Rellotge d'engranatges planetaris: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Els rellotges mecànics (antics) són increïblement interessants i agradables de veure, però malauradament són gairebé impossibles de construir. Als rellotges mecànics també els falta la negligència de la precisa tecnologia digital disponible avui en dia. Aquest instructiu us mostra una manera de combinar el millor dels dos mons; conduint les agulles del rellotge mecànic a través d’una caixa de canvis planetària amb un motor pas a pas i un Arduino.

Subministraments

Components generals:

• Fusta de 5mm i xapa acrílica
• Cargols M5 (avellanats), volanderes i femelles
• Separacions de PCB
• Cargols M3 per al motor pas a pas

Components elèctrics:

• Controlador pas a pas (he utilitzat el L293d)
• Qualsevol tipus d'Arduino
• Rellotge en temps real (he utilitzat el DS3231)
• Sensor d'efecte Hall (he utilitzat l'A3144)
• Imant de neodi de 5 mm
• Botons per a l'entrada de l'usuari
• Resistència de 10K
• Condensador de 100uf 25V
• Presa de corrent continu
• Alimentació de 5V 2A DC
• Bateria per al RTC (cr2032 en el meu cas)

Components mecànics:

• Qualsevol tipus de motor pas a pas de 1,8 graus / pas amb eix de 5 mm
• Corretja de distribució GT2 400mm
• Politja d'eix de 5 mm GT2 de 60 dents
• Politja d'eix de 5 mm GT2 de 20 dents
• Rodament de 5x16x5 mm (3x)
• Rodament amb brides de 5x16x5 mm (2x)
• Vareta roscada M5x50

Pas 1: dissenyar i fabricar els engranatges

Un dels objectius d’aquest projecte era tenir un motor que accionés el rellotge complet, similar a un rellotge mecànic real on un mecanisme d’escapament condueixi el rellotge complet. Tanmateix, l’agulla de minuts ha de fer 12 rotacions en el temps que l’agulla de les hores fa 1 rotació. Això significa que es necessita una caixa de canvis de reducció 1:12 per conduir les dues mans amb un motor. Vaig decidir fer-ho amb una caixa de canvis planetària, el vídeo inclòs explica molt bé com funciona aquest tipus de caixes de canvis.

El següent pas per a mi va ser determinar el recompte de dents dels diferents engranatges per crear una proporció de 1:12. Aquest lloc web va ser molt útil i conté totes les fórmules necessàries. Vaig fixar l’engranatge solar a l’agulla dels minuts i el portador del planeta a l’agulla de les hores, deixant l’engranatge anell estacionari. Fem una mica de matemàtiques!

• S = nombre de dents a l’engranatge solar
• R = nombre de dents de l’anell
• P = nombre de dents de l’engranatge del planeta

La relació de transmissió (i) està determinada per:

i = S / R + S

Tingueu en compte que el nombre de dents de l'engranatge del planeta no té importància per a la relació d'engranatges en aquest cas, però hem de respectar la restricció general:

P = (R - S) / 2

Després d’alguns desconcertants, vaig acabar fent servir els números següents: S = 10; R = 110; P = 50; Sembla que estan a la vora del que és possible, ja que hi ha molt poc espai entre els engranatges del planeta, però funciona.

Podeu dibuixar els engranatges al vostre programa CAD preferit, la majoria tenen connectors d’engranatges especials. També podeu fer servir els fitxers adjunts a aquest instructiu. és clar. Tingueu en compte que tots els engranatges, tot i que difereixen en mides, tenen el mateix pas dental.

Vaig pensar que seria fantàstic fabricar aquests engranatges d’alumini de 5 mm i vaig contactar amb una botiga local amb raig d’aigua si em poguessin tallar aquests engranatges. Normalment mai es fabriquen engranatges amb talladores d’aigua, però es tracta d’engranatges de molt baix rendiment. Sorprenentment, van acceptar intentar-ho, però aquest pla va fracassar terriblement. Les peces eren simplement petites per al raig d’aigua i van començar a moure’s mentre es tallava.

Aquest contratemps va significar que era el moment del pla B, així que vaig comprar acrílic negre fum de 5 mm i vaig trobar un lloc amb un tallador làser, que no tenia problemes per tallar-me els engranatges. Si no teniu disponible un tallador làser, probablement també pugueu utilitzar una impressora 3D per a aquests engranatges, inclòs els fitxers STL (és possible que s’hagi de dividir l’engranatge en 3 parts).

