Ceasul de astronomie: 10 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

La scurt timp după ce au fost inventate primele ceasuri mecanice în secolul al XIV-lea, inventatorii au început să caute modalități de a reprezenta mișcarea cerurilor. Astfel, a fost creat ceasul de astronomie. Poate că cel mai cunoscut ceas de astronomie a fost creat la Praga în jurul anului 1410. În loc să arate doar ce oră este, arată și poziția relativă a stelelor pe măsură ce Pământul se rotește pe axa sa și se învârte în jurul Soarelui.

În acest proiect, veți învăța cum să creați un ceas de astronomie pe care îl puteți avea acasă. Afișează o hartă a stelelor care sunt în prezent pe cer - zi sau noapte. Harta cerului se schimbă pe măsură ce pământul se rotește. Proiectul implică componente mecanice, electronice și software. Veți avea nevoie de acces la o imprimantă 3D, un tăietor cu laser și câteva instrumente pentru prelucrarea lemnului pentru a finaliza proiectul. De asemenea, am folosit Python pentru a crea hărțile și designul stelelor încorporate în ceas. Poate că partea mea preferată a proiectului a fost integrarea tuturor acestor tehnologii împreună.

Acest proiect a fost complet original. Am scris software-ul pentru a rula ceasul, am creat desenele laser pentru carcasă și chiar am construit angrenajele și trenul de rulare. De asemenea, am scris software-ul pentru a face aspectul hărții stelelor.

Rezultatul final mi s-a părut că merită timpul pe care l-am petrecut punându-l împreună.

Pasul 1: Adunarea pieselor

Pentru acest proiect, veți avea nevoie de următoarele consumabile:

2 - bucăți de acril 11x14 (0,093 inch grosime)

Placă 1 - 1x6 lungime 6 ft.

1 - Arduino Uno

1 - Modul ceas în timp real

1 - motor pas cu pas 28bjy-48

1 - driver pas cu pas - UNL2003

Alimentare de 1 - 5 volți

1 - 36 inch led bandă de lumină

1 - foaie de placaj de 1/4 inch - 2x4 ft

1 - 8mm arbore metalic

2 - 608 rulmenți cu bile

1 - bucăți de placă de spumă neagră - aproximativ 12 x 12 inci

Diverse: sârmă, șuruburi pentru lemn (# 6 x 1 1/4 inch), sac de șuruburi de 6x32 x 0,75 inch + piulițe, o altă pungă de șuruburi de 4x40 x 0,75, pete de lemn (opțional)

De asemenea, veți avea nevoie de următoarele instrumente:

Acces la o imprimantă 3d

Acces la un gravor cu laser capabil să taie 1/4 din acril și lemn

Un ferăstrău de masă + router pentru a crea carcasa ceasului

Pasul 2: Imprimați angrenajele și piesele din plastic

Pentru început, va trebui să imprimați angrenajele și piesele din plastic pentru ceas. Am folosit Prusa I3 MK3, Slic3r și PETG pentru ceas. Cu toate acestea, aproape orice variantă ar trebui să funcționeze bine pentru acest proiect. Principala constrângere este că aveți nevoie de un pat mare de imprimare pentru a crea suportul pentru plăci și uneltele de 72 de dinți.

Aceasta este o descriere rapidă a fișierelor pe care trebuie să le imprimați:

suportul lagărului - Suportul lagărului ține două 608 lagăre pentru a susține arborele de antrenare. Se înșurubează pe partea din spate a plăcii de mijloc în ceas.

cuplaj - Această piesă din plastic leagă suportul plăcii și angrenajul cu 72 de dinți. Are o lungime de 25 mm, deci este proiectat pentru un ceas cu un spațiu de 2 inch între placa frontală și placa din mijloc care ține rulmenții.

suport pentru plăci - Suportul pentru plăci cuplează placa acrilică și suportul acesteia de arborele de acționare.

suport pentru arbore - Acesta este fișierul pentru un inel cu diametrul de 8 mm, care este utilizat pentru a ține arborele în loc când trece prin suportul rulmentului. Trebuie să imprimați două dintre acestea pentru proiect.

Angrenaj cu angrenaj (18 dinți) - Această presiune a angrenajului cu angrenaj se potrivește pe arborele motorului pas cu pas.

