El rellotge astronòmic: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Poc després que es van inventar els primers rellotges mecànics al segle XIV, els inventors van començar a buscar maneres de representar el moviment del cel. Així, es va crear el rellotge d’astronomia. Potser el rellotge d’astronomia més conegut es va crear a Praga cap al 1410. En lloc de mostrar només quina hora és, també mostra la posició relativa de les estrelles quan la Terra gira sobre el seu eix i gira al voltant del Sol.

En aquest projecte, aprendràs a crear un rellotge d’astronomia que puguis tenir a casa teva. Mostra un mapa de les estrelles que hi ha actualment al cel - de dia o de nit. El mapa del cel canvia a mesura que gira la terra. El projecte inclou components mecànics, electrònics i de programari. Per acabar el projecte, necessitareu una impressora 3D, un tallador làser i algunes eines per treballar la fusta. També he utilitzat Python per crear els mapes i el disseny d’estrelles incorporats al rellotge. Potser la meva part preferida del projecte era integrar totes aquestes tecnologies juntes.

Aquest projecte era completament original. Vaig escriure el programari per fer funcionar el rellotge, vaig crear els dissenys làser per a la caixa i fins i tot vaig construir els engranatges i el tren motriu. També vaig escriure el programari per fer la disposició del mapa estel·lar.

El resultat final semblava que valia la pena el temps que vaig dedicar a muntar-lo.

Pas 1: recollida de les parts

Per a aquest projecte, necessitareu els subministraments següents:

2 peces d’acrílic de 11x14 (0,093 polzades de gruix)

Tauler 1 - 1x6 de 6 peus de llarg.

1 - Arduino Uno

1 - Mòdul de rellotge en temps real

1 - motor pas a pas 28bjy-48

1 - controlador pas a pas - UNL2003

Font d'alimentació d'1 a 5 volts

Llum de tira LED d'1 a 36 polzades

Full de fusta contraxapada d'1 - 1/4 polzada - 2x4 peus

Eix metàl·lic de 1 a 8 mm

2 - 608 rodaments de boles

1 - trossos de tauler d'escuma negra: aproximadament 12 x 12 polzades

Diversos: filferro, cargols de fusta (# 6 x 1 1/4 de polzada), bossa de cargols de màquina de 6x32 x 0,75 polzades + femelles, una altra bossa de cargols de màquina de 4x40 x 0,75, taques de fusta (opcional)

També necessitareu les eines següents:

Accés a una impressora 3d

Accés a un gravador làser capaç de tallar 1/4 en acrílic i fusta

Una serra de taula + encaminador per crear la caixa del rellotge

Pas 2: imprimiu els engranatges i les peces de plàstic

Per començar, haureu d’imprimir els engranatges i les peces de plàstic del rellotge. Vaig utilitzar un Prusa I3 MK3, Slic3r i PETG per al meu rellotge. No obstant això, gairebé qualsevol variació hauria de funcionar bé per a aquest projecte. La principal limitació és que necessiteu un llit d’impressió gran per crear el suport de la placa i l’engranatge de 72 dents.

Aquesta és una descripció ràpida dels fitxers que cal imprimir:

suport de coixinets: el suport de coixinets té dos 608 coixinets per suportar l’eix motriu. Es cargola a la part posterior de la placa central del rellotge.

acoblament: aquesta peça de plàstic uneix el suport de la placa i l'engranatge de 72 dents. Fa 25 mm de llarg, de manera que està dissenyat per a un rellotge amb un espai de dues polzades entre la placa frontal i la placa central que subjecta els coixinets.

suport de la placa: el suport de la placa acobla la placa acrílica i el seu suport a l’eix motriu.

porta eix: es tracta del fitxer d’un anell de 8 mm de diàmetre que s’utilitza per mantenir l’eix al seu lloc quan passa pel suport del coixinet. N’heu d’imprimir dos per al projecte.

Spur Gear (18 dents): aquest espremiment de l’engranatge espiral s’adapta a l’eix del motor pas a pas.

