Die sterrekundeklok: 10 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Kort nadat die eerste meganiese horlosies in die 14de eeu uitgevind is, het uitvinders begin soek na maniere om die beweging van die hemel voor te stel. So is die sterrekundeklok geskep. Miskien is die bekendste sterrekundeklok in ongeveer 1410 in Praag geskep. In plaas daarvan om net te wys hoe laat dit is, toon dit ook die relatiewe posisie van die sterre terwyl die aarde om sy as draai en om die son draai.

In hierdie projek leer u hoe u 'n sterrekundeklok kan skep wat u in u huis kan hê. Dit vertoon 'n kaart van die sterre wat tans in die lug is - dag of nag. Die hemelkaart verander namate die aarde draai. Die projek behels meganiese, elektroniese en sagteware -komponente. U benodig toegang tot 'n 3D -drukker, 'n lasersnyer en 'n paar houtbewerkingsinstrumente om die projek af te handel. Ek het ook Python gebruik om die sterrekaarte en ontwerp wat in die klok ingesluit is, te skep. Miskien was my gunsteling deel van die projek om al hierdie tegnologieë saam te integreer.

Hierdie projek was heeltemal oorspronklik. Ek het die sagteware geskryf om die klok te laat werk, die laserontwerpe vir die omhulsel gemaak en selfs die ratte en aandrywing gebou. Ek het ook die sagteware vir die uitleg van die sterkaart geskryf.

Die eindresultaat was die moeite werd om die tyd wat ek daaraan bestee het, die moeite werd te maak.

Stap 1: Versamel die onderdele

Vir hierdie projek benodig u die volgende voorrade:

2 - stukke 11 x 14 (0,093 duim dik) akriel

1 - 1x6 bord 6 voet lank.

1 - Arduino Uno

1 - Module vir intydse klok

1 - stapmotor 28bjy -48

1 - stepper bestuurder - UNL2003

1 - 5 volt kragtoevoer

1 - 36 duim geleide strooklig

1 - 1/4 duim laaghoutblad - 2x4 voet

1 - 8 mm metaalas

2 - 608 kogellagers

1 - stukke swart skuimbord - ongeveer 12 x 12 duim

Diverse: draad, houtskroewe (#6 x 1 1/4 duim), sak met 6x32 x 0,75 duim masjienskroewe + moere, nog 'n sak 4x40 x 0,75 masjienskroewe, houtvlek (opsioneel)

U benodig ook die volgende gereedskap:

Toegang tot 'n 3D -drukker

Toegang tot 'n laser -etser wat 1/4 in akriel en hout kan sny

'N Tafelsaag + router om die horlosie vir die horlosie te skep

Stap 2: Druk die ratte en plastiekonderdele af

Om mee te begin, moet u die ratte en plastiekonderdele vir die klok druk. Ek het 'n Prusa I3 MK3, Slic3r en PETG vir my horlosie gebruik. Byna elke variasie behoort egter goed te werk vir hierdie projek. Die primêre beperking is dat u 'n groot bed nodig het om die bordhouer en 72-tandrat te skep.

Dit is 'n vinnige beskrywing van die lêers wat u moet uitdruk:

laerhouer - Die laerhouer hou twee 608 laers om die dryfas te ondersteun. Dit vas aan die agterkant van die middelste plaat in die klok.

koppelaar - Hierdie plastiekstuk verbind die plaathouer en die tandwiel met 72 tande. Dit is 25 mm lank, so dit is ontwerp vir 'n horlosie met 'n spasie van twee duim tussen die voorplaat en die middelste plaat wat die laers hou.

plaathouer - Die plaathouer koppel die akrielplaat en sy agterkant aan die dryfas.

ashouer - Dit is die lêer vir 'n ring met 'n deursnee van 8 mm wat gebruik word om die as vas te hou terwyl dit deur die laerhouer gaan. U moet twee hiervan vir die projek afdruk.

Spur -rat (18 tande) - Hierdie druk van die tandwiel pas op die as van die stapmotor.

Spur-rat (72 tande).- Hierdie rat koppel aan die dryfas van die klok en draai die plaathouer en die akrielplaat.

motorhouer - 'n bord om die stapmotor vas te hou

Die basiese meganiese ontwerp word in die diagramme hierbo getoon. Die voorplaat is vasgemaak aan die gedeelte van die sterkaart wat draai (die Rete). Dit word deur 'n as aan 'n 72-tandrat gekoppel. Die stapmotor (28BYJ48) dryf 'n 18-tandrat wat die klok loop. Die motor self sit in die motorhouerplaat sodat dit op die sentrale plaat van die klok verstel kan word.

