Il cuore di una macchina (un microproiettore laser): 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Questo Instructable è il successore spirituale di un precedente esperimento in cui ho costruito un gruppo di sterzo laser a specchio a doppio asse da parti e solenoidi stampati in 3D.

Questa volta volevo diventare minuscolo e ho avuto la fortuna di trovare alcuni moduli di guida laser prodotti commercialmente da un outlet scientifico online in eccedenza. Il mio design ha iniziato a somigliare a un Dalek, quindi ho seguito l'idea e ho realizzato un robot ispirato a Dalek alto due pollici che ti spara laser.

Ma non sta cercando di sterminarti, ti sta solo inviando un po' d'amore dal suo cuore elettromeccanico!

Se ti piace questo progetto, votalo al Concorso di ottica!:)

Passaggio 1: qualcosa di piccolo dallo stato del Texas

Il cuore della macchina è un modulo TALP1000B di Texas Instruments, descritto come uno "specchio di puntamento MEMS analogico a doppio asse". Questo è un bel boccone, quindi scomponiamolo:

• Doppio asse: significa che il dispositivo può inclinarsi sull'asse orizzontale e verticale.
• Analogico: L'inclinazione lungo un asse è controllata da una tensione analogica, variabile da -5 a 5 volt.
• MEMS: sta per Micro Electrical Mechanical System e significa che è molto piccolo!
• Specchio di puntamento: al centro del dispositivo c'è uno specchio sui gimbal; lo specchio può essere puntato di alcuni gradi in ogni direzione, consentendogli di dirigere il laser ovunque all'interno di un cono di pochi gradi.

Una rapida esplorazione della scheda tecnica mostra che si tratta di una parte sofisticata. Oltre a quattro bobine di sterzo, c'è un emettitore di luce, quattro sensori di posizione e un sensore di temperatura. Anche se non utilizzeremo i sensori, in seguito condividerò alcune splendide foto di un TALP1000B danneggiato da vicino.

Il TALP1000B è fuori produzione, ma non riesci a trovarlo, potresti costruire tu stesso uno specchio di puntamento laser molto più grande usando i piani che ho esposto nel mio precedente Instructable: i principi sono esattamente gli stessi, ma avresti bisogno di costruire una vita Dalek di grandi dimensioni per ospitarlo!

Passaggio 2: Distinta base

Di seguito la distinta base di questo progetto:

• Un TALP1000B di Texas Instruments (fuori produzione)
• Un Arduino Nano
• Un driver motore SparkFun - Doppio TB6612FNG (con intestazioni)
• Una breadboard
• Un trimpot (1kOhm)
• Quattro ponticelli da 2,54 mm a 2 mm
• Intestazioni da 0,1" (2,54 mm)
• Stampante 3D e filamento
• Puntatore laser rosso

Il modulo TALPB è il più difficile da trovare. Sono stato fortunato e ne ho presi alcuni in un negozio di surplus scientifico.

Puoi ancora trovare un TALPB online a prezzi esorbitanti, ma non consiglio di spendere molti soldi su di loro per i seguenti motivi:

• Sono ridicolmente fragili, potresti averne bisogno di diversi nel caso in cui ne rompi qualcuno.
• Hanno una frequenza di risonanza bassa di 100Hz, il che significa che non puoi guidarli abbastanza velocemente per spettacoli laser senza sfarfallio.
• Hanno una superficie placcata in oro, il che significa che riflette solo i laser rossi. Ciò esclude l'uso di laser verdi super luminosi o laser viola con schermi fluorescenti per la persistenza.
• Sebbene queste parti abbiano sensori di posizione, non penso che un Arduino sia abbastanza veloce da guidarli con una sorta di feedback di posizione.

La mia opinione è che, sebbene queste parti siano incredibilmente piccole e accurate, non sembrano essere abbastanza pratiche per i progetti di hobby. Preferirei vedere la community realizzare progetti fai-da-te migliori!

Passaggio 3: la creazione del corpo

Ho modellato il corpo in OpenSCAD e l'ho stampato in 3D. Si tratta di un tronco di cono con un'apertura nella parte superiore, uno slot sul retro per l'inserimento del modulo TALB1000P e un grande foro luce nella parte anteriore.

Fai brillare un laser dall'alto e viene riflesso davanti. Questo corpo stampato in 3D non solo ha un bell'aspetto, ma è anche funzionale. Mantiene tutto allineato e ospita il modulo TALB1000P ridicolmente fragile. Ho aggiunto le creste e i dossi per renderlo più facile da impugnare dopo aver lasciato cadere un primo prototipo e distrutto un modulo TALB1000P.

Passaggio 4: i molti modi per spezzare un cuore

Il TALP1000B è una parte estremamente fragile. Una breve caduta o un tocco disattento rovineranno la parte (toccarla accidentalmente è come ho distrutto il mio secondo modulo). È così fragile che sospetto che anche uno sguardo forte possa ucciderlo!

