Астрономические часы: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Вскоре после изобретения первых механических часов в 14 веке изобретатели начали искать способы представить движение небес. Так были созданы астрономические часы. Возможно, самые известные астрономические часы были созданы в Праге примерно в 1410 году. Вместо того, чтобы просто показывать время, они также показывают относительное положение звезд, когда Земля вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца.

В этом проекте вы узнаете, как создать астрономические часы, которые могут быть у вас дома. Он отображает карту звезд, которые в данный момент находятся на небе - днем или ночью. Карта звездного неба меняется по мере вращения Земли. В проекте задействованы механические, электронные и программные компоненты. Для завершения проекта вам понадобится доступ к 3D-принтеру, лазерному резаку и некоторым инструментам для обработки дерева. Я также использовал Python для создания звездных карт и дизайна часов. Возможно, моей любимой частью проекта была интеграция всех этих технологий вместе.

Этот проект был полностью оригинальным. Я написал программное обеспечение для работы часов, создал лазерный дизайн корпуса и даже построил шестерни и трансмиссию. Я также написал программу для создания карты звездного неба.

Окончательный результат стоил того времени, которое я потратил на его создание.

Шаг 1: Сбор деталей

Для этого проекта вам потребуются следующие материалы:

2 - кусочки акрила 11x14 (толщиной 0,093 дюйма)

1 - доска 1x6 длиной 6 футов.

1 - Arduino Uno

1 - Модуль часов реального времени

1 - шаговый двигатель 28bjy-48

1 - шаговый драйвер - UNL2003

Источник питания 1-5 вольт

1 - 36-дюймовая светодиодная лента

1-1 / 4-дюймовый фанерный лист - 2x4 фута

Металлический вал 1-8 мм

2-608 шарикоподшипников

1 - куски черного пенопласта - около 12 х 12 дюймов

Разное: проволока, шурупы (# 6 x 1 1/4 дюйма), пакет с крепежными винтами 6 x 32 x 0,75 дюйма + гайки, еще один пакет с саморезами 4 x 40 x 0,75, морилка (по желанию).

Также вам понадобятся следующие инструменты:

Доступ к 3d-принтеру

Доступ к лазерному граверу, способному резать 1/4 акрила и дерева

Настольная пила + фрезерный станок для создания корпуса для часов

Шаг 2. Распечатайте шестерни и пластиковые детали

Для начала вам нужно будет распечатать шестеренки и пластмассовые детали для часов. Я использовал Prusa I3 MK3, Slic3r и PETG для своих часов. Однако для этого проекта подойдет практически любой вариант. Основное ограничение заключается в том, что вам понадобится большая платформа для печати для изготовления держателя пластины и 72-зубной шестерни.

Это краткое описание файлов, которые необходимо распечатать:

Держатель подшипника - Держатель подшипника удерживает два подшипника 608 для поддержки приводного вала. Он крепится болтами к задней части средней пластины в часах.

Муфта - эта пластиковая деталь соединяет держатель пластины и прямозубую шестерню с 72 зубьями. Его длина составляет 25 мм, поэтому он предназначен для часов с двухдюймовым зазором между передней пластиной и средней пластиной, на которой установлены подшипники.

Держатель пластины - Держатель пластины соединяет акриловую пластину и ее основу с приводным валом.

Держатель вала - это файл для кольца диаметром 8 мм, которое используется для удержания вала на месте при его прохождении через держатель подшипника. Вам нужно распечатать два из них для проекта.

Цилиндрическая шестерня (18 зубьев) - эта прямозубая шестерня устанавливается на вал шагового двигателя.

Цилиндрическая шестерня (72 зуба).- Эта шестерня соединяется с приводным валом часов и поворачивает держатель пластины и акриловую пластину.

держатель мотора - пластина для удержания шагового мотора

Базовая механическая конструкция показана на схемах выше. Передняя пластина прикреплена к вращающейся части звездной карты (Ретэ). Он через вал соединен с 72-зубчатой шестерней. Шаговый двигатель (28BYJ48) приводит в действие 18-зубчатую шестерню, приводящую в движение часы. Сам двигатель находится в пластине держателя двигателя, поэтому его можно регулировать на центральной пластине часов.

Подшипниковая опорная система, удерживающая вал, привинчена к центральной пластине внутри часов. Используемые подшипники представляют собой обычные подшипники 608 (внешний диаметр 22 мм, внутренний диаметр 8 мм, толщина 7 мм), которые устанавливаются внутри и снаружи опорной детали подшипника. Вал соединяется с шестернями, и все наклеивается на вал, чтобы скрепить все вместе.

