Astronomski sat: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Ubrzo nakon što su u 14. stoljeću izmišljeni prvi mehanički satovi, izumitelji su počeli tražiti načine za predstavljanje kretanja neba. Tako je nastao astronomski sat. Možda najpoznatiji astronomski sat stvoren je u Pragu oko 1410. Umjesto da samo prikaže koliko je sati, on pokazuje i relativni položaj zvijezda dok se Zemlja okreće oko svoje osi i okreće oko Sunca.

U ovom projektu naučit ćete kako stvoriti astronomski sat koji možete imati u svom domu. Prikazuje mapu zvijezda koje su trenutno na nebu - danju ili noću. Karta neba se mijenja kako se Zemlja okreće. Projekt uključuje mehaničke, elektroničke i softverske komponente. Za dovršetak projekta trebat će vam pristup 3D pisaču, laserskom rezaču i nekim alatima za obradu drveta. Takođe sam koristio Python za kreiranje mapa zvezda i dizajn ugrađen u sat. Možda je moj omiljeni dio projekta bila integracija svih ovih tehnologija zajedno.

Ovaj projekat je bio potpuno originalan. Napisao sam softver za pokretanje sata, stvorio dizajn lasera za kućište, pa čak i zupčanike i pogon. Takođe sam napisao softver za izradu rasporeda mape zvezda.

Konačni rezultat činio se vrijednim vremena koje sam potrošio sastavljajući ga.

Korak 1: Prikupljanje dijelova

Za ovaj projekt trebat će vam sljedeće zalihe:

2 - komada akrila 11x14 (debljine 0,093 inča)

1 - 1x6 ploča duga 6 stopa.

1 - Arduino Uno

1 - Modul sata u realnom vremenu

1 - koračni motor 28bjy -48

1 - koračni upravljač - UNL2003

Napajanje 1 - 5 volti

LED traka od 1 do 36 inča

List šperploče 1 - 1/4 inča - 2x4 ft

Metalno vratilo 1 - 8 mm

2 - 608 kuglični ležajevi

1 - komadići crne pjenaste ploče - oko 12 x 12 inča

Ostalo: žica, vijci za drvo (#6 x 1 1/4 inča), vrećica strojnih vijaka 6x32 x 0,75 inča + matice, još jedna vreća strojnih vijaka 4x40 x 0,75, mrlja za drvo (opcionalno)

Takođe će vam biti potrebni sledeći alati:

Pristup 3D štampaču

Pristup laserskom bakrorezu za rezanje 1/4 akrila i drveta

Stolna pila + usmjerivač za stvaranje kućišta sata

Korak 2: Odštampajte zupčanike i plastične dijelove

Za početak ćete morati ispisati zupčanike i plastične dijelove sata. Za sat sam koristio Prusa I3 MK3, Slic3r i PETG. Međutim, gotovo svaka varijacija bi trebala dobro funkcionirati za ovaj projekt. Primarno ograničenje je to što vam je potreban veliki krevet za štampanje za kreiranje držača ploče i opreme sa 72 zuba.

Ovo je kratak opis datoteka koje trebate odštampati:

držač ležaja - držač ležaja drži dva ležaja 608 za podupiranje pogonske osovine. Pričvršćuje se na stražnju stranu srednje ploče sata.

spojnica - Ovaj plastični komad povezuje držač ploče i zupčanik sa 72 zupčanika. Dug je 25 mm, pa je dizajniran za sat s razmakom od 2 inča između prednje ploče i srednje ploče koja drži ležajeve.

držač ploče - držač ploče spaja akrilnu ploču i njenu podlogu s pogonskom osovinom.

držač vratila - Ovo je turpija za prsten promjera 8 mm koji se koristi za držanje vratila na mjestu dok prolazi kroz držač ležaja. Morate odštampati dva od ovih za projekat.

Zupčasti zupčanik (18 zubaca) - Ovo stiskanje zupčastog zupčanika pristaje na vratilo koračnog motora.

