Hodiny planetárního zařízení: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

(Staré) mechanické hodinové hodiny jsou neuvěřitelně zajímavé a příjemné na sledování, ale bohužel je téměř nemožné je postavit sami. Mechanickým hodinám také chybí nedbalost přesné digitální technologie, která je dnes k dispozici. Tento Instructable vám ukazuje způsob, jak spojit to nejlepší z obou světů; řízením mechanických ručiček přes planetovou převodovku s krokovým motorem a Arduinem!

Zásoby

Obecné součásti:

• 5 mm dřevěný a akrylový plech
• Šrouby M5 (zápustné), podložky a matice
• Mezery mezi DPS
• Šrouby M3 pro krokový motor

Elektrické součásti:

• Krokový ovladač (použil jsem L293d)
• Jakýkoli typ Arduina
• Hodiny reálného času (používal jsem DS3231)
• Senzor Hallova jevu (používal jsem A3144)
• 5mm Neodiový magnet
• Tlačítka pro vstup uživatele
• 10K odpor
• 100uf 25V kondenzátor
• DC konektor
• Napájení 5V 2A DC
• Baterie pro RTC (v mém případě cr2032)

Mechanické součásti:

• Jakýkoli typ krokového motoru 1,8 stupně/krok s 5mm nápravou
• Rozvodový řemen GT2 400 mm
• Řemenice GT2 60 zubů 5 mm
• Řemenice GT2 20 zubů 5 mm
• Ložisko 5x16x5 mm (3x)
• Přírubové ložisko 5x16x5 mm (2x)
• Závitová tyč M5x50

Krok 1: Navrhování a výroba ozubených kol

Jedním z cílů tohoto projektu bylo mít jeden motor, který pohání celé hodiny, podobně jako skutečné mechanické hodiny, kde jeden únikový mechanismus pohání celé hodiny. Minutová ručka však musí provést 12 otočení v době, kdy hodinová ručička provede 1 otočení. To znamená, že k pohonu obou rukou jedním motorem je zapotřebí redukční převodovka 1:12. Rozhodl jsem se to udělat s planetovou převodovkou, přiložené video krásně vysvětluje, jak tento typ převodovky funguje.

Dalším krokem pro mě bylo určit počet zubů pro různé převody, aby se vytvořil poměr 1:12. Tento web byl velmi užitečný a obsahuje všechny potřebné vzorce. Upevnil jsem sluneční zařízení na minutovou ručičku a planetový nosič na hodinovou ručičku, přičemž prstencové kolo zůstalo nehybné. Pojďme udělat trochu matematiky!

• S = počet zubů na centrálním kole
• R = počet zubů na ozubeném věnci
• P = počet zubů na planetovém soukolí

Převodový poměr (i) je určen:

i = S/R+S

Všimněte si, že počet zubů na planetovém převodu v tomto případě nezáleží na převodovém poměru, musíme však respektovat obecná omezení:

P = (R - S)/2

Po nějaké záhadě jsem skončil s použitím následujících čísel: S = 10; R = 110; P = 50; Zdá se, že jsou na hraně toho, co je možné, protože mezi planetovými převody je velmi malá vůle, ale funguje to!

Můžete kreslit ozubená kola ve svém oblíbeném CAD programu, většina z nich má speciální převodové pluginy. Můžete také použít soubory připojené k tomuto Instructable. samozřejmě. Všimněte si, že všechny převody, i když se liší ve velikostech, mají stejnou rozteč zubů.

Říkal jsem si, že by bylo úžasné vyrobit tyto převody z 5mm hliníku a kontaktoval místní obchod s vodním paprskem, kdyby mi mohli tyto převody snížit. Normálně byste nikdy nevyráběli ozubená kola pomocí vodních řezačů, ale toto jsou převody s velmi nízkým výkonem. Překvapivě souhlasili, že to zkusí, ale tento plán strašně selhal. Díly byly pro vodní paprsek prostě malé a při řezání se začaly pohybovat.

Tato překážka znamenala, že je čas na plán B, a tak jsem si koupil 5mm kouřový černý akryl a našel jsem místo s laserovým řezačem, který neměl problém řezat moje ozubená kola. Pokud nemáte k dispozici laserový řezač, můžete pravděpodobně použít pro tyto převody také 3D tiskárnu, zahrnul jsem soubory STL (prstencové kolo může být potřeba rozdělit na 3 části).

