kết thúc với một đống bong bóng trong khi gắn một miếng dán vinyl với các chữ cái vào mặt sau của một tấm thủy tinh. Sau đó, chúng tôi nhận thấy rằng người ta có thể đạt được những hiệu ứng thú vị khi uốn tờ giấy vì các chữ cái thay đổi kích thước và bị mờ. Điều này khiến chúng tôi nảy ra ý tưởng làm một chiếc đồng hồ chữ nơi các chữ cái được chiếu từ phía sau lên màn hình và có thể di chuyển qua lại để thay đổi kích thước của hình ảnh được chiếu. Lúc đầu, chúng tôi hơi lưỡng lự khi xây dựng dự án này vì chi phí và công sức phải bỏ ra khi bạn muốn di chuyển từng chữ cái trong số 114 chữ cái riêng lẻ. Vì vậy, chúng tôi nảy ra ý tưởng tạo ra một phiên bản mà chỉ cần mỗi từ được sử dụng để hiển thị thời gian đều có thể được di chuyển qua lại. Tuy nhiên, sau khi thấy rằng cuộc thi Epilog sắp diễn ra trên Người hướng dẫn yêu cầu các dự án hoành tráng và cũng như sau khi tìm thấy động cơ servo tương đối rẻ, chúng tôi quyết định thực hiện tất cả các cách và tạo ra một phiên bản phù hợp trong đó mỗi chữ cái được điều khiển riêng bởi một servo.

CHÚ Ý: Đây không phải là bản dựng trong một ngày!

Để cung cấp cho bạn một ý tưởng về nỗ lực đã tham gia vào dự án này, hãy xem xét các con số sau đây. Đồng hồ thành phẩm chứa

• 798 mô hình in 3D riêng lẻ (tổng thời gian in ~ 200 giờ)
• ~ 600 vít + ~ 250 đai ốc và vòng đệm
• ~ 500 dây (tổng chiều dài ~ 50 m). Không tính các dây đã được gắn vào servos.

Bước 1: Thiết kế

Đồng hồ được thiết kế với Autodesk Fusion 360 và Inventor. Như bạn có thể thấy đồng hồ bao gồm 114 hộp chữ cái được di chuyển bằng các bộ truyền động tuyến tính được điều khiển lần lượt bởi các động cơ servo. Mỗi hộp thư chứa một đèn LED chiếu chữ cái lên mặt sau của màn hình làm bằng lá PVC trắng. Tất cả các thành phần được đặt trong một khung gỗ.

Bước 2: Thu thập vật liệu

Linh kiện điện tử

Động cơ servo nhỏ 114x SG90 (ebay.de)

Mặc dù các Servos đã được dán nhãn với tên của thương hiệu phổ biến "Tower Pro", chúng chắc chắn là hàng nhái rẻ hơn. Tuy nhiên, vì giá của bản nhái là khoảng 1 EUR so với 3 EUR của bản gốc, điều này làm cho toàn bộ dự án có giá cả phải chăng hơn. Rõ ràng, hàng nhái cũng tạo ra ít dòng điện hơn (tất nhiên điều này cũng có nghĩa là ít mô-men xoắn hơn), giúp dễ dàng tìm được nguồn cung cấp điện phù hợp cho toàn bộ dự án.

• Dải đèn LED 5 m WS2812B, 60 đèn LED / m (ebay.de)
• Trình điều khiển servo 8x 16 Ch PWM PCA9685 (ebay.de)
• Mô-đun DS3231 RTC (ebay.de)
• Arduino nano (ebay.de)
• Bộ thu hồng ngoại VS1838B + điều khiển từ xa (ebay.de)
• Nguồn điện 5 V, 10 A (ebay.de)
• Cáp mở rộng servo 20x 15 cm (ebay.de)
• cáp ổ cắm DC sang dây trần (conrad.de)
• Điện trở 300-500 Ohm
• Tụ điện 1000 µF (> 5 V)

Vật liệu cho khung

• thanh gỗ

  • 2 chiếc 40 x 10 x 497 mm
  • 2 chiếc 12 x 12 x 461 mm
  • 2 chiếc 12 x 12 x 20 mm

• ghép kênh

  • 2 chiếc 12 x 77 x 481 mm
  • 2 chiếc 12 x 84 x 489 mm
• lá PVC trắng (700 x 1000 x 0,3 mm) (modulor.de)
• Tấm HDF 500 x 500 mm, dày 3mm

Vít, dây cáp, v.v

• Vít 228x M2, dài 8 mm + vòng đệm + đai ốc lục giác
• Vít tự khai thác 228x M2.2, dài 6,5 mm
• vít gỗ khác nhau
• 50 m, 0,22 mm2 (24 AWG) dây

Ngoài ra, dự án này yêu cầu một lượng lớn in và hàn 3D. Tấm lưng được sản xuất thông qua quá trình cắt laser. Khung được xây dựng bằng cưa vòng, ghép hình và khoan. Đối với mỗi dự án tốt, chúng tôi cũng sử dụng rất nhiều keo nóng, một số loại keo epoxy và nhựa.