Angrenaj spur (72 dinți).- Acest angrenaj se cuplează la arborele de antrenare al ceasului și întoarce suportul plăcii și placa acrilică.

suport motor - o placă pentru a ține motorul pas cu pas

Proiectarea mecanică de bază este prezentată în diagramele de mai sus. Placa frontală este atașată la porțiunea hărții stelare care se rotește (Rete). Acesta este conectat printr-un arbore la o roată dințată cu 72 de dinți. Motorul pas cu pas (28BYJ48) acționează un angrenaj cu 18 dinți care rulează ceasul. Motorul în sine se află în placa suportului motorului, astfel încât să poată fi reglat pe placa centrală a ceasului.

Sistemul de susținere a lagărului care ține arborele este înșurubat pe o placă centrală în cadrul ceasului. Rulmenții folosiți sunt 608 rulmenți normali (22 mm diametru exterior, 8 mm diametru interior, 7 mm grosime) care merg pe interiorul și exteriorul piesei de susținere a ursului. Arborele se cuplează la angrenaje și totul este lipit pe arbore pentru a-l ține laolaltă.

Angrenajele și piesele din plastic au fost create folosind Fusion 360. Sunt un pic nou pentru software, dar instrumentul suplimentar de generare a uneltelor a funcționat foarte bine pentru a pune acest lucru împreună. Descoperirea modului de utilizare a software-ului a fost unul dintre scopurile principale ale acestui proiect pentru mine.

Puteți accesa fișierul de proiectare pentru piesele 3d aici: Fusion 360 Astronomy Clock

Pasul 3: Etch cu laser piesele acrilice

Șabloanele acrilice pentru Rete (partea cu stele pe ea) și placa (partea din față) sunt atașate mai sus. Această hartă stelară a fost setată pentru o latitudine de aproximativ 40 de grade nord și ar trebui să funcționeze destul de bine pentru majoritatea oamenilor. Hărțile în sine au fost generate folosind software-ul pe care l-am scris în python.

github.com/jfwallin/star-project

Nu aș recomanda să săpați dacă nu vă place foarte mult codificarea în python și astronomie. Nu este încă atât de bine documentat, dar este disponibil dacă doriți să-l utilizați. Am petrecut mult timp lucrând la probleme estetice precum dimensiunea stelelor, fonturile, locația etichetelor etc. Rezultatul părea similar cu orice altă planisferă și, cu siguranță, alte modele de planisferă ar funcționa pentru acest proiect.

În principiu, există două categorii de fișiere:

placă - Piesele care au imprimată harta stelelor.

rete - Piesele care au fereastra prin care vizualizați stelele imprimate pe ele.

NU este nevoie să le tipăriți pe toate, dar m-am gândit că ar putea fi util să le includ într-o varietate de formate.

După ce am generat Rete și Plate folosind codul python, le-am importat în Adobe Illustrator pentru a adăuga elementele grafice necesare pentru gravare. Am răsturnat harta stelelor, care este gravată pe partea din spate a acrilului, pentru ca iluminarea din spate să arate puțin mai frumos.

Dacă nu aveți acces la un gravor cu laser, puteți imprima doar placa și Rete pe hârtie și apoi le puteți lipi pe o bază de placaj. Nu ar avea aspectul acrilic strălucitor, dar ar fi totuși, dar totuși, ar fi un ceas frumos pe care să-l ai pe manta pentru a-ți arăta rotația stelelor în fiecare zi. Gravarea unui design metalic ar conferi ceasului un aspect cool de punk cu abur.

(Notă: a existat o corecție în șablonul plăcii acrilice care a fost adăugată după ce au fost făcute unele fotografii.)

