นาฬิกาคำควบคุมโดย 114 เซอร์โว: 14 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

โครงการฟิวชั่น 360 »

อะไรมี 114 LEDs และทำงานตลอดเวลา? อย่างที่คุณอาจทราบคำตอบคือนาฬิกาคำ อะไรมี 114 LEDs + 114 เซอร์โวและเคลื่อนที่ตลอดเวลา? คำตอบคือนาฬิกาคำที่ควบคุมโดยเซอร์โว

สำหรับโปรเจ็กต์นี้ ฉันได้ร่วมมือกับเพื่อนคนหนึ่งของฉัน ซึ่งกลายเป็นสิ่งที่จำเป็นเพราะความพยายามอย่างมากของงานสร้างนี้ นอกจากนี้ ชุดทักษะทางอิเล็กทรอนิกส์และกลไกของเขายังช่วยเสริมซึ่งกันและกันได้ค่อนข้างดี แนวคิดในการดัดแปลงนาฬิกาคำยอดนิยมนี้เกิดขึ้นในขณะที่เราทำนาฬิกาประจำเป็นของขวัญคริสต์มาส ที่นั่น เราสังเกตเห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่จะฉายตัวอักษรจากด้านหลังลงบนกระดาษสีขาว ในขณะนั้นเป็นเพียงวิธีแก้ปัญหาเพื่อซ่อนฝีมือเส็งเคร็งของเรา เนื่องจากเราลงเอยด้วยฟองสบู่ในขณะที่ติดสติกเกอร์ไวนิลพร้อมตัวอักษรที่ด้านหลังแผ่นกระจก จากนั้นเราสังเกตเห็นว่าเราสามารถบรรลุผลที่น่าสนใจได้เมื่อดัดแผ่นกระดาษเนื่องจากตัวอักษรเปลี่ยนขนาดและเบลอ ทำให้เราเกิดแนวคิดในการทำนาฬิกาคำโดยที่ตัวอักษรถูกฉายจากด้านหลังไปยังหน้าจอและสามารถเลื่อนไปมาเพื่อเปลี่ยนขนาดของภาพที่ฉายได้ ตอนแรกเราค่อนข้างลังเลที่จะสร้างโครงการนี้เนื่องจากค่าใช้จ่ายและความพยายามเมื่อคุณต้องการย้ายตัวอักษร 114 ตัวทีละตัว ดังนั้นเราจึงโยนความคิดที่จะสร้างเวอร์ชันที่ทุกคำที่ใช้แสดงเวลาสามารถเคลื่อนย้ายไปมาได้ อย่างไรก็ตาม หลังจากที่เห็นว่าการแข่งขัน Epilog เกิดขึ้นใน Instructables เพื่อขอโปรเจ็กต์ที่ยิ่งใหญ่ และหลังจากพบเซอร์โวมอเตอร์ที่มีราคาค่อนข้างถูกแล้ว เราก็ตัดสินใจที่จะทำทุกวิถีทางและสร้างเวอร์ชันที่เหมาะสมโดยที่แต่ละตัวอักษรจะถูกควบคุมโดยเซอร์โว

คำเตือน: นี่ไม่ใช่งานสร้างวันเดียว!

เพื่อให้คุณมีความคิดเกี่ยวกับความพยายามที่เกี่ยวข้องกับโครงการนี้ ให้พิจารณาตัวเลขต่อไปนี้ นาฬิกาที่เสร็จแล้วประกอบด้วย

• แบบจำลองที่พิมพ์ 3D จำนวน 798 ชิ้น (เวลาพิมพ์ทั้งหมด ~ 200 ชั่วโมง)
• ~600 สกรู + ~250 น็อตและแหวนรอง
• ~500 สาย (ความยาวรวม ~ 50 ม.) ไม่นับสายไฟที่ต่อกับเซอร์โวอยู่แล้ว

