Astronomické hodiny: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Krátce poté, co byly ve 14. století vynalezeny první mechanické hodiny, začali vynálezci hledat způsoby, jak reprezentovat pohyb nebes. Tak byly vytvořeny astronomické hodiny. Snad nejznámější astronomické hodiny byly vytvořeny v Praze kolem roku 1410. Místo toho, aby ukazovaly, kolik je hodin, ukazuje také relativní polohu hvězd, jak se Země otáčí kolem své osy a obíhá kolem Slunce.

V tomto projektu se naučíte, jak vytvořit astronomické hodiny, které můžete mít doma. Zobrazuje mapu hvězd, které jsou aktuálně na obloze - ve dne nebo v noci. Mapa oblohy se mění, jak se Země otáčí. Projekt zahrnuje mechanické, elektronické a softwarové komponenty. K dokončení projektu budete potřebovat přístup k 3D tiskárně, laserové řezačce a některým nástrojům pro zpracování dřeva. Také jsem použil Python k vytvoření hvězdných map a designu začleněného do hodin. Snad mojí nejoblíbenější částí projektu byla integrace všech těchto technologií dohromady.

Tento projekt byl zcela originální. Napsal jsem software pro provoz hodin, vytvořil laserové návrhy pouzdra a dokonce jsem postavil ozubená kola a hnací ústrojí. Také jsem napsal software, který měl udělat rozložení hvězdné mapy.

Zdálo se, že konečný výsledek stojí za čas, který jsem strávil sestavováním.

Krok 1: Shromáždění dílů

Pro tento projekt budete potřebovat následující zásoby:

2 - kusy akrylu o rozměrech 11 x 14 (tloušťka 0,093 palce)

Deska 1 - 1x6 dlouhá 6 stop.

1 - Arduino Uno

1 - Modul hodin reálného času

1 - krokový motor 28bjy -48

1 - krokový ovladač - UNL2003

Napájení 1 - 5 voltů

1 - 36 palcové LED pásové světlo

1 - 1/4 palcový překližkový list - 2x4 ft

1 - 8 mm kovový hřídel

2 - 608 kuličkových ložisek

1 - kusy černé pěnové desky - asi 12 x 12 palců

Různé: drát, vruty do dřeva (#6 x 1 1/4 palce), pytel 6x32 x 0,75 palce strojních šroubů + matice, další pytel 4x40 x 0,75 strojních šroubů, mořidlo (volitelně)

Budete také potřebovat následující nástroje:

Přístup k 3D tiskárně

Přístup k laserovému leptadlu schopnému řezat 1/4 akrylu a dřeva

Stolní pila + router pro vytvoření pouzdra pro hodiny

Krok 2: Vytiskněte ozubená kola a plastové díly

Chcete -li začít, budete muset vytisknout ozubená kola a plastové části hodin. Na hodiny jsem použil Prusa I3 MK3, Slic3r a PETG. Pro tento projekt by však měla fungovat téměř jakákoli variace. Primárním omezením je, že k vytvoření držáku desky a 72 zubového převodu potřebujete velkou tiskovou plochu.

Toto je rychlý popis souborů, které potřebujete vytisknout:

držák ložiska - Držák ložiska drží dvě 608 ložiska pro podporu hnacího hřídele. Šroubuje se na zadní stranu prostřední desky v hodinách.

spojka - Tento plastový kus spojuje držák desky a čelní ozubené kolo se 72 zuby. Je dlouhý 25 mm, takže je určen pro hodiny s dvoupalcovým prostorem mezi přední deskou a střední deskou, která drží ložiska.

držák desky - Držák desky spojuje akrylovou desku a její podložku s hnacím hřídelem.

držák hřídele - Toto je soubor pro prsten o průměru 8 mm, který slouží k držení hřídele na místě při průchodu držákem ložiska. Pro projekt musíte vytisknout dva z nich.

Čelní ozubené kolo (18 zubů) - Toto stlačení čelního ozubeného kola se hodí na hřídel krokového motoru.