Tổng chi phí cho dự án này lên đến khoảng 350 EUR.

Bước 3: Các thành phần in 3D

Hộp thư

Mỗi hộp thư bao gồm một tấm bìa in 3D hoạt động như mặt nạ bóng và một tấm đế để đèn LED sẽ được gắn trên đó. Tấm đế bao gồm bốn chân chốt để giúp căn chỉnh vào bộ truyền động và sáu lỗ để cấp liệu qua cáp LED. Tổng cộng điều này tạo ra 228 mô hình tất cả đều được in từ PLA đen (Formfutura EasyFill PLA) với chiều cao lớp 0,4 mm. Tổng thời gian in trên Anycubic Kossel Linear Plus của tôi là khoảng 23 giờ đối với bìa thư và 10 giờ đối với các tấm đế. Tất cả các tệp stl có thể được tìm thấy trong tệp zip đính kèm.

Bộ truyền động

Thiết kế bộ truyền động đã được Roger Rabbit điều chỉnh từ Bộ mở rộng Servo tuyến tính, rất hữu ích. Vì các bộ phận khớp chặt chẽ với nhau nên chúng sẽ được in trên một máy in 3D tốt. Chiều cao lớp nhỏ không quan trọng (0,2 mm cũng được) như đường kính vòi nhỏ (chúng tôi khuyên bạn nên dùng 0,4 mm). Các bộ phận phải được in theo hướng được hiển thị. Mỗi bộ truyền động bao gồm 5 bộ phận riêng lẻ, vì chúng tôi cần 114 bộ truyền động nên tổng cộng có 570 bộ phận (!). Để in chúng, chúng tôi đã sử dụng sức mạnh tổng hợp của một số máy in 3D chuyên nghiệp (Ultimaker S2 +, Ultimaker S5, Lulzbot TAZ6, Sindoh 3D Wox DP200). Tuy nhiên, chúng tôi có rất nhiều bản in không thành công trên các bộ phận và tôi đã gửi kèm một số hình ảnh để bạn giải trí. Tổng thời gian in khoảng 150 giờ (!). Một lần nữa, các tệp stl có thể được tìm thấy trong tệp zip đính kèm.

Bước 4: Xây dựng khung

Khung được kết cấu từ các thanh gỗ và ván ghép. Các bộ phận được cắt bằng cưa tròn và ghép hình, sau đó cố định với nhau bằng keo dán gỗ và vít gỗ. Nắp trên và dưới cũng được nhuộm màu để trông đẹp hơn. Mô tả chi tiết của các bộ phận bao gồm tất cả các kích thước có thể được tìm thấy trong các bản vẽ đính kèm.

Bước 5: Lắp ráp các hộp thư

Việc lắp ráp các hộp thư là rất nhiều công việc và mất rất nhiều thời gian, đặc biệt là việc hàn. Điều này là do mỗi bước bạn thực hiện phải được lặp lại 114 lần.

1. Cắt 114 mảnh riêng lẻ từ dải đèn LED
2. Thiếc tất cả các miếng đệm LED
3. Gắn mỗi đèn LED vào tấm nền in 3D của hộp thư. Đèn LED phải được đặt chính giữa. Chúng tôi cũng bảo đảm nó bằng keo nóng.
4. Tiếp theo, chúng tôi chuẩn bị 3x114 = 442 dây, tức là cắt theo chiều dài, tước các đầu và thiếc chúng. Chiều dài của mỗi dây là 10 cm, ngoại trừ các dây nối chữ cái cuối cùng với các dấu chấm phải dài hơn (~ 25 cm). Ngoài ra, các dây kết nối với chữ cái đầu tiên sẽ được kết nối với arduino và nguồn điện nên dài hơn.
5. Đèn LED dây dễ dàng sử dụng dây. Các dây được đưa qua các lỗ trên tấm nền in 3D của mỗi hộp thư.
6. Bìa trước của hộp thư đã được gắn bằng keo
7. Các bộ phận của giá đỡ tuyến tính cho bộ truyền động cần được dán lại với nhau
8. Giá tuyến tính được gắn vào mặt sau của hộp thư bằng keo

Bước 6: Lắp ráp các Bộ truyền động

Việc lắp ráp lại các bộ truyền động là một thủ tục rất tẻ nhạt và mất nhiều thời gian.

