Astronomska ura: 10 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Kmalu po izumu prvih mehanskih ur v 14. stoletju so izumitelji začeli iskati načine za predstavitev gibanja nebes. Tako je nastala astronomska ura. Morda najbolj znana astronomska ura je nastala v Pragi okoli leta 1410. Namesto da bi samo pokazala, koliko je ura, prikazuje tudi relativni položaj zvezd, ko se Zemlja vrti okoli svoje osi in se vrti okoli Sonca.

V tem projektu se boste naučili ustvariti astronomsko uro, ki jo lahko imate doma. Prikaže zemljevid zvezd, ki so trenutno na nebu - podnevi ali ponoči. Zemljevid neba se spreminja, ko se zemlja vrti. Projekt vključuje mehanske, elektronske in programske komponente. Za dokončanje projekta boste potrebovali dostop do 3D tiskalnika, laserskega rezalnika in nekaj orodij za obdelavo lesa. Uporabil sem tudi Python za ustvarjanje zvezdnih zemljevidov in oblikovanja, vključenih v uro. Morda je bil moj najljubši del projekta združevanje vseh teh tehnologij skupaj.

Ta projekt je bil popolnoma izviren. Napisal sem programsko opremo za upravljanje ure, ustvaril laserske zasnove za ohišje in celo zgradil zobnike in pogonski sklop. Napisal sem tudi programsko opremo za postavitev zvezdnega zemljevida.

Končni rezultat se mi je zdel vreden časa, ki sem ga porabil za sestavljanje.

1. korak: Zbiranje delov

Za ta projekt boste potrebovali naslednje materiale:

2 - kosi akrila 11x14 (debeline 0,093 palca)

1 - 1x6 plošča dolga 6 čevljev.

1 - Arduino Uno

1 - Modul ure v realnem času

1 - koračni motor 28bjy -48

1 - gonilnik koraka - UNL2003

1 - 5 voltno napajanje

1 - 36 -palčna LED tračna luč

1 - 1/4 palčni list vezanega lesa - 2x4 ft

Kovinska gred 1 - 8 mm

2 - 608 kroglični ležaji

1 - kosi črne pene - približno 12 x 12 palcev

Razno: žica, vijaki za les (#6 x 1 1/4 palca), vreča strojnih vijakov 6x32 x 0,75 palca + matice, še ena vreča strojnih vijakov 4x40 x 0,75, madež za les (neobvezno)

Potrebovali boste tudi naslednja orodja:

Dostop do 3D tiskalnika

Dostop do laserskega jedkalnika, ki lahko razreže 1/4 akrila in lesa

Namizna žaga + usmerjevalnik za ustvarjanje ohišja ure

2. korak: Natisnite zobnike in plastične dele

Za začetek boste morali natisniti zobnike in plastične dele za uro. Za uro sem uporabil Prusa I3 MK3, Slic3r in PETG. Vendar bi skoraj vsaka sprememba v tem projektu dobro delovala. Primarna omejitev je, da potrebujete veliko tiskalno posteljo za izdelavo držala za ploščo in 72-zobnega orodja.

To je kratek opis datotek, ki jih potrebujete za tiskanje:

nosilec ležaja - nosilec ležaja drži dva ležaja 608 za podporo pogonske gredi. Pritrdi se na zadnjo stran srednje plošče ure.

spojka - Ta plastični kos povezuje držalo plošče in zobnik z zobmi 72 zob. Dolga je 25 mm, zato je zasnovana za uro z razmakom med sprednjo ploščo in srednjo ploščo, ki drži ležaje.

držalo za ploščo - držalo za ploščo povezuje akrilno ploščo in njeno podlago s pogonsko gredjo.

nosilec gredi - to je datoteka za obroč premera 8 mm, ki se uporablja za držanje gredi na mestu, ko prehaja skozi nosilec ležaja. Za projekt morate natisniti dva od teh.

Spur Gear (18 zob) - Ta stiskalnik z zobnikom se prilega gredi koračnega motorja.