Després de tallar, premeu els coixinets ajustats als engranatges del planeta. Per fer-ho bé, vaig fer una prova d’acrílic amb diversos forats que tenien un diàmetre una mica més gran (passos de 0,05 mm). Després de trobar el paràmetre amb l'ajust correcte, vaig canviar la mida del forat dels engranatges del planeta a aquest paràmetre. Això és diferent amb el material i el tipus de màquina, de manera que sempre ho heu de fer vosaltres mateixos.

Pas 2: Muntatge del sistema d'engranatges

Per muntar els engranatges, cal el marc del rellotge. Ara és la part on podeu deixar caure la vostra creativitat, ja que la forma del marc és relativament poc important sempre que tots els forats del cargol estiguin al lloc adequat. Vaig escollir fer molts forats a la placa de marcatge i a la placa posterior per emfatitzar el mecanisme d'engranatges. Aquesta és també la raó per la qual els portadors del planeta i l’aiguamoll de minuts són una mena de transparència, però també sembla genial.

Una vegada més vaig fer servir el tallador làser per fabricar aquestes peces i, ja que les parts acríliques tenien un gruix de 5 mm, també les vaig fer de 5 mm de gruix. Tots els forats de la placa de marcatge i de la portadora del planeta van ser avellanats per acomodar els perns coincidents.

L'eix central del rellotge funciona en dos coixinets dins dels portadors del planeta. Com que vaig fabricar aquest eix a partir de barres de 5 mm, té un ajust molt ajustat dins dels coixinets i ja no vaig poder desmuntar aquests components. Seria molt més senzill utilitzar només un tros de fil M5, ja que tampoc no hauríeu de tallar el vostre propi fil (si només m’hagués adonat abans …). Per evitar que l'engranatge solar giri al voltant de l'eix, té un forat en forma de D, de manera que l'eix també s'ha de llimar en aquesta forma de D. Quan l'engranatge solar s'adapti a l'eix, podeu muntar l'eix. No oblideu els portadors del planeta si utilitzeu coixinets amb brides. Consulteu la vista explotada per obtenir instruccions de muntatge.

Quan l’eix central està muntat, és hora que engranis el planeta. Aquests també necessiten petites rentadores, igual que l’eix central, per assegurar-se que els engranatges funcionen sense problemes. Quan tot estigui muntat als portadors del planeta, comproveu si els engranatges i els equips solars del planeta funcionen sense problemes.

Ara la part central es pot muntar al marc del rellotge. Aquest és un treball tediós, però enganxar els parabolts a la placa frontal i enganxar-los al seu lloc ajuda molt. També pot ser útil elevar la placa frontal per crear espai per a l’agulla de minuts. Les fotos mostren que he col·locat sis petits trossos de paper entre l’anell d’engranatges i la placa posterior per donar una mica d’espai lliure als engranatges. En inserir la portadora del planeta, assegureu-vos que els dials apunten cap a una ubicació assenyada (si l’agulla dels minuts del dia és a 12, l’agulla de les hores no hauria d’estar entre dues hores d’exemple)

Pas 3: connectar el pas a pas i el sensor

Ara que tenim un mecanisme d'engranatges que mou les mans correctament, encara hem de conduir el mecanisme d'engranatges correctament. Es podrien utilitzar diversos tipus de motors elèctrics, vaig escollir un motor pas a pas ja que pot fer moviments precisos sense sensors de retroalimentació angular constants. Un motor pas a pas també pot produir un veritable so de "clic", que és ideal per al rellotge semimecànic.

Un motor pas a pas normal pot fer 200 passos per revolució, cosa que es tradueix en 200 passos per hora si el connectem a l’agulla de minuts. Això significaria un interval de 18 segons per pas, que encara no sona com un rellotge tic. Per tant, he utilitzat una transmissió 1: 3 entre el motor pas a pas i les agulles dels minuts, de manera que el motor pas a pas ha de fer 600 passos per hora. Si utilitzeu el mode de mig pas, es pot augmentar a 1200 passos per hora, que equival a un pas per 3 segons. Sona millor!

