L'orologio astronomico: 10 passi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Poco dopo l'invenzione dei primi orologi meccanici nel 14° secolo, gli inventori iniziarono a cercare modi per rappresentare il movimento dei cieli. Così è stato creato l'orologio astronomico. Forse l'orologio astronomico più noto è stato creato a Praga intorno al 1410. Invece di mostrare solo che ore sono, mostra anche la posizione relativa delle stelle mentre la Terra ruota sul proprio asse e ruota attorno al Sole.

In questo progetto imparerai come creare un orologio astronomico che puoi avere a casa tua. Visualizza una mappa delle stelle che sono attualmente nel cielo - giorno o notte. La mappa del cielo cambia mentre la terra ruota. Il progetto coinvolge componenti meccanici, elettronici e software. Avrai bisogno di accedere a una stampante 3D, un laser cutter e alcuni strumenti per la lavorazione del legno per completare il progetto. Ho anche usato Python per creare le mappe stellari e il design incorporato nell'orologio. Forse la mia parte preferita del progetto è stata l'integrazione di tutte queste tecnologie insieme.

Questo progetto era completamente originale. Ho scritto il software per far funzionare l'orologio, creato i progetti laser per il case e persino costruito gli ingranaggi e la trasmissione. Ho anche scritto il software per fare il layout della mappa stellare.

Il risultato finale mi è sembrato degno del tempo che ho impiegato a metterlo insieme.

Passaggio 1: raccogliere le parti

Per questo progetto, avrai bisogno delle seguenti forniture:

2 - pezzi di acrilico 11x14 (spessore 0,093 pollici)

1 - Tavola 1x6 lunga 6 piedi.

1 - Arduino Uno

1 - Modulo orologio in tempo reale

1 - motore passo-passo 28bjy-48

1 - driver passo-passo - UNL2003

Alimentazione 1 - 5 volt

Striscia led da 1 - 36 pollici

Foglio di compensato da 1 - 1/4 di pollice - 2x4 piedi

Asta in metallo da 1 - 8 mm

2 - 608 cuscinetti a sfera

1 - pezzi di pannello in schiuma nera - circa 12 x 12 pollici

Varie: filo metallico, viti per legno (n. 6 x 1 1/4 di pollice), busta di viti per macchine 6x32 x 0,75 pollici + dadi, un'altra busta di viti per macchine 4x40 x 0,75, mordente per legno (opzionale)

Avrai anche bisogno dei seguenti strumenti:

Accesso a una stampante 3D

Accesso a un incisore laser in grado di tagliare 1/4 in acrilico e legno

Una sega da tavolo + router per creare la custodia per l'orologio

Passaggio 2: stampa gli ingranaggi e le parti in plastica

Per iniziare, dovrai stampare gli ingranaggi e le parti in plastica dell'orologio. Ho usato una Prusa I3 MK3, Slic3r e PETG per il mio orologio. Tuttavia, quasi tutte le variazioni dovrebbero funzionare bene per questo progetto. Il vincolo principale è che è necessario un grande letto di stampa per creare il portalastra e l'ingranaggio a 72 denti.

Questa è una breve descrizione dei file che devi stampare:

supporto del cuscinetto - Il supporto del cuscinetto contiene due cuscinetti 608 per supportare l'albero di trasmissione. Si avvita sul retro della piastra centrale dell'orologio.

accoppiatore - Questo pezzo di plastica collega il portatarga e l'ingranaggio a 72 denti. È lungo 25 mm, quindi è progettato per un orologio con uno spazio di due pollici tra la piastra anteriore e la piastra centrale che contiene i cuscinetti.

portatarga - Il portatarga accoppia la lastra acrilica e il suo supporto all'albero motore.

supporto dell'albero - Questo è il file per un anello di 8 mm di diametro che viene utilizzato per tenere in posizione l'albero mentre passa attraverso il supporto del cuscinetto. Devi stamparne due per il progetto.

Spur Gear (18 denti) - Questo ingranaggio cilindrico si adatta all'albero del motore passo-passo.