ขั้นตอนที่ 1: ออกแบบ

นาฬิกาได้รับการออกแบบด้วย Autodesk Fusion 360 และ Inventor อย่างที่คุณเห็นนาฬิกาประกอบด้วยกล่องดำแถบดำ 114 แถบซึ่งย้ายโดยตัวกระตุ้นเชิงเส้นซึ่งขับเคลื่อนด้วยเซอร์โวมอเตอร์ ตู้จดหมายแต่ละตู้มีไฟ LED ที่ฉายตัวอักษรไปที่ด้านหลังของหน้าจอที่ทำจากฟอยล์ PVC สีขาว ส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ในกรอบไม้

ขั้นตอนที่ 2: รวบรวมวัสดุ

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

114x SG90 ไมโครเซอร์โวมอเตอร์ (ebay.de)

แม้ว่าเซอร์โวจะติดป้ายชื่อแบรนด์ยอดนิยม "Tower Pro" แต่ก็เป็นรุ่นน็อคออฟที่ถูกกว่าแน่นอน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากราคาเสนอซื้อจะอยู่ที่ประมาณ 1 ยูโร เมื่อเทียบกับ 3 ยูโรสำหรับรุ่นดั้งเดิม จึงทำให้โครงการทั้งหมดมีราคาไม่แพงมาก เห็นได้ชัดว่าการน็อคออฟยังดึงกระแสไฟน้อยลง (แน่นอนว่านี่หมายถึงแรงบิดที่น้อยลงด้วย) ซึ่งทำให้ง่ายต่อการค้นหาแหล่งจ่ายไฟที่เหมาะสมสำหรับทั้งโครงการ

• 5 ม. WS2812B แถบ LED, 60 LEDs/m (ebay.de)
• 8x16 Ch PWM เซอร์โวไดรเวอร์ PCA9685 (ebay.de)
• โมดูล DS3231 RTC (ebay.de)
• Arduino นาโน (ebay.de)
• VS1838B เครื่องรับ IR + รีโมท (ebay.de)
• แหล่งจ่ายไฟ 5 V, 10 A (ebay.de)
• สายต่อเซอร์โว 20x15 ซม. (ebay.de)
• สายเคเบิล DC ซ็อกเก็ตกับสายเปลือย (conrad.de)
• ตัวต้านทาน 300-500 โอห์ม
• ตัวเก็บประจุ 1000 µF (> 5 V)

วัสดุสำหรับโครง

• แผ่นไม้

  • 2 ชิ้น 40 x 10 x 497 mm
  • 2 ชิ้น 12 x 12 x 461 mm
  • 2 ชิ้น 12 x 12 x 20 มม.

• มัลติเพล็กซ์

  • 2 ชิ้น 12 x 77 x 481 มม.
  • 2 ชิ้น 12 x 84 x 489 mm
• ฟอยล์ PVC สีขาว (700 x 1000 x 0.3 มม.) (modulor.de)
• แผ่น HDF 500 x 500 มม. หนา 3 มม.

สกรู สายเคเบิล ฯลฯ

• สกรู M2 228x ยาว 8 มม. + แหวนรอง + น็อตหกเหลี่ยม
• สกรูต๊าปเกลียวตัวเอง M2.2 228x ยาว 6.5 มม.
• สกรูไม้ต่างๆ
• ลวด 50 ม., 0.22 มม.2 (24 AWG)

นอกจากนี้ โปรเจ็กต์นี้ต้องการการพิมพ์และการบัดกรี 3 มิติจำนวนมาก แผ่นหลังถูกผลิตขึ้นโดยการตัดด้วยเลเซอร์ โครงสร้างด้วยเลื่อยวงเดือน จิ๊กซอว์ และสว่าน สำหรับโครงการที่ดีทุกโครงการ เรายังใช้กาวร้อนจำนวนมาก รวมทั้งกาวอีพ็อกซี่และกาวพลาสติกด้วย

