Astronomiklockan: 10 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Strax efter att de första mekaniska klockorna uppfanns på 1300 -talet började uppfinnarna leta efter sätt att representera himmelens rörelse. Således skapades astronomiklockan. Den kanske mest kända astronomiklockan skapades i Prag cirka 1410. I stället för att bara visa vad klockan är, visar den också stjärnornas relativa position när jorden roterar på sin axel och kretsar runt solen.

I detta projekt lär du dig hur du skapar en astronomiklocka som du kan ha hemma. Den visar en karta över stjärnorna som för närvarande finns på himlen - dag eller natt. Himlakartan ändras när jorden roterar. Projektet omfattar mekaniska, elektroniska och programvarukomponenter. Du behöver tillgång till en 3d -skrivare, en laserskärare och några träbearbetningsverktyg för att avsluta projektet. Jag använde också Python för att skapa stjärnkartor och design som ingår i klockan. Kanske var min favoritdel i projektet att integrera alla dessa tekniker tillsammans.

Detta projekt var helt original. Jag skrev programvaran för att köra klockan, skapade laserdesignerna för fodralet och byggde till och med växlarna och drivlinan. Jag skrev också programvaran för att göra layouten på stjärnkartan.

Slutresultatet verkade väl värt den tid jag ägnade åt att sätta ihop det.

Steg 1: Samla delarna

För detta projekt behöver du följande tillbehör:

2 - bitar av 11x14 (0,093 tum tjock) akryl

1 - 1x6 bräda 6 fot lång.

1 - Arduino Uno

1 - Klockmodul i realtid

1 - stegmotor 28bjy -48

1 - stepper driver - UNL2003

1 - 5 volt strömförsörjning

1 - 36 tums ledbandslampa

1 - 1/4 tum plywoodskiva - 2x4 ft

1 - 8 mm metallaxel

2 - 608 kullager

1 - bitar av svart skumbräda - ca 12 x 12 tum

Övrigt: tråd, träskruvar (#6 x 1 1/4 tum), påse med 6x32 x 0,75 tum maskinskruvar + muttrar, ytterligare en påse med 4x40 x 0,75 maskinskruvar, träfläck (tillval)

Du behöver också följande verktyg:

Tillgång till en 3d -skrivare

Tillgång till en laseretsare som kan skära 1/4 i akryl och trä

En bordsåg + router för att skapa fodralet för klockan

Steg 2: Skriv ut växlar och plastdelar

För att börja måste du skriva ut kugghjul och plastdelar för klockan. Jag använde en Prusa I3 MK3, Slic3r och PETG för min klocka. Men nästan alla variationer borde fungera bra för detta projekt. Den primära begränsningen är att du behöver en stor tryckbädd för att skapa tallrikshållaren och 72-tandade redskap.

Detta är en snabb beskrivning av filerna du behöver skriva ut:

lagerhållare - Lagerhållaren rymmer två 608 lager för att stödja drivaxeln. Den bultar fast på baksidan av mittplattan i klockan.

kopplare - Denna plastbit kopplar ihop platthållaren och 72 -tandningsspaken. Den är 25 mm lång, så den är designad för en klocka med ett två tum långt mellan frontplattan och mittplattan som håller lagren.

tallrikshållare - tallrikshållaren kopplar ihop akrylplattan och dess stöd med drivaxeln.

axelhållare - Detta är filen för en ring med en diameter på 8 mm som används för att hålla axeln på plats när den passerar genom lagerhållaren. Du måste skriva ut två av dessa för projektet.

Spurväxel (18 tänder) - Den här kugghjulspressen passar på stegmotorns axel.

Spur Gear (72 tänder).- Denna växel kopplas till klockans drivaxel och vrider platthållaren och akrylplattan.

motorhållare - en platta för att hålla stegmotorn

Den grundläggande mekaniska konstruktionen visas i diagrammen ovan. Frontplattan är fäst vid den del av stjärnkartan som roterar (Rete). Denna är ansluten via en axel till en 72-tandad växel. Stegmotorn (28BYJ48) driver en 18-tandad växel som kör klockan. Motorn själv sitter i motorhållarplattan så att den kan justeras på klockans mittplatta.

Lagerstödsystemet som håller axeln är bultat på en central platta i klockan. Lagren som används är normala 608 lager (22 mm ytterdiameter, 8 mm innerdiameter, 7 mm tjocklek) som går på insidan och utsidan av björnstödbiten. Skaftet kopplas till växlarna, och allt är limmat på axeln för att hålla ihop allt.