Spur Gear (72 zob).- Ta zobnik se priklopi na pogonsko gred ure in obrne držalo za ploščo in akrilno ploščo.

držalo motorja - plošča za držanje koračnega motorja

Osnovna mehanska zasnova je prikazana na zgornjih diagramih. Sprednja plošča je pritrjena na del zvezdne karte, ki se vrti (Rete). Ta je preko gredi priključen na 72-zobniški zobnik. Koračni motor (28BYJ48) poganja 18-zobno prestavo, ki poganja uro. Motor sam leži na plošči nosilca motorja, tako da ga je mogoče nastaviti na osrednjo ploščo ure.

Nosilni sistem ležaja, ki drži gred, je v uri pritrjen na osrednjo ploščo. Uporabljeni ležaji so običajni ležaji 608 (zunanji premer 22 mm, notranji premer 8 mm, debelina 7 mm), ki gredo na notranji in zunanji strani nosilca medveda. Gred se spoji z zobniki in vse je zlepljeno na gred, da vse drži skupaj.

Zobniki in plastični deli so bili ustvarjeni s programom Fusion 360. Sem malo nov v programski opremi, vendar je orodje za ustvarjanje dodatnega orodja zelo dobro delovalo pri tem. Odkrivanje, kako uporabljati programsko opremo, je bil zame eden glavnih namenov tega projekta.

Do datoteke za oblikovanje 3D delov lahko dostopate tukaj: astronomska ura Fusion 360

3. korak: Lasersko raztegnite akrilne dele

Akrilne predloge za Rete (del z zvezdami) in ploščo (sprednji del) so pritrjene zgoraj. Ta zvezdni zemljevid je bil nastavljen na zemljepisno širino približno 40 stopinj severno in bi za večino ljudi moral delovati zelo dobro. Sami zemljevidi so bili ustvarjeni s programsko opremo, ki sem jo napisal v pythonu.

github.com/jfwallin/star-project

Ne bi priporočal kopanja, razen če vam je všeč kodiranje in astronomija python. Ni še tako dobro dokumentirano, vendar je na voljo, če ga želite uporabiti. Veliko časa sem delal na estetskih vprašanjih, kot so velikost zvezd, pisave, lokacija nalepk itd. Rezultat se mi je zdel podoben kateri koli drugi planisferi, zagotovo pa bi za ta projekt delovali tudi drugi načrti planisfer.

V bistvu obstajata dve kategoriji datotek:

plošča - kosi, na katerih je natisnjen zemljevid zvezd.

rete - Kosi, ki imajo natisnjeno okno, skozi katerega gledate zvezde.

NI vam treba natisniti vseh, vendar se mi je zdelo koristno, da jih vključite v različne formate.

Ko sem s kodo python izdelal Rete in Plate, sem ga uvozil v Adobe Illustrator, da dodam grafične elemente, potrebne za jedkanje. Obrnil sem zemljevid zvezd, ki je urezan na zadnji strani akrila, da je osvetlitev ozadja videti nekoliko lepša.

Če nimate dostopa do laserskega jedkalnika, lahko ploščo in Rete natisnete na papir in jih nato prilepite na podlago iz vezanega lesa. Ne bi imel sijočega akrilnega videza, bi pa vseeno bila lepa ura, ki bi jo imeli na plašču, da vam vsak dan prikazuje vrtenje zvezd. Jedkanje kovinske zasnove bi dalo uri kul parni punk videz.

(Opomba: v predlogi akrilne plošče je prišlo do popravka, ki je bil dodan po tem, ko je bilo posnetih nekaj slik.)

