שעון הילוכים פלנטרי: 6 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

שעונים מכניים (ישנים) מעניינים ונעימים להפליא לצפייה, אך לצערי כמעט בלתי אפשרי לבנות בעצמך. שעונים מכניים חסרים גם את חוסר הזהירות של הטכנולוגיה הדיגיטלית המדויקת הקיימת כיום. מדריך זה מראה לך דרך לשלב את הטוב משני העולמות; על ידי נהיגה בידיים של שעון מכני דרך תיבת הילוכים פלנטרית עם מנוע צעד וארדואינו!

אספקה

רכיבים כלליים:

• עץ 5 מ"מ ויריעה אקרילית
• ברגים M5 (שקוע), מכונות כביסה ואומים
• התנגדות PCB
• ברגים M3 עבור מנוע הצעד

רכיבים חשמליים:

• נהג צעדים (השתמשתי ב- L293d)
• כל סוג של ארדואינו
• שעון בזמן אמת (השתמשתי ב- DS3231)
• חיישן אפקט הול (השתמשתי ב- A3144)
• מגנט ניאודיום 5 מ"מ
• לחצנים עבור קלט משתמשים
• נגד 10K
• קבל 100uf 25V
• שקע
• ספק כוח 5V 2A DC
• סוללה ל- RTC (cr2032 במקרה שלי)

רכיבים מכניים:

• כל סוג של מנוע צעד 1.8 מעלות/צעד עם ציר 5 מ"מ
• חגורת תזמון GT2 400 מ"מ
• גלגלת ציר 5 מ"מ GT2 60 שן
• גלגלת ציר 5 מ"מ GT2 20 שיניים
• מיסב 5x16x5 מ"מ (3x)
• מיסב אוגנים 5x16x5 מ"מ (2x)
• מוט הברגה M5x50

שלב 1: תכנון והכנת ההילוכים

אחת המטרות של הפרויקט הזה הייתה להחזיק מנוע אחד שמניע את השעון השלם, בדומה לשעון מכני אמיתי שבו מנגנון בריחה אחד מניע את השעון השלם. עם זאת, יד הדקה צריכה לבצע 12 סיבובים בזמן שיד השעה עושה סיבוב אחד. המשמעות היא תיבת הילוכים של הפחתה 1:12 כדי להניע את שתי הידיים עם מנוע אחד. החלטתי לעשות זאת עם תיבת הילוכים פלנטרית, הסרטון המצורף מסביר להפליא כיצד סוג תיבת ההילוכים הזה עובד.

השלב הבא בשבילי היה לקבוע את ספירת השיניים של ההילוכים השונים כדי ליצור יחס של 1:12. אתר זה היה מועיל מאוד ומכיל את כל הנוסחאות הנדרשות. חיברתי את ציוד השמש ליד הדקה ואת מנשא הפלנטה לשעון השעה והשארתי את ציוד הטבעת נייח. בואו נעשה קצת חשבון!

• S = מספר השיניים על ציוד השמש
• R = מספר השיניים בהילוך הטבעת
• P = מספר השיניים על גלגל השיניים

יחס ההילוכים (i) נקבע על ידי:

i = S/R+S

שים לב שמספר השיניים בהילוך הפלנטה אינו משנה את יחס ההילוכים במקרה זה, אולם עלינו לכבד את האילוץ הכללי:

P = (R - S)/2

לאחר כמה תמוהות השתמשתי במספרים הבאים: S = 10; R = 110; P = 50; נראה שהם נמצאים בקצה האפשרי מכיוון שיש מעט מאוד מרווח בין גלגלי השיניים של הפלנטה, אבל זה עובד!

אתה יכול לצייר את ההילוכים בתוכנית ה- CAD האהובה עליך, לרובם יש תוספי ציוד מיוחדים. אתה יכול פשוט להשתמש בקבצים המצורפים למדריך זה. כמובן. שים לב שלכל ההילוכים, למרות שהם שונים בגדלים, יש את אותה שיטת שיניים.

