Planetarna ura: 6 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

(Stare) mehanske ročne ure so neverjetno zanimive in prijetne za ogled, vendar jih je skoraj nemogoče zgraditi. Mehanskim uram manjka tudi neprevidnost natančne digitalne tehnologije, ki je danes na voljo. Ta Instructable vam prikazuje način, kako združiti najboljše iz obeh svetov; z vožnjo mehanskih kazalcev ure skozi planetarni menjalnik s koračnim motorjem in Arduinom!

Zaloge

Splošne komponente:

• 5 mm lesena in akrilna pločevina
• Vijaki M5 (poglobljeni), podložke in matice
• Izpadi PCB
• Vijaki M3 za koračni motor

Električne komponente:

• Stepper driver (uporabljal sem L293d)
• Katera koli vrsta Arduina
• Ura v realnem času (uporabljal sem DS3231)
• Hall -ov senzor (uporabil sem A3144)
• 5 mm neodijev magnet
• Gumbi za vnos uporabnika
• 10K upor
• 100uf 25V kondenzator
• DC priključek
• 5V 2A DC napajanje
• Baterija za RTC (v mojem primeru cr2032)

Mehanske komponente:

• Kateri koli tip koračnega motorja 1,8 stopinje/koraka z osjo 5 mm
• Zobati jermen GT2 400 mm
• GT2 60 -zobni jermen s premerom 5 mm
• GT2 20 -zobni jermen 5 mm osi
• 5x16x5 mm ležaj (3x)
• 5x16x5 mm prirobnični ležaj (2x)
• Navojna palica M5x50

1. korak: Oblikovanje in izdelava zobnikov

Eden od ciljev tega projekta je bil imeti en motor, ki poganja celotno uro, podobno kot prava mehanska ura, kjer en mehanizem za pobeg poganja celotno uro. Minutna kazalka pa mora opraviti 12 obratov v času, ko urna ročica naredi 1 rotacijo. To pomeni, da je za pogon obeh rok z enim motorjem potreben redukcijski menjalnik 1:12. Za to sem se odločil s planetarnim menjalnikom, priloženi video lepo razlaga, kako deluje ta vrsta menjalnika.

Naslednji korak je bil določiti število zob za različne prestave, da bi ustvarili razmerje 1:12. Ta spletna stran je bila v veliko pomoč in vsebuje vse potrebne formule. Sončni zobnik sem pritrdil na časovno kazalko, nosilec planeta pa na urno, obročni obroč pa sem pustil pri miru. Naredimo malo matematike!

• S = število zob na sončnem orodju
• R = število zob na obroču
• P = število zob na planetarnem orodju

Prestavno razmerje (i) je določeno z:

i = S/R+S

Upoštevajte, da število zob na planetarni prestavi v tem primeru ni pomembno za prestavno razmerje, vendar moramo spoštovati splošno omejitev:

P = (R - S)/2

Po nekaj uganki sem na koncu uporabil naslednje številke: S = 10; R = 110; P = 50; Zdi se, da so na robu možnega, saj je med planetnimi zobniki zelo malo prostora, vendar deluje!

Zobnike lahko narišete v svojem najljubšem CAD programu, večina jih ima posebne vtičnike. Uporabite lahko tudi datoteke, priložene temu navodilu. seveda. Upoštevajte, da imajo vsi zobniki, čeprav se razlikujejo po velikosti, enak nagib zob.

Mislil sem, da bi bilo super narediti te zobnike iz 5 -milimetrskega aluminija, in se obrnil na lokalno trgovino z vodnim curkom, če bi mi lahko zmanjšali te zobnike. Običajno nikoli ne bi delali zobnikov z rezalniki vode, vendar so to zelo nizko zmogljivi zobniki. Presenetljivo so se strinjali, da poskusijo, vendar je ta načrt grozno propadel. Deli so bili preprosto premajhni za vodni curek in so se med rezanjem začeli premikati.

Ta zastoj je pomenil, da je čas za načrt B, zato sem kupil nekaj 5 mm dimljenega črnega akrila in našel mesto z laserskim rezalnikom, ki mi je brez težav odrezal prestave. Če nimate na voljo laserskega rezalnika, lahko za te zobnike verjetno uporabite tudi 3D-tiskalnik, vključil sem datoteke STL (obročni zobnik bo morda treba razdeliti na 3 dele).