4. korak: Laserski odsek lesenih delov

Datoteke Adobe Illustrator za vezane dele za uro so priložene zgoraj. Obstajajo štirje deli vezanega lesa, ki jih je treba lasersko razrezati. Za izdelavo teh delov bi lahko preprosto uporabili CNC stroj ali pa ga celo preprosto razrezali z namizno in drsno žago. Morate le ujemati natisnjene dele s plošče zadnje stopnje in sprednje ure.

vezana plošča z uro-to je le 11x11 palčni list 1/8 vezanega lesa, ki služi kot zadnji del ure. Nanj sem dal zvezdniško zasnovo, ker je bilo videti kul.

vezana plošča za uro-to je tudi plošča vezanega lesa velikosti 11x11, vendar sem jo izrezal iz vezanega lesa 3/8 palca. Na sredini ima luknjo premera 9 mm za pogonsko gred. Na ta kos so nameščeni koračni motor, pogonska gred in elektronika za uro.

vezan les s sprednjo uro-to je sprednji del ure. Še enkrat, to je kos velikosti 11x11 palcev 1/8 v vezanem lesu. V sredini ima okroglo luknjo skupaj s 4 luknjami za vijake 6x32, ki pritrjujejo ploščo na sprednjo stran.

vezana plošča z uro-ta kos vezanega lesa (1/8 palca) vam omogoča montažo plošče iz pleksi stekla. Sčasoma boste med vezan les in akril stisnili kos črne pene. Ta kos se pritrdi tudi na držalo za 3D tiskano ploščo.

5. korak: Sestavite ohišje ure

Škatla, ki drži uro, je narejena iz 1x6 lesa, ki je bil dolg približno 6 čevljev.

Osnovna ideja je izdelati škatlo, ki drži 11x11 -palčne kose lesa v dado utore. Svojo škatlo sem dimenzioniral tako, da ima zunanjo dimenzijo 12 palcev, notranjo pa 10,5 palca. Vsi kosi ure morajo imeti nameščene tri dado utore. Za mojo različico moram kosa lesa 12x6x0,75 in dva kosa lesa 10,5x6x1.

Utori za sprednjo in zadnjo stran ure so vstavljeni približno 1/2 palca od sprednje in zadnje strani lesenih kosov. Za izdelavo teh rež sem uporabil 1/8 usmerjevalnik. Ko sem preveril prileganje vezanega lesa, sem ograjo mize usmerjevalnika pomaknil za drobcek (približno 1/32 palca v enotah Imperial) in jo nato znova preletel.

Sredinski dado utor, ki drži osrednjo ploščo, je bil izrezan tudi na mizo usmerjevalnika. Ker sem za ta kos uporabil 3/8 v vezanem lesu, sem naredil dodatno prilagoditev ograje mize usmerjevalnika, da naredim širšo luknjo. Med ploščo pisave in osrednjo ploščo v škatli imate približno 2 cm prostora, zato tabelo ustrezno prilagodite.

Za oba reza sem naredil nekaj prehodov za vsako ploščo. Nekajkrat sem prelistala tudi deske, da sem se prepričala, da so rezi čisti.

Dados za obe stranski deski sta bili za celotno dolžino deske. Za daljše zgornje in spodnje kose sem uporabil dva bloka na mizi za usmerjanje, da sem rezilo potopil v les približno 1/2 palca stran od začetka in konca lesenih kosov. V bistvu nisem želel, da bi bili utori vidni na zunanji strani ohišja. Vsi utori so približno 1/4 globoki, da držijo vezane plošče.

Ko odrežete kose, začasno sestavite ohišje in grobo obrusite vse robove, ki bi lahko štrleli. Prav tako boste želeli odstraniti ostre robove z zunanjih delov ohišja ure. Ko ste zadovoljni s kovčkom, odstranite zgornjo ploščo in se prepričajte, da so vezane plošče dejansko nameščene v utore, ki ste jih napeljali. Ugotovil sem, da moram z namizne žage vzeti 1/8 s krožnikov, da se stvari udobno prilegajo škatli, ki sem jo ustvaril.

Ker je bil to prototip, sem pri izdelavi primera v tem projektu odrezal nekaj vogalov. Za to uro sem uporabil topole, a le zato, ker sem imel v trgovini na voljo tablo. Lepše bi izgledalo v češnji ali orehu. Uporabil sem tudi preproste vijačne spoje, ki so jih držali skupaj s preprosto konstrukcijo prekrivanja. Vijaki bodo na zgornji in spodnji strani ure, zato ne bodo zelo opazni, ko je na plašču pri mojem kaminu. (Sem tudi omenil, da je to prototip?). Naslednja različica ure bo uporabljala poševne spoje.