Pasul 4: Etch cu laser piesele din lemn

Fișierele Adobe Illustrator pentru piesele din placaj pentru ceas sunt atașate mai sus. Există patru părți din placaj care trebuie tăiate cu laser. Puteți utiliza cu ușurință o mașină CNC pentru a realiza aceste piese sau chiar tăiați acolo cu un ferăstrău de masă și un ferăstrău cu role. Trebuie doar să potriviți piesele imprimate de pe ultima placă cu trepte și fața ceasului.

placaj cu spate - Acesta este doar o foaie de 11x11 inch cu placaj de 1/8, care servește drept partea din spate a ceasului. Am pus un design de stea pe el, pentru că arăta grozav.

ceas-centru-placaj - Acesta este, de asemenea, o foaie de placaj de 11x11 în, dar l-am tăiat din placaj de 3/8 inch. Are o gaură cu diametrul de 9 mm în centru pentru arborele de acționare. Motorul pas cu pas, arborele de transmisie și dispozitivele electronice pentru ceas sunt montate pe această piesă.

ceas-față-placaj - Aceasta este piesa din față a ceasului. Din nou, aceasta este o piesă de 11x11 inch, de 1/8 în placaj. Are o gaură circulară în centru împreună cu 4 găuri pentru șuruburile 6x32 care atașează placa în față.

ceas-placa-placaj - Această piesă de placaj (1/8 inch) vă permite să montați placa de plexiglas. În cele din urmă veți pune o bucată de placă de spumă neagră între placaj și acril. Această piesă se montează și pe suportul pentru plăci imprimate 3D.

Pasul 5: Asamblați carcasa ceasului

Cutia care ține ceasul este făcută dintr-o bucată de lemn de 1x6 care avea aproximativ 6 metri lungime.

Ideea de bază este de a face o cutie care să conțină bucățile de lemn de 11x11 inch în caneluri de dado. Mi-am dimensionat cutia pentru a avea o dimensiune exterioară de 12 inci și o dimensiune interioară de 10,5 inci. Toate bucățile ceasului trebuie să aibă trei șanțuri de dado introduse în ele. Pentru versiunea mea, am bucăți de lemn de 12x6x0,75 și două bucăți de lemn de 10,5x6x1.

Șanțurile pentru partea din față și partea din spate a ceasului sunt inserate la aproximativ 1/2 inch față și partea din spate a pieselor de lemn. Am folosit un bit de router 1/8 pe o masă de router pentru a face aceste sloturi. După ce am verificat potrivirea cu placajul, am compensat gardul de masă al ruterului cu un smidge (aproximativ 1/32 de inch în unități imperiale) și apoi l-am trecut din nou.

Șanțul dado central care ține placa centrală a fost, de asemenea, tăiat pe masa routerului, deoarece am folosit 3/8 în placaj pentru această piesă, am făcut o ajustare suplimentară a gardului mesei routerului pentru a face gaura mai largă. Aveți aproximativ 2 centimetri de spațiu între placa de font și placa centrală din cutie, așa că reglați masa în consecință.

Pentru ambele tăieturi, am făcut câteva pase pentru fiecare tablă. De asemenea, am parcurs plăcile de câteva ori pentru a mă asigura că tăieturile sunt curate.

Dado-urile pentru cele două plăci laterale erau pentru toată lungimea plăcii. Cu toate acestea, pentru piesele superioare și inferioare mai lungi, am folosit două blocuri de oprire pe masa routerului pentru a introduce lama în lemn la aproximativ 1/2 inch distanță de la începutul și sfârșitul pieselor de lemn. Practic, nu am vrut ca canelurile să fie vizibile în exteriorul carcasei. Toate canelurile au o adâncime de aproximativ 1/4 pentru a ține placajul.

După ce ați tăiat bucățile, asamblați temporar carcasa și șlefuiți orice margine care ar putea ieși. De asemenea, veți dori să luați orice margini ascuțite de pe părțile exterioare ale carcasei ceasului. Când sunteți mulțumit de caz, îndepărtați panoul superior și asigurați-vă că plăcile de placaj se potrivesc efectiv în canelurile pe care le-ați dirijat. Am aflat că trebuie să-mi scot 1/8 din farfurii cu un ferăstrău de masă pentru ca lucrurile să se potrivească confortabil în cutia pe care am creat-o.

Deoarece acesta a fost un prototip, am tăiat câteva colțuri atunci când am făcut cazul în acest proiect. Am folosit plop pentru ceas, dar numai pentru că aveam o scândură disponibilă în magazinul meu. Ar arăta mai frumos în cireș sau nuc. De asemenea, am folosit doar articulații simple cu șurub pentru ao ține împreună cu o construcție simplă de suprapunere. Șuruburile vor fi în partea de sus și de jos a ceasului, deci nu vor fi foarte vizibile atunci când este pe manta de lângă șemineul meu. (De asemenea, am menționat că este un prototip?). Următoarea versiune a ceasului va utiliza articulații mitrate.