חשבתי שזה יהיה מדהים להכין את ההילוכים האלה מאלומיניום 5 מ מ ויצרתי קשר עם חנות מקומית עם סילון מים אם הם יכולים לחתוך לי את ההילוכים האלה. בדרך כלל לא היית מייצר הילוכים עם חותכי מים, אך אלה הם הילוכים בעלי ביצועים נמוכים מאוד. באופן מפתיע הם הסכימו לנסות, אך התוכנית הזו נכשלה להחריד. החלקים היו קטנים מדי עבור סילון המים והחלו לנוע בזמן שהוא חותך.

הכשל הזה אומר שהגיע הזמן לתכנית B, אז קניתי קצת אקריליק שחור עשן 5 מ מ ומצאתי מקום עם חותך לייזר, שלא הייתה שום בעיה לחתוך את ההילוכים שלי. אם אין לך חותך לייזר זמין כנראה שאתה יכול גם להשתמש במדפסת תלת מימד להילוכים אלה, כללתי את קבצי STL (ייתכן שיהיה צורך לחלק את ציוד הטבעת לשלושה חלקים).

לאחר חיתוך אני לוחץ מיסבים מותאמים לתוך גלגלי השיניים של הפלנטה. כדי לקבל את ההתאמה הנכונה הכנתי פיסת בדיקה של אקריליק עם מספר חורים אשר לכל אחד מהם היה קוטר מעט גדול יותר (צעדים של 0.05 מ מ). לאחר שמצאתי את ההגדרה בהתאמה הנכונה שיניתי את גודל החור בהילוכים של הפלנטה להגדרה זו. זה משהו שמשתנה בחומר ובסוג המכונה, כך שתמיד עליך לעשות זאת בעצמך.

שלב 2: הרכבה של מערכת ההילוכים

כדי להרכיב את ההילוכים, יש צורך במסגרת השעון. עכשיו זה החלק שבו אתה יכול לתת ליצירתיות שלך להתפרע מכיוון שצורת המסגרת יחסית לא חשובה כל עוד כל חורי הבריח נמצאים במקום הנכון. בחרתי לעשות הרבה חורים בלוח החיוג ובלוח האחורי כדי להדגיש את מנגנון ההילוכים. זו גם הסיבה שנושאי כוכב הלכת ויד דקה הם שקופים, אבל זה גם נראה מגניב!

שוב השתמשתי בחותך הלייזר לייצור החלקים הללו, ומכיוון שחלקי האקריליק היו בעובי 5 מ"מ, עשיתי גם את חלקי העץ בעובי 5 מ"מ. כל החורים בלוח החיוג ובנשא הפלנטה היו שקועים כדי להתאים לברגים תואמים.

הציר המרכזי של השעון פועל בשני מסבים בתוך נושאי כוכבי הלכת. מכיוון שהכנתי את הציר הזה ממלאי 5 מ מ יש לו התאמה ממש הדוקה בתוך המסבים ולא הצלחתי לפרק את הרכיבים האלה יותר. יהיה הרבה יותר קל פשוט להשתמש בחתיכת חוט M5 מכיוון שגם אתה לא תצטרך לחתוך חוט משלך יותר (אם רק הבנתי מראש …..). כדי לעצור את הילוך השמש מסובב סביב הציר יש לו חור בצורת D, כך שצריך גם להעביר את הציר לצורת D זו. כאשר ציוד השמש מתאים סביב הציר אתה יכול להרכיב את הציר, אל תשכח את נושאי כוכבי הלכת אם אתה משתמש במיסבים עם אוגנים! עיין בתצוגה המפוצצת להוראות הרכבה.

כאשר הציר המרכזי מותקן, הגיע הזמן להילוכים של הפלנטה. אלה זקוקים גם למכבסים הקטנים, בדיוק כמו הציר המרכזי, כדי לוודא שההילוכים פועלים בצורה חלקה. לאחר שהכל מותקן על נושאי כוכבי הלכת, בדוק אם גלגלי השיניים והציוד השמש פועלים בצורה חלקה.

