Orologio con ingranaggio planetario: 6 passi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

I (vecchi) orologi meccanici sono incredibilmente interessanti e piacevoli da guardare, ma sfortunatamente sono quasi impossibili da costruire da soli. Anche gli orologi meccanici mancano della disattenzione della precisa tecnologia digitale disponibile oggi. Questo Instructable ti mostra un modo per combinare il meglio di entrambi i mondi; guidando le lancette dell'orologio meccanico attraverso un riduttore epicicloidale con un motore passo-passo e un Arduino!

Forniture

Componenti generali:

• Lastra in legno e acrilico da 5 mm
• Bulloni M5 (svasati), rondelle e dadi
• Distanziatori PCB
• Viti M3 per il motore passo-passo

Componenti elettrici:

• Driver stepper (ho usato l'L293d)
• Qualsiasi tipo di Arduino
• Orologio in tempo reale (ho usato il DS3231)
• Sensore ad effetto Hall (ho usato l'A3144)
• Magnete al neodio da 5 mm
• Pulsanti per l'input dell'utente
• Resistenza da 10K
• Condensatore 100uf 25V
• Presa CC
• Alimentatore CC 5V 2A
• Batteria per RTC (cr2032 nel mio caso)

Componenti meccanici:

• Qualsiasi tipo di motore passo-passo da 1,8 gradi/passo con asse da 5 mm
• Cinghia di distribuzione GT2 400mm
• Puleggia GT2 60 denti 5mm asse
• GT2 20 denti 5mm puleggia perno
• Cuscinetto 5x16x5 mm (3x)
• Cuscinetto flangiato 5x16x5 mm (2x)
• Barra filettata M5x50

Passaggio 1: progettazione e realizzazione degli ingranaggi

Uno degli obiettivi di questo progetto era avere un motore che azionasse l'intero orologio, simile a un vero orologio meccanico in cui un meccanismo di fuga aziona l'intero orologio. La lancetta dei minuti, tuttavia, deve effettuare 12 rotazioni nel tempo in cui la lancetta delle ore compie 1 rotazione. Ciò significa che è necessario un riduttore 1:12 per guidare entrambe le mani con un motore. Ho deciso di farlo con un riduttore epicicloidale, il video incluso spiega magnificamente come funziona questo tipo di riduttore.

Il passo successivo per me è stato determinare il numero di denti per i diversi ingranaggi per creare un rapporto di 1:12. Questo sito è stato molto utile e contiene tutte le formule necessarie. Ho attaccato l'ingranaggio solare alla lancetta dei minuti e il portasatelliti alla lancetta delle ore, lasciando ferma la corona dentata. Facciamo un po' di matematica!

• S = numero di denti sull'ingranaggio solare
• R = numero di denti sulla corona dentata
• P = numero di denti sull'ingranaggio planetario

Il rapporto di trasmissione (i) è determinato da:

io = S/R+S

Si noti che il numero di denti sull'ingranaggio planetario non ha importanza per il rapporto di trasmissione in questo caso, tuttavia è necessario rispettare il vincolo generale:

P = (R - S)/2

Dopo qualche perplessità ho finito per usare i seguenti numeri: S = 10; R = 110; P = 50; Sembrano essere al limite del possibile poiché c'è pochissimo spazio tra gli ingranaggi planetari, ma funziona!

Puoi disegnare gli ingranaggi nel tuo programma CAD preferito, la maggior parte di essi ha plug-in speciali per ingranaggi. Puoi anche usare semplicemente i file allegati a questo Instructable. Certo. Si noti che tutti gli ingranaggi, anche se di dimensioni diverse, hanno lo stesso passo dei denti.

Ho pensato che sarebbe stato fantastico realizzare questi ingranaggi in alluminio da 5 mm e ho contattato un negozio locale con un getto d'acqua se potessero tagliare questi ingranaggi per me. Normalmente non realizzeresti mai ingranaggi con le frese ad acqua, ma questi sono ingranaggi dalle prestazioni molto basse. Sorprendentemente hanno deciso di provare, ma questo piano è fallito orribilmente. Le parti erano semplicemente troppo piccole per il getto d'acqua e hanno iniziato a muoversi durante il taglio.

Questa battuta d'arresto significava che era giunto il momento per il piano B, quindi ho comprato dell'acrilico nero fumo da 5 mm e ho trovato un posto con un laser cutter, che non ha avuto problemi a tagliare i miei ingranaggi. Se non hai a disposizione un laser cutter, probabilmente puoi anche usare una stampante 3D per questi ingranaggi, ho incluso i file STL (potrebbe essere necessario dividere la corona dentata in 3 parti).