Pasul 6: Asamblați piesele mecanice pentru ceas

Asamblarea părților mecanice ale ceasurilor durează câteva minute, dar este relativ simplă.

Conectați placa stelară, placa de placaj, roata dințată cu 72 de dinți și suportul plăcii de plastic împreună:

1. Folosind suportul plăcii de placaj ca șablon, decupați o bucată de placă de miez din spumă neagră pentru a avea aceeași dimensiune. Am un cuțit Exacto pentru a crea această piesă, dar un ferăstrău cu role ar putea funcționa la fel de bine. (Notă importantă: NU TĂIAȚI CU LASERUL MIELE DE SPUMĂ. Produce vapori toxici.)
2. Centrați suportul pentru plăci de lemn pe suportul pentru plăci imprimate 3D. Măsurați și apoi găuriți patru găuri de șurub pentru a le alinia cu cele din suportul de plastic. Atașați suportul de plastic la suportul plăcii de placaj folosind șurub și piulițe de 6x32 1 inci. Tăiați găuri mici în placa de spumă pentru a găzdui capetele șuruburilor.
3. Îndepărtați placa de stea acrilică, placa de spumă cu găurile de șuruburi și placa de placaj împreună. Există patru găuri în placa de placaj și în placa de stea acrilică. Va trebui să utilizați șuruburi de 1 x 6 inci pentru a conecta aceste piese împreună. Desigur, va trebui să faceți o gaură prin placa de miez din spumă și prin hârtia de construcție în locațiile corespunzătoare.
4. Lipiți cuplajul pe suportul plăcii. Am adăugat o toleranță de 0,1 mm între file și găuri pentru a mă asigura că se potrivește bine.
5. Lipiți roata dințată cu 72 de dinți pe suport. Aceasta va finaliza asamblarea plăcii stelelor de ceas. Am folosit lipici Gorilla pentru a cimenta uneltele de 72 de dinți, cuplajul și suportul de plăci împreună.

Pasul 7: Începeți să asamblați carcasa pentru ceas

Asamblați placa frontală: înșurubați rețeaua acrilică pe placa frontală din placaj a ceasului folosind patru șuruburi și piulițe de 6x32 1-inch (sau chiar 3/4-inch).

Adăugați banda LED cu lumină de fundal: luați banda LED și fixați-o între placa centrală a ceasului și placa frontală a ceasului. (Poate fi util să scoateți placa frontală a ceasului pentru a face acest lucru.). Asigurați-vă că banda este bine fixată și nu interferează cu rotația mecanismelor de ceas sau a motorului pas cu pas. Poate doriți să utilizați capse sau lipici pentru a le menține în poziție. Puneți placajul frontal cu rețeaua acrilică în carcasa ceasului. Așezați placa de mijloc cu mecanismul ceasului și în carcasa ceasului. Asigurați-vă că treceți cu grijă firul de alimentare pentru banda LED prin placa din mijloc. O gaură a fost plasată la baza plăcii pentru a face acest lucru.

Pasul 8: Asamblați placa de mijloc și conectați ceasul

Acum este timpul să puneți împreună placa de mijloc a ceasului. Aceasta include suportul mecanic al axei de acționare și al motorului, împreună cu cablarea electronice pentru proiect.