Spur Gear (72 denti).- Questo ingranaggio si accoppia all'albero motore dell'orologio e fa girare il supporto del piatto e il piatto acrilico.

supporto motore - una piastra per sostenere il motore passo-passo

Il progetto meccanico di base è mostrato negli schemi sopra. La piastra frontale è attaccata alla porzione della mappa stellare che ruota (la Rete). Questo è collegato tramite un albero a un ingranaggio a 72 denti. Il motore passo-passo (28BYJ48) aziona un ingranaggio a 18 denti che fa funzionare l'orologio. Il motore stesso si trova nella piastra portamotore in modo che possa essere regolato sulla piastra centrale dell'orologio.

Il sistema di supporto del cuscinetto che sostiene l'albero è avvitato su una piastra centrale all'interno dell'orologio. I cuscinetti utilizzati sono normali cuscinetti 608 (diametro esterno 22 mm, diametro interno 8 mm, spessore 7 mm) che vanno all'interno e all'esterno del pezzo di supporto dell'orso. L'albero si accoppia agli ingranaggi e tutto è incollato sull'albero per tenerlo insieme.

Gli ingranaggi e le parti in plastica sono stati creati utilizzando Fusion 360. Sono un po' nuovo nel software, ma lo strumento aggiuntivo di generazione degli ingranaggi ha funzionato molto bene per metterlo insieme. Capire come utilizzare il software è stato per me uno degli scopi principali di questo progetto.

È possibile accedere al file di progettazione per le parti 3D qui: Orologio astronomico Fusion 360

Passaggio 3: incidere al laser le parti in acrilico

Le sagome acriliche per la Rete (la parte con le stelle) e il Piatto (il davanti) sono attaccate sopra. Questa mappa stellare è stata impostata per una latitudine di circa 40 gradi nord e dovrebbe funzionare abbastanza bene per la maggior parte delle persone. Le mappe stesse sono state generate utilizzando un software che ho scritto in Python.

github.com/jfwallin/star-project

Non consiglierei di scavare a meno che non ti piaccia davvero la codifica Python e l'astronomia. Non è ancora così ben documentato, ma è disponibile se vuoi usarlo. Ho passato molto tempo a lavorare su questioni estetiche come la dimensione della stella, i caratteri, la posizione dell'etichetta, ecc. Il risultato sembrava simile a qualsiasi altro planisfero e sicuramente altri progetti di planisfero avrebbero funzionato per questo progetto.

Esistono fondamentalmente due categorie di file:

plate - I pezzi su cui è stampata la mappa stellare.

rete - I pezzi che hanno stampata la finestra attraverso la quale si vedono le stelle.

NON è necessario stamparli tutti, ma ho pensato che potrebbe essere utile includerli in una varietà di formati.

Dopo aver generato la Rete e la Plate utilizzando il codice Python, l'ho importato in Adobe Illustrator per aggiungere gli elementi grafici necessari per l'incisione. Ho capovolto la mappa stellare che è incisa sul lato posteriore dell'acrilico per rendere l'illuminazione posteriore un po' più bella.

Se non hai accesso a un incisore laser, puoi semplicemente stampare la piastra e la rete su carta e poi incollarle su una base di compensato. Non avrebbe l'aspetto acrilico luminoso, ma sarebbe comunque un bell'orologio da avere sul mantello per mostrarti la rotazione delle stelle ogni giorno. L'incisione di un design in metallo darebbe all'orologio un aspetto cool steam punk.

(Nota: c'era una correzione nel modello della lastra acrilica che è stata aggiunta dopo che alcune delle foto sono state scattate.)

Passaggio 4: incidere al laser le parti in legno

I file Adobe Illustrator per le parti in compensato per l'orologio sono allegati sopra. Ci sono quattro parti in compensato che devono essere tagliate al laser. Puoi facilmente utilizzare una macchina CNC per realizzare queste parti, o anche semplicemente tagliarle con una sega da tavolo e una sega per traforo. Hai solo bisogno di abbinare le parti stampate dall'ultimo gradino e dal davanti dell'orologio.

clock-back-plywood - Questo è solo un foglio da 11x11 pollici di 1/8 in compensato che funge da retro dell'orologio. Ho messo un design a stella su di esso, perché sembrava bello.