Po řezání zatlačím namontovaná ložiska do planetových kol. Abych správně seděl, vyrobil jsem testovací kus akrylu s několika otvory, z nichž každý měl o něco větší průměr (kroky 0,05 mm). Po nalezení správného uložení jsem změnil velikost otvoru v planetových soukolích na toto nastavení. To se liší od materiálu a typu stroje, takže byste to měli vždy udělat sami.

Krok 2: Montáž převodového systému

K sestavení ozubených kol je zapotřebí rám hodin. Nyní je to ta část, kde můžete popustit uzdu své kreativitě, protože tvar rámu je relativně nedůležité, pokud jsou všechny otvory pro šrouby na správném místě. Rozhodl jsem se udělat spoustu otvorů v číselníku a zadní desce, abych zdůraznil převodový mechanismus. To je také důvod, proč jsou nosiče planety a minutová ručka jakoby průhledné, ale také to prostě vypadá skvěle!

K výrobě těchto dílů jsem znovu použil laserovou řezačku, a protože akrylové části byly silné 5 mm, vyrobil jsem také dřevěné části o tloušťce 5 mm. Všechny otvory v číselníku a nosiči planety byly zapuštěny, aby se do nich vešly odpovídající šrouby.

Centrální osa hodin běží uvnitř dvou ložisek uvnitř planetových nosičů. Vzhledem k tomu, že jsem vyrobil tuto osu z 5mm tyče, má opravdu těsné uložení uvnitř ložisek a tyto součásti jsem již nemohl rozebrat. Bylo by mnohem jednodušší použít kousek vlákna M5, protože byste také již nemuseli stříhat své vlastní vlákno (jen kdybych si to předem uvědomil…..). Aby se sluneční kolo nemohlo otáčet kolem nápravy, má otvor ve tvaru D, takže nápravu je také nutné uložit do tohoto tvaru D. Když se centrální kolo vejde kolem nápravy, můžete osu sestavit, nezapomeňte na planetové nosiče, pokud používáte přírubová ložiska! Pokyny k montáži najdete v rozloženém zobrazení.

Když je namontována středová osa, její čas pro planetové převody. Ty také potřebují malé podložky, stejně jako centrální náprava, aby zajistily hladký chod převodů. Jakmile je vše namontováno na planetové nosiče, zkontrolujte, zda planetové převody a sluneční zařízení běží hladce.

Centrální část lze nyní namontovat do rámu hodin. Je to únavná práce, ale přilepit šrouby přes přední desku a zalepit je na místě hodně pomáhá. Může být také užitečné zvednout přední desku, aby se vytvořil prostor pro minutovou ručičku. Fotografie ukazují, že jsem mezi ozubený věnec a zadní desku vložil šest malých kousků papíru, abych trochu uvolnil ozubená kola. Při vkládání planetového nosiče se ujistěte, že číselníky směřují na rozumné místo (pokud minutová ručička ukazuje na 12, hodinová ručička by neměla být například mezi dvěma hodinami)

Krok 3: Připojení stepperu a senzoru

Nyní, když máme převodový mechanismus, který správně pohání rukama, musíme stále správně řídit převodový mechanismus. Mohly být použity různé typy elektromotorů, vybral jsem krokový motor, protože dokáže provádět přesné pohyby bez konstantních snímačů úhlové zpětné vazby. Krokový motor může také vydávat skutečný zvuk „Click“, což je skvělé pro polo-mechanické hodiny!

Běžný krokový motor může udělat 200 kroků za otáčku, což znamená 200 kroků za hodinu, pokud jej připojíme k minutové ručičce. To by znamenalo interval 18 sekund na krok, což ještě nezní jako tikající hodiny. Proto jsem použil převod 1: 3 mezi krokovým motorem a minutovými ručičkami, takže krokový motor musí udělat 600 kroků za hodinu. V režimu polovičního kroku to lze zvýšit na 1200 kroků za hodinu, což odpovídá jednomu kroku za 3 sekundy. Zní to lépe!