Po rezanju pritisnem vgrajene ležaje v zobnike planeta. Za pravilno prileganje sem naredil preizkusni kos akrila z več luknjami, od katerih je vsaka imela nekoliko večji premer (koraki 0,05 mm). Ko sem ugotovil pravilno nastavitev, sem velikost lukenj v planetarnih zobnikih spremenil v to nastavitev. To je nekaj, kar se razlikuje glede na material in vrsto stroja, zato morate to vedno narediti sami.

2. korak: Montaža gonila

Za sestavljanje zobnikov je potreben okvir ure. Zdaj je to del, kjer lahko pustite svoji ustvarjalnosti divje, saj je oblika okvirja razmeroma nepomembna, če so vse luknje za vijake na pravem mestu. I Odločil sem se, da naredim veliko lukenj na številčnici in hrbtni plošči, da poudarim zobniški mehanizem. To je tudi razlog, da so nosilci planeta in minutna kazalca nekako prosojni, a tudi izgleda super!

Za izdelavo teh delov sem znova uporabil laserski rezalnik, in ker so bili akrilni deli debeli 5 mm, sem lesene dele naredil tudi debeline 5 mm. Vse luknje na številčnici in nosilcu planeta so bile potopljene, da so lahko namestili ustrezne vijake.

Osrednja os ure poteka v dveh ležajih znotraj nosilcev planeta. Ker sem to os izdelal iz 5 -milimetrske zaloge, se zelo tesno prilega ležajem in teh komponent nisem mogel več razstaviti. Veliko lažje bi bilo, če bi uporabili kos niti M5, saj vam tudi ne bi bilo treba več prerezati lastne niti (če bi se le prej zavedla…..). Za preprečitev vrtenja sončnega orodja okoli osi ima luknjo v obliki črke D, zato je treba os tudi vstaviti v to obliko D. Ko se osi prilegajo osi, jih lahko sestavite, ne pozabite na nosilce planetov, če uporabljate prirobnične ležaje! Navodila za sestavljanje si oglejte v eksplodiranem pogledu.

Ko je nameščena osna os, je čas za planetne zobnike. Te potrebujejo tudi majhne podložke, tako kot osrednjo os, da zagotovijo nemoteno delovanje zobnikov. Ko je vse nameščeno na nosilce planetov, preverite, ali planetni zobniki in sončni zobniki delujejo brezhibno.

Osrednji del je zdaj mogoče namestiti v okvir ure. To je dolgočasno delo, toda pritrditev vijakov skozi sprednjo ploščo in njihovo lepljenje v veliko pomoč. Prav tako je lahko koristno dvigniti sprednjo ploščo, da ustvarite prostor za minuto. Fotografije prikazujejo, da sem med obroček menjalnika in zadnjo ploščo položil šest majhnih kosov papirja, da sem dal malo prostora za prestave. Ko vstavljate nosilec planeta, se prepričajte, da so številčnice usmerjene na razumno mesto (če kazalnik minute kaže na 12, urna kazalka ne sme biti med dvema urama na primer)

3. korak: Priključitev koraka in senzorja

Zdaj, ko imamo zobniški mehanizem, ki pravilno poganja roke, moramo še vedno pravilno voziti zobniški mehanizem. Uporabili bi lahko različne vrste elektromotorjev, jaz sem izbral koračni motor, saj lahko izvaja natančne premike brez stalnih kotnih senzorjev povratnih informacij. Koračni motor lahko odda tudi pravi zvok "Click", kar je odlično za polmehansko uro!

Navaden koračni motor lahko naredi 200 korakov na vrtljaj, kar pomeni 200 korakov na uro, če ga povežemo s kazalcem minut. To bi pomenilo interval 18 sekund na korak, kar še ne zveni kot tiktakajoča ura. Zato sem uporabil prenos 1: 3 med koračnim motorjem in kazalci minut, zato mora koračni motor narediti 600 korakov na uro. Z načinom pol koraka se to lahko poveča na 1200 korakov na uro, kar je enako enemu koraku na 3 sekunde. Sliši se bolje!