Engranatge espiral (72 dents).- Aquest engranatge s’acobla a l’eix motriu del rellotge i gira el suport de la placa i la placa acrílica.

suport del motor: una placa per subjectar el motor pas a pas

El disseny mecànic bàsic es mostra als diagrames anteriors. La placa frontal s’uneix a la porció del mapa estel·lar que gira (el Rete). Es connecta a través d’un eix a un engranatge de 72 dents. El motor pas a pas (28BYJ48) acciona un engranatge de 18 dents que fa funcionar el rellotge. El propi motor es troba a la placa del suport del motor perquè es pugui ajustar a la placa central del rellotge.

El sistema de suport del coixinet que subjecta l’eix està cargolat a una placa central dins del rellotge. Els coixinets utilitzats són 608 coixinets normals (22 mm de diàmetre exterior, 8 mm de diàmetre interior, 7 mm de gruix) que van a l'interior i a l'exterior de la peça de suport de l'ós. L’eix s’uneix als engranatges i tot s’enganxa a l’eix per mantenir-lo tot junt.

Els engranatges i les peces de plàstic es van crear amb Fusion 360. Sóc una mica nou en el programari, però l'eina complementària de generació d'engranatges va funcionar molt bé per muntar-ho. Esbrinar com utilitzar el programari va ser un dels objectius principals d’aquest projecte per a mi.

Podeu accedir al fitxer de disseny de les parts en 3D aquí: Fusion 360 Astronomy Clock

Pas 3: gravar amb làser les parts acríliques

Les plantilles acríliques del Rete (la part amb les estrelles) i la placa (la peça frontal) s’adjunten a la part superior. Aquest mapa estel·lar es va establir a una latitud d’uns 40 graus nord i hauria de funcionar força bé per a la majoria de la gent. Els mapes mateixos es van generar mitjançant un programari que vaig escriure en python.

github.com/jfwallin/star-project

No recomanaria aprofundir a menys que us agradi molt la codificació de pitons i l'astronomia. Encara no està tan ben documentat, però està disponible si el voleu utilitzar. Vaig passar molt de temps treballant en qüestions estètiques com ara la mida de les estrelles, els tipus de lletra, la ubicació de les etiquetes, etc.

Bàsicament hi ha dues categories de fitxers:

placa: les peces amb el mapa estel·lar imprès.

rete: les peces que tenen la finestra per la qual veieu les estrelles impreses.

NO cal que les imprimiu totes, però he pensat que pot ser útil incloure-les en diversos formats.

Després de produir el Rete and Plate amb el codi python, el vaig importar a Adobe Illustrator per afegir els elements gràfics necessaris per a l'aiguafort. Vaig donar la volta al mapa de les estrelles que està gravat a la part posterior de l’acrílic per fer que la il·luminació del darrere sembli una mica més agradable.

Si no teniu accés a un gravador làser, podeu imprimir la placa i Rete sobre paper i després enganxar-les a una base de fusta contraxapada. No tindria l’aspecte acrílic brillant, però seria un bon rellotge al mantell per mostrar-vos la rotació de les estrelles cada dia. Gravar un disseny de metall donaria al rellotge un aspecte cool punk de vapor.

(Nota: hi ha hagut una correcció a la plantilla de placa acrílica que es va afegir després de fer part de la fotografia.)

Pas 4: gravar amb làser les peces de fusta

Els fitxers Adobe Illustrator per a les peces de fusta contraxapada del rellotge s’adjunten a la part superior. Hi ha quatre parts de fusta contraxapada que cal tallar amb làser. Podeu utilitzar fàcilment una màquina CNC per fabricar aquestes peces, o fins i tot simplement tallar-les amb una serra de taula i una serra de desplaçament. Només cal que coincideixi amb les parts impreses de la placa del darrer pas i la part frontal del rellotge.

contraplacat de rellotge: es tracta només d’una làmina de 11x11 polzades de fusta contraxapada de 1/8 que serveix de darrera al rellotge. Hi he posat un disseny d’estrella, perquè semblava genial.

