Ceas cu unelte planetare: 6 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Ceasurile mecanice (vechi) sunt incredibil de interesante și plăcute de vizionat, dar din păcate sunt aproape imposibil de construit. Ceasurilor mecanice le lipsește, de asemenea, neglijența tehnologiei digitale precise disponibile astăzi. Acest Instructable vă arată o modalitate de a combina cele mai bune din ambele lumi; prin acționarea acelor mecanice ale ceasului printr-o cutie de viteze planetară cu un motor pas cu pas și un Arduino!

Provizii

Componente generale:

• Lemn de 5mm și tablă acrilică
• Șuruburi M5 (înfundate), șaibe și piulițe
• Standoffs PCB
• Șuruburi M3 pentru motorul pas cu pas

Componente electrice:

• Driver pas cu pas (am folosit L293d)
• Orice tip de Arduino
• Ceas în timp real (am folosit DS3231)
• Senzor de efect Hall (am folosit A3144)
• Magnet de neodiu de 5 mm
• Butoane pentru introducerea utilizatorului
• Rezistor de 10K
• Condensator 100uf 25V
• Mufa DC
• Sursa de alimentare 5V 2A DC
• Baterie pentru RTC (cr2032 în cazul meu)

Componente mecanice:

• Orice tip de motor pas cu pas de 1,8 grade / pas cu ax de 5 mm
• Curea de distributie GT2 400mm
• Fulie GT2 60 dinți de 5 mm
• Fulie GT2 cu 20 de dinți de 5 mm
• Rulment 5x16x5 mm (3x)
• Rulment cu flanșă 5x16x5 mm (2x)
• Tijă filetată M5x50

Pasul 1: Proiectarea și realizarea uneltelor

Unul dintre obiectivele acestui proiect a fost acela de a avea un motor care acționează ceasul complet, similar cu un ceas mecanic real în care un mecanism de evacuare acționează ceasul complet. Maneta de minute trebuie totuși să facă 12 rotații în timpul în care maneta de ore face 1 rotație. Aceasta înseamnă că este necesară o cutie de viteze cu reducere 1:12 pentru a conduce ambele mâini cu un singur motor. Am decis să fac asta cu o cutie de viteze planetară, videoclipul inclus explicând frumos cum funcționează acest tip de cutie de viteze.

Următorul pas pentru mine a fost să stabilesc numărul de dinți pentru diferitele unelte pentru a crea un raport de 1:12. Acest site a fost foarte util și conține toate formulele necesare. Am atașat uneltele de soare la aripa minutelor și suportul planetei la aripa orelor, lăsând angrenajul inelar staționar. Să facem un pic de matematică!

• S = numărul de dinți de pe dispozitivul solar
• R = numărul de dinți pe roata dințată
• P = numărul de dinți de pe angrenajul planetei

Raportul de transmisie (i) este determinat de:

i = S / R + S

Rețineți că numărul de dinți de pe angrenajul planetei nu contează pentru raportul de transmisie în acest caz, totuși trebuie să respectăm constrângerea generală:

P = (R - S) / 2

După câteva nedumeriri am ajuns să folosesc următoarele numere: S = 10; R = 110; P = 50; Se pare că sunt la marginea a ceea ce este posibil, deoarece există foarte puțin spațiu liber între angrenajele planetei, dar funcționează!

Puteți trage treptele în programul dvs. CAD preferat, majoritatea având pluginuri speciale pentru echipamente. De asemenea, puteți utiliza doar fișierele atașate la acest instructabil. desigur. Rețineți că toate uneltele, deși diferă în ceea ce privește dimensiunile, au același pas dentar.

M-am gândit că ar fi minunat să fac aceste unelte din aluminiu de 5 mm și am contactat un magazin local cu jet de apă dacă ar putea să taie aceste unelte pentru mine. În mod normal, nu ați face niciodată unelte cu freze de apă, dar acestea sunt unelte cu performanțe foarte scăzute. În mod surprinzător, au fost de acord să încerce, dar acest plan a eșuat îngrozitor. Piesele erau pur și simplu mici pentru jetul de apă și au început să se miște în timp ce tăia.

Acest eșec a însemnat că a venit timpul pentru planul B, așa că am cumpărat niște acril negru de 5 mm fum și am găsit un loc cu un tăietor cu laser, care nu a avut nicio problemă să-mi tai uneltele. Dacă nu aveți la dispoziție un dispozitiv de tăiere cu laser, puteți utiliza, de asemenea, o imprimantă 3D pentru aceste unelte, am inclus fișierele STL (angrenajul poate fi necesar să fie împărțit în 3 părți).

