Планетен часовник: 6 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

(Старите) механични часовници са невероятно интересни и приятни за гледане, но за съжаление са почти невъзможни за изграждане сами. Механичните часовници също нямат небрежност на прецизната цифрова технология, налична днес. Тази инструкция ви показва начин да комбинирате най -доброто от двата свята; като задвижвате механични стрелки на часовника през планетарна скоростна кутия със стъпков двигател и Arduino!

Консумативи

Общи компоненти:

• 5 мм дървен и акрилен лист
• Болтове M5 (потънали), шайби и гайки
• Отстъпки на печатни платки
• Винтове М3 за стъпков двигател

Електрически компоненти:

• Стъпков драйвер (използвах L293d)
• Всеки тип Arduino
• Часовник в реално време (използвах DS3231)
• Сензор за ефект на Хол (използвах A3144)
• 5 мм неодиев магнит
• Бутони за въвеждане от потребителя
• 10K резистор
• 100uf 25V кондензатор
• DC жак
• 5V 2A DC захранване
• Батерия за RTC (cr2032 в моя случай)

Механични компоненти:

• Всеки тип 1,8 градусов/стъпков стъпков двигател с 5 мм ос
• GT2 400 мм зъбен ремък
• GT2 60 зъбна ролка с 5 мм ос
• GT2 20 зъбна ролка с 5 мм ос
• Лагер 5x16x5 mm (3x)
• 5x16x5 mm фланцов лагер (2x)
• M5x50 резбован прът

Стъпка 1: Проектиране и изработка на зъбни колела

Една от целите на този проект беше да има един двигател, който задвижва пълния часовник, подобно на истински механичен часовник, където един механизъм за бягство управлява целия часовник. Минутната стрелка обаче трябва да направи 12 завъртания за времето, в което часовата стрелка прави 1 завъртане. Това означава, че е необходима редукционна скоростна кутия 1:12 за задвижване на двете ръце с един мотор. Реших да направя това с планетарна скоростна кутия, включеното видео прекрасно обяснява как работи този тип скоростна кутия.

Следващата стъпка за мен беше да определя броя на зъбите за различните зъбни колела, за да създам съотношение 1:12. Този уебсайт беше много полезен и съдържа всички необходими формули. Прикрепих слънчевия механизъм към минутната стрелка и носителя на планетата към часовата стрелка, оставяйки пръстеновата предавка неподвижна. Нека направим малко математика!

• S = брой зъби на слънчевата предавка
• R = брой зъби на зъбното колело
• P = брой зъби на зъбното колело на планетата

Предавателното отношение (i) се определя от:

i = S/R+S

Обърнете внимание, че броят на зъбите на планетарната предавка в този случай няма значение за предавателното отношение, но трябва да спазваме общото ограничение:

P = (R - S)/2

След известно озадачаване в крайна сметка използвах следните числа: S = 10; R = 110; P = 50; Изглежда, че са на ръба на възможното, тъй като има много малко разстояние между зъбните колела на планетата, но работи!

Можете да рисувате зъбните колела в любимата си CAD програма, повечето от тях имат специални плъгини за предавки. Можете също така просто да използвате файловете, приложени към тази инструкция. разбира се. Обърнете внимание, че всички зъбни колела, макар и различни по размери, имат еднаква стъпка на зъбите.

Мислех, че би било страхотно да направя тези зъбни колела от 5 мм алуминий и се свързах с местен магазин с водна струя, ако могат да ми отрежат тези зъбни колела. Обикновено никога не бихте правили предавки с фрези, но това са зъбни колела с много ниска производителност. Изненадващо те се съгласиха да опитат, но този план се провали ужасно. Частите просто бяха твърде малки за водната струя и започнаха да се движат наоколо, докато режеше.

Това неуспех означаваше, че е време за план Б, затова купих някакъв 5 мм димен черен акрил и намерих място с лазерен нож, който нямаше проблем да отреже зъбните си колела. Ако нямате наличен лазерен нож, вероятно можете да използвате и 3D принтер за тези зъбни колела, включих STL файловете (може да се наложи пръстенообразното зъбно колело да бъде разделено на 3 части).

