Astronomi -klokken: 10 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Kort tid etter at de første mekaniske klokkene ble oppfunnet på 1300 -tallet, begynte oppfinnerne å lete etter måter å representere himmelens bevegelse. Dermed ble astronomiklokken skapt. Den kanskje mest kjente astronomiklokken ble opprettet i Praha i ca 1410. I stedet for bare å vise hva klokken er, viser den også stjernenes relative posisjon mens jorden roterer på sin akse og roterer rundt solen.

I dette prosjektet lærer du hvordan du lager en astronomiklokke som du kan ha hjemme. Den viser et kart over stjernene som er på himmelen - dag eller natt. Himmelskartet endres etter hvert som jorden roterer. Prosjektet involverer mekaniske, elektroniske og programvarekomponenter. Du trenger tilgang til en 3d -skriver, en laserskjærer og noen trebearbeidingsverktøy for å fullføre prosjektet. Jeg brukte også Python til å lage stjernekartene og designet som ble integrert i klokken. Kanskje min favorittdel av prosjektet var å integrere alle disse teknologiene sammen.

Dette prosjektet var helt originalt. Jeg skrev programvaren for å kjøre klokken, laget laserdesignene for saken og til og med bygde tannhjul og drivverk. Jeg skrev også programvaren for å gjøre layouten på stjernekartet.

Det endelige resultatet virket vel verdt tiden jeg brukte på å sette det sammen.

Trinn 1: Samle delene

For dette prosjektet trenger du følgende rekvisita:

2 - stykker 11x14 (0,093 tommer tykke) akryl

1 - 1x6 brett 6 fot langt.

1 - Arduino Uno

1 - Klokke -modul i sanntid

1 - trinnmotor 28bjy -48

1 - stepper driver - UNL2003

1 - 5 volt strømforsyning

1 - 36 tommers led stripe lys

1 - 1/4 tommers kryssfinerplate - 2x4 ft

1 - 8 mm metallskaft

2 - 608 kulelager

1 - biter av svart skumbrett - ca 12 x 12 tommer

Diverse: wire, treskruer (#6 x 1 1/4 tommer), pose med 6x32 x 0,75 tommers maskinskruer + muttere, en annen pose med 4x40 x 0,75 maskinskruer, beis (valgfritt)

Du trenger også følgende verktøy:

Tilgang til en 3d -skriver

Tilgang til en laseretser som kan skjære 1/4 i akryl og tre

En bordsag + ruter for å lage etuiet for klokken

Trinn 2: Skriv ut tannhjul og plastdeler

For å begynne må du skrive ut tannhjul og plastdeler for klokken. Jeg brukte en Prusa I3 MK3, Slic3r og PETG for klokken min. Imidlertid bør nesten alle variasjoner fungere fint for dette prosjektet. Den primære begrensningen er at du trenger en stor trykt seng for å lage tallerkenholderen og 72-tannutstyret.

Dette er en rask beskrivelse av filene du trenger for å skrive ut:

lagerholder - Lagerholderen har to 608 lagre for å støtte drivakselen. Den bolter på baksiden av midtplaten i klokken.

kobling - Dette plaststykket forbinder plateholderen og det 72 tannede tannhjulet. Den er 25 mm lang, så den er designet for en klokke med et tommer mellomrom mellom frontplaten og midtplaten som holder lagrene.

plateholder - Plateholderen kobler akrylplaten og dens bakside til drivakselen.

akselholder - Dette er filen for en ring på 8 mm diameter som brukes til å holde akselen på plass når den passerer gjennom lagerholderen. Du må skrive ut to av disse for prosjektet.

Spur Gear (18 tenner) - Denne tannhjulsklemmen passer på akselen til trinnmotoren.

Spur Gear (72 tenner).- Dette giret kobles til drivakselen på klokken og dreier plateholderen og akrylplaten.

motorholder - en plate for å holde trinnmotoren

Den grunnleggende mekaniske utformingen er vist i diagrammene ovenfor. Frontplaten er festet til den delen av stjernekartet som roterer (Rete). Denne er koblet gjennom en aksel til et 72-tanners tannhjul. Steppermotoren (28BYJ48) driver et 18-tannet gir som kjører klokken. Selve motoren sitter i motorholderplaten slik at den kan justeres på den sentrale platen på klokken.

Lagerstøttesystemet som holder akselen er boltet på en sentral plate i klokken. Lagrene som brukes er normale 608 lagre (22 mm ytre diameter, 8 mm indre diameter, 7 mm tykkelse) som går på innsiden og utsiden av bjørnestøttestykket. Skaftet kobles til girene, og alt limes på akselen for å holde det hele sammen.