După tăiere am apăsat rulmenții montați în angrenajele planetare. Pentru a se potrivi corect, am făcut o piesă de test din acril cu mai multe găuri, fiecare având un diametru ceva mai mare (trepte de 0,05 mm). După ce am găsit setarea cu potrivirea corectă, am schimbat dimensiunea găurii din uneltele planetei la această setare. Acest lucru diferă de materialul și tipul de mașină, așa că ar trebui să faceți întotdeauna acest lucru singur.

Pasul 2: Asamblarea sistemului de transmisie

Pentru a asambla treptele de viteză, este necesar cadrul cadrului. Acum aceasta este partea în care vă puteți lăsa creativitatea sălbatică, deoarece forma cadrului este relativ neimportantă, atâta timp cât toate găurile de șuruburi sunt la locul potrivit. Am ales să fac o mulțime de găuri în placa de cadran și placa din spate pentru a sublinia mecanismul de transmisie. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care purtătorii planetei și mâna de minute sunt un fel de transparență, dar, de asemenea, arată pur și simplu!

Am folosit încă o dată tăietorul cu laser pentru a realiza aceste piese și, din moment ce părțile acrilice au o grosime de 5 mm, am făcut și piesele din lemn cu grosimea de 5 mm. Toate găurile din plăcuța cadranului și purtătorul planetei au fost înfundate pentru a se potrivi șuruburilor potrivite.

Axa centrală a ceasului se desfășoară în două rulmenți în interiorul purtătorilor planetei. Deoarece am făcut această axă din bare de 5 mm, se potrivește foarte bine în rulmenți și nu am mai putut dezasambla aceste componente. Ar fi mult mai ușor să folosiți doar o bucată de fir M5, deoarece, de asemenea, nu ar mai trebui să vă tăiați propriul fir (dacă mi-aș fi dat seama în prealabil …..). Pentru a opri rotația solară să se rotească în jurul axului, acesta are o gaură în formă de D, deci axul trebuie, de asemenea, să fie așezat în această formă în D. Când dispozitivul solar se potrivește în jurul axului, puteți asambla axul, nu uitați de suporturile planetei dacă utilizați rulmenți cu flanșă! Consultați imaginea explodată pentru instrucțiuni de asamblare.

Când axa centrală este montată, timpul său este pentru viteza planetei. Acestea au nevoie și de șaibe mici, la fel ca puntea centrală, pentru a vă asigura că angrenajele funcționează fără probleme. Odată ce totul este montat pe suporturile planetei, verificați dacă angrenajele și uneltele solare funcționează fără probleme.

Partea centrală poate fi acum montată în cadrul ceasului. Aceasta este o treabă plictisitoare, dar lipirea șuruburilor prin placa frontală și lipirea lor la loc ajută foarte mult. De asemenea, poate fi util să ridicați placa frontală pentru a crea spațiu pentru minutul. Fotografiile arată că am așezat șase bucăți mici de hârtie între inelul de viteze și placa din spate pentru a oferi un pic de spațiu liber pentru angrenaje. Atunci când introduceți suportul planetei, asigurați-vă că cadranele sunt îndreptate către o locație sensibilă (dacă mâna minutelor jourului este la 12, mâna orelor nu trebuie să fie între două ore de exemplu)

Pasul 3: Conectarea Stepper-ului și a senzorului

Acum că avem un mecanism de transmisie care acționează corect mâinile, trebuie totuși să acționăm corect mecanismul de transmisie. Pot fi utilizate diferite tipuri de motoare electrice, am ales un motor pas cu pas, deoarece poate face mișcări precise fără senzori de feedback unghiular constant. Un motor pas cu pas poate, de asemenea, să scoată un adevărat sunet „Click”, ceea ce este minunat pentru ceasul semi-mecanic!

Un motor pas cu pas obișnuit poate face 200 de pași pe rotație, ceea ce se traduce în 200 de pași pe oră dacă îl conectăm la maneta de minute. Acest lucru ar însemna un interval de 18 secunde pe pas, care nu sună încă ca un ceas ticăit. Prin urmare, am folosit o transmisie 1: 3 între motorul pas cu pas și minutele, astfel încât motorul pas cu pas trebuie să facă 600 de pași pe oră. Folosind modul în jumătate de pas, acesta poate fi mărit la 1200 de pași pe oră, ceea ce este egal cu un pas la 3 secunde. Suna mai bine!