Kugghjulen och plastdelarna skapades med Fusion 360. Jag är lite ny i mjukvaran, men tillbehöret för växelgenerering fungerade riktigt bra för att sätta ihop detta. Att räkna ut hur man använder programvaran var ett av de främsta syftena med detta projekt för mig.

Du kan komma åt designfilen för 3d -delarna här: Fusion 360 Astronomy Clock

Steg 3: Laser ets akryldelarna

Akrylmallarna för Rete (delen med stjärnor på) och plattan (framstycket) är bifogade ovan. Denna stjärnkarta var inställd på en breddgrad på cirka 40 grader nord, och borde fungera ganska bra för de flesta. Själva kartorna genererades med programvara som jag skrev i python.

github.com/jfwallin/star-project

Jag skulle inte rekommendera att gräva igenom om du inte gillar pythonkodning och astronomi. Det är inte så väl dokumenterat än, men det är tillgängligt om du vill använda det. Jag ägnade mycket tid åt att arbeta med estetiska frågor som stjärnstorlek, typsnitt, etikettplats, etc. Resultatet verkade likna alla andra planisfärer, och säkert andra planisfärdesigner skulle fungera för detta projekt.

Det finns i princip två kategorier av filer:

tallrik - bitarna som har stjärnkartan tryckt på dem.

rete - bitarna som har fönstret som du ser stjärnorna genom tryckt på dem.

Du behöver INTE skriva ut dem alla, men jag tänkte att det kan vara bra att inkludera dem i olika format.

När jag producerade genererade Rete och plattan med pythonkoden importerade jag den till Adobe Illustrator för att lägga till de grafiska elementen som behövs för etsningen. Jag vänd på stjärnkartan, det är etsat på baksidan av akrylen för att få bakgrundsbelysningen att se lite snyggare ut.

Om du inte har tillgång till en laseretsare kan du bara skriva ut plattan och Rete på papper och sedan limma dem på en plywoodbas. Det skulle inte ha det glödande akrylutseendet, men det skulle ändå men ändå vara en trevlig klocka att ha på manteln för att visa stjärnornas rotation varje dag. Att etsa en metalldesign skulle ge klockan ett coolt steampunk -utseende.

(Obs! Det fanns en korrigering i akrylplattans mall som lades till efter att en del av bilden togs.)

Steg 4: Laseretsa trädelarna

Adobe Illustrator -filerna för plywooddelarna för klockan bifogas ovan. Det finns fyra plywooddelar som måste laserskäras. Du kan enkelt använda en CNC -maskin för att göra dessa delar, eller till och med bara klippa dit med en bordssåg och en rullsåg. Du behöver bara matcha de tryckta delarna från den sista stegplattan och klockans framsida.

clock-back-plywood-Detta är bara ett 11x11 tum ark med 1/8 i plywood som fungerar som baksidan av klockan. Jag satte en stjärndesign på den, för den såg cool ut.

clock-center-plywood-Det här är också en 11x11 i plywoodskiva, men jag skar den ur 3/8 tum plywood. Den har ett hål på 9 mm i mitten för drivaxeln. Stegmotorn, drivaxeln och elektroniken för klockan är monterade på denna bit.

clock-front-plywood-Detta är klockans främre del. Återigen är detta en 11x11 tum bit 1/8 i plywood. Den har ett cirkulärt hål i mitten tillsammans med 4 hål för de 6x32 skruvarna som fäster plattan på framsidan.

klockplåt-plywood-Med denna plywoodbit (1/8 tum) kan du montera plexiglasplattan. Du kommer så småningom att smörja in en bit svart skumbräda mellan plywood och akryl. Detta stycke monteras också på den 3D -tryckta tallrikshållaren.

Steg 5: Montera klockfodralet

Lådan som rymmer klockan är gjord av en 1x6 träbit som var cirka 6 fot lång.

Grundidén är att göra en låda som rymmer 11x11 tum träbitar i dado -spår. Jag dimensionerade min låda för att ha en yttre dimension på 12 tum och en inre dimension på 10,5 tum. Alla bitar på klockan måste ha tre dado -spår in i dem. För min version måste jag träbitar som är 12x6x0,75 och två träbitar som är 10,5x6x1.