Čelní ozubené kolo (72 zubů).- Toto ozubené kolo se spojuje s hnacím hřídelem hodin a otáčí držákem desky a akrylovou deskou.

držák motoru - deska pro uchycení krokového motoru

Základní mechanické provedení je znázorněno na schématech výše. Přední deska je připevněna k části hvězdné mapy, která se otáčí (Rete). To je přes hřídel spojeno s ozubeným kolem 72 zubů. Krokový motor (28BYJ48) pohání ozubené kolo s 18 zuby, které pohání hodiny. Samotný motor sedí v desce držáku motoru, takže jej lze nastavit na centrální desce hodin.

Systém uložení ložiska, který drží hřídel, je přišroubován na centrální desku uvnitř hodin. Použitá ložiska jsou normální ložiska 608 (vnější průměr 22 mm, vnitřní průměr 8 mm, tloušťka 7 mm), která se nacházejí na vnitřní a vnější straně nosného dílu medvěda. Hřídel se spojí s ozubenými koly a vše je na hřídeli přilepeno, aby to drželo pohromadě.

Ozubená kola a plastové díly byly vytvořeny pomocí Fusion 360. V softwaru jsem trochu nový, ale přídavný nástroj pro generování ozubených kol fungoval při sestavování tohoto nástroje opravdu dobře. Zjistit, jak používat software, bylo pro mě jedním z hlavních cílů tohoto projektu.

K souboru návrhu pro 3D díly se dostanete zde: Fusion 360 Astronomy Clock

Krok 3: Laserové leptání akrylových dílů

Nahoře jsou připevněny akrylové šablony pro Rete (část s hvězdami) a desku (přední díl). Tato hvězdná mapa byla nastavena na zeměpisnou šířku asi 40 stupňů severně a pro většinu lidí by měla fungovat docela dobře. Samotné mapy byly generovány pomocí softwaru, který jsem napsal v pythonu.

github.com/jfwallin/star-project

Nedoporučoval bych kopat, pokud nemáte opravdu rádi kódování pythonu a astronomii. Ještě to není tak dobře zdokumentované, ale je to k dispozici, pokud to chcete použít. Strávil jsem spoustu času prací na estetických problémech, jako je velikost hvězdy, písma, umístění štítku atd. Výsledek vypadal podobně jako u jakékoli jiné planisféry a určitě by pro tento projekt fungovaly i jiné návrhy planisféry.

V zásadě existují dvě kategorie souborů:

deska - figurky, na kterých je vytištěna hvězdná mapa.

rete - Kusy, na kterých je vytištěno okno, přes které vidíte hvězdy.

Nemusíte tisknout všechny, ale myslel jsem si, že by mohlo být užitečné zahrnout je do různých formátů.

Poté, co jsem vytvořil generovaný Rete a Plate pomocí kódu pythonu, importoval jsem ho do Adobe Illustratoru, abych přidal grafické prvky potřebné pro leptání. Otočil jsem hvězdnou mapu, která je leptaná na zadní straně akrylu, aby zadní osvětlení vypadalo o něco hezčí.

Pokud nemáte přístup k laserovému leptači, můžete jednoduše vytisknout desku a Rete na papír a poté je přilepit na základnu z překližky. Nemělo by to zářící akrylový vzhled, ale stále by to bylo, ale přesto by to byly pěkné hodiny na plášti, které by vám ukazovaly rotaci hvězd každý den. Leptání kovového designu by hodinám dodalo chladný steampunkový vzhled.

(Poznámka: v šabloně akrylové desky, která byla přidána po pořízení části obrázku, došlo k opravě.)