Korak 6: Sestavite mehanske dele za uro

Sestavljanje mehanskih delov ur traja nekaj minut, vendar je relativno naravnost naprej.

Zvezdno ploščo, ploščo iz vezanega lesa, zobnik z 72 zobmi in držalo iz plastične plošče povežite skupaj:

1. Z držalom plošče iz vezanega lesa kot predlogo izrežite kos črne penaste plošče enake velikosti. Za ustvarjanje tega kosa sem uporabil nož Exacto, vendar bi lahko tudi zvitek deloval enako dobro. (Pomembno opozorilo: NE LASERSKO REZAJTE PENE JEDRO. Proizvaja strupene hlape.)
2. Leseno držalo za plošče centrirajte na nosilec za 3D tiskane plošče. Izmerite in nato izvrtajte štiri luknje za vijake, da jih poravnate s tistimi v plastičnem nosilcu. Pritrdite plastični nosilec na nosilec vezane plošče s pomočjo 6x32 1-palčnega vijaka in matic. V plošči iz pene izrežite majhne luknje, da se prilegajo glave vijakov.
3. Akrilno zvezdnato ploščo, penasto ploščo z luknjami za vijake in ploščo iz vezanega lesa stisnite skupaj. V vezani plošči in v akrilni zvezdasti plošči so štiri luknje. Za povezavo teh kosov boste morali uporabiti 6x32 1-palčne vijake. Seveda boste morali na ustreznih mestih izvrtati luknjo skozi penasto jedro in skozi gradbeni papir.
4. Spojnico prilepite na nosilec plošče. Med jezičke in luknje sem dodal toleranco 0,1 mm, da se prepričam, da se dobro prilega.
5. Na nosilec prilepite zobnik z 72 zobmi. S tem bo montaža plošče z zvezdo ure zaključena. Z lepilom Gorilla sem skupaj cementiral zobnik z 72 zobmi, spenjalnik in nosilec za plošče.

7. korak: Začnite sestavljati ohišje za uro

Sestavite sprednjo ploščo: privijte akrilni rete na sprednjo ploščo ure iz vezanega lesa s štirimi 6 x 32 1-palčnimi (ali celo 3/4-palčnimi) vijaki in maticami.

Dodajte LED trak za osvetlitev ozadja: Vzemite LED trak in ga pritrdite med srednjo ploščo ure in sprednjo ploščo ure. (To lahko pomaga odstraniti sprednjo ploščo ure.). Prepričajte se, da je trak varno pritrjen in ne moti vrtenja mehanizmov ure ali koračnega motorja. Za pritrditev lahko uporabite sponke ali lepilo. Sprednjo stran vezanega lesa z akrilnim vložkom vstavite v ohišje ure. Srednjo ploščo z mehanizmom ure postavite tudi v ohišje ure. Napajalni kabel LED traku previdno speljite skozi srednjo ploščo. Za to je na dnu plošče postavljena luknja.

8. korak: Sestavite srednjo ploščo in povežite uro

Zdaj je čas, da sestavite srednjo ploščo ure. To vključuje mehansko podporo pogonske osi in motorja skupaj z ožičenjem elektronike za projekt.