Zupčasti zupčanik (72 zuba).- Ovaj zupčanik spaja se s pogonskom osovinom sata i okreće držač ploče i akrilnu ploču.

držač motora - ploča za držanje koračnog motora

Osnovni mehanički dizajn prikazan je na gornjim dijagramima. Prednja ploča je pričvršćena na dio zvjezdane karte koji se okreće (Rete). To je preko vratila spojeno na zupčanik sa 72 zuba. Koračni motor (28BYJ48) pokreće zupčanik sa 18 zuba koji pokreće sat. Sam motor nalazi se na ploči držača motora tako da se može namjestiti na središnjoj ploči sata.

Noseći sistem ležaja koji drži vratilo pričvršćen je vijcima na centralnu ploču unutar sata. Korišteni ležajevi su normalni 608 ležajevi (vanjski promjer 22 mm, unutarnji promjer 8 mm, debljina 7 mm) koji idu s unutarnje i vanjske strane nosača medvjeda. Vratilo se spaja sa zupčanicima i sve je zalijepljeno na vratilo kako bi sve držalo zajedno.

Zupčanici i plastični dijelovi stvoreni su pomoću Fusion 360. Malo sam nov u softveru, ali dodatni alat za generiranje zupčanika bio je jako dobar za sastavljanje ovoga. Shvaćanje načina korištenja softvera za mene je bila jedna od primarnih svrha ovog projekta.

Datoteci dizajna za 3D dijelove možete pristupiti ovdje: Fusion 360 Astronomy Clock

Korak 3: Laserskim izvlačenjem akrilnih dijelova

Akrilni predlošci za Rete (dio sa zvijezdama) i ploču (prednji dio) pričvršćeni su gore. Ova mapa zvijezda postavljena je na geografsku širinu od oko 40 stepeni sjeverno i trebala bi raditi prilično dobro za većinu ljudi. Mape su generirane pomoću softvera koji sam napisao u pythonu.

github.com/jfwallin/star-project

Ne bih preporučio kopanje ako ne volite Python kodiranje i astronomiju. Još nije sve dobro dokumentirano, ali je dostupno ako ga želite koristiti. Mnogo sam vremena proveo radeći na estetskim pitanjima poput veličine zvijezde, fontova, lokacije naljepnica itd. Rezultat je izgledao slično bilo kojoj drugoj planisferi, a zasigurno bi i drugi dizajni planisfere radili za ovaj projekt.

U osnovi postoje dvije kategorije datoteka:

ploča - delovi na kojima je otisnuta mapa zvezda.

rete - delovi na kojima je otisnut prozor kroz koji gledate zvezde.

NE morate ih sve ispisivati, ali mislio sam da bi moglo biti korisno uključiti ih u različite formate.

Nakon što sam proizveo Rete and Plate pomoću python koda, uvezao sam ga u Adobe Illustrator kako bih dodao grafičke elemente potrebne za jetkanje. Okrenuo sam zvjezdanu kartu koja je urezana na stražnjoj strani akrila kako bi pozadinsko osvjetljenje izgledalo ljepše.

Ako nemate pristup laserskom bakrorezu, ploču i Rete možete samo odštampati na papiru i zalijepiti na podlogu od šperploče. Ne bi imao sjajni akrilni izgled, ali bi ipak bio, ali ipak bi bio lijep sat na plaštu koji bi vam svakodnevno prikazivao rotaciju zvijezda. Urezivanje metalnog dizajna dat će satu hladan parni punk izgled.

(Napomena: došlo je do ispravke u predlošku akrilne ploče koja je dodana nakon što su neke slike snimljene.)

Korak 4: Laserskim izvlačenjem drvenih dijelova

Datoteke Adobe Illustrator za dijelove sata od šperploče dodane su gore. Postoje četiri dijela šperploče koje je potrebno laserski rezati. Za izradu ovih dijelova mogli biste jednostavno koristiti CNC stroj, ili čak ondje rezati stolnom pilom i motornom pilom. Samo trebate uskladiti odštampane dijelove sa zadnje ploče i prednje strane sata.