Un problema amb els motors pas a pas és que mai se sap on són quan engegueu el vostre Arduino. És per això que totes les impressores 3D tenen parades finals, de manera que podeu moure la impressora a una posició coneguda i continuar des d’aquest punt. Això també és necessari per al rellotge, només una parada final no funcionarà, ja que un rellotge hauria de fer rotacions contínues. Per realitzar aquesta detecció de posició, he utilitzat un sensor d'efecte Hall A3144 que detecta un imant (comproveu la polaritat! …) connectat al portador del planeta. S'utilitza per moure les mans a una posició específica en iniciar-se, després de la qual cosa poden passar al temps necessari.

El muntatge és molt senzill; Connecteu el motor pas a pas a la placa posterior deixant els cargols una mica solts. A continuació, podeu muntar la politja petita a l'eix del motor pas a pas i comprovar si la corretja de distribució funciona recta. Ara podeu lliscar el motor pas a pas per ajustar la tensió a la corretja de distribució. El cinturó de distribució necessita una mica de joc per assegurar-se que no s’estressi cap als engranatges. Jugueu amb aquest paràmetre fins que estigueu satisfets i, a continuació, estrenyeu completament els cargols del motor pas a pas.

El sensor d’efecte hall està enganxat al seu lloc. El millor és soldar tres cables al sensor per primer cop, assegurant-se que es redueix la calor al voltant de cada pota del sensor perquè no es puguin curtcircuitar. Després de soldar, el sensor es pot enganxar al seu lloc. Realment no importa de quin costat estigui amunt, sempre que encara no hàgiu fixat l'imant. Després d’enganxar el sensor al seu lloc, connecteu-lo a un Arduino o a un petit circuit LED per provar si funciona. (NOTA: el sensor d'efecte hall només funciona si les línies del camp magnètic van en la direcció correcta). Mitjançant aquest circuit de prova, comproveu com s’ha d’enganxar l’imant. Un cop estigueu absolutament segur de quin costat del vostre imant hauria d’enfrontar-se al sensor, enganxeu-lo al lloc.

Pas 4: l'electrònica que marca el rellotge

Podeu utilitzar un codi Arduino molt senzill que fa un pas mitjà amb el motor i, a continuació, pren un retard de 3000 mil·lisegons fins al següent pas. Això funcionaria, però no és molt precís, ja que el rellotge Arduino intern no és ultra precís. En segon lloc, l'Arduino oblidaria el temps cada vegada que perd el poder.

Per fer un seguiment del temps, per tant, és millor utilitzar un rellotge en temps real. Aquestes coses són xips dissenyats especialment amb una bateria de seguretat que permet fer un seguiment precís del temps. Per a aquest projecte vaig triar el DS3231 RTC que pot comunicar-se amb un Arduino mitjançant i2c, facilitant el cablejat. Un cop definiu l'hora correctament al xip, mai s'oblidarà de quina hora és (sempre que a la bateria cr2032 li quedi suc). Consulteu aquest lloc web per obtenir tots els detalls sobre aquest mòdul.

La conducció del motor pas a pas es fa amb un controlador de motor L293d. Alguns conductors de motor pas a pas més avançats utilitzen un senyal PWM per a la limitació de corrent i de micro-pas. Aquest senyal PWM pot provocar el molest soroll de tots els fabricants (especialment si teniu una impressora 3D). Com que se suposa que aquest rellotge forma part del vostre interior, no es desitgen sorolls desagradables. Per tant, vaig decidir utilitzar el controlador de motor de baixa tecnologia l293d per assegurar-me que el meu rellotge estigués en silenci (a més de trepitjar cada 3 segons, però és realment agradable!). Consulteu aquest lloc web per obtenir una descripció detallada del xip l293d. Tingueu en compte que faig funcionar el meu motor pas a pas a 5 V, cosa que redueix el consum d'energia i la temperatura del motor pas a pas.

Com s’ha esmentat anteriorment, faig servir un sensor d’efecte Hall per detectar un imant enganxat al portador del planeta. El principi de funcionament del sensor és molt senzill, canvia d’estat quan un imant està prou a prop. D'aquesta manera, el vostre Arduino pot detectar un valor digital alt o baix i, per tant, detectar si un imant està a prop. Consulteu aquest lloc web que mostra com connectar el sensor i mostra el codi senzill que s’utilitza per a la detecció d’imants.

