Cała naprzód! do nieskończoności i dalej: 11 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Współpraca między Alicią Blakey i Vanessą Krause

Kim do cholery jest Fibonacci?

W oparciu o projekt Alicji (zagnieżdżone przekładnie planetarne) postanowiliśmy współpracować, aby spróbować stworzyć działający system przekładni, które można wyświetlać w pozycji pionowej. W idealnym przypadku chcemy, aby nasi odbiorcy czuli się komfortowo i byli zmuszeni do interakcji z tym projektem. Korzystając z różnych metod przedstawionych w tym dokumencie, omówimy proces projektowania i to, jak zmagaliśmy się z zagadnieniami matematycznymi, logiką i wyborami materiałów.

Wyrzuć to

Zwerbowanie naszej matematyki skłoniło rodzeństwo do pomocy: Mój brat Joey wysłał mi wzór Bineta… bez wyjaśnienia, jak go używać. Kiedy napisałem do niego SMS-a i powiedziałem „Hej Joey, czy mógłbyś mi to wyjaśnić?” na co odpowiedział: „Która część?”

Ponieważ nie mam absolutnie żadnych inklinacji matematycznych, poprosiliśmy brata Alicii, Merricka, aby wyjaśnił, w jaki sposób można zastosować wzór do tworzenia kół zębatych. Spędził około dziesięciu minut na jego rozwiązywaniu, odpowiedział „tak, to działa”, a następnie powiedział „muszę iść” i zostawił nas bez odpowiedzi i bez przetłumaczonej formuły.

Spędziliśmy kolejne 30 minut szukając odpowiedzi na nasze zapytanie…

Internet ma odpowiedzi

Aby wyjść poza barierę Bineta, postanowiliśmy przeszukać internet w poszukiwaniu odpowiedzi i sugestii dotyczących rozwiązania naszej zagadki. Znaleźliśmy kilka witryn, które są w stanie stworzyć kompatybilne koła zębate.

Niektóre z tych witryn to:

Generator przekładni planetarnej

Katalizator przekładni

Kiedy już mieliśmy te generatory kół zębatych, które pomogły w matematycznych aspektach tego projektu, przenieśliśmy się do Adobe Illustrator, aby stworzyć liniowe wersje tych kół zębatych. Alicia skupiła się na renderowaniu każdego sprzętu tak, aby był kompatybilny z wycinarkami laserowymi w centrum 100 McCaul RP. Zdecydowaliśmy się użyć sklejki Baltic Birch ⅛” do wstępnego cięcia, aby zapewnić prawidłowe wyrównanie matematyki. Alicia wykonała ponad 3 małe makiety tego, jak te koła zębate mogą potencjalnie wyglądać. Z każdą iteracją pojawiały się problemy z tym, że wycinarka laserowa pobierała zbyt mało lub zbyt dużo z małych kół zębatych, przez co nie blokowały się już skutecznie i obracały (użyła zarówno akrylu, jak i sklejki (⅛).) frustrujące, ale pomogło nam uświadomić sobie ograniczenia cięcia laserowego w tym projekcie.

Profesor wie najlepiej

Alicia i ja jesteśmy bardzo uparci i zdeterminowani, by rozwiązać zagadkę zagnieżdżonych kół zębatych. Byłem gotów osiąść na planetarnych kołach zębatych, jednak Alicia potrzebowała odpowiedzi! W ostatniej próbie znalezienia pocieszenia w matematyce Alicia skontaktowała się z emerytowanym profesorem z Queen's University. Wyjaśnił, że aby łatwo zmierzyć odległości między każdym z biegów, musiałaby podzielić i zmierzyć 37 segmentów. Umożliwiłoby to prawidłowe ustawienie wszystkich zębów. Spędzając czas na rozwiązywaniu zagadki, wciąż pojawiał się mały matematyczny problem z wyrównaniem. Zdecydowaliśmy się na przekładnie planetarne, biorąc pod uwagę nasze ogólne ograniczenia czasowe.