Spåren på framsidan och baksidan av klockan är infällda ca 1/2 tum från framsidan och baksidan av träbitarna. Jag använde en 1/8 routerbit på ett routerbord för att göra dessa platser. Efter att ha kontrollerat passformen med plywood kompenserade jag routerbordstaketet med en smidge (cirka 1/32 tum i Imperial -enheter) och körde sedan igenom det igen.

Mittdado -spåret som håller mittplattan klipptes också på routerbordet, eftersom jag använde 3/8 i plywood för denna bit, gjorde jag en ytterligare justering av routerbordstaketet för att göra det bredare hålet. Du har cirka 2 tum utrymme mellan typsnittsplattan och mittplattan i rutan, så justera tabellen därefter.

För båda nedskärningarna gjorde jag ett par pass för varje bräda. Jag körde också igenom brädorna några gånger för att se till att snittet var rent.

Dados för de två sidoplattorna var för hela brädans längd. Men för de längre topp- och bottenbitarna använde jag två stoppblock på routerbordet för att kasta bladet i träet ungefär 1/2 tum från början och slutet av träbitarna. I grund och botten ville jag inte att spåren skulle vara synliga på utsidan av fodralet. Alla spår är cirka 1/4 djupa för att hålla plywood.

När du har klippt bitarna, montera tillfälligt höljet och slipa alla kanter som kan sticka ut. Du kommer också att vilja ta bort vassa kanter från de yttre delarna av klockfodralet. När du är nöjd med fodralet, ta bort den övre panelen och se till att plywoodplattorna faktiskt passar in i spåren du dirigerade. Jag fick reda på att jag behövde ta en 1/8 av mina tallrikar med en bordssåg för att få saker att passa bekvämt i lådan jag skapade.

Eftersom detta var en prototyp, skar jag några hörn när jag gjorde fallet i det här projektet. Jag använde poppel till min klocka, men bara för att jag hade en bräda i min butik lätt tillgänglig. Det skulle se snyggare ut i körsbär eller valnöt. Jag använde också bara enkla skruvförband för att hålla ihop det med en enkel överlappningskonstruktion. Skruvarna kommer att vara på toppen och botten av klockan, så de kommer inte att märkas särskilt mycket när det är på manteln vid min eldstad. (Nämnde jag också att det här var en prototyp?). Nästa version av klockan använder gjutna leder.

Steg 6: Montera de mekaniska delarna för klockan

Att montera de mekaniska delarna på klockorna tar några minuter, men det är relativt rakt fram.

Anslut stjärnsplattan, plywoodplattan, 72-tandade kugghjulet och plastplåthållaren tillsammans:

1. Med hjälp av plywoodskivhållaren som mall, skär ut en bit svart skumkärna för att vara lika stor. Jag har en Exacto -kniv för att skapa det här stycket, men en rullsåg kan fungera lika bra.)
2. Centrera träplåthållaren på den 3D -tryckta platthållaren. Mät och borra sedan fyra skruvhål för att anpassa dem till plasthållaren. Fäst plasthållaren på plywoodplåthållaren med 6x32 1-tums bult och muttrar. Skär små hål i skumbrädan för att rymma bulthuvudena.
3. Smörj akrylstjärnsplattan, skumbrädan med skruvhålen i den och plywoodplattan tillsammans. Det finns fyra hål i plywoodplattan och i akrylstjärnplattan. Du måste använda 6x32 1-tums skruvar för att ansluta dessa delar. Naturligtvis måste du borra ett hål genom skumkärna och genom konstruktionspapperet på lämpliga platser.
4. Limma kopplingen på platthållaren. Jag lade till en 0,1 mm tolerans mellan flikarna och hålen för att se till att detta passar bra.
5. Limma den 72-tandade kugghjulet till bäraren. Detta kommer att slutföra monteringen av klockstjärnsplattan. Jag använde Gorillalim för att cementera 72-tandad växeln, kopplingen och platthållaren tillsammans.

Steg 7: Börja montera fodralet för klockan

Montera frontplattan: Skruva fast akrylnätet på klockans frontplatta på klockan med fyra 6x32 1-tums (eller till och med 3/4 tum) bultar och muttrar.

