Астрономическият часовник: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Малко след изобретяването на първите механични часовници през 14 век изобретателите започнаха да търсят начини да представят движението на небесата. Така е създаден астрономическият часовник. Може би най -известният астрономически часовник е създаден в Прага около 1410 г. Вместо да показва само колко е часът, той показва и относителното положение на звездите, докато Земята се върти около оста си и се върти около Слънцето.

В този проект ще научите как да създадете астрономически часовник, който да имате в дома си. Той показва карта на звездите, които в момента са на небето - ден или нощ. Картата на небето се променя с въртенето на земята. Проектът включва механични, електронни и софтуерни компоненти. Ще ви е необходим достъп до 3D принтер, лазерен нож и някои инструменти за дървообработване, за да завършите проекта. Използвах и Python за създаване на звездни карти и дизайн, включени в часовника. Може би любимата ми част от проекта беше интегрирането на всички тези технологии заедно.

Този проект беше напълно оригинален. Написах софтуера за работа на часовника, създадох лазерни дизайни за корпуса и дори изградих предавките и задвижването. Написах и софтуера, за да направя оформлението на звездната карта.

Крайният резултат изглеждаше заслужаващ времето, прекарано в съставянето му.

Стъпка 1: Събиране на частите

За този проект ще ви трябват следните консумативи:

2 - парчета акрил 11x14 (дебелина 0,093 инча)

1 - 1x6 дъска с дължина 6 фута.

1 - Arduino Uno

1 - Модул за часовник в реално време

1 - стъпков двигател 28bjy -48

1 - стъпков драйвер - UNL2003

Захранване 1 - 5 волта

1 - 36 инчова LED лента

1 - 1/4 инчов шперплат лист - 2x4 фута

1 - 8 мм метален вал

2 - 608 сачмени лагери

1 - парчета черна дъска от пяна - около 12 x 12 инча

Разни: тел, винтове за дърво (#6 x 1 1/4 инча), торба с машинни винтове 6x32 x 0,75 инча + гайки, друга торба с 4x40 x 0,75 машинни винтове, байц за дърво (по избор)

Ще ви трябват и следните инструменти:

Достъп до 3D принтер

Достъп до лазерен ецкер, способен да изреже 1/4 в акрил и дърво

Настолен трион + рутер за създаване на калъф за часовника

Стъпка 2: Отпечатайте зъбните колела и пластмасовите части

За да започнете, ще трябва да отпечатате зъбните колела и пластмасовите части за часовника. Използвах Prusa I3 MK3, Slic3r и PETG за часовника си. Въпреки това, почти всеки вариант трябва да работи добре за този проект. Основното ограничение е, че имате нужда от голямо печатно легло, за да създадете държача на плочата и зъбното колело със 72 зъба.

Това е кратко описание на файловете, които трябва да отпечатате:

държач на лагера - Лагерният държач държи два 608 лагера за поддържане на задвижващия вал. Той се закрепва към гърба на средната плоча на часовника.

съединител - Това пластмасово парче свързва държача на плочата и зъбното колело със 72 зъба. Той е дълъг 25 мм, така че е проектиран за часовник с разстояние от 2 инча между предната плоча и средната плоча, която държи лагерите.

държач за плочи - държачът на плочите свързва акрилната плоча и нейната опора към задвижващия вал.

държач на вала - Това е файлът за пръстен с диаметър 8 мм, който се използва за задържане на вала на място, докато преминава през държача на лагера. Трябва да отпечатате две от тях за проекта.

Цилиндрична предавка (18 зъба) - Това притискане на зъбната предавка пасва на вала на стъпковия двигател.

Шпорка (72 зъба).- Тази предавка се свързва с задвижващия вал на часовника и завърта държача на плочата и акрилната плоча.

държач на мотор - плоча за задържане на стъпковия двигател

Основният механичен дизайн е показан на диаграмите по -горе. Предната плоча е прикрепена към частта от звездната карта, която се върти (Rete). Това е свързано чрез вал към зъбна предавка със 72 зъба. Стъпковият двигател (28BYJ48) задвижва 18-зъбна предавка, която работи по часовника. Самият двигател седи в държача на двигателя, така че да може да се регулира върху централната плоча на часовника.

Опорната система на лагера, която държи вала, е закрепена към централна плоча в рамките на часовника. Използваните лагери са нормални 608 лагера (22 mm външен диаметър, 8 mm вътрешен диаметър, 7 mm дебелина), които отиват от вътрешната и външната страна на опорната част на мечката. Валът се свързва към зъбните колела и всичко е залепено върху вала, за да го държи заедно.