Wystartować

Podczas gdy Alicia rozwiązywała głębokie zagadnienia matematyczne, ja skupiłem się na drukowaniu statków kosmicznych 3D. Pomogło to utrwalić ogólny motyw, a także nadało naszemu utworowi bardziej przyjazną interaktywną jakość. Korzystając z Thingiverse, udało mi się znaleźć zabawny projekt statku kosmicznego w stylu retro (stworzony przez cerberusa333). Ten projekt pozwolił mi zmodyfikować skalę, aby była znacznie mniejsza. Dodając statek kosmiczny, nasza publiczność będzie mogła go utrzymać, gdy koła zębate obracają się razem. Było to bardzo proste rozwiązanie, aby utwór był bardziej przyjazny dla innych. Opierając się na otwartej naturze Thingiverse, każdy, kto ma komputer i dostęp do drukarki 3D, może stworzyć ten obiekt dla siebie. Wydruk był również stosunkowo szybki (wydrukowanie 7 statków kosmicznych zajęło mniej niż 2 godziny). Skończyło się na tym, że użyliśmy tylko 3 lub 7 wydrukowanych kopii.

Strzelaj do księżyca…

Bazując na początkowym pomyśle projektowym, Alicia i ja chcieliśmy stworzyć przekładnie planetarne z wieloma wbudowanymi światłami LED, które byłyby aktywowane przez nasze magnesy (przymocowane z tyłu każdego koła zębatego), aby model mógł stać prosto i oświetlać każdą „gwiazdę” system, gdy się kręci. Alicia poszła do Home Hardware i kupiła obwód LED z kontaktronem i czujniki magnetyczne. Użyłem wiertarki i piły ręcznej, aby wykonać właściwy otwór dla czujnika LED i magnetycznego, aby pasował do drewnianej płyty ze sklejki. Później zdaliśmy sobie sprawę, że akumulatory zakupione od Home Hardware na College i Spadina były w rzeczywistości wadliwe i zapaliły się tylko jedną żarówkę LED, gdy magnes przechodził obok.

Więcej niż tylko wandalizm

W tym projekcie chciałem również zastosować więcej technik kreatywnych. Chociaż drewniane i akrylowe koła zębate same w sobie były piękne, brakowało im wspólnego motywu ze statkami kosmicznymi. Postanowiłem użyć farby Molotow Acrylic Spray do stworzenia motywu galaktyki dla systemów zębatek. Chociaż planowaliśmy malowanie natryskowe całej tablicy, spotkaliśmy się z niewielką kabiną lakierniczą znajdującą się w Maker Lab w naszym ośrodku dla absolwentów. Opierając się na tym ograniczeniu rozmiaru, zdecydowaliśmy się po prostu pomalować koła zębate natryskowo w sposób asymetryczny. W ten sposób statek kosmiczny mógłby usiąść na jednym z gładkich lub pomalowanych natryskowo kół zębatych, aby pomóc uczestnikowi zrozumieć nasz ogólny temat.

Orbita

Po zmontowaniu wszystkich dużych kół zębatych Alicia użyła narzędzi do lutowania, aby zespawać czujnik magnetyczny i diodę LED. Zdecydowaliśmy się na umieszczenie 1 działającej diody LED i umieściliśmy ją w pobliżu środkowego biegu. Kiedy 3 silne magnesy zostały umieszczone pod statkiem kosmicznym, nastąpił pożądany rezultat! Mieliśmy światło! Jednak posiadanie innych magnesów pod kołami zębatymi (aby utrzymać je w pionie) zakłócałoby czujnik magnetyczny. Dlatego zdecydowaliśmy, że projekt powinien pozostać w wersji stołowej.

Ciemna strona księżyca

Głównymi wyzwaniami, przed którymi staliśmy w tej iteracji opartej na współpracy, były ograniczenia technologii cięcia laserowego i baterii. Plik projektu, drukowanie 3D statków kosmicznych i ręczny montaż (przy użyciu tradycyjnych narzędzi, takich jak wiertarki, piła ręczna, klej i zaciski były zaskakująco łatwe). Jeśli ktoś mógłby odtworzyć ten kawałek, głównym wyzwaniem byłoby dla niego wykorzystanie matematyki do nakreślenia najbardziej idealnego projektu, jaki może wyciąć laser. Zmagaliśmy się również z ograniczeniem czasowym i najlepiej byłoby wrócić do tego projektu w najbliższej przyszłości, aby dalej rozwijać tę koncepcję.