Jeden problém s krokovými motory je ten, že při zapnutí Arduina nikdy nevíte, kde jsou. Z tohoto důvodu mají všechny 3D tiskárny koncové dorazy, takže můžete tiskárnu přesunout do známé polohy a poté pokračovat od tohoto bodu. To je také nutné pro hodiny, pouze koncová zarážka nebude fungovat, protože hodiny by měly provádět nepřetržité otáčení. K realizaci tohoto snímání polohy jsem použil snímač Hallova jevu A3144, který snímá magnet (zkontrolujte polaritu! …) připojený k nosiči planety. Slouží k přesunutí rukou do konkrétní polohy při spuštění, po které se mohou přesunout na potřebný čas.

Montáž je velmi jednoduchá; Připojte krokový motor k zadní desce a nechte šrouby mírně uvolněné. Poté můžete malou kladku namontovat na osu krokového motoru a zkontrolovat, zda rozvodový řemen běží rovně. Nyní můžete posunutím krokového motoru upravit napětí na rozvodovém řemenu. Ozubený řemen potřebuje trochu vůle, aby se ujistil, že na ozubená kola nevyvíjíte žádné napětí. Hrajte si s tímto nastavením, dokud nebudete spokojeni, poté zcela utáhněte šrouby krokového motoru.

Senzor s Hallovým efektem je nalepen na místo. Nejlepší je nejprve připájet tři vodiče k senzoru, přičemž dbejte na to, aby kolem každé nohy senzoru byl tepelný smršťovač, aby se nemohly navzájem zkratovat. Po pájení lze senzor nalepit na místo. Nezáleží na tom, která strana je nahoře, pokud jste magnet ještě nepřipojili. Poté, co jste senzor nalepili na místo, připojte jej k Arduinu nebo malému obvodu LED a vyzkoušejte, zda funguje. (POZNÁMKA: snímač Hallova jevu funguje pouze tehdy, pokud se čáry magnetického pole ubírají správným směrem). Pomocí tohoto testovacího obvodu ověřte, jak by měl být magnet lepen. Jakmile jste si naprosto jisti, která strana vašeho magnetu by měla směřovat k senzoru, přilepte magnet na místo.

Krok 4: Elektronika, která vytváří hodiny

Můžete použít velmi jednoduchý kód Arduino, který provede poloviční krok s motorem a poté trvá 3000 milisekundové zpoždění do dalšího kroku. To by fungovalo, ale není to příliš přesné, protože vnitřní hodiny Arduino nejsou příliš přesné. Za druhé, Arduino zapomene na čas pokaždé, když ztratí energii.

Chcete-li sledovat čas, je proto nejlepší použít hodiny v reálném čase. Tyto věci jsou speciálně navržené čipy se záložní baterií, které přesně sledují čas. Pro tento projekt jsem zvolil DS3231 RTC, který může komunikovat s Arduino přes i2c, což usnadňuje zapojení. Jakmile na jeho čipu nastavíte čas správně, nikdy nezapomene, kolik je hodin (dokud baterii cr2032 zbude trochu šťávy). Na tomto webu najdete všechny podrobnosti o tomto modulu.

Řízení krokového motoru se provádí pomocí ovladače motoru L293d. Některé pokročilejší ovladače krokových motorů používají signál PWM pro mikrokrok a omezení proudu. Tento signál PWM může způsobovat nepříjemný hluk, který každý výrobce zná (zvláště pokud vlastníte 3D tiskárnu). Protože se tyto hodiny mají stát součástí vašeho interiéru, nejsou žádoucí nepříjemné zvuky. Proto jsem se rozhodl použít low-tech ovladač motoru l293d, abych se ujistil, že moje hodiny jsou tiché (kromě krokování každé 3 sekundy, ale to je ve skutečnosti příjemné!). Na tomto webu najdete podrobný popis čipu l293d. Všimněte si, že provozuji svůj krokový motor na 5V, což snižuje spotřebu energie a teplotu krokového motoru.

Jak již bylo zmíněno dříve, používám snímač s Hallovým efektem k detekci magnetu přilepeného k nosiči planety. Princip činnosti senzoru je velmi jednoduchý, mění stav, když je magnet dostatečně blízko. Tímto způsobem může vaše Arduino detekovat digitální vysokou nebo nízkou úroveň, a proto detekovat, zda je magnet blízko. Podívejte se na tento web, který ukazuje, jak připojit senzor, a ukazuje jednoduchý kód používaný pro detekci magnetů.