Шестерни и пластмассовые детали были созданы с помощью Fusion 360. Я немного новичок в этом программном обеспечении, но дополнительный инструмент для генерации шестерен действительно хорошо справился с этим. Разобраться в том, как использовать программное обеспечение, было для меня одной из основных целей этого проекта.

Вы можете получить доступ к файлу дизайна для 3D-деталей здесь: Fusion 360 Astronomy Clock

Шаг 3. Лазерное травление акриловых деталей

Акриловые шаблоны для Rete (часть со звездами) и Plate (передняя часть) прикреплены выше. Эта звездная карта была установлена на широту около 40 градусов северной широты и должна хорошо подойти для большинства людей. Сами карты были созданы с помощью программного обеспечения, которое я написал на Python.

github.com/jfwallin/star-project

Я бы не рекомендовал копаться, если вам не нравится программирование на Python и астрономия. Это еще не так хорошо документировано, но оно доступно, если вы хотите его использовать. Я потратил много времени, работая над эстетическими проблемами, такими как размер звезды, шрифты, расположение меток и т. Д. Результат казался похожим на любой другой планисфер, и, конечно, другие дизайны планисферы подойдут для этого проекта.

В основном есть две категории файлов:

пластина - части, на которых напечатана карта звездного неба.

rete - части, на которых напечатано окно, через которое вы просматриваете звезды.

Вам НЕ нужно распечатывать их все, но я подумал, что было бы полезно включить их в различных форматах.

После того, как я создал сгенерированные Rete и Plate с использованием кода Python, я импортировал его в Adobe Illustrator, чтобы добавить графические элементы, необходимые для травления. Я перевернул звездную карту, она выгравирована на обратной стороне акрила, чтобы заднее освещение выглядело немного лучше.

Если у вас нет доступа к лазерному граверу, вы можете просто распечатать Plate и Rete на бумаге, а затем приклеить их к фанерной основе. У них не было бы сияющего акрилового вида, но они все равно были бы хорошими часами на мантии, чтобы показывать вам вращение звезд каждый день. Гравировка на металлическом дизайне придала бы часам крутой вид в стиле паровой панк.

(Примечание: в шаблон акриловой пластины было внесено исправление, которое было добавлено после того, как была сделана часть снимка.)

Шаг 4: лазерное травление деревянных деталей

Файлы Adobe Illustrator для фанерных деталей для часов прилагаются выше. Есть четыре части фанеры, которые нужно вырезать лазером. Вы можете легко использовать станок с ЧПУ для изготовления этих деталей или даже просто вырезать их настольной пилой и спиральной пилой. Вам просто нужно совместить напечатанные детали с последней ступеньки и передней части часов.

Фанера с задней крышкой для часов - это всего лишь лист фанеры толщиной 1/8 дюйма размером 11x11 дюймов, который служит задней частью часов. Я поставил на нее звездный дизайн, потому что это выглядело круто.

Фанера с часовым центром - это тоже лист фанеры 11x11 дюймов, но я вырезал его из фанеры 3/8 дюйма. В центре имеется отверстие диаметром 9 мм для приводного вала. На этой детали смонтированы шаговый двигатель, карданный вал и электроника для часов.

часы-фасад-фанера - это передняя часть часов. Опять же, это кусок фанеры размером 11x11 дюймов 1/8 дюйма. Он имеет круглое отверстие в центре и 4 отверстия для винтов 6x32, которые прикрепляют пластину к передней части.

часы-пластина-фанера - этот кусок фанеры (1/8 дюйма) позволяет установить пластину из оргстекла. В конечном итоге вы вставите кусок черной пенопластовой плиты между фанерой и акрилом. Эта деталь также устанавливается на держатель для тарелок с 3D-печатью.

Шаг 5: соберите корпус часов

Коробка, в которой хранятся часы, сделана из куска дерева размером 1х6 и длиной около 6 футов.

Основная идея состоит в том, чтобы сделать коробку, в которой деревянные куски размером 11x11 дюймов будут вставлены в пазы для дадо. Я рассчитал размер своей коробки так, чтобы внешний размер составлял 12 дюймов, а внутренний - 10,5 дюймов. Все части часов должны иметь три углубления для дадо. Для моей версии у меня есть куски дерева размером 12x6x0,75 и два куска дерева размером 10,5x6x1.