Narzędzia i technologia

Aby wiernie stworzyć ten projekt, musieliby mieć podstawową wiedzę na temat procesu projektowania, matematyki, korzystania z AI i poprawnej konfiguracji do cięcia pliku laserowego. Następnie potrzebowaliby podstawowej wiedzy na temat elektryczności (LED, czujnik magnetyczny i lutowanie). Będą potrzebować dostępu do dobrze wentylowanego obszaru do malowania natryskowego i niestandardowego projektowania tych kół zębatych. Do wydrukowania statku kosmicznego użyto Taz Lulzbot 6 wraz z filamentem PLA Village Plastics (dowolny kolor wystarczy, ponieważ można je również pomalować natryskowo). Na koniec będą potrzebować podstawowej wiedzy na temat korzystania z wiertarki i piły ręcznej, aby wyciąć odpowiednie wymiary otworów dla każdej diody LED i czujnika magnetycznego (należy to dokładnie zmierzyć, ponieważ czujnik nie jest zbyt mocny i należy go umieścić w bliskiej odległości od magnesu). Wreszcie, jeśli chcesz wiernie odtworzyć ten projekt, będziesz potrzebować również przestrzeni montażowej!

Olbrzymi skok dla ludzkości

Dotarliśmy na MARSA! Tylko żartowałem! Korzystając z cyfrowych metod produkcyjnych, byliśmy w stanie stworzyć matematyczny system narzędzi i wykonać go z drewna i akrylu (z szybkością, jakiej wymaga założenie hełmu astronauty). Nie byłoby to możliwe bez technologii plików Adobe Illustrator połączonej z cięciem laserowym. Lasery są niezwykle dokładne i szybkie. Coś, co byłoby niemożliwe do osiągnięcia samymi tradycyjnymi narzędziami produkcyjnymi. Chociaż tradycyjne metody nie były stosowane w głównym procesie produkcyjnym, stały się niezwykle ważne w końcowym montażu i włączeniu technologii.

Cała naprzód

Z edukacyjnego punktu widzenia ten system przekładni planetarnej zawierał wszystkie podstawy uczenia się przez działanie. Grywalizacja odgrywa dużą rolę w produkcie końcowym, aby był atrakcyjny dla użytkowników. Jednak jednym z głównych beneficjentów tego projektu jest Edukacja. Ten projekt może uczyć umiejętności praktycznych, poczynając od matematyki, inżynierii, rozumowania przestrzennego i cykli elektronicznych. Może dać uczniom szansę zobaczenia, w jaki sposób matematyka łączy się ze światem fizycznym i jak procesy mechaniczne (takie jak cięcie laserowe) zależą od dokładnych obliczeń. Uczniowie mają wreszcie możliwość wykorzystania kreatywności i sztuk wizualnych w procesie dodawania farby, koloru, kolażu, aby określić swój projekt. Pozwala im również stworzyć interaktywne środowisko uczenia się, które wspiera STEAM w klasie. STEAM wpisuje się we wszystkie kryteria tworzenia tego projektu poprzez efektywne włączenie:

Nauki ścisłe

Technologia

Inżynieria

Sztuka

Matematyka

W ostatnich latach pojawił się nacisk na poprawę umiejętności korzystania z mediów i rozwoju uczniów już od pierwszej klasy. Jak sugeruje Ontario Curriculum, posiadanie międzyprzedmiotowych możliwości kształcenia jest ważne w budowaniu u uczniów (K-12) miłości do nauki. Ten projekt to uważne podejście do rozwiązywania problemów, współpracy, praktycznego uczenia się typu open source, które jest potrzebne w wielu przedmiotach w programie nauczania Ontario i poza nim!