Krok 4: Laserové leptání dřevěných dílů

Soubory Adobe Illustrator pro překližkové části hodin jsou připojeny výše. Existují čtyři překližkové díly, které je třeba řezat laserem. K výrobě těchto dílů můžete snadno použít CNC stroj, nebo dokonce jen řezat pomocí stolní pily a rolovací pily. Stačí sladit tištěné části z desky posledního schodu a přední části hodin.

překližka s hodinami-je to jen list 11 x 11 palců z 1/8 překližky, který slouží jako zadní část hodin. Dal jsem na to hvězdný design, protože to vypadalo skvěle.

hodiny-střed-překližka-To je také list překližky 11x11, ale vyřízl jsem to z 3/8 palcové překližky. Ve středu má otvor o průměru 9 mm pro hnací hřídel. Na tento kus je namontován krokový motor, hnací hřídel a elektronika hodin.

hodiny-přední překližka-Toto je přední část hodin. Opět se jedná o 11x11 palcový kus 1/8 v překližce. Ve středu má kruhový otvor spolu se 4 otvory pro šrouby 6x32, které připevňují desku vpředu.

hodinová deska-překližka-tento kus překližky (1/8 palce) vám umožňuje namontovat desku z plexiskla. Mezi překližku a akryl nakonec vložíte kousek černé pěnové desky. Tento kus se také montuje na držák 3D tištěných desek.

Krok 5: Sestavte pouzdro hodin

Krabice s hodinami je vyrobena z kusu dřeva 1x6, který byl dlouhý asi 6 stop.

Základní myšlenkou je vyrobit krabici, která pojme 11 x 11 palcové kusy dřeva v dado drážkách. Velikost krabice jsem upravil tak, aby měla vnější rozměr 12 palců a vnitřní rozměr 10,5 palce. Všechny kousky hodin musí mít do sebe nasměrovány tři dado drážky. Pro moji verzi mám kusy dřeva 12x6x0,75 a dva kusy dřeva 10,5x6x1.

Drážky pro přední a zadní část hodin jsou vloženy asi 1/2 palce od přední a zadní části dřevěných kusů. K vytvoření těchto slotů jsem použil routerový bit 1/8. Poté, co jsem zkontroloval lícování s překližkou, odsunul jsem plot stolu routeru o kousek (asi 1/32 palce v imperiálních jednotkách) a poté jej znovu projel.

Středová dado drážka, která drží středovou desku, byla také vyříznuta na routerovém stole, protože jsem pro tento kus použil 3/8 v překližce, provedl jsem další úpravu plotu routerového stolu, abych vytvořil širší otvor. Mezi deskou písma a středovou deskou v poli máte zhruba 2 palce prostoru, upravte proto podle toho tabulku.

U obou zářezů jsem udělal pár průchodů pro každou desku. Prkna jsem také několikrát projel, abych se ujistil, že řezy jsou čisté.

Dados pro dvě boční desky byly po celé délce desky. U delších horních a dolních kusů jsem však použil dva dorazové bloky na frézovacím stole, abych čepel ponořil do dřeva asi 1/2 palce od začátku a konce kusů dřeva. V zásadě jsem nechtěl, aby byly drážky viditelné na vnější straně pouzdra. Všechny drážky jsou asi 1/4 hluboké, aby držely překližku.

Jakmile kusy rozříznete, dočasně sestavte pouzdro a zbrouste všechny hrany, které by mohly trčet. Také budete chtít odstranit ostré hrany z vnějších částí pouzdra hodin. Až budete s pouzdrem spokojeni, vyjměte horní panel a zajistěte, aby se překližkové desky skutečně vešly do drážek, které jste vedli. Zjistil jsem, že potřebuji sundat 1/8 z talířů stolní pilou, aby se věci pohodlně vešly do krabice, kterou jsem vytvořil.

Protože se jednalo o prototyp, uřízl jsem při výrobě pouzdra v tomto projektu několik rohů. Na hodiny jsem použil topol, ale to jen proto, že jsem měl v obchodě připravenou desku. V třešni nebo ořechu by to vypadalo hezčí. Také jsem použil jen jednoduché šroubové spoje, abych to držel pohromadě s jednoduchou překrývající se konstrukcí. Šrouby budou v horní a spodní části hodin, takže nebudou příliš nápadné, když budou na plášti u mého krbu. (Také jsem zmínil, že to byl prototyp?). Další verze hodin bude používat pokosové spoje.