rellotge central-contraxapat: també és un full de fusta contraxapada de 11x11, però el vaig tallar de contraxapat de 3/8 polzades. Té un forat de 9 mm de diàmetre al centre de l’eix motor. El motor pas a pas, l’eix motriu i l’electrònica per al rellotge estan muntats en aquesta peça.

rellotge frontal-contraxapat: és la peça frontal del rellotge. De nou, es tracta d’una peça d’11 x 11 polzades de fusta contraxapada d’1 / 8. Té un forat circular al centre juntament amb 4 forats per als cargols de 6x32 que fixen la placa a la part frontal.

rellotge-placa-contraxapat: aquesta peça de contraxapat (1/8 de polzada) us permet muntar la placa de plexiglàs. Finalment, intercalareu un tros de tauler d’escuma negra entre la fusta contraxapada i l’acrílic. Aquesta peça també es munta al suport de la placa impresa en 3D.

Pas 5: munteu la caixa del rellotge

La caixa que sosté el rellotge està formada per un tros de fusta d’1x6 que feia uns 6 peus de llarg.

La idea bàsica és fer una caixa que contingui els trossos de fusta d’11x11 polzades en ranures de dado. He canviat la mida de la meva caixa per tenir una dimensió exterior de 12 polzades i una dimensió interior de 10,5 polzades. Cal que totes les peces del rellotge tinguin tres ranures de dado encaminades. Per a la meva versió, tinc trossos de fusta de 12x6x0,75 i dos trossos de fusta de 10,5x6x1.

Les ranures de la part davantera i posterior del rellotge s’insereixen a aproximadament 1/2 polzada de la part frontal i posterior de les peces de fusta. Vaig fer servir un bit de router 1/8 en una taula de router per fer aquestes ranures. Després de comprovar l'ajust amb la fusta contraxapada, vaig compensar la tanca de la taula del router per una escombrera (aproximadament 1/32 de polzada en unitats imperials) i després la vaig tornar a passar.

La ranura del dado central que sosté la placa central també es va tallar a la taula del router, ja que vaig utilitzar 3/8 de fusta contraxapada per a aquesta peça, vaig fer un altre ajust de la tanca de la taula del router per fer el forat més ample. Teniu aproximadament 2 polzades d’espai entre la placa de tipus de lletra i la placa central de la caixa, així que ajusteu la taula en conseqüència.

Per als dos talls, vaig fer un parell de passades per a cada tauler. També he passat les taules diverses vegades per assegurar-me que els talls estiguessin nets.

Els dados per als dos taulers laterals eren per a tota la longitud del tauler. No obstant això, per a les peces superiors i inferiors més llargues, he utilitzat dos blocs de parada a la taula del router per submergir la fulla a la fusta a aproximadament 1/2 polzada de distància del començament i del final de les peces de fusta. Bàsicament, no volia que les ranures fossin visibles a l’exterior de la caixa. Totes les ranures tenen aproximadament 1/4 de profunditat per subjectar la fusta contraxapada.

Un cop hàgiu tallat les peces, munteu temporalment la caixa i sorregueu les arestes que es puguin sortir. També voldreu treure les vores afilades de les parts exteriors de la caixa del rellotge. Quan estigueu satisfet amb el cas, traieu el tauler superior i assegureu-vos que les plaques de fusta contraxapada encaixen realment a les ranures que heu encaminat. Em vaig assabentar que necessitava treure un 1/8 dels meus plats amb una serra de taula perquè les coses quedessin còmodament a la caixa que vaig crear.

Com que aquest era un prototip, vaig tallar algunes cantonades a l’hora de fer el cas en aquest projecte. Vaig fer servir àlber per al rellotge, però només perquè tenia una taula asseguda a la meva botiga fàcilment disponible. Quedaria més bonic en cirera o noguera. També he utilitzat només juntes de cargol simples per mantenir-les juntes amb una construcció senzilla de superposició. Els cargols estaran a la part superior i inferior del rellotge, de manera que no es notaran gaire quan estigui al mantell situat al costat de la meva xemeneia. (A més, he esmentat que era un prototip?). La següent versió del rellotge utilitzarà juntes mitrades.