Nosilec ležaja in koračni motor namestite na srednjo ploščo: koračni motor pritrdite na srednjo ploščo z dvema vijakoma in maticami 6x32. Vodite žico od koraka do zadnje strani plošče. Vzemite držalo za 3D natisnjen ležaj in stisnite dva ležaja 608 v sprednji in zadnji del držala. Ta del boste morda morali prilagoditi, če je vaš 3D tiskalnik nekoliko izklopljen, vendar mi je s pomočjo PETG in tiskalnika Prusa uspelo dobro pritrditi. Držalo pritrdite na zadnjo stran srednje plošče. Sestavite mehanizme ure na pogonsko gred: 8-milimetrsko kovinsko gred potisnite skozi zobnik z zobmi 72 in skozi plastično odprtino tako, da se naslanja na držalo za vezane plošče. Drugi konec 8 -milimetrske kovinske gredi postavite skozi osrednjo ploščo in nosilec ležaja. Osrednjo ploščo vstavite v škatlo, pri čemer pazite, da je dovolj prostora za vrtenje zvezdastega kolesa za vijaki, ki držijo sprednji plastični vložek na svojem mestu. Izmerite in označite mesto za rezanje gredi, tako da se udobno prilega v škatlo. Želeli boste imeti dovolj gredi za lepljenje dveh kosov ključavnice gredi pred in po ležaju. Ko opravite to meritev, odstranite sklop zobnika/plošče in vzemite gred iz nosilca ležaja. Odrežite gred z nožno žago, da se popolnoma prilega ohišju, ima pa tudi sekundo od 0,5 do 1 cm, ki štrli iz zadnje strani nosilca ležaja. Ko je gred odrezana na pravo dolžino, ploščo/72 zobni čep ponovno sestavite na ploščo in jo prilepite na svoje mesto. Dodajte ključavnico gredi tik za sklopom, nato gred vstavite skozi nosilec ležaja. Ko znova potrdite prileganje, lepilno ključavnico gredi prilepite na gred. Na gred za nosilcem ležaja prilepite drugo ključavnico gredi.

Vrstni red mehanizma ure bo naslednji:

1. akrilna plošča
2. jedrna plošča iz pene
3. držalo za vezane plošče
4. 3D tiskano držalo za plošče
5. spojnik
6. 72 zobnikov
7. ključavnica gredi
8. ležaj osrednje podporne plošče + nosilec ležaja + ključavnica gredi ležaja
9. ključavnica gredi

Kot zadnji korak pritisnite 18-zobni zobnik na koračni motor. Prilagodite in privijte koračni motor tako, da se 72-zobni in 18-zobniški zobniki prepletajo in nemoteno premikajo. Privijte vijake koračnega motorja na svoje mesto.

Ožičite elektroniko:

Shema ožičenja ure je razmeroma preprosta. Modul ure v realnem času morate priključiti na zatiče SDA in SCL, skupaj s +5 volti in ozemljitvijo na Arduinu. Prav tako morate priključiti zatiče IN1 prek IN4 na koračnem gonilniku UNL2003A na zatiče 8 do 11 na Arduinu, skupaj s priključitvijo tal. Stikalo in 1k ohmski upor je treba povezati med ozemljitvijo in zatičem 7 Arduina. Nazadnje je treba na ploščo UNL 2003A in Arduino priključiti napajalnik iz 5 -voltnega napajalnika.

Tu je podrobnejši nabor opisov:

1. Spajkajte žico na eni strani potisnega gumba. To pritrdite na zatič 7 na Arduinu.
2. Spajkajte 1k upor na drugi strani potisnega gumba, tako da je vhodni gumb ozemljen, ko ga ne pritisnete. Na drugi strani gumba ga privežite na +5 voltov.
3. Priključite štiri žice med zatiči 8, 9, 10 in 11 na zatiče IN1, IN2, IN3 in IN4 UNL 2003A.
4. Priključite točke SCL in SDA na modulu ure v realnem času s pravilnimi nožicami na Arduinu.
5. Ozemljitev Arduina priključite na modul ure v realnem času in na plošče UNL 2003A.
6. Ustvarite razdelilnik moči za 5 -voltno napajanje (zadoščata 2 ampera) in ga priključite na Arduino in ploščo UNL 2003A.
7. Nazadnje morate LED napajalnik priključiti skozi srednji sloj ure in navoj na zadnji strani ohišja. Želite, da LED krmilnik štrli zadaj, tako da lahko spremenite vzorec osvetlitve na uri.

Na gonilnik koraka boste morali priključiti +5 voltov, na Arduino pa od +6 do +12 voltov. Za to sem neuspešno poskušal uporabiti en sam napajalnik, vendar bi verjetno imel za stepper 2 amp 7 voltni sistem z regulatorjem moči, če bi imel malo več časa.