Nieograniczone konstelacje

Na koniec ważne jest, aby przyznać, że ten projekt można znacznie ulepszyć w rękach innych osób. Oznacza to, że chociaż wszystkie komponenty znajdują się tutaj, nadal istnieje wiele modyfikacji i remiksów tego projektu. Dzięki wspólnej pracy projekt ten ma nieograniczony potencjał. To świetny projekt startowy dla wszystkich zainteresowanych zastosowaniem STEAM we własnej praktyce uczenia się. Ponieważ projekt opiera się na matematyce, można go zmieniać, modyfikować i przerabiać w wielu różnych konstelacjach. Ten projekt promuje ideę, że nie ma jednej drogi do zrobienia.

Krok 1: Wyrzuć to

Czy potrafisz rozwiązać tę zagadkę?

Krok 2: Generowanie narzędzi

Korzystając z sekcji referencji, którą można znaleźć poniżej, udostępniliśmy narzędzia do generowania kół zębatych. Istnieją 2 strony internetowe, z których jedna jest przeznaczona wyłącznie dla schematów matematycznych, a druga strona omawia różne materiały i wariancje, gdybyś sam musiał przeciąć koła zębate.

Obydwa są ważne podczas planowania i konstruowania pliku do cięcia laserowego, ponieważ oba pomogą Ci wziąć pod uwagę materiały i zrozumieć, jak pracować w konstrukcjach o niewielkich nieprzewidzianych odmianach.

Badania Niesławny ze względu na swoją wspólną wiedzę Matthias znajduje odzwierciedlenie w wielu projektach związanych z narzędziami, ponieważ dostarcza uproszczonych informacji o tym, jak ręcznie ciąć własne koła zębate. Dostarcza również podstawowych informacji, dzięki czemu możesz rozpocząć swój projekt z dobrym fundamentem. Jest to niezbędne do wygenerowania działającego systemu i umiejętności rozwiązywania problemów do późniejszego rozwiązywania. Poniższy glosariusz został stworzony i dostarczony przez: [email protected]

Krok 3: Rozstaw zębów

Liczba milimetrów od jednego zęba do drugiego, wzdłuż średnicy podziałowej.

Zęby koła zębatego 1: Liczba zębów na kole zębatym do renderowania dla koła zębatego. Kontroluje lewy bieg, gdy pokazuje dwa biegi. Wprowadź wartość ujemną dla kół koronowych.

Rack&Pinion: Zmień bieg 1 na bieg liniowy (rack). Możesz również ustawić zębatkę na drugim biegu, wpisując „0” dla liczby zębów.

Zmierzona odległość kalibracyjna (mm): Po wydrukowaniu strony testowej zmierz odległość między liniami oznaczonymi „to powinno wynosić 150 mm”. Jeśli nie jest to 150 mm, wprowadź wartość w tym polu, aby skompensować skalowanie drukarki. Następny wydruk powinien mieć prawidłowy rozmiar.

Kąt kontaktu (stopnie): Kąt nacisku kół zębatych. W przypadku kół zębatych o mniejszej liczbie zębów ustaw ją nieco większą, aby uzyskać bardziej nachylone zęby, które są mniej podatne na zakleszczenia.

Zęby koła zębatego 2: Liczba zębów koła zębatego po prawej stronie, jeśli jest renderowany. Pole wyboru określa, czy renderowany jest jeden, czy dwa koła zębate.

Dwa biegi: Podczas drukowania szablonów warto mieć tylko jeden bieg.

Szprychy: Pokaż sprzęt ze szprychami. Szprychy są pokazane tylko dla kół zębatych z 16 lub więcej zębami.

Krok 4: Matematyka

Znalazłem poniższe równanie, które pomoże mi skonstruować układ kół zębatych i określić, czy koła zębate będą działać i pasować do siebie.

Oznacz R, S i P jako liczbę zębów kół zębatych.