Зъбните колела и пластмасовите части са създадени с помощта на Fusion 360. Аз съм малко нов в софтуера, но инструментът за генериране на добавки работи много добре за това. Разбирането как да използвам софтуера беше една от основните цели на този проект за мен.

Можете да получите достъп до проектния файл за 3D частите тук: Fusion 360 Astronomy Clock

Стъпка 3: Лазерно изтласкване на акрилните части

Акрилните шаблони за Rete (частта със звезди върху нея) и плочата (предната част) са прикрепени по -горе. Тази звездна карта е зададена за географска ширина от около 40 градуса северно и би трябвало да работи доста добре за повечето хора. Самите карти са генерирани с помощта на софтуер, който написах в python.

github.com/jfwallin/star-project

Не бих препоръчал да копаете, освен ако наистина не харесвате кодирането и астрономията на python. Все още не е толкова добре документирано, но е достъпно, ако искате да го използвате. Прекарах много време в работа по естетически въпроси като размер на звездата, шрифтове, местоположение на етикета и т. Н. Резултатът изглеждаше подобен на всяка друга планисфера и със сигурност други проекти на планисфера ще работят за този проект.

По принцип има две категории файлове:

плоча - Парчетата, върху които е отпечатана звездната карта.

rete - Парчетата, на които е отпечатан прозорецът, през който виждате звездите.

НЕ е необходимо да ги отпечатвате, но реших, че може да е полезно да ги включите в различни формати.

След като генерирах Rete и Plate, използвайки кода на python, ги импортирах в Adobe Illustrator, за да добавя графичните елементи, необходими за ецване. Обърнах звездната карта, която е гравирана от задната страна на акрила, за да изглежда задното осветление малко по -хубаво.

Ако нямате достъп до лазерен ецър, можете просто да отпечатате плочата и Rete върху хартия и след това да ги залепите върху основа от шперплат. Нямаше да има блестящ акрилен вид, но все пак би бил хубав часовник, който да има на мантията, за да ви показва въртенето на звездите всеки ден. Гравирането на метален дизайн би придало на часовника хладен парен пънк вид.

(Забележка: имаше корекция в шаблона за акрилна плоча, която беше добавена след като бяха направени някои от снимките.)

Стъпка 4: Лазерно изтръгване на дървените части

Файловете на Adobe Illustrator за части от шперплат за часовника са приложени по -горе. Има четири части от шперплат, които трябва да се режат с лазер. Можете лесно да използвате CNC машина, за да направите тези части, или дори просто да ги изрежете с настолен трион и трион за превъртане. Просто трябва да съпоставите отпечатаните части от плочата на последната стъпка и предната част на часовника.

шперплат с обратен часовник-Това е само лист с размер 11x11 инча от 1/8 в шперплат, който служи като задната част на часовника. Сложих му звезден дизайн, защото изглеждаше готино.

часовник-център-шперплат-Това също е 11x11 лист шперплат, но го изрязах от шперплат 3/8 инча. Той има отвор с диаметър 9 мм в центъра за задвижващия вал. Стъпковият двигател, задвижващият вал и електрониката на часовника са монтирани върху това парче.

часовник отпред-шперплат-Това е предната част на часовника. Отново, това е парче от 11/11 инча от 1/8 в шперплат. Той има кръгъл отвор в центъра заедно с 4 отвора за винтовете 6x32, които закрепват плочата отпред.

часовник-плоча-шперплат-Това парче шперплат (1/8 инча) ви позволява да монтирате плочата от плексиглас. В крайна сметка ще поставите парче черна дъска от пяна между шперплата и акрила. Това парче се монтира и на държача за 3D отпечатани чинии.

Стъпка 5: Сглобете калъфа на часовника

Кутията, която държи часовника, е направена от 1х6 парче дърво, което е с дължина около 6 фута.

Основната идея е да се направи кутия, която държи 11x11 инчови парчета дърво в канали на дадо. Оразмерих кутията си с външно измерение 12 инча и вътрешно измерение 10,5 инча. Всички части на часовника трябва да имат три дадо канали, вкарани в тях. За моята версия, аз трябва да парчета дърво, които са 12x6x0.75 и две парчета дърво, които са 10.5x6x1.