Se i pericoli fisici non bastassero, la scheda tecnica enuncia un ulteriore pericolo:

Fare attenzione a evitare transitori di avviamento e arresto quando si avvia o si arresta la tensione sinusoidale dell'azionamento. Se si imposta la potenza dell'azionamento a 50Hz su una tensione che produce una grande rotazione dello specchio a 50Hz (movimento meccanico da 4 a 5 gradi), lo specchio funzionerà per molte migliaia di ore senza problemi. Tuttavia, se si spegne l'alimentazione dell'azionamento sinusoidale o in un momento in cui l'uscita di tensione è significativa, si verifica un gradino di tensione che ecciterà la risonanza dello specchio e può comportare angoli di rotazione abbastanza grandi (abbastanza da far sì che lo specchio colpisca il circuito ceramico che funge da arresto della rotazione). Ci sono due modi per evitarlo: a) accendere o spegnere solo quando la tensione del drive è prossima allo zero (mostrata nel disegno sottostante), b) ridurre l'ampiezza del drive sinusoidale prima di accendere o spegnere.

Quindi, in pratica, anche spegnere la corrente può rovinarla. Oh molto!

Passaggio 5: il circuito del pacemaker

Il circuito di pilotaggio che ho realizzato è costituito da un Arduino Nano e un driver del motore a doppio canale.

Sebbene i driver per motori siano realizzati per i motori, possono pilotare bobine magnetiche con la stessa facilità. Quando è collegato a una bobina magnetica, le funzioni avanti e indietro del driver provocano l'eccitazione della bobina nelle direzioni avanti o indietro.

Le bobine del TALP1000B richiedono fino a 60 mA per funzionare. Questo è oltre i 40 mA massimi che Arduino può fornire, quindi l'uso di un driver è essenziale.

Ho anche aggiunto un trim pot al mio progetto e questo mi permette di controllare l'ampiezza del segnale di uscita. Ciò mi consente di ridurre a zero le tensioni di pilotaggio prima di spegnere il circuito, per evitare le risonanze di cui mi ha avvertito la scheda tecnica.

Passaggio 6: un driver che non funziona… e uno che funziona

Per verificare che il mio circuito emettesse una forma d'onda uniforme, ho scritto un programma di test per emettere un'onda sinusoidale sull'asse X e un coseno sull'asse Y. Ho collegato ogni uscita del mio circuito di azionamento a un LED bipolare in serie con un resistore da 220 ohm. Un LED bipolare è un tipo speciale di LED a due terminali che emette un colore quando la corrente scorre in una direzione e un altro colore quando la corrente scorre nella direzione opposta.

Questo banco di prova mi ha permesso di osservare i cambiamenti di colore e assicurarmi che non ci fossero rapidi cambiamenti di colore. Immediatamente, ho osservato lampi luminosi mentre un colore sbiadiva e prima che l'altro colore stesse per svanire.

Il problema era che stavo usando un chip L9110 come driver del motore. Questo driver ha un pin di velocità PWM e un pin di direzione, ma il ciclo di lavoro del segnale di controllo della velocità PWM nella direzione in avanti è l'inverso del ciclo di lavoro nella direzione inversa.

Per emettere zero quando il bit di direzione è in avanti, è necessario un duty-cycle PWM dello 0%; ma quando il bit di direzione è inverso, è necessario un duty-cycle PWM del 100% per un'uscita pari a zero. Ciò significa che affinché l'uscita rimanga zero durante un cambio di direzione, è necessario modificare contemporaneamente sia la direzione che il valore PWM: ciò non può accadere contemporaneamente, quindi indipendentemente dall'ordine in cui lo si fa, si ottengono picchi di tensione durante la transizione da negativo a positivo attraverso zero.

Questo spiegava i flash che avevo visto e il circuito di prova probabilmente mi ha salvato dall'aver distrutto un altro modulo TALB1000B!

Un conducente di motore SparkFun salva la giornata

Trovando che l'L9110 era un no, ho deciso di valutare lo SparkFun Motor Driver - Dual TB6612FNG (che avevo vinto in un precedente Instructable! Woot!).

Su quel chip, un PWM sul pin di controllo della velocità dello 0% significa che le uscite sono guidate allo 0%, indipendentemente dalla direzione. Il TB6612FNG ha due pin di controllo della direzione che devono essere invertiti per invertire la direzione, ma con il pin PWM a un duty-cycle di zero, è sicuro farlo tramite uno stato intermedio in cui sia In1 che In2 sono ALTI, questo mette il driver in una modalità intermedia "breve freno" che eccita le bobine in alcun modo.

Con il TB6612FNG, sono stato in grado di ottenere una transizione graduale della polarità oltre lo zero senza flash. Successo!

Passaggio 7: esecuzione dello schizzo Arduino e test delle prestazioni

Secondo classificato al concorso di ottica