כעת ניתן להרכיב את החלק המרכזי בתוך מסגרת השעון. זוהי עבודה מייגעת, אבל הדבקת הברגים דרך הלוח הקדמי והדבקה במקומם עוזרת מאוד. זה יכול להיות שימושי גם להרים את הלוח הקדמי כדי ליצור מקום ביד הדקה. התמונות מראות שהנחתי שישה פיסות נייר קטנות בין טבעת ההילוכים ללוח האחורי בכדי לתת קצת פינוי להילוכים. בעת הכנסת מנשא הכוכב וודא שהחיוגים מצביעים על מקום הגיוני (אם יד דקה שלך מצביעה על 12, שעון השעות לא צריך להיות בין שעתיים לדוגמא)

שלב 3: חיבור המדרגה והחיישן

כעת, כשיש לנו מנגנון הילוכים המניע את הידיים בצורה נכונה, עדיין עלינו להניע את מנגנון ההילוכים בצורה נכונה. ניתן להשתמש בסוגים שונים של מנועים חשמליים, בחרתי במנוע צעד מכיוון שהוא יכול לבצע תנועות מדויקות ללא חיישני משוב זוויתי קבועים. מנוע צעד יכול גם להשמיע צליל "קליק" אמיתי, וזה נהדר עבור השעון המכאני למחצה!

מנוע צעד רגיל יכול לבצע 200 צעדים לכל סיבוב, מה שמתורגם ל -200 צעדים לשעה אם נחבר אותו ליד הדקה. המשמעות היא מרווח של 18 שניות לכל שלב, שעדיין לא נשמע כמו שעון מתקתק. לכן השתמשתי בתמסורת 1: 3 בין מנוע הצעד לבין ידיים הדקות, כך שמנוע הצעד צריך לבצע 600 צעדים בשעה. באמצעות מצב חצי צעד אפשר להגדיל את זה ל 1200 צעדים לשעה, שזה שווה שלב אחד לכל 3 שניות. נשמע טוב יותר!

בעיה אחת עם מנועי צעד היא שלעולם לא תדע היכן הם נמצאים כאשר אתה מפעיל את הארדואינו שלך. זו הסיבה שלכל מדפסות התלת-ממד יש עצירות קצה, כך שתוכל להעביר את המדפסת למיקום ידוע ולאחר מכן להמשיך מנקודה זו. זה נחוץ גם לשעון, רק עצירת קצה לא תעבוד מכיוון ששעון צריך לבצע סיבובים רציפים. כדי לממש את חישת המיקום הזה השתמשתי בחיישן אפקט הול מסוג A3144 החוש מגנט (בדוק את הקוטביות! …) המחובר לנשא הכוכב. זה משמש להעביר את הידיים למיקום ספציפי בעת ההפעלה, ולאחר מכן הן יכולות לעבור לזמן הדרוש.

ההרכבה פשוטה מאוד; חבר את מנוע המדרגה לצלחת האחורית והשאיר את הברגים רופפים מעט. לאחר מכן תוכל להרכיב את הגלגלת הקטנה על ציר מנוע הצעד ולבדוק אם חגורת התזמון פועלת ישר. כעת תוכל להחליק את מנוע הצעד כדי להתאים את המתח בחגורת התזמון. חגורת התזמון צריכה קצת משחק כדי לוודא שאתה לא מפעיל לחץ על ההילוכים. שחקו עם ההגדרה הזו עד שתהיו מרוצים, ואז הדקו את הברגים של מנוע הצעד לחלוטין.

חיישן אפקט האולם מודבק במקומו. עדיף להלחיד תחילה שלושה חוטים לחיישן, הקפד לשים כיווץ חום סביב כל רגל של החיישן כך שלא יוכלו לקצר אחד את השני. לאחר הלחמה ניתן להדביק את החיישן למקומו. זה לא ממש משנה איזה צד למעלה, כל עוד לא חיברת את המגנט עדיין. לאחר שהדבקת את החיישן במקומו, חבר אותו ל- Arduino או למעגל LED קטן כדי לבדוק אם הוא פועל. (הערה: חיישן אפקט האולם פועל רק אם קווי השדה המגנטי הולכים בכיוון הנכון). באמצעות מעגל בדיקה זה, ודא כיצד יש להדביק את המגנט. ברגע שאתה לגמרי בטוח איזה צד של המגנט שלך צריך לעמוד מול החיישן, הדבק את המגנט במקומו.