šperploča sa zadnjim satom-Ovo je samo list dimenzija 11x11 inča od 1/8 šperploče koji služi kao stražnji dio sata. Na to sam stavio zvjezdani dizajn, jer je izgledao super.

središnja šperploča sa satom-Ovo je takođe ploča šperploče dimenzija 11x11, ali izrezao sam je od šperploče 3/8 inča. U sredini ima otvor promjera 9 mm za pogonsku osovinu. Koračni motor, pogonsko vratilo i elektronika sata montirani su na ovaj komad.

iverica sa prednjom stranom sata-Ovo je prednji dio sata. Opet, ovo je komad 1/8 dimenzija 11x11 inča u šperploči. Ima kružnu rupu u sredini zajedno s 4 rupe za vijke 6x32 koji pričvršćuju ploču na prednju stranu.

ploča od šperploče sa satom-Ovaj komad šperploče (1/8 inča) omogućuje vam postavljanje ploče od pleksiglasa. Na kraju ćete sendvič staviti komad crne pjenaste ploče između šperploče i akrila. Ovaj komad se također montira na 3D štampani držač ploče.

Korak 5: Sastavite kućište sata

Kutija koja drži sat izrađena je od 1x6 komada drveta dugačkog oko 6 stopa.

Osnovna ideja je napraviti kutiju koja drži drvene komade 11x11 inča u dado utorima. Ja sam dimenzionirao svoju kutiju tako da vanjska dimenzija iznosi 12 inča, a unutrašnja dimenzija 10,5 inča. Svi dijelovi sata moraju imati tri dado utora. Za moju verziju moram da isečem komade drveta dimenzija 12x6x0,75 i dva komada drveta dimenzija 10,5x6x1.

Utori za prednju i stražnju stranu sata nalaze se oko 1/2 inča od prednje i stražnje strane drvenih komada. Za izradu ovih utora koristio sam bit usmjerivača 1/8 na stolu usmjerivača. Nakon što sam provjerio pristajanje šperploče, pomaknuo sam ogradu stola usmjerivača za komadić (oko 1/32 inča u jedinicama Imperial), a zatim je ponovo provukao.

Središnji dado utor koji drži središnju ploču također je izrezan na stolu za usmjeravanje. Budući da sam za ovaj komad koristio 3/8 u šperploči, dodatno sam prilagodio ogradu stola usmjerivača kako bih napravio širu rupu. Imate približno 2 inča prostora između ploče za font i središnje ploče u kutiji, pa prema tome prilagodite tablicu.

Za oba reza, napravio sam nekoliko prolaza za svaku ploču. Nekoliko sam puta pregledao i ploče kako bih se uvjerio da su rezovi čisti.

Dadovi za dvije bočne ploče bili su za cijelu dužinu daske. Međutim, za duže gornje i donje komade, upotrijebio sam dva zaustavna bloka na stolu za glodanje kako bih zabio oštricu u drvo otprilike 1/2 inča od početka i kraja drvenih komada. U osnovi, nisam želio da utori budu vidljivi s vanjske strane kućišta. Svi su utori duboki oko 1/4 za držanje šperploče.

Nakon što izrežete komade, privremeno sastavite kućište i grubo izbrusite svaki rub koji bi mogao stršiti. Također ćete htjeti skinuti oštre rubove sa vanjskih dijelova kućišta sata. Kad ste zadovoljni s kućištem, skinite gornju ploču i provjerite da li ploče od šperploče zaista pristaju u utore koje ste usmjerili. Otkrio sam da moram skinuti 1/8 sa tanjura stolnom pilom kako bih stvari udobno smjestio u kutiju koju sam stvorio.

Budući da je ovo bio prototip, presjekao sam nekoliko uglova pri izradi kućišta u ovom projektu. Koristio sam topolu za sat, ali samo zato što sam u svojoj radnji imao tablu koja je bila dostupna. Ljepše bi izgledalo u višnji ili orahu. Također sam koristio samo jednostavne vijčane spojeve za držanje zajedno s jednostavnom konstrukcijom preklapanja. Vijci će se nalaziti na vrhu i dnu sata, tako da se neće jako primijetiti kada se nalazi na plaštu pored mog kamina. (Također, jesam li spomenuo da je ovo prototip?). U sljedećoj verziji sata bit će korišteni spojevi sa uglovima.