Per últim, però no menys important, he afegit 4 botons per a l’entrada de l’usuari al PCB. Utilitzen les resistències internes de tracció Arduino per simplificar el cablejat. El meu PCB també té capçaleres en una configuració Uno, de manera que podria afegir escuts Arduino per a possibles expansions (fins ara no ho he fet).

Primer vaig provar tot el que hi havia a la taula de treball i després vaig dissenyar i demanar un PCB personalitzat per a aquest projecte, ja que sembla increïble. També podeu muntar el PCB a la part posterior del rellotge si no voleu mirar-lo.

Els fitxers Gerber del PCB es poden descarregar de la meva unitat, Instructables no em permet carregar-los per alguna raó. Utilitzeu aquest enllaç al meu google drive.

Pas 5: programació de l'Arduino

El codi bàsic de l’Arduino és en realitat molt senzill. He adjuntat un esquema que visualitza el que passa a l'interior de l'Arduino i la forma en què Arduino es relaciona amb els altres dispositius. He utilitzat diverses biblioteques per simplificar la codificació.

• Accelstepper -> gestiona la seqüència de pas del motor pas a pas, us permet donar ordres intuïtives com: Stepper.runSpeed () o Stepper.move () que us permeten moure’s a una determinada velocitat o a una posició determinada respectivament.
• Wire -> és necessari per a la comunicació i2c, fins i tot quan s’utilitza el RTClib
• RTClib -> gestiona la comunicació entre Arduino i RTC, us permet donar ordres intuïtives com rtc.now () que retorna l'hora actual.
• OneButton -> Maneja l'entrada del botó, detecta les pulsacions i després executa un buit predeterminat per fer alguna cosa. Pot detectar premses simples, dobles o llargues.

Quan escriviu codi per a un rellotge és molt important evitar que hi hagi variables que continuïn augmentant. Com que el codi Arduino s'executarà 24/7, aquestes variables augmentaran ràpidament i, finalment, provocaran un desbordament. El motor pas a pas, per exemple, mai no es mana anar a una posició determinada, ja que aquesta posició només augmentaria amb el pas del temps. En canvi, al motor pas a pas se li ordena moure un nombre determinat de passos en una direcció determinada. D’aquesta manera no hi ha cap variable de posició que augmenti amb el pas del temps.

La primera vegada que connecteu el RTC, heu d’establir l’hora del xip, hi ha un fragment de codi que podeu descomentar que estableix el temps del RTC igual al temps del vostre ordinador (el moment en què compileu el codi). Tingueu en compte que quan deixeu aquest comentari, l'hora RTC es restablirà a l'hora en què heu compilat el codi cada vegada. Deixeu el comentari, executeu-lo una vegada i torneu-lo a comentar.

He adjuntat el meu codi a aquest instructable, ho he comentat a fons. Podeu penjar-lo sense cap canvi o comprovar-ho i veureu què en penseu.

Pas 6: gaudiu del so del vostre rellotge per primera vegada

Després de connectar tots els aparells electrònics i carregar el codi, aquest és el resultat.

El disseny bàsic d’aquest rellotge és molt senzill i es pot fabricar en diferents formes i mides. Com que hi ha un Arduino a bord, també podeu afegir funcions addicionals fàcilment. Si configureu una alarma, feu que el rellotge s’encengui la cafetera a una hora determinada, connectivitat a Internet, modes de demostració fantàstics que ressalten el moviment mecànic per mostrar el vostre disseny als altres i molt més.

Com haureu notat al llarg d’aquest Instructable, vaig haver de desmuntar el rellotge per escriure aquest Instructable. Tot i que és lamentable per aquest instructiu, almenys puc garantir que el disseny tingui un bon rendiment a llarg termini, ja que aquest rellotge fa més de 3 anys que no té problemes a la meva sala d'estar.

Si us plau, feu-me saber als comentaris si us ha agradat aquest Instructable, és la primera vegada que n’escric un. A més, si teniu algun consell o pregunta, envieu-me un missatge. I espero que vaig inspirar algú per construir un rellotge semimecànic algun dia.

Primer premi del concurs de rellotges