שלב 4: האלקטרוניקה שעושה את השעון מתקתק

אתה יכול להשתמש בקוד Arduino פשוט מאוד שעושה חצי צעד עם המנוע ואז לוקח עיכוב של 3000 אלפיות השנייה עד לשלב הבא. זה יעבוד אבל זה לא מדויק במיוחד מכיוון שהשעון הפנימי של הארדואינו אינו מדויק במיוחד. שנית, הארדואינו ישכח את הזמן בכל פעם שהוא מאבד כוח.

כדי לעקוב אחר הזמן, לכן עדיף להשתמש בשעון בזמן אמת. דברים אלה הם שבבים מעוצבים במיוחד עם סוללת גיבוי שעוקבים אחר הזמן בצורה מדויקת. עבור פרויקט זה בחרתי ב- DS3231 RTC שיכול לתקשר עם Arduino באמצעות i2c, מה שהופך את החיווט לקל. ברגע שתגדיר את הזמן בצורה הנכונה על השבב שלו הוא לעולם לא ישכח מה השעה (כל עוד נשאר לסוללת cr2032 קצת מיץ). עיין באתר זה לקבלת כל הפרטים אודות מודול זה.

נהיגה במנוע הצעד נעשית עם נהג מנוע L293d. כמה נהגי מנוע צעד מתקדמים יותר משתמשים באות PWM לצורך הגבלת מיקרו-דריכה ומגבלת זרם. אות PWM זה יכול לגרום לרעש הצפצופים המעצבן שכל יצרנית מכירה (במיוחד אם ברשותך מדפסת תלת מימד). מכיוון שהשעון הזה אמור להפוך לחלק מהפנים שלך, אין צורך ברעשים מגעילים. לכן החלטתי להשתמש בנהג המנוע הלייטק l293d כדי לוודא שהשעון שלי שקט (מלבד הצעד כל 3 שניות, אבל זה ממש מהנה!). עיין באתר זה לתיאור מפורט של שבב l293d. שים לב שאני מפעיל את מנוע הצעד שלי על 5V מה שמוריד את צריכת החשמל והטמפרטורה של מנוע הצעד.

כפי שצוין קודם לכן, אני משתמש בחיישן אפקט הול כדי לזהות מגנט המודבק למנשא הכוכב. עקרון הפעולה של החיישן פשוט מאוד, הוא משנה את המצב כאשר מגנט קרוב מספיק. כך הארדואינו שלך יכול לזהות שיא דיגיטלי גבוה או נמוך ולכן לזהות אם מגנט קרוב. בדוק אתר זה המציג כיצד לחבר את החיישן ומציג את הקוד הפשוט המשמש לאיתור מגנטים.

אחרון חביב, הוספתי 4 כפתורים עבור קלט המשתמש למחשב הלוח. הם משתמשים בנגדי המשיכה הפנימיים של Arduino כדי לפשט את החיווט. ל- PCB שלי יש גם כותרות בתצורת Uno כך שאוכל להוסיף מגני Arduino להרחבות אפשריות (לא עשיתי זאת עד כה).

תחילה בדקתי הכל על לוח הלוח שלי ואז עיצבתי והזמנתי PCB מותאם אישית לפרויקט הזה, מכיוון שהוא נראה מדהים! תוכל גם להרכיב את הלוח הקדמי בגב השעון אם אינך רוצה להסתכל עליו.

ניתן להוריד את קבצי ה- Gerber ל- PCB מהכונן שלי, Instructables לא מאפשר לי להעלות אותם משום מה. השתמש בקישור הזה לכונן הגוגל שלי.