Ena težava koračnih motorjev je, da nikoli ne veste, kje so, ko vklopite Arduino. Zato imajo vsi 3D tiskalniki končne zapore, tako da lahko tiskalnik premaknete v znani položaj in nato nadaljujete od te točke. To je potrebno tudi za uro, le končna postaja ne bo delovala, saj bi se morala ura neprekinjeno vrteti. Za uresničitev tega zaznavanja položaja sem uporabil senzor Hall-efekta A3144, ki zazna magnet (preverite polarnost!….), Pripet na nosilec planeta. To se uporablja za premik rok v določen položaj ob zagonu, nato pa se lahko premaknejo na želeni čas.

Montaža je zelo preprosta; Koračni motor pritrdite na zadnjo ploščo in pustite vijake rahlo zrahljati. Nato lahko majhno jermenico namestite na os koračnega motorja in preverite, ali zobati jermen teče naravnost. Zdaj lahko potisnete koračni motor, da prilagodite napetost zobatega jermena. Zobati jermen potrebuje malo igranja, da se prepričate, da ne obremenjujete prestav. S to nastavitvijo se poigrajte, dokler niste zadovoljni, nato pa do konca privijte vijake koračnega motorja.

Senzor Hallovega učinka je prilepljen na svoje mesto. Najbolje je, da najprej pritrdite tri žice na senzor, pri čemer pazite, da se toplotno skrči okrog vsake noge senzorja, da se med seboj ne bodo kratki. Po spajkanju lahko senzor prilepite na svoje mesto. Ni pomembno, katera stran je navzgor, če magneta še niste pritrdili. Ko senzor prilepite na mesto, ga priključite na Arduino ali majhno LED vezje, da preverite, ali deluje. (OPOMBA: senzor Hallovega učinka deluje le, če gredo črte magnetnega polja v pravo smer). S tem preskusnim vezjem preverite, kako je treba magnet prilepiti. Ko ste popolnoma prepričani, katera stran vašega magneta naj bo obrnjena proti senzorju, magnet prilepite na mesto.

4. korak: Elektronika, zaradi katere ura utripa

Uporabili bi lahko zelo preprosto kodo Arduino, ki naredi pol koraka z motorjem, nato pa traja 3000 milisekund zamude do naslednjega koraka. To bi delovalo, vendar ni zelo natančno, saj notranja ura Arduino ni ultra natančna. Drugič, Arduino bi vsakič, ko izgubi moč, pozabil na čas.

Zato je za spremljanje časa najbolje uporabiti uro v realnem času. Te stvari so posebej zasnovani čipi z rezervno baterijo, ki natančno spremljajo čas. Za ta projekt sem izbral DS3231 RTC, ki lahko komunicira z Arduinom prek i2c, kar olajša ožičenje. Ko pravilno nastavite čas na njegovem čipu, nikoli ne bo pozabil, koliko je ura (dokler ima baterija cr2032 še nekaj soka). Za vse podrobnosti o tem modulu obiščite to spletno mesto.

Krmiljenje koračnega motorja poteka z gonilnikom motorja L293d. Nekateri naprednejši gonilniki koračnih motorjev uporabljajo signal PWM za mikro stopnjevanje in omejitev toka. Ta signal PWM lahko povzroči nadležen zvok, ki ga pozna vsak proizvajalec (še posebej, če imate 3D -tiskalnik). Ker naj bi ta ura postala del vaše notranjosti, neprijetni zvoki niso zaželeni. Zato sem se odločil, da uporabim nizkotehnološki gonilnik motorja l293d, da se prepričam, da je ura tiha (poleg koraka vsake 3 sekunde, a to je pravzaprav prijetno!). Podroben opis čipa l293d si oglejte na tej spletni strani. Upoštevajte, da uporabljam koračni motor pri 5V, kar zniža porabo energije in temperaturo koračnega motorja.

Kot smo že omenili, uporabljam Hall-ov senzor za zaznavanje magneta, prilepljenega na nosilec planeta. Načelo delovanja senzorja je zelo preprosto, spremeni stanje, ko je magnet dovolj blizu. Tako lahko vaš Arduino zazna digitalno visoko ali nizko vrednost in zato zazna, ali je magnet blizu. Oglejte si to spletno stran, ki prikazuje, kako povezati senzor, in prikazuje preprosto kodo, ki se uporablja za zaznavanje magneta.

