Planetarni mjenjač: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

(Stari) mehanički satovi nevjerojatno su zanimljivi i ugodni za gledanje, ali ih je, nažalost, gotovo nemoguće izgraditi. Mehaničkim satovima nedostaje i nemar prema preciznoj digitalnoj tehnologiji koja je danas dostupna. Ovaj Instructable vam pokazuje način da spojite najbolje iz oba svijeta; vozeći mehaničke kazaljke na satu kroz planetarni mjenjač sa koračnim motorom i Arduinom!

Supplies

Opšte komponente:

• Drvo i akrilni lim debljine 5 mm
• M5 vijci (upušteni), podloške i matice
• Odstupanja od PCB -a
• M3 vijci za koračni motor

Električne komponente:

• Stepper driver (koristio sam L293d)
• Bilo koja vrsta Arduina
• Sat u realnom vremenu (koristio sam DS3231)
• Hall -ov senzor (koristio sam A3144)
• Neodijumski magnet od 5 mm
• Dugmad za unos korisnika
• 10K otpornik
• 100uf 25V kondenzator
• DC utičnica
• 5V 2A DC napajanje
• Baterija za RTC (cr2032 u mom slučaju)

Mehaničke komponente:

• Bilo koji tip koračnog motora od 1,8 stepeni/koraka sa osovinom 5 mm
• GT2 400mm razvodni remen
• GT2 60 -zubni remenica sa osovinom od 5 mm
• GT2 20 -zubni remenica osovine 5 mm
• Ležaj 5x16x5 mm (3x)
• Prirubnički ležaj 5x16x5 mm (2x)
• M5x50 navojna šipka

Korak 1: Dizajniranje i izrada zupčanika

Jedan od ciljeva ovog projekta bio je imati jedan motor koji pokreće cijeli sat, sličan pravom mehaničkom satu gdje jedan mehanizam za bijeg pokreće cijeli sat. Minutna kazaljka međutim mora napraviti 12 rotacija u vremenu kada kazaljka na satu napravi 1 rotaciju. To znači da je redukcijski mjenjač 1:12 potreban za pogon obje ruke jednim motorom. Odlučio sam to učiniti s planetarnim mjenjačem, priloženi video lijepo objašnjava kako ova vrsta mjenjača funkcionira.

Sljedeći korak za mene je bio utvrđivanje broja zuba za različite zupčanike kako bi se stvorio omjer 1:12. Ova web stranica bila je od velike pomoći i sadrži sve potrebne formule. Priključio sam zupčanik za sunce na kazaljku minuta, a nosač planete na kazaljku sata, ostavljajući prsten zupčanika nepomičan. Hajdemo malo računati!

• S = broj zuba na sunčanom zupčaniku
• R = broj zubaca na zupčaniku
• P = broj zubaca na planetarnom zupčaniku

Prijenosni odnos (i) određuje se prema:

i = S/R+S

Imajte na umu da broj zubaca na planetarnom zupčaniku u ovom slučaju nije bitan za prijenosni omjer, međutim moramo poštovati opće ograničenje:

P = (R - S)/2

Nakon neke zagonetke završio sam koristeći sljedeće brojeve: S = 10; R = 110; P = 50; Čini se da su na rubu mogućeg budući da postoji vrlo mali razmak između planetarnih zupčanika, ali radi!

Zupčanike možete crtati u svom omiljenom CAD programu, većina njih ima posebne dodatke za opremu. Takođe možete samo koristiti datoteke priložene ovom uputstvu. naravno. Imajte na umu da svi zupčanici, iako se razlikuju po veličini, imaju isti razmak zuba.

Mislio sam da bi bilo sjajno napraviti ove zupčanike od aluminija od 5 mm i kontaktirao sam lokalnu trgovinu vodenim mlazom ako bi mi mogli izrezati ove zupčanike. Obično nikada ne biste radili zupčanike s rezačima za vodu, ali to su zupčanici vrlo niskih performansi. Iznenađujuće su se složili da pokušaju, ali ovaj plan je užasno propao. Dijelovi su jednostavno bili premali za vodeni mlaz i počeli su se kretati dok je rezao.

Ovo nazadovanje značilo je da je vrijeme za plan B, pa sam kupio akrilni dim od 5 mm i pronašao mjesto s laserskim rezačem, koji nije imao problema s rezanjem zupčanika. Ako nemate na raspolaganju laserski rezač, vjerovatno možete koristiti i 3D štampač za ove zupčanike, uključio sam STL datoteke (prsten će možda trebati podijeliti na 3 dijela).