O problemă cu motoarele pas cu pas este că nu știi niciodată unde sunt când îți pornești Arduino. Acesta este motivul pentru care toate imprimantele 3D au opriri finale, astfel încât să puteți muta imprimanta într-o poziție cunoscută și apoi să continuați din acel punct. Acest lucru este necesar și pentru ceas, doar o oprire de capăt nu va funcționa, deoarece un ceas ar trebui să facă rotații continue. Pentru a realiza această detectare a poziției am folosit un senzor de efect Hall A3144 care detectează un magnet (verificați polaritatea! ….) atașat la suportul planetei. Aceasta este utilizată pentru a muta mâinile într-o poziție specifică la pornire, după care se pot deplasa la timpul necesar.

Asamblarea este foarte simplă; Atașați motorul pas cu pas la placa din spate, lăsând șuruburile ușor slăbite. Apoi, puteți monta fulia mică pe axa motorului pas cu pas și puteți verifica dacă cureaua de distribuție funcționează drept. Acum puteți glisa motorul pas cu pas pentru a regla tensiunea pe cureaua de distribuție. Centura de distribuție are nevoie de un pic de joc pentru a vă asigura că nu puneți stres pe angrenaje. Jucați-vă cu această setare până când sunteți mulțumit, apoi strângeți complet șuruburile motorului pas cu pas.

Senzorul de efect hall este lipit pe loc. Este mai bine să lipiți mai întâi trei fire la senzor, asigurându-vă că puneți căldură în jurul fiecărui picior al senzorului, astfel încât să nu se poată scurta reciproc. După lipire, senzorul poate fi lipit în poziție. Nu contează cu adevărat care parte este în sus, atâta timp cât nu ați atașat magnetul încă. După ce ați lipit senzorul la locul său, conectați-l la un Arduino sau la un mic circuit LED pentru a testa dacă funcționează. (NOTĂ: senzorul de efect hall funcționează numai dacă liniile câmpului magnetic merg în direcția corectă). Folosind acest circuit de testare, verificați cum ar trebui lipit magnetul. Odată ce sunteți absolut sigur care parte a magnetului dvs. trebuie să fie orientată către senzor, lipiți magnetul în poziție.

Pasul 4: Aparatele electronice care fac ceasul bifat

Puteți utiliza un cod Arduino foarte simplu, care face o jumătate de pas cu motorul și apoi are o întârziere de 3000 de milisecunde până la următorul pas. Acest lucru ar funcționa, dar nu este foarte precis, deoarece ceasul intern Arduino nu este ultra precis. În al doilea rând, Arduino ar uita de fiecare dată când își pierde puterea.

Prin urmare, pentru a ține evidența timpului, este mai bine să folosiți un ceas în timp real. Aceste lucruri sunt cipuri special concepute, cu o baterie de rezervă, care urmăresc cu precizie timpul. Pentru acest proiect am ales DS3231 RTC care poate comunica cu un Arduino prin i2c, facilitând cablarea. Odată ce ați setat corect ora pe cipul său, nu va uita niciodată ce oră este (atâta timp cât bateriei cr2032 îi rămâne ceva suc). Consultați acest site web pentru toate detaliile despre acest modul.

Conducerea motorului pas cu pas se face cu un driver de motor L293d. Unii șoferi de motor pas cu pas mai avansați folosesc un semnal PWM pentru micro-pas și limitarea curentului. Acest semnal PWM poate face zgomotul enervant peep pe care îl cunoaște fiecare producător (mai ales dacă dețineți o imprimantă 3D). Deoarece acest ceas ar trebui să devină parte a interiorului dvs., nu sunt dorite zgomote urâte. Prin urmare, am decis să folosesc driverul de motor low-tech l293d pentru a mă asigura că ceasul meu este silențios (în afară de pasul la fiecare 3 secunde, dar asta este de fapt plăcut!). Consultați acest site web pentru o descriere detaliată a cipului l293d. Rețineți că îmi rulez motorul pas cu pas la 5V, ceea ce reduce consumul de energie și temperatura motorului pas cu pas.

Așa cum am menționat anterior, folosesc un senzor de efect Hall pentru a detecta un magnet lipit de purtătorul planetei. Principiul de funcționare al senzorului este foarte simplu, schimbă starea atunci când un magnet este suficient de aproape. În acest fel, Arduino poate detecta un nivel digital ridicat sau scăzut și, prin urmare, poate detecta dacă un magnet este aproape. Consultați acest site web care arată cum să conectați senzorul și arată codul simplu utilizat pentru detectarea magnetului.