Dopo il taglio, ho inserito i cuscinetti negli ingranaggi planetari. Per ottenere la giusta misura ho realizzato un pezzo di prova di acrilico con diversi fori, ognuno dei quali aveva un diametro leggermente più grande (passi di 0,05 mm). Dopo aver trovato l'impostazione con l'adattamento corretto, ho modificato la dimensione del foro negli ingranaggi planetari con questa impostazione. Questo è qualcosa che differisce con il materiale e il tipo di macchina, quindi dovresti sempre farlo da solo.

Passaggio 2: assemblaggio del sistema di ingranaggi

Per montare gli ingranaggi è necessaria la cornice dell'orologio. Ora questa è la parte in cui puoi dare libero sfogo alla tua creatività poiché la forma del telaio è relativamente irrilevante purché tutti i fori dei bulloni siano nel posto giusto. Ho scelto di fare molti fori nella piastra del quadrante e nella piastra posteriore per enfatizzare il meccanismo degli ingranaggi. Questo è anche il motivo per cui i porta pianeti e la lancetta dei minuti sono un po' trasparenti, ma hanno anche un bell'aspetto!

Ho usato ancora una volta il laser cutter per realizzare queste parti e, poiché le parti in acrilico erano spesse 5 mm, ho realizzato anche le parti in legno spesse 5 mm. Tutti i fori nel quadrante e nel portasatelliti sono stati svasati per accogliere i bulloni corrispondenti.

L'asse centrale dell'orologio scorre in due cuscinetti all'interno dei portasatelliti. Da quando ho realizzato questo asse da una barra da 5 mm, ha una presa molto stretta all'interno dei cuscinetti e non sono più stato in grado di smontare questi componenti. Sarebbe molto più semplice usare solo un pezzo di filo M5 poiché non dovresti più tagliare il tuo filo (se solo me ne rendessi conto prima…). Per impedire che l'ingranaggio solare ruoti attorno all'asse, ha un foro a forma di D, quindi anche l'asse deve essere archiviato in questa forma a D. Quando l'ingranaggio solare si adatta all'asse puoi assemblare l'asse, non dimenticare i portasatelliti se usi cuscinetti flangiati! Controlla la vista esplosa per le istruzioni di montaggio.

Quando l'asse centrale è montato, è il momento degli ingranaggi planetari. Questi hanno anche bisogno delle piccole rondelle, proprio come l'asse centrale, per assicurarsi che gli ingranaggi funzionino senza intoppi. Una volta che tutto è montato sui portasatelliti, controlla se gli ingranaggi planetari e l'ingranaggio centrale funzionano senza problemi.

La parte centrale può ora essere montata nella cornice dell'orologio. Questo è un lavoro noioso, ma attaccare i bulloni attraverso la piastra anteriore e fissarli in posizione aiuta molto. Può essere utile anche alzare il frontalino per creare spazio per la lancetta dei minuti. Le foto mostrano che ho posizionato sei piccoli pezzi di carta tra la corona dentata e la piastra posteriore per lasciare un po' di spazio per gli ingranaggi. Quando si inserisce il portasatelliti assicurarsi che i quadranti puntino in una posizione ragionevole (se la lancetta dei minuti jour punta a 12, la lancetta delle ore non dovrebbe essere tra le due ore dell'esempio)

Passaggio 3: collegamento dello stepper e del sensore

Ora che abbiamo un meccanismo a ingranaggi che aziona correttamente le lancette, dobbiamo ancora guidare correttamente il meccanismo a ingranaggi. Si possono utilizzare vari tipi di motori elettrici, ho scelto un motore passo-passo poiché può fare movimenti precisi senza sensori di feedback angolare costante. Un motore passo-passo può anche emettere un vero suono "Click", che è ottimo per l'orologio semi-meccanico!

Un normale motore passo-passo può fare 200 passi per giro, che si traduce in 200 passi all'ora se lo colleghiamo alla lancetta dei minuti. Ciò significherebbe un intervallo di 18 secondi per passo, che non suona ancora come un orologio che ticchetta. Pertanto ho usato una trasmissione 1: 3 tra il motore passo-passo e le lancette dei minuti, quindi il motore passo-passo deve fare 600 passi all'ora. Usando la modalità mezzo passo questo può essere aumentato a 1200 passi all'ora, che equivalgono a un passo ogni 3 secondi. Suona meglio!