Pierwszym ograniczeniem dla przekładni planetarnej jest to, że wszystkie zęby mają tę samą podziałkę lub odstęp między zębami. Zapewnia to zazębienie zębów. To, co zrobiłem, to zrobienie 3 oddzielnych boków, które miały ten sam skok, ale nie pasowały do siebie, aby koła zębate zawsze były wyrównane, ale w innym wzorze. Drugie ograniczenie to: R = 2 × P + S

Oznacza to, że liczba zębów w kole koronowym jest równa liczbie zębów środkowego koła słonecznego plus dwukrotność liczby zębów w kołach planetarnych. Przykładem może być 30 = 2 × 9 + 12. Możesz też wejść na stronę generowania biegów pod adresem https://geargenerator.com lub

Krok 5: Pliki SVG i Illustrator

Jeśli importujesz plik z generatora kół zębatych, a nie skonstruowałeś go w programie Illustrator, będziesz musiał postępować zgodnie z poniższymi instrukcjami podczas pracy z plikami SVG w programie Illustrator.

Program Illustrator udostępnia domyślny zestaw efektów SVG. Możesz używać efektów z ich domyślnymi właściwościami, edytować kod XML, aby tworzyć efekty niestandardowe lub pisać nowe efekty SVG.

Aby zaimportować plik SVG do programu Illustrator:

Wybierz polecenie Efekt > Filtr SVG > Importuj filtr SVG.

Wybierz plik SVG, z którego chcesz zaimportować efekty, i kliknij Otwórz.

Aby manipulować plikiem SVG w programie Illustrator: Zaznacz obiekt lub grupę (lub wybierz warstwę w panelu Warstwy).

Wykonaj jedną z następujących czynności: Aby zastosować efekt z ustawieniami domyślnymi, wybierz efekt w dolnej części podmenu Efekt > Filtry SVG.

Aby zastosować efekt z ustawieniami niestandardowymi, wybierz Efekt > Filtry SVG > Zastosuj filtr SVG.

W oknie dialogowym wybierz efekt i kliknij przycisk Edytuj filtr SVG fx.

Edytuj kod domyślny i kliknij OK.

Aby utworzyć i zastosować nowy efekt, wybierz polecenie Efekt > Filtry SVG > Zastosuj filtr SVG.

W oknie dialogowym kliknij przycisk Nowy filtr SVG, wprowadź nowy kod i kliknij OK.

Po zastosowaniu efektu filtra SVG program Illustrator wyświetla zrasteryzowaną wersję efektu na obszarze roboczym. Możesz kontrolować rozdzielczość tego obrazu podglądu, modyfikując ustawienie rozdzielczości rasteryzacji dokumentu.

Krok 6: Zapisywanie pliku

Wyeksportuj plik jako.eps lub.ai.

Przejdź do ustawień i upewnij się, że pracujesz w trybie RGB, NIE CMYK.

Możesz to zmienić, przechodząc do:

Wybierz Plik -> Tryb koloru dokumentu -> RGB

Wszystkie linie cięcia muszą być oznaczone za pomocą czerwonych niebieskich i zielonych linii o grubości obrysu 0,01 pt

Laser zinterpretuje kolory jako uporządkowane linie cięcia działające od wewnątrz na zewnątrz.

Zaczynając od czerwonego (RGB: 255, 0, 0), następnie niebieskiego (RGB 0, 0, 255), a na końcu zielonego (RGB 0, 255, 0).

Wszystkie cięcia wewnętrzne powinny być cięte jako pierwsze i dlatego powinny być czerwone, wszelkie dalsze cięcia powinny być niebieskie, a końcowe cięcia zewnętrzne – zielone. Upewnij się, że wszystkie koła zębate pasują do siebie i nie ma przecinających się linii przed rozpoczęciem drukowania.

Jeśli Twoje koła zębate wyglądają, jakby nie były poprawnie sformatowane, możesz wrócić do strony generatora biegów i ponownie ocenić swoje obliczenia.

Zapisz jako pliki.ai i przenieś do programu Bosslaser.

Ten program pozwala również na manipulowanie plikiem. Możesz użyć tego programu, aby wysłać plik bezpośrednio do wycinarki laserowej.