Nakon rezanja utisnem ugrađene ležajeve u planetarne zupčanike. Da bih dobro pristao, napravio sam probni komad akrila sa nekoliko rupa od kojih je svaka imala nešto veći promjer (koraci 0,05 mm). Nakon što sam pronašao postavku s ispravnim uklapanjem, promijenio sam veličinu rupe u planetarnim zupčanicima na ovu postavku. To se razlikuje od materijala i vrste stroja, pa to uvijek morate učiniti sami.

Korak 2: Montaža prijenosnog sistema

Za sastavljanje zupčanika potreban je okvir sata. Ovo je dio gdje možete pustiti svoju kreativnost da podivlja jer je oblik okvira relativno nevažan sve dok su sve rupe za vijke na pravom mjestu. I Odlučio sam napraviti mnogo rupa na ploči za biranje i stražnjoj ploči kako bih naglasio mehanizam zupčanika. Ovo je i razlog zašto su planetarni nosači i minutna kazaljka nekako prozirni, ali i izgleda super!

Ponovo sam upotrijebio laserski rezač za izradu ovih dijelova, a budući da su akrilni dijelovi bili debljine 5 mm, napravio sam i drvene dijelove debljine 5 mm. Sve rupe na ploči za biranje i nosaču planete bile su upuštene kako bi se uklopili odgovarajući vijci.

Centralna osovina sata radi u dva ležaja unutar nosača planeta. Budući da sam ovu osovinu napravio od 5 mm poluge, ona se jako čvrsto uklapa u ležajeve i više nisam mogao rastaviti ove komponente. Bilo bi puno lakše samo upotrijebiti komad konca M5 jer također ne biste morali više rezati vlastiti konac (samo da sam to unaprijed shvatio …..). Kako bi spriječio okretanje sunčanog zupčanika oko osovine, on ima rupu u obliku slova D, pa je potrebno i osovinu utisnuti u ovaj oblik slova D. Kad sunčani zupčanik stane oko osovine, možete sastaviti osovinu, ne zaboravite nosače planeta ako koristite ležajeve sa prirubnicom! Upute za sastavljanje potražite u eksplodiranom prikazu.

Kada je centralna osovina montirana, vrijeme je za planetarne zupčanike. Njima su također potrebne male podloške, baš kao i središnja osovina, kako bi bili sigurni da zupčanici rade glatko. Nakon što je sve montirano na nosače planeta, provjerite rade li planetarni i sunčevi zupčanici glatko.

Centralni dio se sada može montirati u okvir sata. Ovo je dosadan posao, ali guranje vijaka kroz prednju ploču i njihovo lijepljenje na mjestu puno pomaže. Također može biti korisno podići prednju ploču kako biste stvorili prostor za minutu. Fotografije pokazuju da sam stavio šest malih papira između prstena zupčanika i zadnje ploče kako bih dao malo slobodnog prostora za zupčanike. Prilikom umetanja nosača planete, pazite da brojčanici budu usmjereni na razumnu lokaciju (ako kazaljka minute minute pokazuje na 12, kazaljka sata ne bi trebala biti između dva sata na primjer)

Korak 3: Povezivanje stepera i senzora

Sada kada imamo mehanizam zupčanika koji pravilno pokreće ruke, još uvijek moramo pravilno upravljati mehanizmom zupčanika. Mogli su se koristiti različiti tipovi elektromotora, odabrao sam koračni motor jer može izvesti precizne pokrete bez stalnih kutnih senzora povratne sprege. Koračni motor također može proizvesti pravi zvuk "Klika", što je odlično za polumehanički sat!

Uobičajeni koračni motor može napraviti 200 koraka po okretu, što znači 200 koraka na sat ako ga spojimo na kazaljku minute. To bi značilo interval od 18 sekundi po koraku, koji još ne zvuči kao sat koji otkucava. Stoga sam koristio prijenos 1: 3 između koračnog motora i kazaljki za minute pa koračni motor mora napraviti 600 koraka na sat. Korištenjem načina rada u pola koraka to se može povećati na 1200 koraka na sat, što je jednako jednom koraku u 3 sekunde. Zvuči bolje!