Die laerstutstelsel wat die as hou, word binne die klok op 'n sentrale plaat vasgebout. Die laers wat gebruik word, is normale 608 laers (22 mm buitediameter, 8 mm binnediameter, 7 mm dikte) wat binne en buite die dra -steunstuk werk. As koppel aan die ratte, en alles word op die as vasgeplak om dit alles bymekaar te hou.

Die ratte en plastiekonderdele is gemaak met behulp van Fusion 360. Ek is 'n bietjie nuut in die sagteware, maar die bykomende gereedskap vir die opwekking van ratte het baie goed gewerk om dit saam te stel. Om uit te vind hoe om die sagteware te gebruik, was vir my een van die hoofdoelwitte van hierdie projek.

U het hier toegang tot die ontwerplêer vir die 3D -dele: Fusion 360 Astronomy Clock

Stap 3: Laser -ets die akrielonderdele

Die akriel -sjablone vir die Rete (die gedeelte met sterre daarop) en die bord (die voorste stuk) is hierbo aangeheg. Hierdie sterkaart is op 'n breedtegraad van ongeveer 40 grade noord gestel en behoort vir die meeste mense redelik goed te werk. Die kaarte self is gemaak met behulp van sagteware wat ek in python geskryf het.

github.com/jfwallin/star-project

Ek sal nie aanbeveel om deur te grawe nie, tensy u baie van python -kodering en sterrekunde hou. Dit is nog nie so goed gedokumenteer nie, maar dit is beskikbaar as u dit wil gebruik. Ek het baie tyd spandeer aan estetiese kwessies soos stergrootte, lettertipes, etiketlokasie, ens. Die resultaat lyk soortgelyk aan enige ander planisfeer, en beslis sou ander planisfeerontwerpe vir hierdie projek werk.

Daar is basies twee kategorieë lêers:

bord - Die stukke waarop die sterkaart gedruk is.

rete - die stukke met die venster waarop u die sterre kyk, is daarop gedruk.

U hoef dit nie almal af te druk nie, maar ek het gedink dit kan nuttig wees om dit in verskillende formate op te neem.

Nadat ek die Rete and Plate gegenereer het met behulp van die python -kode, het ek dit in Adobe Illustrator ingevoer om die grafiese elemente wat nodig is vir die ets by te voeg. Ek het die sterkaart omgedraai, dit is geëts aan die agterkant van die akriel om die agterste beligting 'n bietjie mooier te laat lyk.

As u nie toegang tot 'n laser -etser het nie, kan u die bord en Rete op papier druk en dit dan op 'n laaghoutbasis plak. Dit sou nie die gloeiende akriel -voorkoms hê nie, maar dit sou nog steeds 'n goeie horlosie wees om die draai van die sterre elke dag te wys. Deur 'n metaalontwerp te ets, sal die horlosie 'n koel steampunk -voorkoms gee.

(Let wel: daar was 'n regstelling in die sjabloon van die akrielplaat wat bygevoeg is nadat 'n deel van die foto geneem is.)

Stap 4: Laser -ets die houtonderdele

Die Adobe Illustrator -lêers vir die laaghoutonderdele vir die klok is hierbo aangeheg. Daar is vier laaghoutonderdele wat met laser gesny moet word. U kan maklik 'n CNC -masjien gebruik om hierdie onderdele te maak, of selfs net daar sny met 'n tafelsaag en 'n rolzaag. U hoef net die gedrukte dele van die laaste trapplaat en die voorkant van die klok te pas.

klok-terug-laaghout-Dit is slegs 'n 11x11 duim vel van 1/8 in laaghout wat dien as die agterkant van die klok. Ek het 'n ster -ontwerp daarop aangebring, want dit het cool gelyk.

klok-middel-laaghout-Dit is ook 'n 11x11 in laaghout, maar ek sny dit uit laaghout van 3/8 duim. Dit het 'n gat van 9 mm in die middel van die dryfas. Die stapmotor, die dryfas en die elektronika vir die klok is op hierdie stuk gemonteer.

laaghout-voor-laaghout-Dit is die voorkant van die horlosie. Weereens, dit is 'n 11 x 11 duim stuk 1/8 in laaghout. Dit het 'n sirkelvormige gat in die middel, saam met 4 gate vir die 6x32 skroewe wat die plaat aan die voorkant vasmaak.

klokplaat-laaghout-Met hierdie laaghoutstuk (1/8 duim) kan u die plexiglasplaat monteer. U sal uiteindelik 'n stuk swart skuimbord tussen die laaghout en die akriel toedien. Hierdie stuk kan ook op die 3D -gedrukte bordhouer vasgemaak word.

Stap 5: Monteer die horlosiekas

Die boks wat die horlosie bevat, is gemaak van 'n 1x6 stuk hout wat ongeveer 6 voet lank was.