Montați suportul rulmentului și motorul pas cu pas pe placa din mijloc: Atașați motorul pas cu pas pe placa din mijloc folosind două șuruburi și piulițe 6x32. Rulați firul de la stepper la partea din spate a plăcii. Luați suportul de rulment imprimat 3D și strângeți doi 608 rulmenți în partea din față și din spate a suportului. S-ar putea să trebuiască să reglați această parte dacă imprimanta dvs. 3D este ușor oprită, totuși am reușit să mă potrivesc perfect folosind PETG și imprimanta mea Prusa. Înșurubați suportul în spatele plăcii din mijloc. Asamblați mecanismele de ceas pe arborele de acționare: împingeți arborele metalic de 8 mm prin angrenajul cu 72 de dinți și prin placa orificiului din plastic, astfel încât să se așeze lângă suportul plăcii de placaj. Așezați celălalt capăt al arborelui metalic de 8 mm prin placa centrală și suportul lagărului. Așezați placa centrală în cutie, asigurându-vă că există suficient spațiu pentru ca rotița stelară să se rotească în spatele șuruburilor care mențin rețeaua din plastic din față. Măsurați și marcați un loc pentru a tăia arborele, astfel încât să se încadreze confortabil în cutie. Veți dori să aveți suficient arbore pentru a lipi două piese de blocare a arborelui înainte și după rulment. Odată ce ați făcut această măsurare, scoateți ansamblul angrenajului / plăcii și scoateți arborele din suportul lagărului. Tăiați arborele cu ajutorul unui ferăstrău, astfel încât să se încadreze complet în carcasă, dar să aibă și o secundă de 0,5 până la 1 cm care să iasă din spatele suportului rulmentului. Odată ce arborele este tăiat la lungimea potrivită, reasamblați placa / roata dințată cu 72 dinți pe placă și lipiți-o în poziție. Adăugați o blocare a arborelui chiar în spatele ansamblului, apoi introduceți arborele prin suportul lagărului. După ce ați confirmat din nou ajustarea, lipiți blocarea arborelui pe arbore. Lipiți o a doua blocare a arborelui pe arborele din spatele suportului rulmentului.

Ordinea mecanismului ceasului va fi:

1. placă acrilică
2. placa de miez din spumă
3. suport placă placaj
4. Suport pentru farfurii imprimate 3D
5. cuplaj
6. 72 unelte dentare
7. blocare arbore
8. lagărul plăcii de susținere centrală + suportul lagărului + blocarea arborelui lagărului
9. blocare arbore

Ca ultim pas, apăsați pentru a fixa roata dințată cu 18 dinți pe motorul pas cu pas. Reglați și strângeți motorul pas cu pas, astfel încât angrenajele de 72 și 18 dinți să se unească și să se miște ușor. Strângeți șuruburile motorului pas cu pas în poziție.

Sârmă electronică:

Schema de conectare a ceasului este relativ simplă. Trebuie să conectați modulul de ceas în timp real la pinii SDA și SCL, împreună cu +5 volți și la masă pe Arduino. De asemenea, trebuie să conectați pinii IN1 prin IN4 de pe driverul pas cu pas UNL2003A la pinii 8-11 de pe Arduino, împreună cu conectarea la sol. Un comutator și un rezistor de 1k Ohm trebuie conectați între pământ și pinul 7 al Arduino. În cele din urmă, o sursă de alimentare trebuie atașată la placa UNL 2003A și la Arduino de la o sursă de alimentare de 5 volți.

Iată un set mai detaliat de descrieri:

1. Lipiți o sârmă pe o parte a butonului. Atașați acest lucru la pinul 7 de pe Arduino.
2. Lipiți un rezistor de 1k pe cealaltă parte a butonului, astfel încât butonul de intrare să fie împământat atunci când nu este apăsat.. Pe cealaltă parte a butonului, legați-l la +5 volți..
3. Conectați cele patru fire între pinii 8, 9, 10 și 11 la pinii UNL 2003A IN1, IN2, IN3 și IN4.
4. Conectați punctele SCL și SDA de pe modulul de ceas în timp real la pinii corecți de pe Arduino.
5. Conectați solul Arduino la modulul de ceas în timp real și la plăcile UNL 2003A.
6. Creați un splitter de alimentare pentru alimentarea dvs. de 5 volți (2 amperi ar trebui să fie suficiente) și conectați-l la placa Arduino și la placa UNL 2003A.
7. În cele din urmă, trebuie să atașați sursa de alimentare cu LED prin stratul de mijloc al ceasului și să filetați în partea din spate a carcasei. Veți dori ca controlerul LED să iasă în spate, astfel încât să puteți schimba modelul de iluminare de pe ceas.

Va trebui să legați +5 volți la driverul pas cu pas și +6 la +12 volți la Arduino. Am încercat fără succes să folosesc o singură sursă de alimentare pentru acest lucru, dar probabil aș fi folosit un sistem de 2 amperi de 7 volți cu un regulator de putere pentru stepper dacă aș avea ceva mai mult timp.