Krok 7: Thingiverse i drukowanie 3D

Jak wspomniano w głównym zarysie tego projektu, możesz wydrukować swoje statki kosmiczne 3D w dowolnym momencie! Wymyśl własny projekt za pomocą ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 lub Rhino lub przejdź do Thingiverse i znajdź projekt Creative Commons do wydrukowania! Być może uda Ci się nawet zmodyfikować niektóre pliki, aby pasowały do Twojego unikalnego wyzwania projektowego! Te statki kosmiczne zostały wydrukowane na Taz Lulzbot 6 z PLA Village Plastics przy najwyższej prędkości (zajęło to mniej niż 2 godziny dla 7 statków kosmicznych).

Krok 8: Obwód LED kontaktronu

Kontaktron to przełącznik elektromagnetyczny, który jest włączany przez magnes znajdujący się w jego pobliżu.

Obwód ten zawiera kontaktron, diodę LED i zasilanie 3 V z 2 baterii AA.

Ten projekt określa podstawy działania kontaktronów.

Na schemacie poniżej możesz zobaczyć, gdzie znajduje się dioda LED i przełącznik.

Pakiet baterii posiada 2 przewody czarny i czerwony. Czarny przewód to uziemienie, a czerwony przewód to zasilanie.

Czerwony przewód zostanie przylutowany do obu końców kontaktronu.

Kontaktron zostanie przylutowany do dłuższego boku + diody LED. LED - krótki bok zostanie przylutowany do uziemienia czarnego przewodu prowadzącego do akumulatora.

Krok 9: Włączenie obwodu do płytki

Ważne jest, aby zmierzyć odległość, jaką magnes musi znajdować się na swoim miejscu do przełącznika. Bez testowania mógłbyś wywiercić otwór, który jest zbyt daleko od magnesu, a wtedy przełącznik nie będzie działał poprawnie. Siła magnesu oznacza, że między kontaktronem a magnesem może być szersza lub krótsza przerwa. Zmierzyliśmy to, a następnie wywierciliśmy otwór na diodę LED i otwór na przełącznik w naszej brzozowej desce.

Krok 10: Baw się dobrze

W tym momencie wykonałeś dużo ciężkiej pracy. Czas na kreatywność!

Użyj farby akrylowej (Molotow) w sprayu, aby uzyskać efekt kosmosu zarówno na akrylu, jak i drewnie. Użyj kolorów pasujących do Twojego projektu. Upewnij się, że nosisz ochronny respirator (najlepiej półmaskę lub maskę z parą organiczną), noś rękawiczki, aby chronić ręce i ZAWSZE pracuj w dobrze wentylowanym miejscu (nigdy w środku!).

Pozostaw koła zębate do wyschnięcia na około 24 godziny przed umieszczeniem ich na desce, aby uniknąć zarysowania farby.

Możesz także malować natryskowo swoje małe statki kosmiczne!

Krok 11: Lista materiałów i innych zasobów

Oto pełna lista materiałów i dalsze przydatne odniesienia:

Kontaktron

Rezystor 470Ω

1 dioda LED biała

Magnes Adobe

Aplikacja Illustrator CC do tworzenia plików wektorowych do cięcia laserowego

Program Bosslaser do konfiguracji pliku dla wycinarki laserowej.

Papier ścierny średniej jakości.

1/8 "Baltic sklejka brzozowa 48 cali długości x 27 cali wysokości x 2"

1/8 przezroczysty akryl 48 cali długości x 27 cali wysokości x 1

Farba akrylowa w sprayu w różnych kolorach

Respirator z wkładem organicznym

Rękawiczki

Wiertarka akumulatorowa (z różnymi wiertłami)

Klej do drewna

Klej błyskawiczny (do statków kosmicznych)

Cura-dla Lulzbota

Taz Lulzbot 6

PLA Village Plastic Filament

Przydatne referencje:

geargenerator.com/#200, 200, 100, 6, 1, 0, 0, 4, 1, 8, 2, 4, 27, -90, 0, 0, 16, 4, 4, 27, -60, 1, 1, 12, 1, 12, 20, -60, 2, 0, 60, 5, 12, 20, 0, 0, 0, 2, -563https://woodgears.pl/gear_cutting/szablon.html

demonstrations.wolfram.com/NoncircularPlan…

helpx.adobe.com/ca/illustrator/using/svg.h…