1. Gắn servo vào vỏ in 3D bằng các vít đi kèm
2. Bánh răng tròn được gắn vào servo bằng cách sử dụng chữ thập nhựa đi kèm nhưng trước tiên chữ thập này cần được cắt theo hình dạng và gắn vào bánh răng bằng cách sử dụng epoxy.
3. Gắn bánh răng vào servo bằng vít đi kèm
4. Trước khi lắp giá đỡ tuyến tính, mỗi servo được đưa về cùng một vị trí
5. Chèn giá tuyến tính với hộp thư
6. Chèn hai hạt lục giác M2 vào vỏ in 3D sẽ được sử dụng để gắn nó vào tấm nền sau này
7. Đóng vỏ bằng nắp in 3D bằng vít tự khai thác M2.2

Cuối cùng, chúng tôi đã kết thúc với một mớ hỗn độn lớn của các bộ truyền động xích diasy như thể hiện trong hình trên

Bước 7: Làm Backplate

Tấm mặt sau được cắt laser từ gỗ HDF dày 3 mm bằng máy cắt laser CO2 từ không gian sản xuất tại địa phương của chúng tôi. Lúc đầu, chúng tôi đã thử ván ép nhưng hóa ra nó quá mỏng để có thể chịu được trọng lượng của tất cả các thành phần. Sẽ tốt hơn nếu sử dụng nhôm trong trường hợp này nhưng tất nhiên nó đắt hơn và không thể cắt bằng laser CO2. Tệp dxf cho tấm nền được đính kèm.

Bước 8: Đính kèm các thành phần vào Backplate và Wiring

Lúc đầu, các bo mạch PCA9685 nên được gắn vào tấm nền sau bằng cách sử dụng các phụ kiện PCB. Sau đó, mô-đun Arduino nano và RTC có thể được đặt như trong hình trên. Đối với hai thứ sau, chúng tôi sử dụng các giá đỡ in 3D được gắn bằng keo nóng. Các thành phần đã được kết nối như thể hiện trong sơ đồ đấu dây. Lưu ý rằng tốt nhất nên cấp nguồn riêng cho từng PCA9685 qua khối thiết bị đầu cuối. Lúc đầu, chúng tôi cũng xâu chuỗi các đầu nối V + và GND và chỉ kết nối khối đầu cuối của bảng đầu tiên (như được đề xuất trên trang adafruit), tuy nhiên, trong trường hợp này, tất cả dòng điện đều đi qua bảng đầu tiên và chúng tôi đã đốt cháy MOSFET của mạch bảo vệ ngược. Ngoài ra còn có một bảng tính đính kèm hiển thị hệ thống cáp của servos. Cáp mở rộng cho các servo được sử dụng bất cứ khi nào cần thiết. Lưu ý rằng bạn phải gán các địa chỉ I2C khác nhau cho mỗi PCA9685 như được giải thích trên trang adafruit.

Các bộ truyền động sau đó được gắn vào tấm nền bằng vít 228x M2. Công việc lại rất đơn điệu nhưng sau khi hoàn thành thì chiếc đồng hồ đã bắt đầu thành hình. Chúng tôi cũng đã cố gắng sắp xếp các cáp servo tốt nhất có thể nhưng cuối cùng thì hệ thống cáp vẫn rất lộn xộn.

Nguồn được cung cấp bằng cách cấp cáp DC qua tấm ốp sau và kết nối nó với một khối đầu cuối.

Bước 9: Gắn Backplate vào khung

Sau khi tất cả các thành phần được gắn kết và các dây cáp được sắp xếp, chúng tôi gắn tấm nền vào khung bằng cách sử dụng vít 6x M4. Thật không may, chúng tôi để lại rất ít không gian cho tất cả các dây cáp vừa vặn nên chúng phải được ép lại một chút.