V neposlední řadě jsem na PCB přidal 4 tlačítka pro vstup uživatele. Ke zjednodušení zapojení používají interní výsuvné odpory Arduino. Můj PCB má také záhlaví v konfiguraci Uno, takže bych mohl přidat štíty Arduino pro možná rozšíření (zatím jsem to neudělal).

Nejprve jsem vše vyzkoušel na svém prkénku a poté jsem navrhl a objednal vlastní desku plošných spojů pro tento projekt, protože vypadá úžasně! Pokud se na to nechcete dívat, můžete také namontovat desku plošných spojů na zadní stranu hodin.

Soubory Gerber pro DPS lze stáhnout z mého disku, Instructables mi je z nějakého důvodu nedovoluje nahrát. Použijte tento odkaz na můj disk Google.

Krok 5: Programování Arduina

Základní kód pro Arduino je ve skutečnosti velmi jednoduchý. Připojil jsem schéma, které vizualizuje, co se děje uvnitř Arduina a jak Arduino komunikuje s ostatními zařízeními. Ke zjednodušení kódování jsem použil několik knihoven.

• Accelstepper -> zvládá krokovací sekvenci krokového motoru, umožňuje vám dávat intuitivní příkazy jako: Stepper.runSpeed () nebo Stepper.move (), které vám umožní pohybovat se určitou rychlostí nebo do určité polohy.
• Wire -> to je nutné pro komunikaci i2c, i když používáte RTClib
• RTClib -> zvládá komunikaci mezi Arduino a RTC, umožňuje vám dávat intuitivní příkazy jako rtc.now (), který vrací aktuální čas.
• OneButton -> Zpracovává zadávání tlačítek, detekuje stisknutí a poté spustí předem určenou prázdnotu, aby něco udělal. Může detekovat jednoduché, dvojité nebo dlouhé stisknutí.

Při psaní kódu pro hodiny je velmi důležité vyhnout se proměnným, které neustále rostou. Protože kód Arduino poběží 24/7, tyto proměnné se rychle zvětší a nakonec způsobí přetečení. Například krokovému motoru není nikdy přikázáno, aby přešel do určité polohy, protože tato poloha by se časem jen zvyšovala. Místo toho je krokovému motoru přikázáno přesunout určitý počet kroků v určitém směru. Tímto způsobem neexistuje žádná proměnná polohy, která se časem zvyšuje.

Při prvním připojení RTC k nastavení času na čipu existuje kousek kódu, který můžete odkomentovat a který nastaví čas RTC stejný jako počítačový čas (čas v okamžiku, kdy kód zkompilujete). Všimněte si toho, že když toto necháte bez komentáře, čas RTC se resetuje na čas, ve kterém jste kód zkompilovali pokaždé. Tak to odkomentujte, spusťte to jednou a pak to komentujte znovu.

Připojil jsem svůj kód k tomuto Instructable, důkladně jsem ho okomentoval. Můžete jej nahrát bez jakýchkoli změn nebo si jej prohlédnout a zjistit, co si myslíte!

Krok 6: Užijte si poprvé zvuk tikajících hodin

Po připojení veškeré elektroniky a nahrání kódu je to výsledek!

Základní design těchto hodin je velmi jednoduchý a mohou být vyrobeny v mnoha různých tvarech a velikostech. Protože je na palubě Arduino, můžete také snadno přidat další funkce. Nastavení alarmu, zapnutí hodin v nastaveném čase na kávovaru, připojení k internetu, skvělé demo režimy, které zvýrazní mechanický pohyb, který ostatním ukáže váš design a mnoho dalšího!

Jak jste si mohli všimnout v celém tomto Instructable, musel jsem rozebrat hodiny kvůli psaní tohoto Instructable. Ačkoli mám smůlu pro tento Instructable, mohu přinejmenším zaručit, že design dlouhodobě funguje velmi dobře, protože tyto hodiny v mém obývacím pokoji bez problémů tikají více než 3 roky!

Dejte mi prosím vědět do komentářů, jestli se vám tento Instructable líbil, je to poprvé, co ho píšu. Také pokud máte nějaké tipy nebo dotazy, pošlete mi zprávu. A doufám, že jsem někoho inspiroval, aby také jednoho dne postavil polomechanické hodiny!

První cena v soutěži Hodiny