Пазы для передней и задней части часов расположены примерно на 1/2 дюйма от передней и задней части деревянных деталей. Я использовал фрезу 1/8 на столе маршрутизатора, чтобы сделать эти слоты. После проверки посадки с фанерой я немного сместил ограждение стола фрезерного станка (около 1/32 дюйма в английских единицах), а затем снова пропустил его.

Центральная канавка дадо, которая удерживает центральную пластину, также была вырезана на столе фрезерного станка. Поскольку для этой детали я использовал фанеру 3/8, я дополнительно отрегулировал ограждение стола фрезерного станка, чтобы сделать более широкое отверстие. У вас есть около 2 дюймов зазора между пластиной для шрифтов и центральной пластиной в коробке, поэтому отрегулируйте таблицу соответствующим образом.

Для обоих разрезов я сделал пару проходов для каждой доски. Я также несколько раз прогнал доски, чтобы убедиться, что пропилы чистые.

Дадо для двух боковых досок были на всю длину доски. Однако для более длинных верхней и нижней частей я использовал два стопорных блока на столе фрезерного станка, чтобы вонзить лезвие в древесину примерно на 1/2 дюйма от начала и конца деревянных частей. В принципе, я не хотел, чтобы бороздки были видны снаружи корпуса. Все канавки примерно на 1/4 глубины, чтобы удерживать фанеру.

После того, как вы разрежете детали, временно соберите корпус и грубо отшлифуйте все выступающие края. Вы также захотите удалить любые острые края с внешних частей корпуса часов. Когда вы будете довольны корпусом, снимите верхнюю панель и убедитесь, что фанерные пластины действительно входят в прорезанные вами канавки. Я обнаружил, что мне нужно снять 1/8 тарелки с помощью настольной пилы, чтобы все было удобно в созданной мной коробке.

Поскольку это был прототип, я сделал несколько углов при создании корпуса в этом проекте. Я использовал тополь для своих часов, но только потому, что в моем магазине была легко доступна доска. Красивее будет смотреться в вишне или орехе. Я также использовал простые винтовые соединения, чтобы удерживать их вместе с простой конструкцией внахлест. Винты будут сверху и снизу часов, поэтому они не будут очень заметны, когда они будут на мантии у моего камина. (Кроме того, я упоминал, что это прототип?). В следующей версии часов будут использоваться косые стыки.

Шаг 6: соберите механические детали для часов

Сборка механических частей часов занимает несколько минут, но это относительно просто.

Соедините звездообразную пластину, фанерную пластину, прямозубую шестерню с 72 зубьями и держатель пластиковой пластины:

1. Используя держатель для фанерных пластин в качестве шаблона, вырежьте кусок черного пенопласта такого же размера. Я использую нож Exacto для создания этого предмета, но пила для прокрутки также может работать. (Важное примечание: НЕ ВЫРЕЗЫВАЙТЕ ПЕНУ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ. При этом выделяются токсичные пары.)
2. Отцентрируйте держатель для деревянных тарелок на держателе для тарелок, напечатанном на 3D-принтере. Отмерьте и просверлите четыре отверстия под винты, чтобы совместить их с отверстиями в пластиковом держателе. Прикрепите пластиковый держатель к держателю фанерной пластины с помощью 1-дюймового болта 6x32 и гаек. Вырежьте в пенопласте небольшие отверстия для головок болтов.
3. Сложите вместе акриловую звездчатую пластину, пенопласт с отверстиями для шурупов и фанерную пластину. В фанерной пластине и в акриловой звездообразной пластине есть четыре отверстия. Вам нужно будет использовать 1-дюймовые винты 6x32, чтобы соединить эти части вместе. Конечно, вам нужно будет просверлить отверстие в пенопласте и в плотной бумаге в соответствующих местах.
4. Приклейте стяжку к пластине-держателю. Я добавил 0,1 мм допуск между выступами и отверстиями, чтобы убедиться, что они подходят друг другу.
5. Приклейте прямозубую шестерню с 72 зубьями к водилу. На этом сборка звездной пластины часов будет завершена. Я использовал клей Gorilla, чтобы склеить вместе 72-зубчатую шестерню, муфту и опорную пластину.

Шаг 7: приступаем к сборке корпуса для часов

Соберите переднюю панель: прикрутите акриловую сетку к фанерной передней панели часов с помощью четырех болтов и гаек размером 6x32 дюйма (или даже 3/4 дюйма).