Krok 6: Sestavte mechanické části hodin

Sestavení mechanických částí hodin trvá několik minut, ale je poměrně přímočaré.

Spojte hvězdicovou desku, překližkovou desku, čelní ozubené kolo se 72 zuby a plastový držák desky dohromady:

1. Pomocí držáku desky z překližky jako šablony vystřihněte kousek jádrové desky z černé pěny, aby měl stejnou velikost. K vytvoření tohoto kusu jsem nůž Exacto, ale stejně dobře by mohla fungovat i pila se svitkem. (Důležitá poznámka: NERASUJTE PĚNOVOU JÁDRO. Produkuje toxické výpary.)
2. Vycentrujte držák dřevěné desky na nosič 3D tištěných desek. Změřte a poté vyvrtejte čtyři otvory pro šrouby, aby byly zarovnány s otvory v plastovém nosiči. Připevněte plastový nosič k držáku překližkové desky pomocí 1palcového šroubu a matic 6x32. Vyřízněte malé otvory v pěnové desce, aby se do nich vešly hlavy šroubů.
3. Vložte sendvičovou desku z akrylové hvězdy, pěnovou desku s otvory pro šrouby a překližkovou desku dohromady. V překližkové desce a akrylové hvězdicové desce jsou čtyři otvory. K propojení těchto kusů dohromady budete muset použít 6x32 1palcové šrouby. Samozřejmě budete muset na příslušných místech vyvrtat díru přes pěnové jádro a stavební papír.
4. Nalepte spojku na nosič desek. Mezi jazýčky a otvory jsem přidal toleranci 0,1 mm, abych se ujistil, že to dobře sedí.
5. Přilepte čelní ozubené kolo se 72 zuby k nosiči. Tím bude dokončena montáž desky hvězdicových hodin. Pomocí lepidla Gorilla jsem stmelil 72 zubové ozubené kolo, spojku a nosič desek dohromady.

Krok 7: Začněte sestavovat pouzdro pro hodiny

Sestavte přední desku: Pomocí čtyř šroubů a matic 6x32 1 palce (nebo dokonce 3/4 palce) našroubujte akrylovou retu na přední desku překližky hodin.

Přidejte pásek LED podsvícení: Vezměte pásek LED a upevněte jej mezi střední desku hodin a přední desku hodin. (K tomu může pomoci sejmutí přední desky hodin.) Ujistěte se, že je pás bezpečně připevněn a nepřekáží v otáčení hodinových mechanismů nebo krokového motoru. Možná budete chtít použít sponky nebo lepidlo, aby držely na svém místě. Vložte přední část překližky s akrylovým rete do pouzdra hodin. Umístěte střední desku s hodinovým mechanismem také do pouzdra hodin. Ujistěte se, že napájecí kabel pro LED pásek protáhnete opatrně prostřední deskou. Za tímto účelem byl do spodní části desky umístěn otvor.

Krok 8: Sestavte střední desku a zapojte hodiny

Nyní je čas dát dohromady střední desku hodin. To zahrnuje mechanickou podporu osy pohonu a motoru spolu s zapojením elektroniky pro projekt.