Жлебовете за предната и задната част на часовника са вмъкнати на около 1/2 инча от предната и задната част на дървените парчета. Използвах бит за рутер 1/8 на таблица за рутер, за да направя тези слотове. След като проверих прилягането с шперплат, компенсирах оградата на масата на рутера с малко (около 1/32 от инча в имперските единици) и след това я прокарах отново.

Централният канал на dado, който държи централната плоча, също беше изрязан на масата на рутера, тъй като използвах 3/8 в шперплат за това парче, направих допълнително регулиране на оградата на рутера, за да направя по -широкия отвор. Имате около 2 инча пространство между плочата за шрифтове и централната плоча в кутията, така че коригирайте таблицата съответно.

И за двете разфасовки направих няколко паса за всяка дъска. Също така прокарах дъските няколко пъти, за да се уверя, че разрезите са чисти.

Дадите за двете странични дъски бяха за цялата дължина на дъската. Въпреки това, за по -дългите горни и долни парчета използвах два ограничителни блока на масата на рутера, за да потопя острието в дървото на около 1/2 инча от началото и края на дървените парчета. По принцип не исках каналите да се виждат от външната страна на кутията. Всички канали са дълбоки около 1/4, за да държат шперплата.

След като изрежете парчетата, сглобете временно кутията и настържете всеки ръб, който може да стърчи. Също така ще искате да премахнете острите ръбове от външните части на корпуса на часовника. Когато сте доволни от калъфа, свалете горния панел и се уверете, че плочите от шперплат действително се вписват в каналите, които сте направили. Разбрах, че трябва да сваля 1/8 от чиниите си с настолен трион, за да накарам нещата да се поберат удобно в кутията, която създадох.

Тъй като това беше прототип, отрязах няколко ъгъла, когато правех случая в този проект. Използвах топола за часовника си, но само защото имах дъска, която седеше в магазина ми на разположение. По -хубаво би изглеждало в череша или орех. Аз също използвах само прости винтови съединения, за да го държа заедно с проста конструкция за припокриване. Винтовете ще бъдат в горната и долната част на часовника, така че няма да бъдат много забележими, когато е на мантията до камината ми. (Също така, споменах ли, че това е прототип?). Следващата версия на часовника ще използва сглобени фуги.

Стъпка 6: Сглобете механичните части за часовника

Сглобяването на механичните части на часовниците отнема няколко минути, но е сравнително право напред.

Свържете звездната плоча, плочата от шперплат, зъбното колело със 72 зъба и държача на пластмасовата плоча заедно:

1. Използвайки държача за плочи от шперплат като шаблон, изрежете парче черна дъска от пяна, за да бъде със същия размер. Аз нож Exacto, за да създам това парче, но един трион може да работи също толкова добре. (Важна забележка: НЕ ЛАЗЕРНО РЕЖЕТЕ ПЯНА СЪРЦЕ. Тя произвежда токсични изпарения.)
2. Центрирайте дървения държач за плочи върху носещия 3D носител. Измерете и след това пробийте четири отвора за винтове, за да ги подравните с тези в пластмасовия носител. Прикрепете пластмасовия носител към държача на плочата от шперплат, като използвате 6x32 1-инчов болт и гайки. Изрежете малки дупки в пенопласта, за да поберете главите на болтовете.
3. Сандвич акрилната звезда, плочата от пяна с отворите за винтове в нея и плочата от шперплат заедно. В плочата от шперплат и в акрилната звезда има четири дупки. Ще трябва да използвате 6x32 1-инчови винтове, за да свържете тези части заедно. Разбира се, ще трябва да пробиете дупка през дъската от пяна и през строителната хартия на подходящите места.
4. Залепете съединителя към носача на плочата. Добавих толеранс от 0,1 мм между езичетата и отворите, за да се уверя, че това приляга добре.
5. Залепете зъбната предавка със 72 зъба към носача. Това ще завърши сглобяването на плочата със звездата на часовника. Използвах лепило Gorilla, за да затвърдя заедно зъбното колело със 72 зъба, съединителя и носещата плоча.

Стъпка 7: Започнете да сглобявате калъфа за часовника

Сглобете предната плоча: Завийте акрилния рет към предната плоча на часовника с помощта на четири 6x32 1-инчови (или дори 3/4-инчови) болтове и гайки.