ค่าใช้จ่ายทั้งหมดสำหรับโครงการนี้อยู่ที่ประมาณ 350 ยูโร

ขั้นตอนที่ 3: ส่วนประกอบที่พิมพ์ 3 มิติ

กล่องจดหมาย

กล่องจดหมายแต่ละกล่องประกอบด้วยฝาครอบพิมพ์ 3 มิติที่ทำหน้าที่เป็นหน้ากากเงาและแผ่นฐานที่จะติดไฟ LED แผ่นฐานประกอบด้วยหมุดเดือยสี่ตัวเพื่อช่วยจัดตำแหน่งบนตัวกระตุ้นและหกรูสำหรับป้อนผ่านสาย LED ทั้งหมดนี้มีทั้งหมด 228 รุ่น ซึ่งทั้งหมดพิมพ์จาก PLA สีดำ (Formfutura EasyFill PLA) ที่มีความสูงของชั้น 0.4 มม. เวลาพิมพ์ทั้งหมดบน Anycubic Kossel Linear Plus ของฉันคือประมาณ 23 ชั่วโมงสำหรับปกตัวอักษรและ 10 ชั่วโมงสำหรับแผ่นฐาน ไฟล์ stl ทั้งหมดสามารถพบได้ในไฟล์ zip ที่แนบมา

แอคทูเอเตอร์

การออกแบบแอคทูเอเตอร์ได้รับการดัดแปลงจาก Linear Servo Extender โดย Roger Rabbit ซึ่งมีประโยชน์มาก เนื่องจากชิ้นส่วนต่างๆ ประกอบเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา จึงควรพิมพ์บนเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่เหมาะสม ความสูงของชั้นขนาดเล็กไม่สำคัญเท่า (ปกติ 0.2 มม.) เท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีดขนาดเล็ก (เราแนะนำ 0.4 มม.) ควรพิมพ์ชิ้นส่วนตามทิศทางที่แสดงไว้ แอคชูเอเตอร์แต่ละอันประกอบด้วยชิ้นส่วน 5 ส่วน เนื่องจากเราต้องการแอคชูเอเตอร์ 114 ตัว ซึ่งหมายความว่ามีทั้งหมด 570 ชิ้น (!) เพื่อพิมพ์สิ่งเหล่านี้ เราใช้พลังของเครื่องพิมพ์ 3D ระดับมืออาชีพหลายตัว (Ultimaker S2+, Ultimaker S5, Lulzbot TAZ6, Sindoh 3D Wox DP200) ถึงกระนั้นเราก็มีงานพิมพ์ที่ล้มเหลวจำนวนมากและฉันได้รวมภาพบางส่วนไว้เพื่อความบันเทิงของคุณ เวลาในการพิมพ์ทั้งหมดประมาณ 150 ชั่วโมง (!) อีกครั้ง ไฟล์ stl สามารถพบได้ในไฟล์ zip ที่แนบมา

ขั้นตอนที่ 4: การสร้างเฟรม

โครงทำจากไม้ระแนงและกระดานมัลติเพล็กซ์ ชิ้นส่วนถูกตัดโดยใช้เลื่อยวงเดือนและจิ๊กซอว์ แล้วยึดเข้าด้วยกันโดยใช้กาวไม้และสกรูไม้ ฝาครอบด้านบนและด้านล่างยังเปื้อนเพื่อให้ดูดีขึ้น คำอธิบายโดยละเอียดของชิ้นส่วนต่างๆ รวมถึงขนาดทั้งหมดอยู่ในภาพวาดที่แนบมา

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบกล่องจดหมาย

การประกอบตู้จดหมายเป็นงานที่หนักหน่วงและใช้เวลานานมาก โดยเฉพาะการบัดกรี เพราะทุกขั้นตอนต้องทำซ้ำ 114 ครั้ง