Namontujte držák ložiska a krokový motor na střední desku: Připojte krokový motor ke střední desce pomocí dvou šroubů a matic 6x32. Veďte drát od stepperu k zadní části desky. Uchopte 3D tištěné uložení ložiska a zmáčkněte dvě 608 ložiska do přední a zadní části držáku. Tuto část budete možná muset upravit, pokud je vaše 3D tiskárna mírně vypnutá, ale podařilo se mi pohodlně sedět pomocí PETG a mé tiskárny Prusa. Přišroubujte držák k zadní straně střední desky. Sestavte hodinové mechanismy na hnací hřídel: Zatlačte 8mm kovový hřídel přes 72 zubové čelní ozubené kolo a přes plastovou desku otvoru tak, aby přiléhala vedle držáku překližkové desky. Druhý konec 8mm kovové hřídele protáhněte středovou deskou a držákem ložiska. Umístěte centrální desku do krabice a ujistěte se, že je dostatek prostoru pro otáčení hvězdicového kola za šrouby, které drží přední plastovou retu na svém místě. Změřte a označte místo pro řezání hřídele, aby se pohodlně vešlo do krabice. Budete chtít mít dostatek hřídele na lepení na dva kusy zámku hřídele před a za ložiskem. Jakmile provedete toto měření, vyjměte sestavu ozubeného kola/desky a vyjměte hřídel z držáku ložiska. Uřízněte hřídel pomocí pily na kov, aby se zcela vešla do pouzdra, ale aby také vyčnívala 0,5 až 1 cm za zadní část držáku ložiska. Jakmile je hřídel oříznut na správnou délku, znovu namontujte čelní ozubené kolo desky/72 zubů na desku a přilepte ji na místo. Přidejte zámek hřídele těsně za sestavu a poté vložte hřídel skrz držák ložiska. Poté, co znovu potvrdíte uložení, přilepte zámek hřídele k hřídeli. Na hřídel za držákem ložiska přilepte druhý zámek hřídele.

Pořadí hodinového mechanismu bude:

1. akrylová deska
2. pěnová jádrová deska
3. držák překližkové desky
4. 3D držák talíře s potiskem
5. spojka
6. Ozubené kolo 72 zubů
7. zámek hřídele
8. ložisko centrální opěrné desky + držák ložiska + zámek hřídele ložiska
9. zámek hřídele

Jako poslední krok přitlačte 18 zubové čelní ozubené kolo na krokový motor. Upravte a utáhněte krokový motor tak, aby se ozubená kola se 72 zuby a 18 zuby spojila a plynule se pohybovala. Utáhněte šrouby krokového motoru na místo.

Zapojte elektroniku:

Schéma zapojení hodin je poměrně jednoduché. Musíte připojit modul hodin reálného času k pinům SDA a SCL spolu s +5 voltů a zemí na Arduinu. Musíte také připojit piny IN1 až IN4 na krokovém ovladači UNL2003A k pinům 8 až 11 na Arduinu spolu s připojením uzemnění. Mezi uzemněním a pinem 7 Arduina je třeba připojit přepínač a odpor 1 kOhm. Nakonec je třeba k desce UNL 2003A a Arduinu připojit napájecí zdroj z 5voltového napájecího zdroje.

Zde je podrobnější sada popisů:

1. Pájejte vodič na jedné straně tlačítka. Připojte to ke kolíku 7 na Arduinu.
2. Na druhou stranu tlačítka připájejte rezistor 1k, aby bylo tlačítko vstupu uzemněno, když na něj nestlačujete.. Na druhé straně tlačítka jej připněte na +5 voltů.
3. Připojte čtyři vodiče mezi piny 8, 9, 10 a 11 k pinům UNL 2003A IN1, IN2, IN3 a IN4.
4. Připojte body SCL a SDA na modulu hodin reálného času ke správným kolíkům na Arduinu.
5. Připojte uzemnění Arduina k modulu hodin reálného času a k deskám UNL 2003A.
6. Vytvořte rozbočovač výkonu pro 5voltové napájení (2 ampéry by měly stačit) a připojte jej k desce Arduino a UNL 2003A.
7. Nakonec musíte připojit napájecí zdroj LED přes střední vrstvu hodin a závitu k zadní části pouzdra. Budete chtít, aby ovladač LED vyčníval na zadní straně, abyste mohli změnit vzor osvětlení na hodinách.

Na krokový ovladač budete muset připojit +5 voltů a na Arduino +6 až +12 voltů. Zkoušel jsem k tomu neúspěšně použít jeden napájecí zdroj, ale pravděpodobně bych pro stepper použil 2 ampérový 7 voltový systém s regulátorem výkonu, kdybych měl trochu více času.

Ujistěte se, že napětí mezi motorem a převody není ani příliš těsné, ani příliš ztracené. Všechno dvakrát zkontrolujte. Když jsou všechny kabely na svém místě a části jsou zajištěny, opatrně zasuňte sestavu na místo.