Un problema con i motori passo-passo è che non sai mai dove sono quando accendi il tuo Arduino. Questo è il motivo per cui tutte le stampanti 3D hanno dei finecorsa, quindi puoi spostare la stampante in una posizione nota e poi continuare da quel punto. Questo è necessario anche per l'orologio, solo un finecorsa non funzionerà poiché un orologio dovrebbe effettuare rotazioni continue. Per realizzare questo rilevamento della posizione ho utilizzato un sensore ad effetto Hall A3144 che rileva un magnete (controllare la polarità! ….) attaccato al portasatelliti. Questo viene utilizzato per spostare le lancette in una posizione specifica all'avvio, dopodiché possono spostarsi al tempo necessario.

Il montaggio è molto semplice; Fissare il motore passo-passo alla piastra posteriore, lasciando le viti leggermente allentate. Quindi puoi montare la piccola puleggia sull'asse del motore passo-passo e controllare se la cinghia di distribuzione funziona diritta. Ora puoi far scorrere il motore passo-passo per regolare la tensione sulla cinghia di distribuzione. La cinghia di distribuzione ha bisogno di un po' di gioco per assicurarsi di non sollecitare gli ingranaggi. Gioca con questa impostazione finché non sei soddisfatto, quindi stringi completamente le viti del motore passo-passo.

Il sensore ad effetto hall è incollato. È meglio saldare prima tre fili al sensore, assicurandosi di mettere un termoretraibile attorno a ciascuna gamba del sensore in modo che non possano cortocircuitarsi a vicenda. Dopo la saldatura, il sensore può essere incollato in posizione. Non importa quale sia il lato in alto, a patto che tu non abbia ancora attaccato il magnete. Dopo aver incollato il sensore in posizione, collegalo a un Arduino o a un piccolo circuito LED per verificare se funziona. (NOTA: il sensore ad effetto hall funziona solo se le linee del campo magnetico vanno nella direzione corretta). Utilizzando questo circuito di prova, verificare come deve essere incollato il magnete. Una volta che sei assolutamente sicuro su quale lato del tuo magnete deve essere rivolto verso il sensore, incolla il magnete in posizione.

Passaggio 4: l'elettronica che fa ticchettare l'orologio

Potresti usare un codice Arduino molto semplice che fa mezzo passo con il motore e poi impiega un ritardo di 3000 millisecondi fino al passaggio successivo. Funzionerebbe ma non è molto preciso poiché l'orologio interno di Arduino non è ultra preciso. In secondo luogo, l'Arduino dimenticherebbe l'ora ogni volta che perde potenza.

Per tenere traccia del tempo è quindi meglio utilizzare un orologio in tempo reale. Queste cose sono chip appositamente progettati con una batteria di backup che tengono accuratamente traccia del tempo. Per questo progetto ho scelto il DS3231 RTC che può comunicare con un Arduino tramite i2c, facilitando il cablaggio. Una volta impostata correttamente l'ora sul suo chip, non dimenticherà mai che ore sono (fintanto che la batteria cr2032 ha ancora un po' di carica). Dai un'occhiata a questo sito Web per tutti i dettagli su questo modulo.

L'azionamento del motore passo-passo viene eseguito con un driver del motore L293d. Alcuni driver per motori passo-passo più avanzati utilizzano un segnale PWM per il micro-passo e la limitazione della corrente. Questo segnale PWM può emettere il fastidioso rumore che ogni produttore conosce (soprattutto se possiedi una stampante 3D). Poiché questo orologio dovrebbe diventare parte del tuo interno, i rumori molesti non sono desiderati. Pertanto ho deciso di utilizzare il driver del motore l293d low-tech per assicurarmi che il mio orologio sia silenzioso (oltre al passo ogni 3 secondi, ma in realtà è divertente!). Dai un'occhiata a questo sito Web per una descrizione dettagliata del chip l293d. Nota che faccio funzionare il mio motore passo-passo a 5V che riduce il consumo energetico e la temperatura del motore passo-passo.

Come accennato in precedenza, utilizzo un sensore ad effetto Hall per rilevare un magnete incollato al portasatelliti. Il principio di funzionamento del sensore è molto semplice, cambia stato quando un magnete è abbastanza vicino. In questo modo il tuo Arduino può rilevare un massimo o un minimo digitale e quindi rilevare se un magnete è vicino. Dai un'occhiata a questo sito Web che mostra come collegare il sensore e mostra il semplice codice utilizzato per il rilevamento del magnete.