Pas 6: Munteu les peces mecàniques del rellotge

El muntatge de les parts mecàniques dels rellotges triga uns quants minuts, però és relativament senzill.

Connecteu la placa estrella, la placa de fusta contraxapada, l'engranatge de 72 dents i el suport de la placa de plàstic:

1. Utilitzant el suport de la placa de fusta contraxapada com a plantilla, retalleu un tros de tauler de nucli d’escuma negra de la mateixa mida. Jo tinc un ganivet Exacto per crear aquesta peça, però una serra de desplaçament pot funcionar igual de bé. (Nota important: NO CORTEU LÀSER NUCLE D'ESCUMA. Produeix fums tòxics.)
2. Centreu el suport de la placa de fusta al suport de la placa impresa en 3D. Mesureu i foradeu quatre orificis de cargol per alinear-los amb els del suport de plàstic. Connecteu el suport de plàstic al suport de la placa de fusta contraxapada mitjançant cargols i femelles de 6x32 1 polzada. Talleu petits forats a la placa d’escuma per adaptar-los als caps dels cargols.
3. Entregeu la placa estrella acrílica, la placa d’escuma amb els forats del cargol i la placa contraxapada. Hi ha quatre forats a la placa de fusta contraxapada i a la placa d’estrella acrílica. Haureu d’utilitzar cargols d’1 polzada de 6x32 per connectar aquestes peces juntes. Per descomptat, haureu de perforar un forat a través del tauler de nucli d’escuma i del paper de construcció als llocs adequats.
4. Enganxeu l’acoblador al suport de plaques. He afegit una tolerància de 0,1 mm entre les pestanyes i els forats per assegurar-me que encaixi bé.
5. Enganxeu l’engranatge d’esperó de 72 dents al portador. Això completarà el muntatge de la placa estel·lar del rellotge. Vaig utilitzar cola Gorilla per cimentar l’engranatge de 72 dents, l’acoblador i el portaplats.

Pas 7: Comenceu a muntar la caixa del rellotge

Muntatge de la placa frontal: cargoleu la xarxa d’acrílic a la placa frontal de contraxapat del rellotge utilitzant quatre cargols i femelles de 6x32 1 polzada (o fins i tot 3/4 polzades).

Afegiu la tira LED de llum de fons: agafeu la tira LED i subjecteu-la entre la placa central del rellotge i la placa frontal del rellotge. (Podeu ajudar a treure la placa frontal del rellotge per fer-ho). Assegureu-vos que la tira està ben fixada i no interfereix amb la rotació dels mecanismes del rellotge o del motor pas a pas. És possible que vulgueu utilitzar grapes o cola per mantenir-lo al seu lloc. Col·loqueu el frontal de fusta contraxapada amb la xarxa d’acrílic a la caixa del rellotge. Col·loqueu també la placa central amb el mecanisme del rellotge a la caixa del rellotge. Assegureu-vos de passar el cable d'alimentació de la tira LED amb cura per la placa central. Per fer-ho, s’ha col·locat un forat a la base del tauler.

Pas 8: munteu la placa central i connecteu el rellotge

Ara toca ajuntar la placa central del rellotge. Això inclou el suport mecànic de l'eix motriu i del motor, juntament amb el cablejat de l'electrònica per al projecte.