Jedan problem sa koračnim motorima je taj što nikad ne znate gdje se nalaze kada uključite svoj Arduino. To je razlog zašto svi 3D štampači imaju krajnje graničnike, tako da možete premjestiti vaš pisač u poznati položaj, a zatim nastaviti s te tačke. Ovo je također potrebno za sat, samo krajnje zaustavljanje neće raditi jer bi sat trebao neprestano rotirati. Da bih realizirao ovo mjerenje položaja, upotrijebio sam senzor Hall-efekta A3144 koji osjeća magnet (provjerite polaritet!….) Pričvršćen na nosač planete. Ovo se koristi za pomicanje ruku u određeni položaj pri pokretanju, nakon čega se mogu pomaknuti na potrebno vrijeme.

Montaža je vrlo jednostavna; Pričvrstite koračni motor na stražnju ploču, ostavljajući vijke blago olabavljenim. Zatim možete montirati malu remenicu na osovinu koračnog motora i provjeriti radi li razvodni remen ravno. Sada možete gurnuti koračni motor za podešavanje zategnutosti razvodnog remena. Razvodnom remenu je potrebno malo igre kako biste bili sigurni da ne opterećujete zupčanike. Poigrajte se ovom postavkom dok ne budete zadovoljni, a zatim potpuno zategnite vijke koračnog motora.

Senzor Hall-efekta je zalijepljen na mjestu. Najbolje je prvo lemiti tri žice na senzor, pazeći da se toplinsko skupljanje stavi oko svake nožice senzora kako se ne bi mogli međusobno spojiti. Nakon lemljenja senzor se može zalijepiti na mjesto. Nije važno koja je strana gore, sve dok još niste pričvrstili magnet. Nakon što ste zalijepili senzor na mjesto, spojite ga na Arduino ili mali LED krug da biste provjerili radi li. (NAPOMENA: senzor Hall efekta radi samo ako linije magnetskog polja idu u ispravnom smjeru). Pomoću ovog ispitnog kruga provjerite kako magnet treba biti zalijepljen. Nakon što ste potpuno sigurni koja strana vašeg magneta bi trebala biti okrenuta prema senzoru, zalijepite magnet na mjesto.

Korak 4: Elektronika zbog koje sat otkucava

Mogli biste koristiti vrlo jednostavan Arduino kod koji pravi pola koraka s motorom, a zatim odlaže 3000 milisekundi do sljedećeg koraka. Ovo bi funkcioniralo, ali nije baš precizno jer unutarnji Arduino sat nije ultra precizan. Drugo, Arduino bi zaboravio vrijeme svaki put kad izgubi snagu.

Stoga je za praćenje vremena najbolje koristiti sat u stvarnom vremenu. Ove stvari su posebno dizajnirani čipovi s rezervnom baterijom koji precizno prate vrijeme. Za ovaj projekt odabrao sam DS3231 RTC koji može komunicirati s Arduinom putem i2c, olakšavajući ožičenje. Nakon što ispravno postavite vrijeme na njegovom čipu, nikada neće zaboraviti koliko je sati (sve dok je bateriji cr2032 ostalo malo soka). Sve detalje o ovom modulu potražite na ovoj web stranici.

Vožnja koračnim motorom vrši se pomoću upravljačkog programa motora L293d. Neki napredniji upravljački programi koračnih motora koriste PWM signal za mikrokorake i ograničenje struje. Ovaj PWM signal može izazvati dosadnu zvučnu buku koju svaki proizvođač poznaje (posebno ako posjedujete 3D štampač). Budući da bi ovaj sat trebao postati dio vašeg interijera, neugodni zvukovi nisu poželjni. Stoga sam odlučio upotrijebiti niskotehnološki upravljački program motora l293d kako bih se uvjerio da mi je sat tih (osim koraka svake 3 sekunde, ali to je zapravo ugodno!). Detaljan opis čipa l293d potražite na ovoj web stranici. Imajte na umu da svoj koračni motor pokrećem na 5 V što smanjuje potrošnju energije i temperaturu koračnog motora.

Kao što je ranije spomenuto, ja koristim Hall-ov senzor za otkrivanje magneta zalijepljenog za nosač planete. Princip rada senzora je vrlo jednostavan, mijenja stanje kada je magnet dovoljno blizu. Na ovaj način vaš Arduino može otkriti digitalno visoko ili nisko i stoga otkriti je li magnet blizu. Posjetite ovu web stranicu koja prikazuje kako spojiti senzor i prikazuje jednostavan kod koji se koristi za otkrivanje magneta.