Tannhjulene og plastdelene ble laget med Fusion 360. Jeg er litt ny i programvaren, men verktøyet for generering av tilleggsutstyr fungerte veldig bra for å sette dette sammen. Å finne ut hvordan jeg bruker programvaren var et av hovedformålene med dette prosjektet for meg.

Du kan få tilgang til designfilen for 3d -delene her: Fusion 360 Astronomy Clock

Trinn 3: Laser ets akryldelene

Akrylmalene til Rete (delen med stjerner på) og tallerkenen (frontstykket) er festet ovenfor. Dette stjernekartet ble satt for en breddegrad på omtrent 40 grader nord, og burde fungere ganske bra for de fleste. Kartene selv ble generert ved hjelp av programvare jeg skrev i python.

github.com/jfwallin/star-project

Jeg vil ikke anbefale å grave gjennom med mindre du virkelig liker pythonkoding og astronomi. Det er ikke så godt dokumentert ennå, men det er tilgjengelig hvis du vil bruke det. Jeg brukte mye tid på å jobbe med estetiske problemstillinger som stjernestørrelse, fonter, etikettplassering, etc. Resultatet virket lik alle andre planisfærer, og sikkert andre planisfæredesigner ville fungere for dette prosjektet.

Det er i utgangspunktet to kategorier av filer:

plate - brikkene som har stjernekartet trykt på dem.

rete - brikkene som har vinduet du ser stjernene gjennom trykt på dem.

Du trenger IKKE å skrive ut dem alle, men jeg tenkte at det kan være nyttig å inkludere dem i en rekke formater.

Etter at jeg produserte genererte Rete and Plate ved hjelp av python -koden, importerte jeg den til Adobe Illustrator for å legge til de grafiske elementene som trengs for etsing. Jeg snudde stjernekartet, det er ets på baksiden av akryl for å få bakgrunnsbelysningen til å se litt finere ut.

Hvis du ikke har tilgang til en laseretser, kan du bare skrive ut tallerkenen og Rete på papir og deretter lime dem på en kryssfinerbase. Det ville ikke ha det glødende akrylutseendet, men det ville fortsatt, men fortsatt være en fin klokke å ha på mantelen for å vise deg stjernenes rotasjon hver dag. Etsing av et metalldesign ville gitt klokken et kult steampunk -utseende.

(Merk: Det var en korreksjon i akrylplatemalen som ble lagt til etter at noen av bildene ble tatt.)

Trinn 4: Laser ets av tredelene

Adobe Illustrator -filene for kryssfinerdelene for klokken er vedlagt ovenfor. Det er fire deler av kryssfiner som må laserskjæres. Du kan enkelt bruke en CNC -maskin til å lage disse delene, eller til og med bare kutte der med en bordsag og en rullesag. Du trenger bare å matche de trykte delene fra den siste trinnplaten og klokkefronten.

clock-back-kryssfiner-Dette er bare et 11x11 tommer ark med 1/8 i kryssfiner som fungerer som baksiden av klokken. Jeg la et stjernedesign på det, fordi det så kult ut.

clock-center-kryssfiner-Dette er også et 11x11 i kryssfinerark, men jeg kuttet det ut av 3/8 tommers kryssfiner. Den har et hull på 9 mm i midten for drivakselen. Steppermotoren, drivakselen og elektronikken til klokken er montert på dette stykket.

klokke-front-kryssfiner-Dette er frontstykket på klokken. Igjen, dette er et 11x11 tommer stykke 1/8 i kryssfiner. Den har et sirkulært hull i midten sammen med 4 hull for de 6x32 skruene som fester platen til fronten.

klokkeplate-kryssfiner-Dette kryssfinerstykket (1/8 tommer) lar deg montere plexiglassplaten. Du vil til slutt smøre et stykke svart skumbrett mellom kryssfiner og akryl. Dette stykket monteres også på den 3d -trykte tallerkenholderen.

Trinn 5: Monter klokkehuset

Boksen som holder klokken er laget av et 1x6 stykke tre som var omtrent 6 fot langt.

Den grunnleggende ideen er å lage en eske som inneholder de 11x11 tommers trebitene i dado -spor. Jeg dimensjonerte boksen min til å ha en ytre dimensjon på 12 tommer og en indre dimensjon på 10,5 tommer. Alle brikkene på klokken må ha tre dado -spor rettet inn i dem. For min versjon må jeg trebiter som er 12x6x0,75 og to trebiter som er 10,5x6x1.