Korak 6: Sastavite mehaničke dijelove za sat

Sklapanje mehaničkih dijelova satova traje nekoliko minuta, ali relativno je ravno.

Spojite zvjezdastu ploču, ploču od šperploče, zupčanik sa 72 zubaca i držač plastične ploče zajedno:

1. Koristeći držač ploče od šperploče kao predložak, izrežite komad ploče od crne pjene iste veličine. Ja sam Exacto nož za stvaranje ovog komada, ali svitak bi mogao djelovati jednako dobro. (Važna napomena: NEMOJTE LASEROM REZATI PJENU JEDRU. Proizvodi otrovne pare.)
2. Držite držač drvene ploče na 3D štampanom nosaču ploče. Izmjerite, a zatim izbušite četiri rupe za vijke kako biste ih poravnali s onima u plastičnom nosaču. Pričvrstite plastični nosač na držač ploče od šperploče pomoću 6x32 1-inčnog vijka i matica. Izrežite male rupe na pjenastoj ploči kako biste smjestili glave vijaka.
3. Spojite akrilnu zvjezdastu ploču, pjenastu ploču s otvorima za vijke u njoj i ploču od šperploče. Postoje četiri rupe na ploči od šperploče i na ploči od akrilne zvijezde. Morat ćete koristiti vijke od 6 x 32 inča za povezivanje ovih dijelova zajedno. Naravno, morat ćete izbušiti rupu kroz jezgru od pjene i kroz građevinski papir na odgovarajućim mjestima.
4. Spojnicu zalijepite na nosač ploče. Dodao sam toleranciju od 0,1 mm između jezičaka i rupa kako bih bio siguran da ovo dobro pristaje.
5. Zalijepite zupčanik sa 72 zubaca na nosač. Ovo će dovršiti montažu ploče sa satom. Koristio sam Gorilla ljepilo za cementiranje zupčanika sa 72 zuba, spojnice i nosača ploča.

Korak 7: Počnite sastavljati kućište za sat

Sastavite prednju ploču: Pričvrstite akrilni rete na prednju ploču sata od šperploče pomoću četiri vijka i matica od 6 inča od 1 inča (ili čak 3/4 inča).

Dodajte LED traku za pozadinsko osvjetljenje: Uzmite LED traku i pričvrstite je između srednje ploče sata i prednje ploče sata. (Možda će vam pomoći da uklonite prednju ploču sata.). Uvjerite se da je traka dobro pričvršćena i da ne ometa rotaciju mehanizma sata ili koračnog motora. Možda ćete htjeti koristiti spajalice ili ljepilo kako biste ih držali na mjestu. Stavite šperploču sa akrilnim udubljenjem u kućište sata. Srednju ploču sa satnim mehanizmom stavite i u kućište sata. Pažljivo provucite žicu za napajanje LED trake kroz srednju ploču. Za to je postavljena rupa na dnu ploče.

Korak 8: Sastavite srednju ploču i ožičite sat

Sada je vrijeme da sastavite srednju ploču sata. To uključuje mehaničku podršku pogonske osi i motora, zajedno s elektronikom ožičenja za projekt.