שלב 5: תכנות הארדואינו

הקוד הבסיסי של הארדואינו הוא למעשה פשוט מאוד. צירפתי תוכנית המראה את מה שקורה בתוך הארדואינו וכיצד הארדואינו מתממשק עם שאר המכשירים. השתמשתי במספר ספריות כדי לפשט את הקידוד.

• Accelstepper -> מטפל ברצף הצעד של מנוע הצעדים, מאפשר לך לתת פקודות אינטואיטיביות כמו: Stepper.runSpeed (), או Stepper.move () המאפשרות לך לנוע במהירות מסוימת או למיקום מסוים בהתאמה.
• Wire -> זה נחוץ לתקשורת i2c, אפילו בעת שימוש ב- RTClib
• RTClib -> מטפל בתקשורת בין Arduino ל- RTC, מאפשר לך לתת פקודות אינטואיטיביות כמו rtc.now () שמחזירה את הזמן הנוכחי.
• OneButton -> מטפל בקלט הכפתורים, מזהה לחיצות ואז מפעיל חלל שצוין מראש כדי לעשות משהו. יכול לזהות לחיצות בודדות, כפולות או ארוכות.

בעת כתיבת קוד לשעון חשוב מאוד להימנע מכך שמשתנים ממשיכים לגדול. מכיוון שקוד הארדואינו יפעל 24/7 משתנים אלה יגדלו במהירות ויגדלו ובסופו של דבר יגרום להצפה. מנוע הצעד למשל מעולם לא מצווה ללכת למיקום מסוים, שכן מיקום זה רק יגדל עם הזמן. במקום זאת מנוע הצעד מצווה להזיז מספר צעדים מסוים בכיוון מסוים. כך אין משתנה מיקום שגדל עם הזמן.

בפעם הראשונה שאתה מחבר את ה- RTC שאתה צריך כדי להגדיר את השעה של השבב, יש פיסת קוד שתוכל לבטל תגובה אשר קובעת את זמן ה- RTC שווה לך בזמן המחשב (השעה ברגע שאתה אוסף את הקוד). שים לב שכאשר אתה עוזב את זה ללא תגובה, זמן ה- RTC יתאפס לשעה שבה חיברת את הקוד שלך בכל פעם. אז אל תגיבו על זה, תפעילו את זה פעם אחת ותגיבו על זה שוב.

צירפתי את הקוד שלי למדריך זה, הערתי אותו ביסודיות. תוכל להעלות אותו ללא כל שינוי או לבדוק אותו ולראות מה אתה חושב!

שלב 6: תהנה מצליל השעון המתקתק בפעם הראשונה

לאחר חיבור כל האלקטרוניקה והעלאת הקוד, זו התוצאה!

העיצוב הבסיסי של שעון זה הוא פשוט מאוד והוא יכול להיעשות בצורות וגדלים רבים ושונים. מכיוון שיש Arduino על הלוח אתה יכול גם להוסיף בקלות תכונות נוספות. הגדרת שעון מעורר, הפעל את השעון להפעיל את מכונת הקפה בזמן מוגדר, קישוריות לאינטרנט, מצבי הדגמה מגניבים שמדגישים את התנועה המכנית להצגת העיצוב שלך לאחרים ועוד הרבה יותר!

כפי שאולי שמתם לב לאורך ההוראה הזו, נאלצתי לפרק את השעון מהפרק לצורך כתיבת המדריך הזה. למרות שחבל על ההנחיה הזו אני יכול לפחות להבטיח שהעיצוב מבצע טוב מאוד לטווח הארוך, מכיוון שהשעון הזה מתקתק במשך יותר מ -3 שנים בסלון שלי ללא בעיות!

אנא הודע לי בתגובות אם אהבת את המדריך הזה, זו הפעם הראשונה שאני כותב אחד. גם אם יש לך עצות או שאלות, פשוט שלח לי הודעה. ואני מקווה שהשרתי מישהו לבנות גם שעון חצי מכני יום אחד!

פרס ראשון בתחרות השעונים