Nu în ultimul rând, am adăugat 4 butoane pentru introducerea utilizatorului pe PCB. Folosesc rezistențele interne de tragere Arduino pentru a simplifica cablarea. PCB-ul meu are, de asemenea, anteturi într-o configurație Uno, așa că aș putea adăuga scuturi Arduino pentru eventuale expansiuni (nu am făcut asta până acum).

Am testat mai întâi totul pe panoul meu de calcul și apoi am proiectat și comandat un PCB personalizat pentru acest proiect, deoarece arată minunat! De asemenea, ați putea monta PCB-ul pe spatele ceasului, dacă nu doriți să îl priviți.

Fișierele Gerber pentru PCB pot fi descărcate de pe unitatea mea, Instructables nu mă lasă să le încarc din anumite motive. Utilizați acest link către Google Drive.

Pasul 5: Programarea Arduino

Codul de bază pentru Arduino este de fapt foarte simplu. Am atașat o schemă care vizualizează ce se întâmplă în interiorul Arduino și modul în care Arduino se interfață cu celelalte dispozitive. Am folosit mai multe biblioteci pentru a simplifica codarea.

• Accelstepper -> gestionează secvența de pas a motorului pas cu pas, vă permite să dați comenzi intuitive precum: Stepper.runSpeed () sau Stepper.move () care vă permit să vă deplasați la o anumită viteză sau, respectiv, la o anumită poziție.
• Wire -> acest lucru este necesar pentru comunicarea i2c, chiar și atunci când se utilizează RTClib
• RTClib -> gestionează comunicarea dintre Arduino și RTC, vă permite să dați comenzi intuitive precum rtc.now () care returnează ora curentă.
• OneButton -> Manipulează butonul de intrare, detectează apăsările și apoi rulează un gol pre-specificat pentru a face ceva. Poate detecta apăsări simple, duble sau lungi.

Când scrieți codul pentru un ceas, este foarte important să evitați să aveți variabile care continuă să crească. Deoarece codul Arduino va rula 24/7 aceste variabile vor deveni rapid din ce în ce mai mari și vor provoca în cele din urmă o revărsare. De exemplu, motorul pas cu pas nu este comandat să meargă într-o anumită poziție, deoarece această poziție ar crește doar în timp. În schimb, motorul pas cu pas este comandat să deplaseze un anumit număr de trepte într-o anumită direcție. În acest fel, nu există nicio variabilă de poziție care crește în timp.

Prima dată când conectați RTC, trebuie să setați ora cipului, există o bucată de cod pe care o puteți descomenta care setează timpul RTC egal cu timpul computerului dvs. (ora din momentul în care compilați codul). Rețineți că, atunci când lăsați acest comentariu necomentat, ora RTC va fi resetată la ora la care ați compilat codul de fiecare dată. Deci, descomentați acest lucru, rulați-l o dată și apoi comentați-l din nou.

Am atașat codul meu la acest instructabil, l-am comentat amănunțit. Puteți să-l încărcați fără modificări sau să îl verificați și să vedeți ce părere aveți!

Pasul 6: Bucurați-vă de sunetul ceasului dvs. pentru prima dată

După conectarea tuturor electronicelor și încărcarea codului, acesta este rezultatul!

Designul de bază al acestui ceas este foarte simplu și ar putea fi realizat în multe forme și dimensiuni diferite. Deoarece există un Arduino la bord, puteți adăuga cu ușurință funcții suplimentare. Setarea unei alarme, pornește ceasul la mașină de cafea la o oră stabilită, conectivitate la internet, moduri demo cool care evidențiază mișcarea mecanică pentru a arăta designului tău altora și multe altele!

Așa cum ați fi observat de-a lungul acestui Instructable, a trebuit să-mi desfac ceasul pentru a scrie acest Instructable. Deși nefericit pentru acest instructabil, măcar pot garanta că designul funcționează foarte bine pe termen lung, deoarece acest ceas bifează de mai bine de 3 ani în camera mea de zi fără probleme!

Vă rog să-mi spuneți în comentarii dacă v-a plăcut acest Instructable, este prima dată când scriu unul. De asemenea, dacă aveți sfaturi sau întrebări, trimiteți-mi un mesaj. Și sper că am inspirat pe cineva să construiască și un ceas semi-mecanic într-o zi!

Premiul I la Concursul de ceasuri