Nosač ležaja i koračni motor montirajte na srednju ploču: Pričvrstite koračni motor na srednju ploču pomoću dva vijka i matice 6x32. Povucite žicu od stepera do stražnje strane ploče. Uzmite 3D štampani držač ležaja i stisnite dva ležaja 608 u prednji i stražnji dio držača. Možda ćete morati prilagoditi ovaj dio ako je vaš 3D pisač malo isključen, međutim uspio sam se dobro uklopiti koristeći PETG i moj Prusa pisač. Pričvrstite držač na stražnju stranu srednje ploče. Montirajte satne mehanizme na pogonsko vratilo: Gurnite metalnu osovinu od 8 mm kroz zupčanik sa 72 zubaca i kroz plastičnu ploču rupa tako da se naslanja uz držač ploče od šperploče. Drugi kraj metalne osovine od 8 mm postavite kroz središnju ploču i držač ležaja. Postavite središnju ploču u kutiju, pazeći da ima dovoljno prostora da se zvjezdasti kotač okreće iza vijaka koji drže prednji plastični uložak na mjestu. Izmjerite i označite mjesto za rezanje vratila tako da udobno stane u kutiju. Morat ćete imati dovoljno osovine za lijepljenje dva komada brave vratila prije i poslije ležaja. Nakon što izvršite ovo mjerenje, uklonite sklop zupčanika/ploče i izvadite vratilo iz držača ležaja. Izrežite osovinu pomoću pile tako da potpuno stane u kućište, ali također ima sekundu od 0,5 do 1 cm koja strši sa stražnje strane držača ležaja. Nakon što je osovina odrezana na odgovarajuću dužinu, ponovo postavite ploču/zupčanik sa 72 zupca na ploču i zalijepite je na mjesto. Dodajte bravu vratila odmah iza sklopa, a zatim provucite vratilo kroz držač ležaja. Nakon što ste ponovno potvrdili pristajanje, zalijepite bravu vratila na vratilo. Zalijepite drugu bravu vratila na vratilo iza držača ležaja.

Redoslijed mehanizma sata bit će sljedeći:

1. akrilna ploča
2. ploča od jezgre pjene
3. držač ploča od šperploče
4. 3D štampani držač za ploču
5. spojnica
6. Zupčanik sa 72 zuba
7. brava vratila
8. ležaj središnje potporne ploče + držač ležaja + brava osovine ležaja
9. brava vratila

Kao posljednji korak, pritisnite 18-zubni zupčanik na step motoru. Podesite i zategnite koračni motor tako da se zupčanici sa 72 i 18 zubaca spoje zajedno i nesmetano kreću. Pritegnite vijke koračnog motora na mjesto.

Ožičite elektroniku:

Shema ožičenja sata relativno je jednostavna. Morate spojiti modul sata u stvarnom vremenu na pinove SDA i SCL, zajedno s +5 volti i masom na Arduinu. Također morate spojiti pinove IN1 kroz IN4 na upravljačkom programu koraka UNL2003A na pinove 8 do 11 na Arduinu, zajedno sa uzemljenjem. Prekidač i otpornik od 1 k Ohma moraju biti povezani između uzemljenja i pina 7 Arduina. Konačno, potrebno je napajanje priključiti na ploču UNL 2003A i na Arduino iz izvora napajanja od 5 volti.

Evo detaljnijeg skupa opisa:

1. Lemite žicu sa jedne strane dugmeta. Pričvrstite ovo na pin 7 na Arduinu.
2. Lemite 1k otpornik s druge strane pritisne tipke tako da je tipka za unos uzemljena kada se ne pritisne.. S druge strane tipke, vežite je na +5 volti..
3. Spojite četiri žice između pinova 8, 9, 10 i 11 na UNL 2003A pinove IN1, IN2, IN3 i IN4.
4. Spojite SCL i SDA točke na modulu sata u stvarnom vremenu s ispravnim pinovima na Arduinu.
5. Spojite uzemljenje Arduina na Modul sata u stvarnom vremenu i na ploče UNL 2003A.
6. Napravite razdjelnik za napajanje od 5 volti (2 ampera bi trebala biti dovoljna) i spojite ga na Arduino i UNL 2003A ploču.
7. Na kraju, morate priključiti LED napajanje kroz srednji sloj sata i navoj na stražnju stranu kućišta. Želite da LED kontroler strši straga kako biste mogli promijeniti raspored osvjetljenja na satu.

Morat ćete priključiti +5 volti na stepper driver i +6 do +12 volta na Arduino. Bezuspješno sam pokušavao upotrijebiti jedno napajanje za ovo, ali vjerovatno bih za stepper koristio sistem od 2 amp 7 volti sa regulatorom snage da imam malo više vremena.

Pazite da napetost između motora i zupčanika nije previše čvrsta niti previše izgubljena. Proverite još jednom sve. Kad su sve žice postavljene i dijelovi osigurani, pažljivo gurnite sklop na mjesto.