Nicméně - zatím nepřipojujte napájecí zdroj. Nejprve musíme naprogramovat desku

Krok 9: Naprogramujte Arduino

Programování Arduina bylo docela jednoduché. Takto kód funguje:

1. Když se kód spustí, inicializuje čítač kroků a zachytí čas z modulu hodin reálného času. Inicializuje se také počet kroků pro motor spolu s několika dalšími proměnnými v systému.
2. Čas je převeden z místního času na místní hvězdný čas. Protože se Země otáčí kolem Slunce, zatímco se otáčí kolem své osy, je doba, za kterou se hvězdy otočí, přibližně o 4 minuty kratší než doba potřebná k otočení do (střední) polohy Slunce. Podprogram Sidereal time v kódu byl z tohoto webu upraven. V kódu však bylo několik chyb, a tak jsem aktualizoval, abych použil úplný přibližný algoritmus hvězdného času vytvořený americkou námořní observatoří.
3. Když začne hlavní smyčka, vypočítá, kolik času uplynulo (v hvězdných hodinách) od zapnutí hodin. Poté se podívá na aktuální čítač kroků a vypočítá, kolik kroků by mělo být přidáno, aby se otáčení hodin shodovalo s aktuálním časem. Tento počet kroků je odeslán do Arduina k přesunu disku.
4. Pokud je v hlavní smyčce stisknuto tlačítko, disk se pohybuje vpřed rychleji. To vám umožní nastavit disk na aktuální čas a datum. Hodiny nezachovávají počet kroků po restartu napájení a neexistuje žádný kodér, který by indikoval absolutní polohu disku. Mohu to přidat v budoucí verzi projektu.
5. Po posunutí hodin systém usne na nějakou dobu a zopakoval poslední dva kroky.

Udělal jsem spoustu experimentů se stepperem, abych se ujistil, že vím, kolik kroků bylo SKUTEČNĚ zapotřebí pro jedno otočení. U mého stepperu to bylo 512 x 4 se standardní knihovnou stepperů Arduino. V kódu jsem nastavil otáčky na 1. I když je to při nastavování hodin bolestně pomalé, vyšší rychlosti měly tendenci mít více zmeškaných kroků.

Krok 10: Připojte jej a nastavte čas

Poté, co jste nahráli kód, připojte napájecí zdroje k Arduinu a stepperu. Zapojte vše včetně podsvícení. Pomocí dálkového ovladače zapněte světlo.

Nyní stačí pouze sladit čas a datum stisknutím tlačítka. Jen se ujistěte, že aktuální čas na vnější plastové rete je v souladu s měsícem a dnem na vnitřní akrylové desce. Gratulujeme! Máte astronomické hodiny.

Jakmile je čas nastaven, měli byste zhruba každých 8 sekund získávat impulsy ze stepperu, aby se aktualizovalo hvězdné pole. Jedná se o POMALOU 24hodinovou rotaci, takže v této věci nečekejte mnoho akcí. Očividně můžete (a měli byste!) Případ dokončit.

Jak jsem řekl, toto je prototyp. S jeho výsledky jsem obecně spokojený, ale v další verzi bych to trochu vylepšil. Až to přestavím, pravděpodobně místo levných verzí použiji stepery NEMA. Myslím, že přídržná síla a spolehlivost by jim usnadnila používání. Řazení fungovalo dobře, ale mám pocit, že jsem v navržených rychlostních stupních dával příliš mnoho vůle. Asi bych to také udělal jinak.

Nakonec jsem chtěl poděkovat lidem z MTSU Walker Library za pomoc při jejich stavbě. Použil jsem Laser Etcher v jejich Maker Space k výrobě akrylových a dřevěných řezaných dílů a při přemýšlení o hodinách jsem měl mnoho produktivních diskusí s Benem, Nealem a zbytkem gangu Makerspace.

Druhá cena v soutěži Hodiny