Prepričajte se, da napetost med motorjem in zobniki ni pretesna ali preveč ohlapna. Dvakrat preveri vse. Ko so vse napeljave nameščene in deli pritrjeni, previdno potisnite sklop na svoje mesto.

Vendar - napajanja še ne priključite. Najprej moramo programirati tablo

9. korak: Programirajte Arduino

Programiranje Arduina je bilo precej preprosto. Koda deluje tako:

1. Ko se koda zažene, inicializira števec korakov in zajame čas iz modula ure v realnem času. Inicializira se tudi število korakov za motor skupaj z nekaj drugimi spremenljivkami o sistemu.
2. Čas se iz lokalnega časa pretvori v lokalni zvezdniški čas. Ker se Zemlja vrti okoli Sonca, medtem ko se vrti okoli svoje osi, je čas, potreben za vrtenje zvezd, približno 4 minute krajši od časa, potrebnega za vrtenje Sonca v (povprečni) položaj. Podprogram Sidereal time v kodi je bil spremenjen s tega spletnega mesta. Vendar je bilo v kodi nekaj napak, zato sem posodobil za uporabo celotnega približnega algoritma Sidereal Time, ki ga je ustvaril ameriški pomorski observatorij.
3. Ko se glavna zanka začne, izračuna, koliko časa je minilo (v urah Sidereal) od vklopa ure. Nato pogleda trenutni števec korakov in izračuna, koliko korakov je treba dodati, tako da je rotacija ure usklajena s trenutnim časom. To število korakov se pošlje v Arduino za premikanje diska.
4. Če pritisnete gumb v glavni zanki, se disk hitreje premika naprej. To vam omogoča, da disk nastavite na trenutni čas in datum. Ura ne shrani števila korakov po ponastavitvi napajanja in ni kodirnika, ki bi kazal absolutni položaj diska. To lahko dodam v prihodnji različici projekta.
5. Po premiku ure sistem za nekaj časa zaspi in ponovi zadnji dve koraki.

Naredil sem veliko poskusov s korakom, da sem se prepričal, koliko korakov je V resnici potrebnih za eno samo rotacijo. Za moj stepper je bil 512 x 4 s standardno knjižnico Arduino Stepper. V kodi sem nastavil RPM na 1. Čeprav je to boleče počasi, ko nastavljate uro, so bile pri višjih hitrostih običajno več zgrešenih korakov.

10. korak: Priključite in nastavite čas

Ko naložite kodo, priključite napajalnike na Arduino in stepper. Priključite vse, tudi osvetlitev ozadja. Z daljinskim upravljalnikom prižgite luč.

Zdaj morate samo pritisniti gumb, da poravnate uro in datum. Prepričajte se le, da je trenutni čas na zunanji plastični posodi usklajen z mesecem in dnevom na notranji akrilni plošči. Čestitamo! Imate astronomsko uro.

Ko je čas nastavljen, morate vsakih 8 sekund prejemati impulze s koraka za posodobitev zvezdnega polja. Gre za POČASNO 24 -urno rotacijo, zato ne pričakujte veliko ukrepov glede tega. Očitno lahko zadevo zaključite (in morate!).

Kot sem rekel, je to prototip. Na splošno sem zadovoljen z njegovimi rezultati, vendar bi ga v naslednji različici nekoliko popravil. Ko ga bom obnovil, bom verjetno uporabil steperje NEMA namesto različic cheap-o. Mislim, da bi jih z močjo in zanesljivostjo lažje uporabljali. Zobniki so delovali dobro, vendar se mi zdi, da sem v orodja, ki sem jih oblikoval, malo preveč igral. Verjetno bi to naredil tudi drugače.

Nazadnje sem se rad zahvalil ljudem v knjižnici MTSU Walker za pomoč pri tem. Laser Etcher sem uporabil v njihovem Maker Spaceju za izdelavo akrilnih in lesnih delov in imel veliko produktivnih pogovorov z Benom, Nealom in ostalo tolpo Makerspace, ko sem razmišljal o uri.

Druga nagrada na natečaju za ure