Добавете LED лентата с подсветка: Вземете LED лентата и я закрепете между средната плоча на часовника и предната плоча на часовника. (За да направите това, може да ви помогне да премахнете предната плоча на часовника.). Уверете се, че лентата е здраво закрепена и не пречи на въртенето на часовниковите механизми или стъпковия двигател. Може да искате да използвате скоби или лепило, за да го задържите на място. Поставете предната част на шперплата с акрилна втулка в корпуса на часовника. Поставете и средната плоча с часовниковия механизъм в часовника. Проверете внимателно захранващия проводник за LED лентата през средната плоча. В основата на дъската е поставена дупка, за да се направи това.

Стъпка 8: Сглобете средната плоча и свържете часовника

Сега е време да сглобите средната плоча на часовника. Това включва механичната опора на задвижващата ос и двигателя, заедно с окабеляването на електрониката за проекта.

Монтирайте държача на лагера и стъпковия двигател върху средната плоча: Прикрепете стъпковия двигател към средната плоча с помощта на два болта и гайки 6x32. Прекарайте проводника от степпера към задната част на дъската. Вземете държача за 3D отпечатани лагери и стиснете два лагера 608 в предната и задната част на държача. Може да се наложи да коригирате тази част, ако вашият 3D принтер е леко изключен, но успях да се прилегна плътно с помощта на PETG и моя принтер Prusa. Завинтете държача към задната част на средната плоча. Сглобете часовниковите механизми към задвижващия вал: Натиснете 8-милиметровия метален вал през зъбната предавка със 72 зъба и през пластмасовата плоча с отвори, така че да се опира до държача на плочата от шперплат. Поставете другия край на 8 мм метален вал през централната плоча и държача на лагера. Поставете централната плоча в кутията, като се уверите, че има достатъчно свободно пространство, за да може звездното колело да се завърти зад винтовете, които държат предния пластмасов резец на място. Измерете и маркирайте място за отрязване на вала, така че да се побере удобно в кутията. Вие ще искате да имате достатъчно вал, за да залепите две от фиксаторите на вала преди и след лагера. След като направите това измерване, свалете зъбния механизъм/плочата и извадете вала от държача на лагера. Нарежете вала с ножовка, така че да се побере напълно в кутията, но също така да има 0,5 до 1 см секунда, която стърчи от задната страна на държача на лагера. След като валът се отреже на правилната дължина, сглобете отново плочата/72 зъбна цилиндрична лента към плочата и я залепете на място. Добавете ключалка на вала точно зад монтажа, след което поставете вала през държача на лагера. След като потвърдите повторно прилягането, залепете ключалката на вала към вала. Залепете втора брава на вала към вала зад държача на лагера.

Редът на часовниковия механизъм ще бъде:

1. акрилна плоча
2. дъска от сърцевина от пяна
3. държач за плочи от шперплат
4. 3D държач за чинии
5. съединител
6. 72 зъбни колела
7. заключване на вала
8. лагер на централната опорна плоча + държач на лагера + заключване на вала на лагера
9. заключване на вала

Като последна стъпка, натиснете 18-зъбния цилиндър към стъпковия двигател. Регулирайте и затегнете стъпковия мотор, така че 72-зъбните и 18-зъбните зъбни колела да се свържат заедно и да се движат плавно. Затегнете болтовете на стъпковия двигател на място.

Свържете електрониката:

Схемата за свързване на часовника е сравнително проста. Трябва да свържете модула за часовник в реално време към щифтовете SDA и SCL, заедно с +5 волта и земята на Arduino. Също така трябва да свържете контактите IN1 през IN4 на стъпковия драйвер UNL2003A към щифтовете 8 до 11 на Arduino, заедно със свързването на земята. Превключвател и 1k Ohm резистор трябва да бъдат свързани между земята и щифт 7 на Arduino. И накрая, захранване трябва да бъде свързано към платката UNL 2003A и към Arduino от 5 -волтово захранване.

Ето по -подробен набор от описания:

1. Запоявайте жица от едната страна на бутона. Прикрепете това към щифта 7 на Arduino.
2. Запоявайте 1k резистор от другата страна на бутона, така че входният бутон да е заземен, когато не се натиска. От другата страна на бутона го завържете на +5 волта..
3. Свържете четирите проводника между щифтове 8, 9, 10 и 11 към щифтовете INL, IN2, IN3 и IN4 на UNL 2003A.
4. Свържете точките SCL и SDA на модула за часовник в реално време към правилните щифтове на Arduino.
5. Свържете заземяването на Arduino към модула на часовника в реално време и към платките UNL 2003A.
6. Създайте захранващ сплитер за вашето 5 -волтово захранване (2 ампера трябва да са достатъчни) и го свържете към Arduino и платката UNL 2003A.
7. И накрая, трябва да прикрепите LED захранването през средния слой на часовника и конеца към задната част на кутията. Вие ще искате LED контролерът да стърчи отзад, за да можете да промените схемата на осветление на часовника.