clock-center-plywood - Anche questo è un foglio di compensato di 11x11 pollici, ma l'ho tagliato da un compensato da 3/8 di pollice. Ha un foro di 9 mm di diametro al centro per l'albero di trasmissione. Il motore passo-passo, l'albero di trasmissione e l'elettronica per l'orologio sono montati su questo pezzo.

clock-front-plywood - Questo è il pezzo frontale dell'orologio. Ancora una volta, questo è un pezzo di compensato da 11x11 pollici di 1/8. Ha un foro circolare al centro insieme a 4 fori per le viti 6x32 che fissano la piastra alla parte anteriore.

clock-plate-plywood - Questo pezzo di compensato (1/8 di pollice) consente di montare la lastra in plexiglass. Alla fine inserirai un pezzo di schiuma nera tra il compensato e l'acrilico. Questo pezzo si monta anche sul portatarga stampato in 3D.

Passaggio 5: assemblare la cassa dell'orologio

La scatola che contiene l'orologio è composta da un pezzo di legno 1x6 lungo circa 6 piedi.

L'idea di base è quella di creare una scatola che contenga i pezzi di legno di 11x11 pollici in scanalature dado. Ho dimensionato la mia scatola per avere una dimensione esterna di 12 pollici e una dimensione interna di 10,5 pollici. Tutti i pezzi dell'orologio devono avere tre scanalature dado instradate al loro interno. Per la mia versione, devo pezzi di legno che sono 12x6x0.75 e due pezzi di legno che sono 10.5x6x1.

Le scanalature per la parte anteriore e posteriore dell'orologio sono inserite a circa 1/2 pollice dalla parte anteriore e posteriore dei pezzi di legno. Ho usato una punta del router da 1/8 su un tavolo del router per creare questi slot. Dopo aver verificato l'adattamento con il compensato, ho sfalsato la recinzione del tavolo del router di un smidge (circa 1/32 di pollice in unità imperiali) e poi l'ho ripassato.

Anche la scanalatura centrale del dado che tiene la piastra centrale è stata tagliata sul tavolo del router, poiché ho usato 3/8 in compensato per questo pezzo, ho fatto un'ulteriore regolazione della recinzione del tavolo del router per creare il foro più ampio. Hai circa 2 pollici di spazio tra la piastra dei caratteri e la piastra centrale nella scatola, quindi regola la tabella di conseguenza.

Per entrambi i tagli, ho fatto un paio di passaggi per ogni tavola. Ho anche fatto scorrere le tavole alcune volte per assicurarmi che i tagli fossero puliti.

I dado per le due tavole laterali erano per l'intera lunghezza della tavola. Tuttavia, per i pezzi superiori e inferiori più lunghi, ho usato due blocchi di arresto sul tavolo della fresatrice per immergere la lama nel legno a circa 1/2 pollice di distanza dall'inizio e dalla fine dei pezzi di legno. Fondamentalmente, non volevo che le scanalature fossero visibili all'esterno della custodia. Tutte le scanalature sono profonde circa 1/4 per contenere il compensato.

Una volta tagliati i pezzi, assemblare temporaneamente la custodia e levigare grossolanamente qualsiasi bordo che potrebbe sporgere. Dovrai anche rimuovere eventuali spigoli vivi dalle parti esterne della cassa dell'orologio. Quando sei soddisfatto della custodia, rimuovi il pannello superiore e assicurati che le piastre di compensato si adattino effettivamente alle scanalature che hai instradato. Ho scoperto che avevo bisogno di togliere un 1/8 dai miei piatti con una sega da tavolo per far stare comodamente le cose nella scatola che ho creato.

Poiché questo era un prototipo, ho tagliato alcuni angoli quando ho realizzato il caso in questo progetto. Ho usato il pioppo per il mio orologio, ma solo perché avevo una tavola nel mio negozio prontamente disponibile. Sarebbe più bello in ciliegio o noce. Ho anche usato semplici giunti a vite per tenerlo insieme con una semplice costruzione a sovrapposizione. Le viti saranno sulla parte superiore e inferiore dell'orologio, quindi non saranno molto evidenti quando sarà sul caminetto vicino al mio caminetto. (Inoltre, ho detto che questo era un prototipo?). La prossima versione dell'orologio utilizzerà giunti obliqui.