Sporene på forsiden og baksiden av klokken er innfelt ca 1/2 tommer fra forsiden og baksiden av trebitene. Jeg brukte en 1/8 rutebit på et rutebord for å lage disse sporene. Etter å ha sjekket passformen med kryssfiner, kompenserte jeg rutebordgjerdet med en smidge (ca. 1/32 tomme i Imperial -enheter) og kjørte det gjennom igjen.

Den midterste dado -rillen som holder senterplaten ble også kuttet på rutebordet, siden jeg brukte 3/8 i kryssfiner for dette stykket, foretok jeg en ytterligere justering av fresebordgjerdet for å lage det bredere hullet. Du har omtrent 2 tommer plass mellom skriftplaten og senterplaten i esken, så juster tabellen deretter.

For begge kuttene gjorde jeg et par pasninger for hvert brett. Jeg kjørte også brettene gjennom et par ganger for å sikre at kuttene var rene.

Dados for de to sidebordene var i hele lengden av brettet. Men for de lengre topp- og bunnstykkene brukte jeg to stoppblokker på rutebordet for å kaste bladet ned i treverket omtrent 1/2 tommer fra begynnelsen og slutten av trebitene. I utgangspunktet ønsket jeg ikke at sporene skulle være synlige på utsiden av saken. Alle sporene er omtrent 1/4 dype for å holde kryssfiner.

Når du har kuttet bitene, må du montere etuiet midlertidig og slipe alle kantene som kan stikke ut. Du vil også ta eventuelle skarpe kanter av de ytre delene av klokkehuset. Når du er fornøyd med saken, tar du av topplaten og sørger for at kryssfinerplatene faktisk passer inn i sporene du førte. Jeg fant ut at jeg måtte ta 1/8 av tallerkenene mine med en bordsag for å få ting til å passe komfortabelt i esken jeg laget.

Fordi dette var en prototype, kuttet jeg noen hjørner når jeg laget saken i dette prosjektet. Jeg brukte poppel til klokken min, men bare fordi jeg hadde et tavle i butikken min lett tilgjengelig. Det ville se bedre ut i kirsebær eller valnøtt. Jeg brukte også bare enkle skrueledd for å holde den sammen med en enkel overlappingskonstruksjon. Skruene vil være på toppen og bunnen av klokken, så de vil ikke være veldig merkbare når den er på mantelen ved peisen min. (Nevnte jeg også at dette var en prototype?). Den neste versjonen av klokken vil bruke gjærede ledd.

Trinn 6: Monter de mekaniske delene til klokken

Å montere de mekaniske delene på klokkene tar noen minutter, men det er relativt rett frem.

Koble stjerneplaten, kryssfinerplaten, 72-tannet tannhjul og plastplateholderen sammen:

1. Ved å bruke kryssfinerplateholderen som mal, skjærer du ut et stykke svart skumkjernebrett for å ha samme størrelse. Jeg har en Exacto -kniv for å lage dette stykket, men en rullesag kan fungere like bra. (Viktig merknad: IKKE LASERKLIPP SKUMHJEMME. Det danner giftige røyk.)
2. Sentrer treplateholderen på den 3D -trykte tallerkenholderen. Mål og bor deretter fire skruehull for å justere dem i plastbæreren. Fest plastbæreren til kryssfinerplateholderen ved hjelp av 6x32 1-tommers bolt og muttere. Skjær små hull i skumplaten for å passe til bolthodene.
3. Smør den akrylstjerneplate, skumplaten med skruehullene i og kryssfinerplaten sammen. Det er fire hull i kryssfinerplaten og i akrylstjerneplaten. Du må bruke 6x32 1-tommers skruer for å koble disse bitene sammen. Selvfølgelig må du bore et hull gjennom skumkjernebrettet og gjennom konstruksjonspapiret på de riktige stedene.
4. Lim koplingen til plateholderen. Jeg la til en 0,1 mm toleranse mellom tappene og hullene for å sikre at dette passer godt.
5. Lim det 72-tannede tannhjulet til bæreren. Dette vil fullføre monteringen av klokkestjerneplaten. Jeg brukte Gorillalim til å sementere 72-tannhjulet, koblingen og platebæreren sammen.

Trinn 7: Begynn å montere etuiet til klokken

Monter frontplaten: Skru akrylnettet på frontplaten av kryssfiner på klokken ved hjelp av fire 6x32 1-tommers (eller til og med 3/4 tommer) bolter og muttere.