Bước 10: Hiệu chỉnh Servos

Vì chiều cao của tất cả các hộp thư hơi khác nhau sau khi lắp, chúng tôi đã sử dụng mã đính kèm để hiệu chỉnh tất cả các servos sao cho các hộp thư có cùng vị trí tối thiểu và tối đa. Đối với vị trí tối đa, chúng tôi đã cố gắng đặt hộp thư càng gần màn hình càng tốt. Sau đó, các vị trí tối thiểu / tối đa đã hiệu chỉnh cho mọi servo sau đó sẽ được nhập vào mã chính.

Bước 11: Tải lên mã

Kèm theo đó là mã chính của đồng hồ chữ. Có ba loại hiệu ứng để hiển thị thời gian.

1. Nhanh chóng di chuyển tất cả các chữ cái sang phía sau (cái khác) và chiếu sáng đèn LED với màu ngẫu nhiên bằng nhau. Sau đó nhanh chóng di chuyển các chữ cái hiển thị thời gian lên trước lần lượt và sáng từng chữ một màu ngẫu nhiên.
2. Di chuyển nhanh tất cả các chữ cái sang phía sau (cái khác) và chiếu sáng đèn LED với màu ngẫu nhiên bằng nhau. Từ từ di chuyển từng từ hiển thị thời gian lên phía trước (đồng thời tất cả các chữ cái) và làm mờ dần màu từ màu nền thành một giá trị ngẫu nhiên.
3. Nhanh chóng di chuyển tất cả các chữ cái đến một vị trí ngẫu nhiên (cái khác) và chiếu sáng đèn LED với màu ngẫu nhiên khác nhau. Sau đó, từ từ di chuyển tất cả các chữ cái về phía sau và làm mờ dần màu sắc. Tiếp tục với 1. hoặc 2.

Tôi cũng muốn thực hiện một hiệu ứng trong đó dấu chấm hiển thị phút hiện tại đang dần di chuyển về phía trước và mờ dần màu để nó ở vị trí phía trước với màu chính xác khi phút kết thúc. Thật không may, tôi chưa làm cho nó hoạt động vì nó dường như làm cho bộ thu IR không phản hồi.

Bước 12: Gắn màn hình

Lúc đầu, chúng tôi muốn sử dụng vải trắng làm màn hình. Vấn đề là sau khi gắn nó vào khung, vải bị cong xuống ở giữa và chúng tôi kết thúc với sự biến dạng pincushion. Sau đó, chúng tôi quyết định thay vào đó sử dụng một lá PVC mỏng màu trắng cho màn hình. Giấy bạc cũng được quảng cáo là làm bóng đèn nên có khả năng truyền tín hiệu hợp lý nhưng nó không nhìn xuyên qua được nên các hộp thư màu đen vẫn bị ẩn đi. Trong lần thử nghiệm đầu tiên, chúng tôi gắn giấy bạc bằng epoxy nhưng nó không dính quá tốt nên chúng tôi chuyển sang dùng keo nóng. Hãy cẩn thận mặc dù nếu keo quá nóng, nó thực sự có thể làm chảy giấy bạc. Lá thừa được loại bỏ bằng một con dao chính xác.

Bước 13: Gắn nắp trên và nắp dưới

Cuối cùng các tấm bìa gỗ đã nhuộm màu đã được gắn vào mặt trên và mặt dưới. Màu tối tạo ra sự tương phản tốt với màn hình trắng. Bộ thu IR được đưa qua lỗ trên tấm nền và được cố định vào nắp trên bằng keo nóng.

Bước 14: Hoàn thành Đồng hồ và Tóm tắt

Sau hai tháng làm việc khẩn trương, chiếc đồng hồ cuối cùng đã hoàn thành và hoạt động. Nhìn chung, chúng tôi rất hài lòng với kết quả. Di chuyển các chữ cái đằng sau màn hình được ghép nối với việc thay đổi màu sắc của đèn LED sẽ tạo ra những hiệu ứng trông rất bắt mắt. Cuối cùng, các chữ cái không thẳng hàng hoàn hảo và màn hình không phẳng 100% nhưng điều này gần như làm cho nó trông đẹp hơn. Chắc chắn có những thứ có thể được cải thiện nhưng tôi không nghĩ rằng sẽ có phiên bản 2.0 vì nỗ lực hoành tráng của việc xây dựng này, trừ khi lần tới chúng tôi thuê ngoài sản xuất cho Trung Quốc.

Nếu bạn thích bản dựng này và cố gắng cuộn xuống dưới cùng, vui lòng bỏ phiếu cho chúng tôi trong Cuộc thi Epilog.

Giải nhất Cuộc thi Epilog X