1. ตัด 114 ชิ้นจากแถบ LED
2. ดีบุกแผ่น LED ทั้งหมด
3. ติด LED แต่ละดวงเข้ากับแผ่นรองด้านหลังที่พิมพ์ 3 มิติของกล่องดำแถบดำ LED ควรอยู่ตรงกลาง เรายังยึดมันด้วยกาวร้อน
4. ต่อไปเราได้เตรียมสายไฟขนาด 3x114 = 442 เส้น เช่น การตัดให้ยาว ปอกปลายและปรับให้เป็นเกลียว ความยาวของเส้นลวดแต่ละเส้นอยู่ที่ 10 ซม. ยกเว้นสายที่เชื่อมอักษรตัวสุดท้ายกับจุดที่ต้องยาวกว่า (~25 ซม.) นอกจากนี้สายไฟที่เชื่อมต่อกับอักษรตัวแรกที่จะเชื่อมต่อกับ Arduino และแหล่งจ่ายไฟควรยาวกว่า
5. Diasy chain LEDs โดยใช้สายไฟ สายไฟถูกป้อนผ่านรูในแผ่นรองด้านหลังที่พิมพ์ 3 มิติของกล่องดำแถบดำ
6. ฝาหน้าตู้ไปรษณีย์ติดกาว
7. ชิ้นส่วนของชั้นวางเชิงเส้นสำหรับแอคชูเอเตอร์จะต้องติดกาวเข้าด้วยกัน
8. ติดแร็คเชิงเส้นที่ด้านหลังของกล่องจดหมายโดยใช้กาว

ขั้นตอนที่ 6: การประกอบแอคทูเอเตอร์

การประกอบแอคทูเอเตอร์อีกครั้งเป็นขั้นตอนที่น่าเบื่อมากซึ่งใช้เวลานาน

1. ติดเซอร์โวเข้ากับตัวเครื่องที่พิมพ์ 3 มิติโดยใช้สกรูที่ให้มา
2. เฟืองกลมติดอยู่กับเซอร์โวโดยใช้กากบาทพลาสติกที่ให้มา แต่ก่อนอื่นจะต้องตัดไม้กางเขนให้ได้รูปร่างและติดเข้ากับเฟืองโดยใช้อีพ็อกซี่
3. ติดเกียร์เข้ากับเซอร์โวโดยใช้สกรูที่ให้มา
4. ก่อนใส่แร็คเชิงเส้นตรง เซอร์โวแต่ละตัวจะถูกตั้งศูนย์ไว้ที่ตำแหน่งเดียวกัน
5. การใส่ชั้นวางเส้นตรงด้วยแถบดำแถบดำ
6. การใส่เฮกซ์นัท M2 สองตัวในตัวเครื่องที่พิมพ์ 3 มิติ ซึ่งจะใช้ติดเข้ากับแผ่นรองหลังในภายหลัง
7. ปิดตัวเรือนด้วยฝาครอบพิมพ์ 3 มิติโดยใช้สกรูยึดตัวเอง M2.2

ในที่สุดเราก็จบลงด้วยความยุ่งเหยิงของตัวกระตุ้นที่ถูกล่ามโซ่ diasy ดังที่แสดงในภาพด้านบน

ขั้นตอนที่ 7: การสร้างแผ่นรองหลัง

แผ่นหลังถูกตัดด้วยเลเซอร์จากไม้ HDF หนา 3 มม. โดยใช้เครื่องตัดเลเซอร์ CO2 จากพื้นที่ผู้ผลิตในพื้นที่ของเรา ตอนแรกเราลองใช้ไม้อัด แต่กลับกลายเป็นว่าบอบบางเกินกว่าจะรับน้ำหนักของส่วนประกอบทั้งหมดได้ ในกรณีนี้น่าจะดีกว่าถ้าใช้อลูมิเนียม แต่แน่นอนว่ามีราคาแพงกว่าและเลเซอร์ CO2 ตัดไม่ได้ ไฟล์ dxf สำหรับแผ่นรองด้านหลังแนบมาด้วย