Muntar el suport del coixinet i el motor pas a pas a la placa central: fixeu el motor pas a pas a la placa central mitjançant dos perns i femelles de 6x32. Executeu el cable des del pas a la part posterior del tauler. Agafeu el suport del coixinet imprès en 3D i premeu dos 608 rodaments a la part davantera i posterior del suport. És possible que hàgiu d'ajustar aquesta part si la impressora 3D està lleugerament apagada, però he aconseguit ajustar-la bé amb PETG i la meva impressora Prusa. Traieu el suport a la part posterior de la placa central. Muntar els mecanismes del rellotge a l’eix motriu: empènyer l’eix metàl·lic de 8 mm per l’engranatge de 72 dents i per la placa de forat de plàstic perquè quedi al costat del suport de la placa de fusta contraxapada. Col·loqueu l’altre extrem de l’eix metàl·lic de 8 mm a través de la placa central i el suport del coixinet. Col·loqueu la placa central a la caixa, assegurant-vos que hi hagi prou espai perquè la roda estel·lar giri darrere dels cargols que mantenen la xarxa de plàstic frontal al seu lloc. Mesureu i marqueu un lloc per tallar l'eix perquè quedi còmodament a la caixa. Voldreu tenir prou eix per enganxar dues de les peces de bloqueig de l’eix abans i després del coixinet. Un cop feta aquesta mesura, traieu el conjunt d'engranatges / plaques i traieu l'eix del suport del coixinet. Talleu l'eix amb una serra per tal de que quede completament dins de la caixa, però també tingueu un 0,5 a 1 cm de segon que surti de la part posterior del suport del coixinet. Un cop tallat l’eix a la longitud adequada, torneu a muntar l’engranatge d’esperó de la placa / 72 dents a la placa i enganxeu-lo al seu lloc. Afegiu un pany de l’eix just darrere del conjunt i, a continuació, poseu-lo a través del suport del coixinet. Després de confirmar l'ajust, enganxeu el pany de l'eix a l'eix. Enganxeu un segon pany de l’eix a l’eix darrere del suport del coixinet.

L'ordre del mecanisme del rellotge serà:

1. placa acrílica
2. tauler de nucli d’escuma
3. portaplats contraxapat
4. Portaplats impresos en 3D
5. acoblador
6. Engranatge de 72 dents
7. pany de l’eix
8. coixinet de plaques de suport central + porta coixinets + bloqueig de l'eix del coixinet
9. pany de l’eix

Com a pas final, premeu l’engranatge de 18 dents al motor pas a pas. Ajusteu i estrenyeu el motor pas a pas perquè els engranatges de 72 i 18 dents s’uneixin i es moguin sense problemes. Estrenyiu els cargols del motor pas a pas.

Connecteu l'electrònica:

El diagrama de cablejat del rellotge és relativament senzill. Cal connectar el mòdul de rellotge en temps real als pins SDA i SCL, juntament amb els +5 volts i la terra a l’Arduino. També heu de connectar els pins IN1 a IN4 del controlador pas a pas UNL2003A als pins 8 a 11 de l’Arduino, juntament amb connectar la terra. Cal connectar un commutador i una resistència d’1 k Ohm entre la terra i el pin 7 de l’Arduino. Finalment, cal connectar una font d'alimentació a la placa UNL 2003A i a l'Arduino mitjançant una font d'alimentació de 5 volts.

Aquí teniu un conjunt de descripcions més detallat:

1. Soldeu un cable a un costat del polsador. Connecteu-ho al pin 7 de l'Arduino.
2. Soldeu una resistència de 1 k a l’altre costat del polsador perquè el botó d’entrada estigui connectat a terra quan no s’està pressionant. A l’altre costat del botó, lligueu-lo a +5 volts..
3. Connecteu els quatre cables entre els pins 8, 9, 10 i 11 als pins IN1, IN2, IN3 i IN4 de UNL 2003A.
4. Connecteu els punts SCL i SDA del mòdul de rellotge en temps real als pins correctes de l’Arduino.
5. Connecteu la terra de l’Arduino al mòdul de rellotge en temps real i a les plaques UNL 2003A.
6. Creeu un divisor d'alimentació per al vostre subministrament de 5 volts (2 amperis haurien de ser suficients) i connecteu-lo a l'Arduino i a la placa UNL 2003A.
7. Finalment, heu de connectar la font d'alimentació LED a través de la capa mitjana del rellotge i filar-la a la part posterior de la caixa. Voldreu que el controlador LED surti per la part posterior per poder canviar el patró d’il·luminació del rellotge.

Haureu de lligar +5 volts al controlador pas a pas i +6 a +12 volts a l’Arduino. Vaig intentar sense èxit utilitzar una única font d'alimentació per a això, però probablement hauria utilitzat un sistema de 2 volts de 7 volts amb un regulador de potència per al pas a pas si tingués una mica més de temps.