Ще трябва да свържете +5 волта към стъпковия драйвер и +6 до +12 волта към Arduino. Опитах се неуспешно да използвам едно захранване за това, но вероятно щях да използвам 2 ампера 7 волта система с регулатор на мощността за степера, ако имах малко повече време.

Уверете се, че напрежението между двигателя и предавките не е нито прекалено стегнато, нито твърде губещо. Проверете отново всичко. Когато цялото окабеляване е на място и частите са закрепени, внимателно поставете монтажа на място.

Въпреки това - все още не свързвайте захранването. Първо трябва да програмираме дъската

Стъпка 9: Програмирайте Arduino

Програмирането на Arduino беше доста лесно. Ето как работи кодът:

1. Когато кодът стартира, той инициализира брояча на стъпки и грабва времето от модула за часовник в реално време. Броят стъпки за двигателя също се инициализира, заедно с няколко други променливи за системата.
2. Времето се преобразува от местно в местно сидерическо време. Тъй като Земята се върти около Слънцето, докато се върти около оста си, времето, необходимо на звездите да се въртят, е с около 4 минути по -кратко от времето, необходимо за завъртане до (средното) положение на Слънцето. Подпрограмата Sidereal time в кода е променена от този сайт. Имаше обаче няколко грешки в кода, затова актуализирах, за да използвам пълния приблизителен алгоритъм на Сидеричното време, създаден от американската военноморска обсерватория.
3. Когато основният цикъл започне, той изчислява колко време е минало (в сидерични часове) от включването на часовника. След това той разглежда текущия брояч на стъпки и изчислява колко стъпки трябва да се добавят, така че завъртането на часовника да е в съответствие с текущото време. Този брой стъпки се изпраща до Arduino за преместване на диска.
4. Ако бутонът е натиснат в основния цикъл, дискът се движи напред с по -бързи темпове. Това ви позволява да настроите диска към текущия час и дата. Часовникът не запазва броя на стъпките след нулиране на захранването и няма енкодер, който да показва абсолютната позиция на диска. Мога да добавя това в бъдеща версия на проекта.
5. След преместване на часовника системата преминава в режим на заспиване за определен период от време и повтаря последните две стъпки.

Направих куп експерименти със стъпката, за да се уверя, че знам колко стъпки Всъщност са необходими за едно завъртане. За моя степер той беше 512 x 4 със стандартната библиотека Arduino Stepper. В кода зададох оборотите на 1. Въпреки че това е болезнено бавно, когато настройвате часовника, по -високите скорости обикновено имат повече пропуснати стъпки.

Стъпка 10: Включете го и задайте часа

След като сте качили кода, свържете захранванията към Arduino и стъпката. Включете всичко, включително задната светлина. Използвайте дистанционното, за да включите светлината.

Сега всичко, което трябва да направите, е да натиснете бутона, за да подравните часа и датата. Просто се уверете, че текущото време на външния пластмасов контейнер е подравнено с месеца и деня на вътрешната акрилна плоча. Честито! Имате астрономически часовник.

След като времето е зададено, трябва да получавате импулси от степера на всеки 8 секунди, за да актуализирате звездното поле. Това е бавно 24 -часово въртене, така че не очаквайте много действия по този въпрос. Очевидно можете (и трябва!) Да завършите делото.

Както казах, това е прототип. Като цяло съм доволен от резултатите му, но бих го променил малко в следващата версия. Когато го възстановявах, вероятно ще използвам степери NEMA вместо евтините o версии. Мисля, че задържащата сила и надеждност биха ги направили по -лесни за използване. Задвижването работи добре, но имам чувството, че влагам твърде много игра в предавките, които съм проектирал. Вероятно бих постъпил по различен начин.

И накрая, исках да благодаря на хората от библиотеката на MTSU Walker за помощта, която им помогнаха за изграждането на това. Използвах лазерния гравиратор в тяхното пространство за създаване на акрилни и дърворезбани части и имах много продуктивни дискусии с Бен, Нийл и останалата група от Makerspace, когато мислех за часовника.

Втора награда в конкурса за часовници