Legg til LED -stripen med bakgrunnsbelysning: Ta LED -stripen og fest den mellom midtplaten på klokken og frontplaten på klokken. (Det kan hjelpe å fjerne frontplaten på klokken for å gjøre dette.). Sørg for at stripen er godt festet og ikke forstyrrer rotasjonen av klokkemekanismene eller trinnmotoren. Det kan være lurt å bruke stifter eller lim for å holde den på plass. Sett kryssfinerfronten med akrylnettet inn i urkassen. Plasser også midtplaten med klokkemekanismen inn i klokkehuset. Sørg for å føre strømledningen til LED -stripen forsiktig gjennom midtplaten. Et hull er plassert i bunnen av brettet for å gjøre dette.

Trinn 8: Monter mellomplaten og koble klokken

Nå er det på tide å sette sammen midtplaten på klokken. Dette inkluderer den mekaniske støtten til drivaksen og motoren, sammen med kabling av elektronikken til prosjektet.

Monter lagerholderen og trinnmotoren på midtplaten: Fest trinnmotoren til midtplaten med to 6x32 bolter og muttere. Kjør ledningen fra stepper til baksiden av brettet. Ta det 3D -trykte lagerholderen, og klem to to 608 lagre inn foran og bak på holderen. Du må kanskje justere denne delen hvis 3d -skriveren din er litt av, men jeg klarte å få en god passform ved å bruke PETG og min Prusa -skriver. Bolt holderen på baksiden av midtplaten. Monter klokkemekanismene til drivakselen: Skyv 8 mm metallakselen gjennom det 72-tannede tannhjulet og gjennom plasthullplaten slik at den støter opp ved siden av kryssfinerplateholderen. Plasser den andre enden av 8 mm metallakselen gjennom den sentrale platen og lagerholderen. Plasser den sentrale platen i esken, og sørg for at det er nok klaring til at stjernehjulet kan rotere bak skruene som holder den fremre plastruten på plass. Mål og merk et sted for å kutte skaftet slik at det passer komfortabelt i esken. Du vil ha nok av en aksel til å lime på to av aksellåsbitene før og etter lageret. Når du har gjort denne målingen, fjerner du giret/platenheten og tar akselen ut av lagerholderen. Skjær akselen med en baufil, slik at den passer helt inn i etuiet, men har også et sekund på 0,5 til 1 cm som stikker ut av baksiden av lagerholderen. Når akselen er kuttet til riktig lengde, monter platen/72 tannhjulet på platen igjen og lim den på plass. Legg til en aksellås like bak enheten, og før deretter akselen gjennom lagerholderen. Etter at du har bekreftet passformen igjen, lim aksellåsen til akselen. Lim en andre aksellås til akselen bak lagerholderen.

Rekkefølgen på klokkemekanismen vil være:

1. akrylplate
2. skumkjernebrett
3. kryssfiner plateholder
4. 3d -trykt tallerkenholder
5. kobling
6. 72 tannhjul
7. aksellås
8. sentral støtteplate lager + lagerholder + lageraksellås
9. aksellås

Som et siste trinn, trykk på for å montere 18-tannet tannhjul på trinnmotoren. Juster og stram trinnmotoren slik at de 72-tannede og 18-tannede girene henger sammen og beveger seg jevnt. Stram trinnmotorboltene på plass.

Koble elektronikken:

Koblingsskjemaet for klokken er relativt enkelt. Du må koble sanntidsklokke -modulen til SDA- og SCL -pinnene, sammen med +5 volt og jord på Arduino. Du må også koble IN1 gjennom IN4 -pinnene på UNL2003A -stepperdriveren til pinnene 8 til 11 på Arduino, sammen med å koble bakken. En bryter og en 1k Ohm motstand må kobles mellom bakken og pinne 7 på Arduino. Til slutt må en strømforsyning kobles til UNL 2003A -kortet og til Arduino fra en 5 volt strømforsyning.

Her er et mer detaljert sett med beskrivelser:

1. Lodd en ledning på den ene siden av trykknappen. Fest dette til pinnen 7 på Arduino.
2. Lodd en 1k resister på den andre siden av trykknappen slik at inngangsknappen er jordet når den ikke blir trykket.. På den andre siden av knappen, bind den til +5 volt..
3. Koble de fire ledningene mellom pinnene 8, 9, 10 og 11 til UNL 2003A -pinnene IN1, IN2, IN3 og IN4.
4. Koble SCL- og SDA -punktene på sanntidsklokke -modulen til de riktige pinnene på Arduino.
5. Koble bakken til Arduino til sanntidsklokke -modulen og til UNL 2003A -kortene.
6. Lag en strømdeler for din 5 volt forsyning (2 ampere burde være tilstrekkelig), og koble den til Arduino og UNL 2003A -kortet.
7. Til slutt må du koble LED -strømforsyningen gjennom det midterste laget på klokken og tråden på baksiden av saken. Du vil at LED -kontrolleren skal stikke ut baksiden, slik at du kan endre lysmønsteret på klokken.