Добавьте светодиодную ленту подсветки: возьмите светодиодную ленту и закрепите ее между средней пластиной часов и передней пластиной часов. (Для этого может помочь снять переднюю панель часов.) Убедитесь, что планка надежно закреплена и не мешает вращению часовых механизмов или шагового двигателя. Вы можете использовать скобы или клей, чтобы удерживать его на месте. Поместите фанерный фасад с акриловой сеткой в корпус часов. Также поместите среднюю пластину с часовым механизмом в корпус часов. Обязательно аккуратно пропустите провод питания светодиодной ленты через среднюю пластину. Для этого в основании доски сделано отверстие.

Шаг 8: соберите среднюю пластину и подключите часы

Пришло время собрать среднюю пластину часов. Это включает в себя механическую опору приводной оси и двигателя, а также проводку электроники для проекта.

Установите держатель подшипника и шаговый двигатель на среднюю пластину: прикрепите шаговый двигатель к средней пластине с помощью двух болтов и гаек 6x32. Проведите провод от степпера к задней части платы. Возьмите опору подшипника, напечатанную на 3D-принтере, и вставьте два подшипника 608 в переднюю и заднюю части держателя. Возможно, вам придется отрегулировать эту деталь, если ваш 3D-принтер немного не в порядке, однако мне удалось плотно прилегать, используя PETG и мой принтер Prusa. Прикрутите держатель к задней части средней пластины. Установите часовой механизм на приводной вал: протолкните 8-миллиметровый металлический вал через прямозубую шестерню с 72 зубьями и пластиковую пластину с отверстиями так, чтобы он упирался в держатель фанерной пластины. Проденьте другой конец металлического вала диаметром 8 мм через центральную пластину и держатель подшипника. Поместите центральную пластину в коробку, убедившись, что есть достаточный зазор для вращения звездочки за винтами, удерживающими переднюю пластиковую решетку на месте. Измерьте и отметьте место для разрезания вала, чтобы он удобно помещался в коробке. Вам понадобится достаточно вала, чтобы приклеить два фиксатора вала до и после подшипника. После того, как вы сделали это измерение, снимите узел шестерни / пластины и выньте вал из держателя подшипника. Обрежьте вал ножовкой так, чтобы он полностью поместился в корпусе, но также оставил от 0,5 до 1 см секунды, которая выступала бы из задней части держателя подшипника. Как только вал будет отрезан до нужной длины, снова установите пластину / прямозубую шестерню с 72 зубьями на пластину и приклейте ее на место. Установите фиксатор вала сразу за узлом, затем пропустите вал через держатель подшипника. После подтверждения посадки приклейте фиксатор вала к валу. Приклейте второй фиксатор вала к валу за держателем подшипника.

Порядок часового механизма будет:

1. акриловая пластина
2. пенопластовая плита
3. держатель плиты фанеры
4. Держатель тарелок с 3d принтом
5. сцепка
6. 72 зубья шестерни
7. замок вала
8. подшипник центральной опорной плиты + держатель подшипника + фиксатор вала подшипника
9. замок вала

В качестве последнего шага запрессуйте прямозубую шестерню с 18 зубьями на шаговый двигатель. Отрегулируйте и затяните шаговый двигатель, чтобы шестерни с 72 и 18 зубьями зацепились друг с другом и двигались плавно. Затяните болты шагового двигателя на месте.

Подключите электронику:

Схема подключения часов относительно проста. Вам необходимо подключить модуль часов реального времени к контактам SDA и SCL, а также к +5 В и заземлению на Arduino. Вам также необходимо подключить контакты IN1 - IN4 на шаговом драйвере UNL2003A к контактам с 8 по 11 на Arduino вместе с заземлением. Переключатель и резистор 1 кОм необходимо подключить между землей и контактом 7 Arduino. Наконец, к плате UNL 2003A и к Arduino необходимо подключить блок питания от источника питания на 5 вольт.

Вот более подробный набор описаний:

1. Припаяйте провод к одной стороне кнопки. Присоедините его к контакту 7 на Arduino.
2. Припаяйте резистор 1 кОм с другой стороны кнопки, чтобы кнопка ввода была заземлена, когда она не нажимается.. С другой стороны кнопки привяжите его к +5 вольт..
3. Подключите четыре провода между контактами 8, 9, 10 и 11 к контактам IN1, IN2, IN3 и IN4 UNL 2003A.
4. Подключите точки SCL и SDA на модуле часов реального времени к правильным контактам на Arduino.
5. Подключите заземление Arduino к модулю часов реального времени и к платам UNL 2003A.
6. Создайте разветвитель для источника питания на 5 вольт (2 ампера должно быть достаточно) и подключите его к плате Arduino и UNL 2003A.
7. Наконец, вам нужно прикрепить блок питания светодиода через средний слой часов и продеть его к задней части корпуса. Вам нужно, чтобы светодиодный контроллер торчал сзади, чтобы вы могли изменить схему освещения на часах.