Passaggio 6: assemblare le parti meccaniche per l'orologio

L'assemblaggio delle parti meccaniche degli orologi richiede alcuni minuti, ma è relativamente semplice.

Collegare insieme la piastra a stella, la piastra in compensato, l'ingranaggio cilindrico a 72 denti e il supporto della piastra in plastica:

1. Usando il supporto del piatto di compensato come modello, ritaglia un pezzo di pannello centrale in schiuma nera per avere le stesse dimensioni. Ho un coltello Exacto per creare questo pezzo, ma una sega per traforo potrebbe funzionare altrettanto bene. (Nota importante: NON TAGLIO LASER NUCLEO IN SCHIUMA. Produce fumi tossici.)
2. Centrare il portatarga in legno sul portatarga stampato in 3D. Misurare e quindi praticare quattro fori per le viti per allinearli con quelli nel supporto di plastica. Fissare il supporto in plastica al supporto della piastra in compensato utilizzando bulloni e dadi 6x32 da 1 pollice. Tagliare piccoli fori nel pannello di schiuma per accogliere le teste dei bulloni.
3. Metti insieme la piastra a stella in acrilico, il pannello in schiuma con i fori per le viti e la piastra di compensato. Ci sono quattro fori nella piastra in compensato e nella piastra a stella in acrilico. Dovrai utilizzare viti 6x32 da 1 pollice per collegare questi pezzi insieme. Naturalmente, sarà necessario praticare un foro attraverso il pannello centrale in schiuma e attraverso il cartoncino nei punti appropriati.
4. Incollare l'accoppiatore al portatarga. Ho aggiunto una tolleranza di 0,1 mm tra le linguette e i fori per assicurarmi che si adattasse bene.
5. Incolla l'ingranaggio cilindrico a 72 denti al supporto. Questo completerà l'assemblaggio della piastra a stella dell'orologio. Ho usato la colla Gorilla per cementare insieme l'ingranaggio a 72 denti, l'accoppiatore e il portatarga.

Passaggio 7: iniziare ad assemblare la custodia per l'orologio

Assemblare la piastra frontale: avvitare la rete acrilica alla piastra frontale in compensato dell'orologio usando quattro bulloni e dadi 6x32 da 1 pollice (o anche da 3/4 di pollice).

Aggiungi la striscia LED di retroilluminazione: prendi la striscia LED e fissala tra la piastra centrale dell'orologio e la piastra anteriore dell'orologio. (Può essere utile rimuovere la piastra anteriore dell'orologio per farlo.). Assicurati che la striscia sia fissata saldamente e non interferisca con la rotazione dei meccanismi dell'orologio o del motore passo-passo. Potresti voler usare graffette o colla per tenerlo in posizione. Metti la parte anteriore in compensato con la rete acrilica nella cassa dell'orologio. Posiziona anche la piastra centrale con il meccanismo dell'orologio nella cassa dell'orologio. Assicurati di far passare con cura il cavo di alimentazione per la striscia LED attraverso la piastra centrale. A tal fine è stato praticato un foro alla base del tabellone.

Passaggio 8: assemblare la piastra centrale e collegare l'orologio

Ora è il momento di mettere insieme il piatto centrale dell'orologio. Ciò include il supporto meccanico dell'asse di azionamento e del motore, insieme al cablaggio dell'elettronica per il progetto.