Međutim - nemojte još spajati napajanje. Moramo prvo programirati ploču

Korak 9: Programirajte Arduino

Programiranje Arduina bilo je prilično jednostavno. Ovako kod funkcionira:

1. Kada se kôd pokrene, on inicijalizira brojač koraka i hvata vrijeme iz modula sata u stvarnom vremenu. Broj koraka za motor se također inicijalizira, zajedno s nekoliko drugih varijabli o sistemu.
2. Vrijeme se pretvara iz lokalnog u lokalno vrijeme. Budući da se Zemlja okreće oko Sunca dok se rotira oko svoje osi, vrijeme potrebno za rotaciju zvijezda je oko 4 minute kraće od vremena koje je potrebno za rotiranje do Sunčevog (srednjeg) položaja. Potprogram Sidereal vremena u kodu izmijenjen je s ove web stranice. Međutim, bilo je nekoliko grešaka u kodu, pa sam ažurirao kako bih upotrijebio potpuni približni algoritam Sidereal Time koji je izradio US Naval Observatory.
3. Kada glavna petlja započne, izračunava koliko je vremena prošlo (u Sidereal satima) od uključivanja sata. Zatim gleda trenutni brojač koraka i izračunava koliko koraka treba dodati kako bi rotacija sata bila usklađena s trenutnim vremenom. Ovaj broj koraka šalje se Arduinu za premještanje diska.
4. Ako se dugme pritisne u glavnoj petlji, disk će se kretati brže brže. Ovo vam omogućava da postavite disk na trenutno vrijeme i datum. Sat ne čuva broj koraka nakon resetovanja napajanja i nema kodera koji bi označio apsolutni položaj diska. Ovo mogu dodati u budućoj verziji projekta.
5. Nakon pomicanja sata, sistem prelazi u stanje mirovanja neko vrijeme i ponavlja posljednja dva koraka.

Napravio sam gomilu eksperimenata sa steperom kako bih se uvjerio da znam koliko je koraka ZAISTA potrebno za jednu rotaciju. Za moj steper to je bilo 512 x 4 sa standardnom Arduino Stepper bibliotekom. U kodu sam postavio broj okretaja na 1. Iako je ovo bolno sporo pri postavljanju sata, veće brzine imaju tendenciju da imaju više propuštenih koraka.

Korak 10: Uključite ga i postavite vrijeme

Nakon što učitate kôd, spojite napajanje na Arduino i steper. Uključite sve, uključujući pozadinsko svjetlo. Uključite svjetlo pomoću daljinskog upravljača.

Sada sve što trebate je pritisnuti dugme za usklađivanje vremena i datuma. Samo pazite da je trenutno vrijeme na vanjskoj plastičnoj posudi usklađeno s mjesecom i danom na unutrašnjoj akrilnoj ploči. Čestitamo! Imate astronomski sat.

Nakon što je vrijeme postavljeno, trebali biste primati impulse sa stepera svakih 8 sekundi da biste ažurirali zvjezdano polje. To je SLOKA 24 -satna rotacija, tako da ne očekujte puno radnji po ovom pitanju. Očigledno, možete (i trebali biste!) Završiti slučaj.

Kao što sam rekao, ovo je prototip. Općenito sam zadovoljan njegovim rezultatima, ali bih to malo prilagodio u sljedećoj verziji. Kad ga obnovim, vjerovatno ću koristiti NEMA stepere umjesto jeftino-o verzija. Mislim da bi ih moć držanja i pouzdanost učinili lakšima za upotrebu. Mjenjač je dobro funkcionirao, ali osjećam da sam stavio previše igre u zupčanike koje sam dizajnirao. Vjerovatno bih i ja to uradio drugačije.

Na kraju, htio sam se zahvaliti ljudima iz biblioteke MTSU Walker na pomoći u izgradnji ovoga. Koristio sam Laserski Etcher u njihovom Maker Space -u za izradu akrilnih i drvenih dijelova i imao sam mnogo produktivnih razgovora s Benom, Nealom i ostatkom Makerspace bande razmišljajući o satu.

Druga nagrada na takmičenju Satovi