Вам нужно будет привязать +5 вольт к шаговому драйверу и от +6 до +12 вольт к Arduino. Я безуспешно пытался использовать для этого один источник питания, но, вероятно, я бы использовал систему на 2 А и 7 В с регулятором мощности для шагового двигателя, если бы у меня было немного больше времени.

Убедитесь, что натяжение между двигателем и шестернями не слишком сильное и не слишком слабое. Дважды проверьте все. Когда вся проводка на месте и детали закреплены, осторожно вставьте узел на место.

Однако - пока не подключайте блок питания. Сначала нам нужно запрограммировать доску

Шаг 9: запрограммируйте Arduino

Программировать Arduino было довольно просто. Вот как работает код:

1. Когда код запускается, он инициализирует счетчик шагов и берет время из модуля часов реального времени. Также инициализируется количество шагов для двигателя, а также несколько других переменных системы.
2. Время конвертируется из местного времени в местное звездное время. Поскольку Земля вращается вокруг Солнца, в то время как оно вращается вокруг своей оси, время, необходимое для вращения звезд, примерно на 4 минуты короче, чем время, необходимое для поворота в (среднее) положение Солнца. Подпрограмма звездного времени в коде была изменена с этого сайта. Однако в коде было несколько ошибок, поэтому я обновился, чтобы использовать полный алгоритм приблизительного звездного времени, созданный Военно-морской обсерваторией США.
3. Когда начинается основной цикл, он вычисляет, сколько времени прошло (в звездных часах) с момента включения часов. Затем он смотрит на текущий счетчик шагов и вычисляет, сколько шагов нужно добавить, чтобы вращение часов было выровнено с текущим временем. Это количество шагов отправляется в Arduino для перемещения диска.
4. Если в основном цикле нажимается кнопка, диск перемещается вперед с большей скоростью. Это позволяет вам установить диск на текущее время и дату. Часы не сохраняют количество шагов после сброса питания, и нет кодировщика, указывающего абсолютное положение диска. Я могу добавить это в будущей версии проекта.
5. После перемещения часов система переходит в спящий режим на некоторое время и повторяет последние два шага.

Я провел кучу экспериментов с шаговым двигателем, чтобы убедиться, что я знаю, сколько шагов ДЕЙСТВИТЕЛЬНО необходимо для одного вращения. Для моего степпера он был 512 x 4 со стандартной библиотекой Arduino Stepper. В коде я установил число оборотов в минуту на 1. Хотя при установке часов это очень медленно, на более высоких скоростях, как правило, больше пропущенных шагов.

Шаг 10: Подключите его и установите время

После того, как вы загрузили код, подключите блоки питания к Arduino и степперу. Подключите все, включая подсветку. Используйте пульт, чтобы включить свет.

Теперь все, что вам нужно, это нажать кнопку, чтобы выровнять время и дату. Просто убедитесь, что текущее время на внешней пластиковой пластине совмещено с месяцем и днем на внутренней акриловой пластине. Поздравляю! У вас есть астрономические часы.

После установки времени вы должны получать импульсы от шагового двигателя каждые 8 секунд или около того, чтобы обновить звездное поле. Это МЕДЛЕННАЯ 24-часовая ротация, так что не ждите от этого большого количества действий. Очевидно, можно (и нужно!) Довести дело до конца.

Как я уже сказал, это прототип. Я в целом доволен результатами, но в следующей версии я бы немного поправил их. Когда я его восстановлю, я, вероятно, буду использовать степперы NEMA вместо дешевых версий. Я думаю, что удерживающая способность и надежность сделают их проще в использовании. Передача работала хорошо, но я чувствую, что слишком много люфта разработал. Я бы, наверное, поступил и по-другому.

Наконец, я хотел поблагодарить людей из библиотеки MTSU Walker Library за их помощь в создании этого. Я использовал Laser Etcher в их Maker Space для изготовления деталей из акрила и дерева и провел много продуктивных обсуждений с Беном, Нилом и остальной бандой Makerspace, когда думал о часах.

Второй приз в конкурсе часов