Lägg till LED -remsan för bakgrundsbelysning: Ta LED -remsan och fäst den mellan klockans mittplatta och klockans främre platta. (Det kan hjälpa att ta bort klockans främre platta för att göra detta.). Se till att remsan är ordentligt fastsatt och inte stör rotationen av klockmekanismerna eller stegmotorn. Du kanske vill använda häftklamrar eller lim för att hålla den på plats. Sätt plywoodfronten med akrylnätet i klockfodralet. Placera mittplattan med klockmekanismen i klockhuset också. Var noga med att dra strömkabeln för LED -remsan noggrant genom mittplattan. Ett hål har placerats i basen av brädet för att göra detta.

Steg 8: Montera mellanplattan och koppla ihop klockan

Nu är det dags att sätta ihop klockans mittplatta. Detta inkluderar det mekaniska stödet för drivaxeln och motorn, tillsammans med kopplingen av elektroniken för projektet.

Montera lagerhållaren och stegmotorn på mittplattan: Fäst stegmotorn på mittplattan med två 6x32 bultar och muttrar. Dra ledningen från steget till baksidan av brädet. Ta det 3D -tryckta lagret och kläm ihop två 608 lager i hållarens fram- och baksida. Du kan behöva justera denna del om din 3d -skrivare är något avstängd, men jag lyckades få en passform med PETG och min Prusa -skrivare. Skruva fast hållaren på baksidan av mittplattan. Montera klockmekanismerna på drivaxeln: Skjut 8 mm metallaxeln genom 72-tandad kugghjul och genom plasthålsplattan så att den angränsar bredvid plywoodplåthållaren. Placera den andra änden av 8 mm metallaxeln genom den centrala plattan och lagerhållaren. Placera mittplattan i lådan och se till att det finns tillräckligt med spelrum för att stjärnhjulet ska rotera bakom skruvarna som håller den främre plasthållaren på plats. Mät och markera en plats för att skära axeln så att den passar bekvämt i lådan. Du kommer att vilja ha tillräckligt med en axel för att limma på två av axellåsbitarna före och efter lagret. När du har gjort denna mätning, ta bort kugghjulet/plattan och ta ut axeln ur lagerhållaren. Skär axeln med en bågsåg så att den passar helt in i höljet, men ha också en 0,5 till 1 cm sekund som sticker ut från lagerhållarens baksida. När axeln har skurits till rätt längd, montera tillbaka plattan/72 tandhjulet på plattan och limma på plats. Lägg till ett axellås precis bakom aggregatet och sätt sedan axeln genom lagerhållaren. Efter att du har bekräftat passformen igen, limma axellåset på axeln. Limma ett andra axellås till axeln bakom lagerhållaren.

Klockmekanismens ordning kommer att vara:

1. akrylplatta
2. skumkärnbräda
3. tallrikshållare i plywood
4. 3D -tryckt tallrikshållare
5. kopplare
6. 72 tandhjul
7. axellås
8. centralt stödplåtlager + lagerhållare + lageraxellås
9. axellås

Som ett sista steg trycker du på att montera den 18-tandade kugghjulet på stegmotorn. Justera och dra åt stegmotorn så att 72-tandad och 18-tandad växlar hänger ihop och rör sig smidigt. Dra åt stegmotorns bultar på plats.

Anslut elektroniken:

Kopplingsschemat för klockan är relativt enkelt. Du måste ansluta klockmodulen i realtid till SDA- och SCL -stiften, tillsammans med +5 volt och jord på Arduino. Du måste också ansluta IN1 via IN4 -stiften på UNL2003A -stegdrivrutinen till stiften 8 till 11 på Arduino, tillsammans med att ansluta marken. En omkopplare och ett 1k Ohm -motstånd måste anslutas mellan marken och stift 7 på Arduino. Slutligen måste en strömförsörjning anslutas till UNL 2003A -kortet och till Arduino från en 5 volt strömförsörjning.

Här är en mer detaljerad uppsättning beskrivningar:

1. Löd en tråd ena sidan av tryckknappen. Fäst detta på stift 7 på Arduino.
2. Löd en 1k resister på andra sidan av tryckknappen så att ingångsknappen jordas när den inte trycks.. På den andra sidan av knappen, bind den till +5 volt..
3. Anslut de fyra ledningarna mellan stiften 8, 9, 10 och 11 till UNL 2003A -stiften IN1, IN2, IN3 och IN4.
4. Anslut SCL- och SDA -punkterna på Real Time Clock -modulen till rätt stift på Arduino.
5. Anslut marken på Arduino till Real Time Clock -modulen och till UNL 2003A -korten.
6. Skapa en strömdelare för din 5 volt -strömförsörjning (2 ampere borde vara tillräckligt) och anslut den till Arduino och UNL 2003A -kortet.
7. Slutligen måste du ansluta LED -strömförsörjningen genom klockans mittskikt och tråd på baksidan av fodralet. Du kommer att vilja att LED -styrenheten sticker ut på baksidan så att du kan ändra ljusmönstret på klockan.