Du må knytte +5 volt til stepperdriveren og +6 til +12 volt til Arduino. Jeg prøvde uten hell å bruke en enkelt strømforsyning til dette, men jeg ville sannsynligvis ha brukt et 2 amp 7 volt system med en effektregulator for stepperen hvis jeg hadde litt mer tid.

Sørg for at spenningen mellom motoren og girene ikke er for stram eller for tapt. Dobbeltsjekk alt. Når alle ledninger er på plass og delene er festet, må forsiktig settes på plass.

Imidlertid - ikke koble til strømforsyningen ennå. Vi må først programmere brettet

Trinn 9: Programmer Arduino

Å programmere Arduino var ganske enkelt. Slik fungerer koden:

1. Når koden starter, initialiserer den en trinnteller og henter tiden fra sanntidsklokke -modulen. Antall trinn for motoren blir også initialisert, sammen med noen få andre variabler om systemet.
2. Tiden konverteres fra lokal tid til lokal siderisk tid. Siden jorden roterer rundt solen mens den roterer på sin akse, er tiden det tar for stjernene å rotere omtrent 4 minutter kortere enn tiden det tar å rotere til solens (gjennomsnittlige) posisjon. Underrutinen Sidereal time i koden ble endret fra dette nettstedet. Imidlertid var det noen feil i koden, så jeg oppdaterte for å bruke den omtrentlige Sidereal Time -algoritmen som ble opprettet av US Naval Observatory.
3. Når hovedsløyfen begynner, beregner den hvor lang tid som har gått (i sideriske timer) siden klokken ble slått på. Den ser deretter på den nåværende trinntelleren, og beregner hvor mange trinn som skal legges til, slik at rotasjonen av klokken er justert med gjeldende tid. Dette antall trinn blir sendt til Arduino for å flytte disken.
4. Hvis det trykkes på en knapp i hovedløkken, går disken fremover med en raskere hastighet. Dette lar deg sette disken til gjeldende klokkeslett og dato. Klokken beholder ikke antall trinn etter en strømtilbakestilling, og det er ingen koder som angir diskens absolutte posisjon. Jeg kan legge til dette i en fremtidig versjon av prosjektet.
5. Etter å ha flyttet klokken, sovner systemet i en periode og gjentar de to siste trinnene.

Jeg gjorde en haug med eksperimenter med stepperen for å være sikker på at jeg visste hvor mange trinn som faktisk var nødvendig for en enkelt rotasjon. For stepperen min var den 512 x 4 med standard Arduino Stepper -bibliotek. I koden satte jeg RPM til å være 1. Selv om dette er smertefullt sakte når du stiller klokken, hadde høyere hastigheter en tendens til å ha flere tapte trinn.

Trinn 10: Koble den til og angi tiden

Etter at du har lastet opp koden, kobler du til strømforsyningene til Arduino og stepper. Koble til alt, inkludert bakgrunnslyset. Bruk fjernkontrollen til å slå på lyset.

Alt du trenger å gjøre er å trykke på knappen for å justere tid og dato. Bare sørg for at gjeldende tid på den ytre plastreten er justert med måneden og dagen på den indre akrylplaten. Gratulerer! Du har en astronomiklokke.

Når tiden er angitt, bør du få pulser fra stepperen hvert 8. sekund eller så for å oppdatere stjernefeltet. Det er en SLOW 24 timers rotasjon, så ikke forvent mye action på dette. Tydeligvis kan du (og bør!) Fullføre saken.

Som jeg har sagt, er dette en prototype. Jeg er generelt fornøyd med resultatene, men jeg vil justere det litt i neste versjon. Når jeg bygger det om igjen, vil jeg sannsynligvis bruke NEMA stepper i stedet for de billige o-versjonene. Jeg tror at holdkraften og påliteligheten ville gjøre dem lettere å bruke. Giret fungerte bra, men jeg føler at jeg la litt for mye spill i girene jeg designet. Jeg ville sannsynligvis gjort det på en annen måte også.

Til slutt ønsket jeg å takke folkene på MTSU Walker Library for hjelpen med å bygge dette. Jeg brukte Laser Etcher i Maker Space til å lage deler av akryl og tre, og hadde mange produktive diskusjoner med Ben, Neal og resten av Makerspace -gjengen når jeg tenkte på klokken.

Andre pris i urkonkurransen