След рязане натискам монтирани лагери в зъбните колела на планетата. За да се оправя правилно, направих тестово парче акрил с няколко отвора, всеки от които имаше малко по -голям диаметър (стъпки от 0,05 мм). След като намерих настройката с правилното напасване, промених размера на дупката в планетарните предавки на тази настройка. Това е нещо, което се различава в зависимост от материала и типа машина, така че винаги трябва да правите това сами.

Стъпка 2: Сглобяване на зъбната система

За да сглобите зъбните колела, е необходима рамката на часовника. Сега това е частта, в която можете да оставите креативността си да се развихри, тъй като формата на рамката е относително незначителна, стига всички отвори за болтове да са на правилното място. I Избрах да направя много дупки в циферблата и задната плоча, за да подчертая зъбния механизъм. Това е и причината, поради която носителите на планетата и минутната стрелка са нещо прозрачно, но също така изглежда просто готино!

За пореден път използвах лазерния нож за направата на тези части и тъй като акрилните части бяха с дебелина 5 мм, направих и дървените части с дебелина 5 мм. Всички дупки в циферблата и носача на планетата бяха вдлъбнати, за да се поберат съответните болтове.

Централната ос на часовника се движи в два лагера вътре в носителите на планетата. Тъй като направих тази ос от 5 мм щанга, тя има наистина плътно прилягане вътре в лагерите и вече не можех да разглобявам тези компоненти. Би било много по -лесно просто да използвате парче конец M5, тъй като също няма да се налага да прерязвате собствената си нишка (само ако разбрах предварително …..). За да спре въртенето на слънчевата предавка около оста, тя има D-образна дупка, така че оста също трябва да бъде вписана в тази D-форма. Когато слънчевата предавка се монтира около оста, можете да сглобите оста, не забравяйте планетарните носители, ако използвате лагери с фланци! Вижте разширения изглед за инструкции за сглобяване.

Когато централната ос е монтирана, е време за предавките на планетата. Те също се нуждаят от малките шайби, също като централната ос, за да се уверят, че предавките работят безпроблемно. След като всичко е монтирано към носителите на планетата, проверете дали планетарните предавки и слънчевите предавки работят безпроблемно.

Централната част вече може да се монтира в рамката на часовника. Това е досадна работа, но прокарването на болтовете през предната плоча и залепването им на място помага много. Също така може да бъде полезно да повдигнете предната плоча, за да създадете място за минутната стрелка. Снимките показват, че съм поставил шест малки парчета хартия между зъбния ринг и задната плоча, за да дам малко свобода на зъбните колела. Когато поставяте носача на планетата, уверете се, че циферблатите са насочени към разумно място (ако стрелката на минутата на посоката е 12, часовата стрелка не трябва да е между два часа например)

Стъпка 3: Свързване на стъпката и сензора

Сега, когато имаме зъбен механизъм, който задвижва правилно ръцете, все още трябва да задвижваме правилно зъбния механизъм. Могат да се използват различни видове електродвигатели, избрах стъпков двигател, тъй като той може да извършва прецизни движения без постоянни сензори за ъглова обратна връзка. Стъпковият двигател също може да издаде истински звук "Щракване", което е чудесно за полумеханичния часовник!

Обикновеният стъпков двигател може да направи 200 стъпки на оборот, което означава 200 стъпки на час, ако го свържем към стрелката на минутите. Това би означавало интервал от 18 секунди на стъпка, който все още не звучи като тиктакащ часовник. Затова използвах предаване 1: 3 между стъпковия двигател и минутните стрелки, така че стъпковият двигател трябва да направи 600 стъпки на час. Използвайки режима на половин стъпка, това може да се увеличи до 1200 стъпки на час, което е равно на една стъпка на 3 секунди. Звучи по -добре!