Montare il supporto del cuscinetto e il motore passo-passo sulla piastra centrale: collegare il motore passo-passo alla piastra centrale utilizzando due bulloni e dadi 6x32. Esegui il filo dallo stepper al retro della scheda. Prendi la presa del cuscinetto stampato in 3D e stringi due cuscinetti 608 nella parte anteriore e posteriore del supporto. Potrebbe essere necessario regolare questa parte se la stampante 3D è leggermente spenta, tuttavia sono riuscito a ottenere una perfetta aderenza utilizzando PETG e la mia stampante Prusa. Avvitare il supporto sul retro della piastra centrale. Assemblare i meccanismi dell'orologio all'albero di trasmissione: spingere l'albero di metallo da 8 mm attraverso l'ingranaggio cilindrico a 72 denti e attraverso la piastra forata di plastica in modo che si appoggi accanto al supporto della piastra in compensato. Posizionare l'altra estremità dell'albero di metallo da 8 mm attraverso la piastra centrale e il supporto del cuscinetto. Posizionare la piastra centrale nella scatola, assicurandosi che ci sia spazio sufficiente per far ruotare la stella dietro le viti che tengono in posizione la rete di plastica anteriore. Misura e segna un punto in cui tagliare l'asta in modo che si adatti comodamente alla scatola. Dovrai avere abbastanza albero da incollare su due dei pezzi di bloccaggio dell'albero prima e dopo il cuscinetto. Una volta effettuata questa misurazione, rimuovere il gruppo ingranaggio/piastra ed estrarre l'albero dal supporto del cuscinetto. Tagliare l'albero con un seghetto in modo che si adatti completamente all'interno della custodia, ma ha anche un secondo da 0,5 a 1 cm che sporga dal retro del supporto del cuscinetto. Una volta che l'albero è stato tagliato alla giusta lunghezza, rimontare la piastra/ingranaggio cilindrico a 72 denti sulla piastra e incollarla in posizione. Aggiungere un blocco dell'albero appena dietro il gruppo, quindi inserire l'albero attraverso il supporto del cuscinetto. Dopo aver riconfermato l'adattamento, incollare il blocco dell'albero sull'albero. Incollare un secondo blocco dell'albero sull'albero dietro il supporto del cuscinetto.

L'ordine del meccanismo dell'orologio sarà:

1. piastra acrilica
2. pannello centrale in schiuma
3. portatarga in compensato
4. Portatarga stampato in 3D
5. accoppiatore
6. Ingranaggio a 72 denti
7. blocco dell'albero
8. piastra di supporto centrale cuscinetto + portacuscinetto + blocco albero cuscinetto
9. blocco dell'albero

Come passaggio finale, inserire a pressione l'ingranaggio cilindrico a 18 denti sul motore passo-passo. Regola e stringi il motore passo-passo in modo che gli ingranaggi da 72 e 18 denti si incastrino e si muovano senza intoppi. Stringere i bulloni del motore passo-passo in posizione.

Cablare l'elettronica:

Lo schema elettrico dell'orologio è relativamente semplice. È necessario collegare il modulo dell'orologio in tempo reale ai pin SDA e SCL, insieme al +5 volt e alla massa su Arduino. È inoltre necessario collegare i pin da IN1 a IN4 sul driver stepper UNL2003A ai pin da 8 a 11 su Arduino, oltre a collegare la terra. Un interruttore e un resistore da 1k Ohm devono essere collegati tra la massa e il pin 7 dell'Arduino. Infine, è necessario collegare un alimentatore alla scheda UNL 2003A e all'Arduino da un alimentatore da 5 volt.

Ecco una serie di descrizioni più dettagliate:

1. Saldare un filo su un lato del pulsante. Collegalo al pin 7 su Arduino.
2. Saldare un resistore da 1k sull'altro lato del pulsante in modo che il pulsante di ingresso sia messo a terra quando non viene premuto.. Dall'altro lato del pulsante, collegarlo a +5 volt..
3. Collegare i quattro fili tra i pin 8, 9, 10 e 11 ai pin UNL 2003A IN1, IN2, IN3 e IN4.
4. Collega i punti SCL e SDA sul modulo Real Time Clock ai pin corretti su Arduino.
5. Collegare la massa di Arduino al modulo Real Time Clock e alle schede UNL 2003A.
6. Crea uno sdoppiatore di potenza per la tua alimentazione a 5 volt (2 ampere dovrebbero essere sufficienti) e collegalo all'Arduino e alla scheda UNL 2003A.
7. Infine, è necessario collegare l'alimentatore LED attraverso lo strato centrale dell'orologio e infilarlo sul retro del case. Dovrai che il controller LED sporga dal retro in modo da poter modificare il modello di illuminazione sull'orologio.

Dovrai collegare +5 volt allo stepper driver e da +6 a +12 volt all'Arduino. Ho provato senza successo a utilizzare un singolo alimentatore per questo, ma probabilmente avrei usato un sistema da 2 amp 7 volt con un regolatore di potenza per lo stepper se avessi avuto un po' più di tempo.