ขั้นตอนที่ 8: แนบส่วนประกอบเข้ากับแผ่นรองหลังและการเดินสาย

ขั้นแรก ควรติดบอร์ด PCA9685 เข้ากับแผ่นรองด้านหลังโดยใช้ PCB standoffs จากนั้นจึงวางโมดูล Arduino nano และ RTC ตามที่แสดงในภาพด้านบน สำหรับสองรุ่นหลัง เราใช้ที่ยึดแบบพิมพ์ 3 มิติที่ติดด้วยกาวร้อน ส่วนประกอบต่างๆ ถูกเชื่อมต่อตามที่แสดงในแผนภาพการเดินสายไฟ โปรดทราบว่าเป็นการดีที่สุดที่จะจ่ายไฟให้กับ PCA9685 ทุกเครื่องแยกจากกันผ่านแผงขั้วต่อ ตอนแรกเราต่อสายโซ่เดซี่กับคอนเน็กเตอร์ V+ และ GND และเชื่อมต่อเฉพาะเทอร์มินัลบล็อกของบอร์ดแรก (ตามที่แนะนำในหน้า adafruit) อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้กระแสทั้งหมดจะไหลผ่านบอร์ดแรก และเราลงเอยด้วยการเบิร์น MOSFET ของวงจรป้องกันย้อนกลับ นอกจากนี้ยังมีสเปรดชีตที่แนบมาซึ่งแสดงการเดินสายเคเบิลของเซอร์โว สายต่อสำหรับเซอร์โวเมื่อจำเป็น โปรดทราบว่าคุณต้องกำหนดที่อยู่ I2C ที่แตกต่างกันให้กับ PCA9685 แต่ละเครื่องตามที่อธิบายไว้ในหน้า adafruit

จากนั้นจึงติดตั้งแอคทูเอเตอร์เข้ากับแผ่นรองด้านหลังโดยใช้สกรู M2 228x งานซ้ำซากจำเจมาก แต่หลังจากเสร็จสิ้นนาฬิกาก็เริ่มเป็นรูปเป็นร่างแล้ว เรายังพยายามจัดระเบียบสายเคเบิลเซอร์โวให้ดีที่สุด แต่สุดท้ายสายเคเบิลก็ยังรกมาก

จ่ายไฟโดยการป้อนสาย DC ผ่านแผ่นรองด้านหลังและต่อเข้ากับแผงขั้วต่อ

ขั้นตอนที่ 9: การแนบ Backplate เข้ากับ Frame

หลังจากประกอบส่วนประกอบทั้งหมดและจัดสายเคเบิลแล้ว เราก็ติดแผ่นรองด้านหลังเข้ากับเฟรมโดยใช้สกรู M4 ขนาด 6x น่าเสียดายที่เราเหลือที่ว่างน้อยมากสำหรับสายเคเบิลทั้งหมดให้พอดี ดังนั้นพวกมันจึงต้องถูกบีบเข้าไปเล็กน้อย

ขั้นตอนที่ 10: การปรับเทียบเซอร์โว

เนื่องจากความสูงของกล่องจดหมายทั้งหมดแตกต่างกันเล็กน้อยหลังจากติดตั้ง เราจึงใช้โค้ดที่แนบมาเพื่อปรับเทียบเซอร์โวทั้งหมด เพื่อให้แถบดำแถบดำด้านบนสุดมีตำแหน่งต่ำสุดและสูงสุดเท่ากัน สำหรับตำแหน่งสูงสุด เราพยายามวางแถบดำด้านท้ายกระดาษให้ชิดกับหน้าจอมากที่สุด ตำแหน่งต่ำสุด/สูงสุดที่ปรับเทียบแล้วสำหรับเซอร์โวทุกตัวจะถูกป้อนลงในโค้ดหลักในภายหลัง

ขั้นตอนที่ 11: การอัปโหลดรหัส

สิ่งที่แนบมาคือรหัสหลักสำหรับนาฬิกาคำ มีเอฟเฟกต์สามประเภทสำหรับแสดงเวลา

1. ย้ายตัวอักษรทั้งหมดไปทางด้านหลังอย่างรวดเร็ว (ทีละตัว) และไฟ LED ที่มีสีสุ่มเท่ากัน จากนั้นจึงย้ายตัวอักษรที่แสดงเวลาไปข้างหน้าทีละคำอย่างรวดเร็ว และเติมแสงแต่ละคำด้วยสีแบบสุ่ม
2. ย้ายตัวอักษรทั้งหมดไปทางด้านหลังอย่างรวดเร็ว (ทีละตัว) และไฟ LED ที่มีสีสุ่มเท่ากัน ค่อยๆ ย้ายแต่ละคำที่แสดงเวลาไปด้านหน้า (ตัวอักษรทั้งหมดพร้อมกัน) และค่อยๆ เปลี่ยนสีจากสีพื้นหลังเป็นค่าแบบสุ่ม
3. ย้ายตัวอักษรทั้งหมดอย่างรวดเร็วไปยังตำแหน่งสุ่ม (ทีละตัว) และไฟ LED ที่มีสีสุ่มต่างกัน จากนั้นค่อย ๆ ย้ายตัวอักษรทั้งหมดไปทางด้านหลังและทำให้สีจางลง ต่อด้วย 1. หรือ 2.