Един проблем със стъпковите двигатели е, че никога не знаете къде се намират, когато включите Arduino. Ето защо всички 3D принтери имат крайни ограничители, така че можете да преместите принтера си в известна позиция и след това да продължите от тази точка. Това е необходимо и за часовника, само краен ограничител няма да работи, тъй като часовникът трябва да прави непрекъснато въртене. За да реализирам това позициониране, използвах сензор с ефект на Хол A3144, който усеща магнит (проверете полярността!….), Прикрепен към носителя на планетата. Това се използва за преместване на ръцете в определена позиция при стартиране, след което те могат да преминат към необходимото време.

Сглобяването е много просто; Прикрепете стъпковия двигател към задната плоча, като оставите винтовете леко разхлабени. След това можете да монтирате малката ролка върху оста на стъпковия двигател и да проверите дали ангренажният ремък е изправен. Сега можете да плъзнете стъпковия двигател, за да регулирате опъването на ангренажния ремък. Коланът за ангренаж се нуждае от малко игра, за да се уверите, че не натоварвате предавките. Играйте с тази настройка, докато не сте доволни, след това затегнете напълно винтовете на стъпковия двигател.

Сензорът за ефекта на Хол е залепен на място. Най -добре е първо да запоите три проводника към сензора, като се уверите, че сте поставили термично свиване около всеки крак на сензора, така че те да не могат да се късо съединяват. След запояване сензорът може да бъде залепен на място. Всъщност няма значение коя страна е нагоре, стига още да не сте прикрепили магнита. След като залепите сензора на място, свържете го към Arduino или малка LED верига, за да проверите дали работи. (ЗАБЕЛЕЖКА: сензорът за ефекта на Хол работи само ако линиите на магнитното поле вървят в правилната посока). Използвайки тази тестова верига, проверете как магнитът трябва да бъде залепен. След като сте абсолютно сигурни коя страна на вашия магнит трябва да е обърната към сензора, залепете магнита на място.

Стъпка 4: Електрониката, която кара часовника да цъка

Можете да използвате много прост код Arduino, който прави половин стъпка с двигателя и след това отнема 3000 милисекунди закъснение до следващата стъпка. Това би работило, но не е много прецизно, тъй като вътрешният часовник на Arduino не е ултра точен. Второ, Arduino би забравил времето всеки път, когато загуби мощност.

Следователно, за да следите времето, най-добре е да използвате часовник в реално време. Тези неща са специално проектирани чипове с резервна батерия, които точно следят времето. За този проект избрах DS3231 RTC, който може да комуникира с Arduino чрез i2c, което улеснява окабеляването. След като зададете правилно часа на чипа му, той никога няма да забрави колко е часът (стига на батерията cr2032 да е останало малко сок). Разгледайте този уебсайт за всички подробности относно този модул.

Управлението на стъпковия двигател се извършва с драйвер за двигател L293d. Някои по-усъвършенствани драйвери на стъпкови двигатели използват PWM сигнал за микростепване и ограничаване на тока. Този ШИМ сигнал може да издава досаден писк шум, с който всеки производител е запознат (особено ако притежавате 3D принтер). Тъй като този часовник трябва да стане част от вашия интериор, нежелателни шумове не са желани. Затова реших да използвам нискотехнологичния драйвер за двигател l293d, за да се уверя, че часовникът ми е безшумен (освен стъпките на всеки 3 секунди, но това всъщност е приятно!). Вижте този уебсайт за подробно описание на чипа l293d. Обърнете внимание, че аз работя с моя стъпков двигател на 5V, което намалява консумацията на енергия и температурата на стъпковия двигател.

Както бе споменато по-рано, използвам сензор с ефект на Хол, за да открия магнит, залепен за носителя на планетата. Принципът на действие на сензора е много прост, той променя състоянието си, когато магнитът е достатъчно близо. По този начин вашият Arduino може да открие цифрово високо или ниско ниво и следователно да открие дали магнитът е близо. Вижте този уебсайт, който показва как да свържете сензора и показва простия код, използван за откриване на магнит.