Nenazadnje sem na tiskano vezje dodal 4 gumbe za uporabniški vnos. Za poenostavitev ožičenja uporabljajo notranje vlečne upore Arduino. Moje tiskano vezje ima tudi glave v konfiguraciji Uno, tako da bi lahko dodal Arduino ščite za možne razširitve (tega doslej nisem storil).

Najprej sem preizkusil vse na svoji plošči, nato pa sem za ta projekt oblikoval in naročil tiskano vezje po meri, saj izgleda super! PCB lahko namestite tudi na zadnjo stran ure, če je ne želite pogledati.

Datoteke Gerber za tiskano vezje lahko prenesete z mojega pogona, Instructables mi iz nekega razloga ne dovoli, da jih naložim. Uporabi to povezavo do mojega google pogona.

5. korak: Programiranje Arduina

Osnovna koda za Arduino je pravzaprav zelo preprosta. Priložil sem shemo, ki prikazuje, kaj se dogaja v Arduinu in kako se Arduino povezuje z drugimi napravami. Za poenostavitev kodiranja sem uporabil več knjižnic.

• Accelstepper -> upravlja z zaporedjem korakov koračnega motorja in vam omogoča intuitivne ukaze, kot so: Stepper.runSpeed () ali Stepper.move (), ki vam omogočajo, da se premikate z določeno hitrostjo ali v določenem položaju.
• Wire -> to je potrebno za komunikacijo i2c, tudi če uporabljate RTClib
• RTClib -> upravlja komunikacijo med Arduinom in RTC, omogoča intuitivne ukaze, kot je rtc.now (), ki vrne trenutni čas.
• OneButton -> Upravlja vnos gumbov, zazna pritiske in nato izvede vnaprej določeno praznino, da naredi nekaj. Lahko zazna posamezne, dvojne ali dolge pritiske.

Pri pisanju kode za uro je zelo pomembno, da se izognete spremenljivkam, ki se nenehno povečujejo. Ker bo koda Arduino delovala 24 ur na dan, bodo te spremenljivke hitro postajale vse večje in bodo sčasoma povzročile prelivanje. Koračnemu motorju na primer nikoli ni ukazano, naj gre v določen položaj, saj bi se ta položaj sčasoma le povečal. Namesto tega se koračnemu motorju ukaže, da premakne določeno število korakov v določeno smer. Tako ni spremenljivke položaja, ki se sčasoma povečuje.

Ko prvič povežete RTC, morate nastaviti čas čipa, obstaja del kode, ki ga lahko razkomentirate, ki nastavi čas RTC, ki je enak vašemu računalniškemu času (čas v trenutku, ko kodo sestavite). Upoštevajte, da bo čas RTC ponastavljen na čas, ko ste vsakič sestavili kodo. Zato to komentirajte, zaženite enkrat in nato še enkrat komentirajte.

Kodi sem priložil svojo kodo in jo temeljito komentiral. Lahko ga naložite brez sprememb ali preverite in poglejte, kaj mislite!

6. korak: Prvič uživajte v zvoku ure, ki tiktaka

Po priključitvi vse elektronike in nalaganju kode je to rezultat!

Osnovna zasnova te ure je zelo preprosta in je lahko izdelana v različnih oblikah in velikostih. Ker je na krovu Arduino, lahko preprosto dodate tudi dodatne funkcije. Če nastavite alarm, naj vam ura ob določenem času vklopi aparat za kavo, internetna povezava, kul predstavitveni načini, ki poudarjajo mehansko gibanje, da pokažete svojo zasnovo drugim in še veliko več!

Kot ste morda opazili v tem navodilu, sem moral zaradi pisanja tega učilnika razstaviti uro. Čeprav sem žalosten za ta Instructable, lahko vsaj zagotovim, da se dizajn dolgoročno zelo dobro obnese, saj ta ura v moji dnevni sobi brez težav teče že več kot 3 leta!

Sporočite mi v komentarjih, če vam je bil ta Instructable všeč, prvič ga pišem. Če imate še kakšen nasvet ali vprašanje, mi samo pošljite sporočilo. In upam, da sem nekoga navdihnil, da bo nekega dne tudi izdelal polmehansko uro!

Prva nagrada na natečaju za ure