Assegureu-vos que la tensió entre el motor i els engranatges no és ni massa estreta ni massa perduda. Comproveu-ho tot de nou. Quan tot el cablejat estigui al seu lloc i les parts estiguin fixades, rellisqueu el conjunt amb cura.

No obstant això, no connecteu encara la font d'alimentació. Primer hem de programar el tauler

Pas 9: programa l'Arduino

Programar l’Arduino era bastant senzill. Així funciona el codi:

1. Quan s’inicia el codi, inicialitza un comptador de passos i agafa l’hora del mòdul de rellotge en temps real. També s’inicialitza el nombre de passos del motor, juntament amb algunes altres variables sobre el sistema.
2. L'hora es converteix de l'hora local en hora sideral local. Atès que la Terra gira al voltant del Sol mentre gira sobre el seu eix, el temps que triguen les estrelles a girar és aproximadament 4 minuts més curt que el temps que triga a girar a la posició (mitjana) del Sol. La subrutina de temps sideral del codi s'ha modificat des d'aquest lloc. No obstant això, hi va haver alguns errors al codi, de manera que vaig actualitzar per utilitzar l'algorisme aproximat del temps sideral creat per l'Observatori Naval dels EUA.
3. Quan comença el bucle principal, calcula la quantitat de temps que ha passat (en hores siderals) des que s'ha activat el rellotge. A continuació, mira el comptador de passos actual i calcula quants passos s’haurien d’afegir perquè la rotació del rellotge estigui alineada amb l’hora actual. Aquest nombre de passos s’envien a l’Arduino per moure el disc.
4. Si es prem un botó al bucle principal, el disc avança a un ritme més ràpid. Això us permet configurar el disc a la data i hora actuals. El rellotge no conserva el nombre de passos després d’un reinici d’alimentació i no hi ha cap codificador que indiqui la posició absoluta del disc. Puc afegir-ho en una versió futura del projecte.
5. Després de moure el rellotge, el sistema es queda en repòs durant un període de temps i repeteix els dos darrers passos.

Vaig fer un munt d’experiments amb el pas a pas per assegurar-me que sabia quants passos eren realment necessaris per a una sola rotació. Per al meu stepper, era de 512 x 4 amb la biblioteca Arduino Stepper estàndard. Al codi, he establert la RPM a 1. Tot i que això és dolorosament lent quan configureu el rellotge, les velocitats més altes solien tenir més passos perduts.

Pas 10: connecteu-lo i configureu l'hora

Després d’haver carregat el codi, connecteu les fonts d’alimentació a l’Arduino i al pas a pas. Connecteu-ho tot, inclosa la llum de fons. Feu servir el comandament a distància per encendre el llum.

Ara només cal prémer el botó per alinear l’hora i la data. Assegureu-vos que l’hora actual de la xarxa de plàstic exterior estigui alineada amb el mes i el dia de la placa acrílica interior. Enhorabona! Teniu un rellotge d’astronomia.

Un cop establert el temps, hauríeu d'obtenir pulsacions del pas a pas cada 8 segons aproximadament per actualitzar el camp estel·lar. És una rotació LENTA les 24 hores, així que no espereu molta acció en aquest sentit. Obbviament, podeu (i hauríeu!) D’acabar el cas.

Com he dit, aquest és un prototip. En general, estic satisfet amb els seus resultats, però ho modificaria una mica a la següent versió. Quan el reconstrueixi, probablement faré servir passos NEMA en lloc de les versions barates-o. Crec que el poder de retenció i la fiabilitat els facilitarien l’ús. L’engranatge funcionava bé, però sento que poso una mica massa de joc als engranatges que vaig dissenyar. Probablement també ho faria de manera diferent.

Finalment, volia donar les gràcies a la gent de la Biblioteca Walker MTSU per la seva ajuda per construir-ho. Vaig fer servir el gravador làser al seu Maker Space per fer les peces tallades en acrílic i fusta, i vaig tenir moltes converses productives amb Ben, Neal i la resta de la colla Makerspace quan pensava en el rellotge.

Accèssit al concurs de rellotges