Не на последно място, добавих 4 бутона за потребителски вход към печатната платка. Те използват вътрешните издърпващи резистори на Arduino, за да опростят окабеляването. Моята печатна платка също има заглавки в конфигурация Uno, така че мога да добавя Arduino щитове за евентуални разширения (досега не съм правил това).

Първо тествах всичко на моята дъска и след това проектирах и поръчах персонализирана печатна платка за този проект, тъй като изглежда страхотно! Можете също така да монтирате платката на гърба на часовника си, ако не искате да я гледате.

Файловете Gerber за печатната платка могат да бъдат изтеглени от моя диск, Instructables не ми позволява да ги кача по някаква причина. Използвайте тази връзка към моя google диск.

Стъпка 5: Програмиране на Arduino

Основният код за Arduino всъщност е много прост. Прикачих схема, която визуализира какво се случва вътре в Arduino и как Arduino взаимодейства с другите устройства. Използвах няколко библиотеки, за да опростя кодирането.

• Accelstepper -> обработва стъпковата последователност на стъпковия двигател, ви позволява да давате интуитивни команди като: Stepper.runSpeed () или Stepper.move (), които ви позволяват да се движите съответно с определена скорост или на определена позиция.
• Wire -> това е необходимо за i2c комуникация, дори когато използвате RTClib
• RTClib -> обработва комуникацията между Arduino и RTC, ви позволява да давате интуитивни команди като rtc.now (), която връща текущото време.
• OneButton -> Обработва въвеждането на бутоните, открива натискания и след това изпълнява предварително зададена празнота, за да направи нещо. Може да открива единични, двойни или дълги натискания.

Когато пишете код за часовник, е много важно да избягвате променливите, които продължават да се увеличават. Тъй като кодът на Arduino ще работи 24/7, тези променливи бързо ще стават все по -големи и в крайна сметка ще причинят преливане. Стъпковият двигател например никога не се командва да отиде в определена позиция, тъй като тази позиция само ще се увеличи с течение на времето. Вместо това на стъпковия двигател се заповядва да премести определен брой стъпки в определена посока. По този начин няма променлива на позицията, която да се увеличава с течение на времето.

Първият път, когато свързвате RTC, трябва да зададете часа на чипа, има част от кода, който можете да декомментирате, който задава времето на RTC, равно на вашето компютърно време (времето в момента, в който компилирате кода). Обърнете внимание, че когато оставите това без коментар, времето за RTC ще се върне към времето, в което сте съставяли кода си всеки път. Така че коментирайте това, стартирайте го веднъж и след това го коментирайте отново.

Прикачих кода си към този Instructable, коментирах го задълбочено. Можете да го качите без промени или да проверите и да видите какво мислите!

Стъпка 6: За първи път се насладете на звука на часовника си

След като свържете цялата електроника и качите кода, това е резултатът!

Основният дизайн на този часовник е много прост и може да бъде направен в много различни форми и размери. Тъй като на борда има Arduino, можете лесно да добавите допълнителни функции. Задавайки аларма, часовникът трябва да включи вашата кафе машина в определено време, интернет връзка, готини демонстрационни режими, които подчертават механичното движение, за да покажете вашия дизайн на другите и много други!

Както може би сте забелязали в тази инструкция, трябваше да разглобя часовника си, за да напиша тази инструкция. Въпреки че е жалко за този Instructable, поне мога да гарантирам, че дизайнът се представя много добре в дългосрочен план, тъй като този часовник тиктака повече от 3 години в хола ми без никакви проблеми!

Моля, уведомете ме в коментарите, ако ви е харесал този Instructable, за първи път пиша такъв. Също така, ако имате някакви съвети или въпроси, просто ми изпратете съобщение. И се надявам, че съм вдъхновил някой да построи полумеханичен часовник един ден!

Първа награда в конкурса за часовници