Du måste koppla +5 volt till stegdrivrutinen och +6 till +12 volt till Arduino. Jag försökte utan framgång använda en enda strömförsörjning för detta, men jag skulle förmodligen ha använt ett 2 amp 7 volt system med en effektregulator för steget om jag hade lite mer tid.

Se till att spänningen mellan motorn och växlarna inte är för tät eller för förlorad. Dubbelkolla allt. När alla ledningar är på plats och delarna är säkrade, försiktigt försätt enheten på plats.

Men anslut inte strömförsörjningen ännu. Vi måste programmera tavlan först

Steg 9: Programmera Arduino

Att programmera Arduino var ganska enkelt. Så här fungerar koden:

1. När koden startar initierar den en stegräknare och hämtar tiden från klockmodulen i realtid. Antalet steg för motorn initieras också, tillsammans med några andra variabler om systemet.
2. Tiden konverteras från lokal tid till lokal Sidereal tid. Eftersom jorden kretsar runt solen medan den roterar på sin axel är tiden det tar för stjärnorna att rotera cirka 4 minuter kortare än den tid det tar att rotera till solens (medel) position. Underrutinen Sidereal time i koden ändrades från denna webbplats. Det fanns dock några misstag i koden, så jag uppdaterade för att använda den ungefärliga Sidereal Time -algoritmen som skapats av US Naval Observatory.
3. När huvudslingan börjar beräknar den hur lång tid som har gått (i Sidereal timmar) sedan klockan slogs på. Den tittar sedan på den aktuella stegräknaren och beräknar hur många steg som ska läggas till så att klockans rotation är i linje med den aktuella tiden. Detta antal steg skickas till Arduino för att flytta disken.
4. Om en knapp trycks in i huvudslingan rör sig disken framåt i en snabbare takt. Detta gör att du kan ställa in disken till aktuell tid och datum. Klockan bevarar inte antalet steg efter en strömåterställning, och det finns ingen kodare som indikerar diskens absoluta position. Jag kan lägga till detta i en framtida version av projektet.
5. Efter att ha flyttat klockan somnar systemet under en viss tid och upprepar de två sista stegen.

Jag gjorde ett gäng experiment med steget för att se till att jag visste hur många steg som faktiskt behövdes för en enda rotation. För min stepper var den 512 x 4 med standard Arduino Stepper -biblioteket. I koden ställde jag in varvtalet till 1. Fastän detta är smärtsamt långsamt när du ställer in klockan, tenderade högre hastigheter att ha fler missade steg.

Steg 10: Anslut den och ställ in tiden

När du har laddat upp koden kopplar du in nätaggregaten till Arduino och steget. Anslut allt, inklusive bakgrundsbelysningen. Tänd lampan med fjärrkontrollen.

Allt du behöver göra är att trycka på knappen för att justera tid och datum. Se bara till att den aktuella tiden på den yttre plastreten är i linje med månaden och dagen på den inre akrylplattan. Grattis! Du har en astronomiklocka.

När tiden är inställd bör du få pulser från steget var 8: e sekund för att uppdatera stjärnfältet. Det är en LÅNG 24 timmars rotation, så förvänta dig inte mycket action på detta. Uppenbarligen kan du (och borde!) Avsluta ärendet.

Som jag har sagt är detta en prototyp. Jag är generellt nöjd med hans resultat, men jag skulle justera det lite i nästa version. När jag byggde om det kommer jag förmodligen att använda NEMA-steppare istället för billiga-o-versionerna. Jag tror att hållkraften och tillförlitligheten skulle göra dem enklare att använda. Växeln fungerade bra, men jag känner att jag satte lite för mycket spel i de växlar jag konstruerade. Jag skulle nog också göra det på ett annat sätt.

Slutligen ville jag tacka folket på MTSU Walker Library för deras hjälp med att bygga detta. Jag använde Laser Etcher i deras Maker Space för att göra akryl- och träsnitt och hade många produktiva diskussioner med Ben, Neal och resten av Makerspace -gänget när jag tänkte på klockan.

Andra pris i klocktävlingen