ฉันยังต้องการใช้เอฟเฟกต์ที่จุดที่แสดงนาทีปัจจุบันค่อยๆ เคลื่อนไปข้างหน้าและทำให้สีจางลง เพื่อให้อยู่ที่ตำแหน่งด้านหน้าด้วยสีที่ถูกต้องเมื่อนาทีนั้นสิ้นสุดลง น่าเสียดายที่ฉันยังใช้งานไม่ได้เพราะดูเหมือนว่าจะทำให้ตัวรับสัญญาณ IR ไม่ตอบสนอง

ขั้นตอนที่ 12: การแนบหน้าจอ

ตอนแรกเราต้องการใช้ผ้าขาวเป็นสกรีน ปัญหาคือหลังจากติดเข้ากับเฟรมแล้ว ผ้าก็ก้มลงตรงกลาง และจบลงด้วยการบิดเบี้ยวของหมอนอิง เราจึงตัดสินใจใช้ฟอยล์พีวีซีสีขาวบางๆ แทนหน้าจอแทน นอกจากนี้ยังมีโฆษณาฟอยล์สำหรับทำโป๊ะโคมเพื่อให้มีการส่งผ่านที่เหมาะสม แต่ไม่โปร่งใสดังนั้นกล่องดำที่อยู่ตรงกลางจึงซ่อนอยู่ ในการทดลองครั้งแรก เราติดฟอยล์โดยใช้อีพ็อกซี่แต่ไม่ติดดีนัก เราจึงเปลี่ยนเป็นกาวร้อน ระวังด้วยว่าถ้ากาวร้อนเกินไปอาจทำให้ฟอยล์ละลายได้ ฟอยล์ส่วนเกินถูกเอาออกด้วยมีดที่แน่นอน

ขั้นตอนที่ 13: การติดฝาครอบด้านบนและด้านล่าง

ในที่สุด ฝาไม้สีก็ติดบนและล่าง. สีเข้มทำให้ตัดกันได้ดีกับหน้าจอสีขาว ตัวรับสัญญาณ IR ถูกป้อนผ่านรูในแผ่นรองด้านหลังและยึดเข้ากับฝาครอบด้านบนด้วยกาวร้อน

ขั้นตอนที่ 14: นาฬิกาเสร็จแล้วและสรุป

หลังจากทำงานอย่างหนักเป็นเวลาสองเดือน ในที่สุดนาฬิกาก็เสร็จและทำงาน โดยรวมแล้วเรามีความสุขมากกับผลลัพธ์ การย้ายตัวอักษรที่อยู่ด้านหลังหน้าจอจับคู่กับการเปลี่ยนสีของ LED ทำให้เกิดเอฟเฟกต์ที่ดูเท่มาก ในท้ายที่สุดตัวอักษรก็เรียงไม่สนิทและหน้าจอก็ไม่ได้แบนราบ 100% แต่สิ่งนี้ก็ทำให้มันดูสวยงามยิ่งขึ้นไปอีก มีหลายสิ่งที่สามารถปรับปรุงได้อย่างแน่นอน แต่ฉันไม่คิดว่าจะมีรุ่น 2.0 เนื่องจากความพยายามอันยิ่งใหญ่ของงานสร้างนี้ เว้นแต่ครั้งต่อไปเราจะจ้างการผลิตไปยังประเทศจีนในครั้งต่อไป

หากคุณชอบงานสร้างนี้และเลื่อนลงมาจนสุดทางได้ โปรดโหวตให้เราใน Epilog Contest

รางวัลที่หนึ่งในการประกวด Epilog X