Ultimo ma non meno importante, ho aggiunto 4 pulsanti per l'input dell'utente sul PCB. Usano i resistori pull-up interni di Arduino per semplificare il cablaggio. Il mio PCB ha anche intestazioni in una configurazione Uno, quindi potrei aggiungere scudi Arduino per possibili espansioni (non l'ho fatto finora).

Ho prima testato tutto sulla mia breadboard e poi ho progettato e ordinato un PCB personalizzato per questo progetto, dal momento che sembra fantastico! Potresti anche montare il PCB sul retro del tuo orologio se non vuoi guardarlo.

I file Gerber per il PCB possono essere scaricati dal mio disco, Instructables non mi consente di caricarli per qualche motivo. Usa questo link al mio google drive.

Passaggio 5: programmazione di Arduino

Il codice di base per Arduino è in realtà molto semplice. Ho allegato uno schema che visualizza cosa succede all'interno dell'Arduino e come l'Arduino si interfaccia con gli altri dispositivi. Ho usato diverse librerie per semplificare la codifica.

• Accelstepper -> gestisce la sequenza di passi del motore passo-passo, ti permette di dare comandi intuitivi come: Stepper.runSpeed(), o Stepper.move() che ti permettono rispettivamente di muoverti a una certa velocità o in una certa posizione.
• Wire -> questo è necessario per la comunicazione i2c, anche quando si utilizza RTClib
• RTClib -> gestisce la comunicazione tra Arduino e RTC, ti consente di dare comandi intuitivi come rtc.now() che restituisce l'ora corrente.
• OneButton -> Gestisce l'input del pulsante, rileva le pressioni e quindi esegue un vuoto predefinito per fare qualcosa. Può rilevare pressioni singole, doppie o lunghe.

Quando si scrive codice per un orologio è molto importante evitare di avere variabili che continuano ad aumentare. Poiché il codice Arduino funzionerà 24 ore su 24, 7 giorni su 7, queste variabili diventeranno rapidamente sempre più grandi e alla fine causeranno un overflow. Al motore passo-passo, ad esempio, non viene mai comandato di andare in una certa posizione, poiché questa posizione aumenterebbe solo nel tempo. Invece al motore passo-passo viene comandato di muovere un certo numero di passi in una certa direzione. In questo modo non esiste una variabile di posizione che aumenta nel tempo.

La prima volta che colleghi l'RTC devi impostare l'ora del chip, c'è un pezzo di codice che puoi decommentare che imposta l'ora dell'RTC uguale all'ora del tuo computer (l'ora nel momento in cui compili il codice). Nota che quando lo lasci senza commento, l'ora dell'RTC verrà reimpostata sull'ora in cui hai compilato il codice ogni volta. Quindi decommenta questo, eseguilo una volta e poi commentalo di nuovo.

Ho allegato il mio codice a questo Instructable, l'ho commentato accuratamente. Puoi caricarlo senza alcuna modifica o controllarlo e vedere cosa ne pensi!

Passaggio 6: goditi il suono del tuo orologio che ticchetta per la prima volta

Dopo aver collegato tutta l'elettronica e caricato il codice, questo è il risultato!

Il design di base di questo orologio è molto semplice e può essere realizzato in molte forme e dimensioni diverse. Poiché a bordo è presente un Arduino, puoi anche aggiungere facilmente funzionalità extra. Impostazione di una sveglia, accensione dell'orologio della tua macchina da caffè all'ora prestabilita, connettività Internet, fantastiche modalità demo che mettono in evidenza il movimento meccanico per mostrare il tuo design agli altri e molto altro!

Come avrai notato in questo Instructable, ho dovuto smontare il mio orologio per scrivere questo Instructable. Anche se sfortunato per questo Instructable, posso almeno garantire che il design si comporta molto bene a lungo termine, dal momento che questo orologio ha ticchettato per più di 3 anni nel mio soggiorno senza problemi!

Per favore fatemi sapere nei commenti se vi è piaciuto questo Instructable, è la prima volta che ne scrivo uno. Inoltre, se hai suggerimenti o domande, inviami un messaggio. E spero di aver ispirato qualcuno a costruire anche un orologio semi-meccanico un giorno!

Primo Premio al Concorso Orologi