Assicurati che la tensione tra il motore e gli ingranaggi non sia né troppo stretta né troppo allentata. Ricontrolla tutto. Quando tutti i cablaggi sono a posto e le parti sono fissate, inserire con cautela il gruppo in posizione.

Tuttavia, non collegare ancora l'alimentatore. Dobbiamo prima programmare la scheda

Passaggio 9: programma Arduino

La programmazione di Arduino è stata piuttosto semplice. Ecco come funziona il codice:

1. All'avvio del codice, inizializza un contatore di passi e acquisisce l'ora dal modulo dell'orologio in tempo reale. Viene inizializzato anche il numero di passi per il motore, insieme ad alcune altre variabili relative al sistema.
2. L'ora viene convertita dall'ora locale all'ora siderale locale. Poiché la Terra ruota attorno al Sole mentre ruota sul proprio asse, il tempo necessario alle stelle per ruotare è di circa 4 minuti inferiore al tempo necessario per ruotare verso la posizione (media) del Sole. La subroutine temporale siderale nel codice è stata modificata da questo sito. Tuttavia, c'erano alcuni errori nel codice, quindi ho aggiornato per utilizzare l'algoritmo Sidereal Time approssimativo completo creato dall'Osservatorio navale degli Stati Uniti.
3. Quando inizia il ciclo principale, calcola quanto tempo è passato (in ore siderali) dall'accensione dell'orologio. Quindi esamina il contapassi corrente e calcola quanti passi devono essere aggiunti in modo che la rotazione dell'orologio sia allineata con l'ora corrente. Questo numero di passaggi viene inviato ad Arduino per spostare il disco.
4. Se viene premuto un pulsante nel ciclo principale, il disco si sposta in avanti a una velocità maggiore. Ciò consente di impostare il disco sull'ora e la data correnti. L'orologio non conserva il numero di passi dopo un ripristino dell'alimentazione e non esiste un encoder per indicare la posizione assoluta del disco. Potrei aggiungerlo in una versione futura del progetto.
5. Dopo aver spostato l'orologio, il sistema va in sospensione per un certo periodo di tempo e ha ripetuto gli ultimi due passaggi.

Ho fatto un sacco di esperimenti con lo stepper per assicurarmi di sapere quanti passaggi fossero EFFETTIVAMENTE necessari per una singola rotazione. Per il mio stepper, era 512 x 4 con la libreria Arduino Stepper standard. Nel codice, ho impostato l'RPM su 1. Anche se questo è dolorosamente lento quando si imposta l'orologio, le velocità più elevate tendevano ad avere più passaggi mancati.

Passaggio 10: collegalo e imposta l'ora

Dopo aver caricato il codice, collega gli alimentatori ad Arduino e allo stepper. Collega tutto, inclusa la retroilluminazione. Usa il telecomando per accendere la luce.

Ora tutto ciò che devi fare è premere il pulsante per allineare l'ora e la data. Assicurati solo che l'ora corrente sulla rete di plastica esterna sia allineata con il mese e il giorno sulla lastra acrilica interna. Congratulazioni! Hai un orologio astronomico.

Una volta impostato il tempo, dovresti ricevere impulsi dallo stepper ogni 8 secondi circa per aggiornare il campo stellare. È una rotazione LENTA di 24 ore, quindi non aspettarti molta azione su questo. Ovviamente, puoi (e dovresti!) finire il caso.

Come ho detto, questo è un prototipo. Sono generalmente soddisfatto dei suoi risultati, ma lo modificherei un po' nella prossima versione. Quando l'ho ricostruito, probabilmente userò gli stepper NEMA invece delle versioni economiche. Penso che il potere di tenuta e l'affidabilità li renderebbero più facili da usare. L'ingranaggio ha funzionato bene, ma mi sembra di aver messo un po' troppo gioco negli ingranaggi che ho progettato. Probabilmente lo rifarei anche diversamente.

Infine, volevo ringraziare le persone della MTSU Walker Library per il loro aiuto nella costruzione di questo. Ho usato il Laser Etcher nel loro Maker Space per fare le parti in acrilico e legno tagliato, e ho avuto molte discussioni produttive con Ben, Neal e il resto della banda Makerspace quando ho pensato all'orologio.

Secondo Premio al Concorso Orologi