Na kraju, ali ne i najmanje važno, dodao sam 4 dugmeta za korisnički unos na PCB. Koriste Arduino unutrašnje pull-up otpornike za pojednostavljenje ožičenja. Moj PCB također ima zaglavlja u Uno konfiguraciji pa bih mogao dodati Arduino štitove za moguća proširenja (do sada to nisam učinio).

Prvo sam testirao sve na svojoj ploči, a zatim sam dizajnirao i naručio prilagođenu PCB ploču za ovaj projekt, jer izgleda sjajno! Možete i montirati PCB na stražnju stranu sata ako ga ne želite gledati.

Gerber datoteke za PCB mogu se preuzeti sa mog pogona, Instructables mi iz nekog razloga ne dopušta da ih učitam. Koristite ovu vezu na moj google disk.

Korak 5: Programiranje Arduina

Osnovni kod za Arduino je zapravo vrlo jednostavan. Priložio sam shemu koja prikazuje što se događa unutar Arduina i kako se Arduino povezuje s drugim uređajima. Koristio sam nekoliko biblioteka da pojednostavim kodiranje.

• Accelstepper -> upravlja koračnim redoslijedom koračnog motora, omogućava vam davanje intuitivnih naredbi poput: Stepper.runSpeed () ili Stepper.move () koje vam omogućuju kretanje određenom brzinom ili do određene pozicije.
• Žica -> ovo je potrebno za i2c komunikaciju, čak i kada se koristi RTClib
• RTClib -> upravlja komunikacijom između Arduina i RTC -a, omogućava vam davanje intuitivnih naredbi poput rtc.now () koje vraća trenutno vrijeme.
• OneButton -> Rukuje unosom gumba, detektira pritiske i zatim pokreće unaprijed navedenu prazninu kako bi nešto učinio. Može otkriti pojedinačne, dvostruke ili duge pritiske.

Prilikom pisanja koda za sat vrlo je važno izbjeći da se varijable stalno povećavaju. Budući da će Arduino kôd raditi 24 sata dnevno, ove varijable će brzo postajati sve veće i na kraju će uzrokovati prelijevanje. Na primjer, koračnom motoru se nikada ne naređuje da ide u određeni položaj, jer bi se taj položaj s vremenom samo povećavao. Umjesto toga, koračnom motoru se naređuje da pomakne određeni broj koraka u određenom smjeru. Na ovaj način ne postoji varijabla položaja koja se vremenom povećava.

Prilikom prvog povezivanja RTC -a potrebno je postaviti vrijeme čipa, postoji komad koda koji možete ukloniti komentar koji postavlja RTC vrijeme jednako vašem računarskom vremenu (vrijeme u trenutku sastavljanja koda). Imajte na umu da će se, kad ovo ostavite bez komentara, vrijeme RTC -a vratiti na vrijeme u koje ste sastavili kôd svaki put. Dakle, komentirajte ovo, pokrenite ga jednom pa ga ponovo komentirajte.

Priložio sam svoj kôd ovom uputstvu, detaljno sam ga prokomentarisao. Možete ga prenijeti bez promjena ili provjeriti i vidjeti što mislite!

Korak 6: Prvi put uživajte u zvuku otkucaja sata

Nakon povezivanja sve elektronike i učitavanja koda, ovo je rezultat!

Osnovni dizajn ovog sata je vrlo jednostavan i može se izraditi u mnogo različitih oblika i veličina. Budući da se na brodu nalazi Arduino, možete jednostavno dodati i dodatne funkcije. Postavljanje alarma, neka vam sat uključi aparat za kavu u određeno vrijeme, internetska povezanost, kul demo režimi koji ističu mehaničko kretanje kako biste drugima prikazali svoj dizajn i još mnogo toga!

Kao što ste mogli primijetiti u ovom uputstvu, morao sam odvojiti sat radi pisanja ovog uputstva. Iako nažalost za ovaj Instructable, barem mogu jamčiti da će dizajn dugoročno izgledati vrlo dobro, budući da je ovaj sat bez problema otkucavao više od 3 godine u mojoj dnevnoj sobi!

Javite mi u komentarima ako vam se svidio ovaj Instructable, ovo je prvi put da ga pišem. Također, ako imate bilo kakvih savjeta ili pitanja, samo mi pošaljite poruku. I nadam se da sam inspirirao nekoga da jednog dana napravi i polumehanički sat!

Prva nagrada na takmičenju Satovi