Asigurați-vă că tensiunea dintre motor și angrenaje nu este nici prea strânsă, nici prea slabă. Verifică totul. Când toate cablurile sunt la locul lor și piesele sunt fixate, glisați cu grijă ansamblul în poziție.

Cu toate acestea - nu conectați încă sursa de alimentare. Mai întâi trebuie să programăm placa

Pasul 9: Programați Arduino

Programarea Arduino a fost destul de simplă. Acesta este modul în care funcționează codul:

1. Când începe codul, inițializează un contor de pași și preia ora din modulul de ceas în timp real. Numărul de pași pentru motor este inițializat, de asemenea, împreună cu alte câteva variabile despre sistem.
2. Ora este convertită din ora locală în ora siderală locală. Deoarece Pământul se rotește în jurul Soarelui în timp ce acesta se rotește pe axa sa, timpul necesar stelelor pentru a se roti este cu aproximativ 4 minute mai scurt decât timpul necesar pentru a se roti în poziția Soarelui (medie). Subrutina de timp siderală din cod a fost modificată de pe acest site. Cu toate acestea, au existat câteva greșeli în cod, așa că m-am actualizat pentru a utiliza algoritmul total aproximativ al timpului sideral creat de Observatorul Naval al SUA.
3. Când începe bucla principală, calculează cât timp a trecut (în ore sidereale) de la pornirea ceasului. Se uită apoi la contorul de pași curent și calculează câți pași ar trebui adăugați, astfel încât rotația ceasului să fie aliniată cu ora curentă. Acest număr de pași este trimis la Arduino pentru a muta discul.
4. Dacă este apăsat un buton în bucla principală, discul se mișcă înainte cu o viteză mai mare. Acest lucru vă permite să setați discul la ora și data curente. Ceasul nu păstrează numărul de pași după o resetare a alimentării și nu există un codificator care să indice poziția absolută a discului. Aș putea adăuga acest lucru într-o versiune viitoare a proiectului.
5. După ce mișcați ceasul, sistemul intră în repaus pentru o anumită perioadă de timp și repeta ultimii doi pași.

Am făcut o grămadă de experimente cu stepper-ul pentru a mă asigura că știu de câți pași sunt de fapt necesari pentru o singură rotație. Pentru stepper-ul meu, era 512 x 4 cu biblioteca standard Arduino Stepper. În cod, am setat RPM-ul să fie 1. Totuși, acest lucru este dureros de lent atunci când setați ceasul, viteze mai mari au avut tendința de a avea mai mulți pași ratați.

Pasul 10: Conectați-l și setați ora

După ce ați încărcat codul, conectați sursele de alimentare la Arduino și la stepper. Conectați totul, inclusiv lumina din spate. Folosiți telecomanda pentru a aprinde lumina.

Acum tot ce trebuie să faceți este să apăsați butonul pentru a alinia ora și data. Doar asigurați-vă că ora curentă de pe rețeaua exterioară de plastic este aliniată cu luna și ziua de pe placa acrilică interioară. Felicitări! Ai un ceas de astronomie.

Odată ce timpul este setat, ar trebui să obțineți impulsuri de la stepper la fiecare 8 secunde sau cam așa pentru a actualiza câmpul stea. Este o rotație SLOW de 24 de ore, deci nu vă așteptați la multă acțiune în acest sens. Evident, puteți (și ar trebui!) Să finalizați cazul.

După cum am spus, acesta este un prototip. În general, sunt mulțumit de rezultatele obținute, dar aș schimba puțin în următoarea versiune. Când l-am reconstruit, probabil că voi folosi steppers NEMA în loc de versiunile ieftine-o. Cred că puterea de păstrare și fiabilitatea le-ar face mai ușor de utilizat. Angrenajul a funcționat bine, dar simt că am pus un pic prea mult joc în treptele pe care le-am proiectat. Probabil că aș face asta și altfel.

În cele din urmă, am vrut să le mulțumesc oamenilor de la Biblioteca MTSU Walker pentru ajutorul acordat în construirea acestui lucru. Am folosit Laser Etcher în spațiul lor Maker pentru a face piese tăiate din acril și lemn și am avut multe discuții productive cu Ben, Neal și restul grupului Makerspace când mă gândeam la ceas.

Premiul II la Concursul de ceasuri