Die basiese idee is om 'n boks te maak waarin die 11x11 duim stukke hout in dado -groewe gehou kan word. Ek het my boks so groot gemaak dat dit 'n buitenste afmeting van 12 duim en 'n binnemaat van 10,5 duim het. Al die stukke van die horlosie moet drie dado -groewe daarin hê. Vir my weergawe moet ek stukke hout wat 12x6x0,75 is en twee stukke hout wat 10,5x6x1 is.

Die groewe aan die voor- en agterkant van die klok is ongeveer 1/2 duim van die voor- en agterkant van die houtstukke ingebou. Ek het 'n 1/8 router -bit op 'n routertafel gebruik om hierdie gleuwe te maak. Nadat ek die pasmaat met die laaghout gekontroleer het, het ek die heining van die roostertafel met 'n steek (ongeveer 1/32 duim in keiserlike eenhede) verreken en daarna weer deurgehardloop.

Die middelste dado -groef wat die middelplaat bevat, is ook op die routafel gesny, aangesien ek 3/8 in laaghout vir hierdie stuk gebruik het, het ek 'n verdere verstelling van die router -tafelheining gedoen om die groter gat te maak. U het ongeveer 2 sentimeter ruimte tussen die lettertipe en die middelplaat in die boks, dus pas die tabel dienooreenkomstig aan.

Vir beide snitte het ek 'n paar passe vir elke bord gedoen. Ek het ook die planke 'n paar keer deurgeloop om seker te maak dat die snitte skoon is.

Die dados vir die twee syborde was vir die volle lengte van die bord. Maar vir die langer boonste en onderste stukke het ek twee stopblokke op die freestafel gebruik om die lem in die hout ongeveer 1/2 duim weg van die begin en einde van die houtstukke te steek. Eintlik wou ek nie hê dat die groewe aan die buitekant van die omhulsel sigbaar was nie. Al die groewe is ongeveer 1/4 diep om die laaghout vas te hou.

Sodra u die stukke gesny het, moet u die kas tydelik bymekaarmaak en enige rand wat uitsteek, skuur. U sal ook die skerp kante van die buitenste dele van die horlosiekas wil verwyder. As u tevrede is met die omhulsel, verwyder die boonste paneel en maak seker dat die laaghoutplate eintlik in die groewe pas. Ek het agtergekom dat ek 'n 1/8 van my borde moet afhaal met 'n tafelsaag om dinge gemaklik in die boks wat ek gemaak het, te laat pas.

Omdat dit 'n prototipe was, het ek 'n paar hoeke gesny toe ek die saak in hierdie projek gemaak het. Ek het populier vir my horlosie gebruik, maar net omdat ek 'n bord in my winkel beskikbaar gehad het. Dit sal mooier lyk in kersie of okkerneut. Ek het ook net eenvoudige skroefverbindings gebruik om dit bymekaar te hou met 'n eenvoudige oorvleuelingskonstruksie. Die skroewe sal aan die bokant en onderkant van die horlosie wees, sodat hulle nie baie opvallend sal wees as dit op die mantel by my kaggel is nie. (Het ek ook genoem dat dit 'n prototipe is?). Die volgende weergawe van die horlosie gebruik verstikte gewrigte.

Stap 6: Monteer die meganiese onderdele vir die horlosie

Die montering van die meganiese dele van die horlosies neem 'n paar minute, maar dit is relatief reguit.

Verbind die sterplaat, die laaghoutplaat, die tandwiel met 72 tande en die plastiekplaathouer:

1. Gebruik die laaghoutbordhouer as sjabloon en sny 'n stuk swart skuimkernplaat om dieselfde grootte te hê. Ek het 'n Exacto -mes om hierdie stuk te maak, maar 'n bladsaag kan net so goed werk. (Belangrike opmerking: MOENIE SKUIMKERN LAAS NIE. Dit produseer giftige dampe.)
2. Sentreer die houtbordhouer op die 3D -gedrukte bordhouer. Meet en boor dan vier skroefgate om in lyn te wees met die in die plastiekhouer. Bevestig die plastiekhouer met die 6x32 1-duim-bout en moere aan die laaghoutplaathouer. Sny klein gaatjies in die skuimbord om die boutkoppe te akkommodeer.
3. Sandwich die akriel ster plaat, die skuim bord met die skroef gate in, en die laaghout plaat saam. Daar is vier gate in die laaghoutplaat en in die akrielsterplaat. U moet 6x32 1-duim-skroewe gebruik om hierdie stukke aan mekaar te koppel. U moet natuurlik 'n gat deur die skuimkernplaat en deur die konstruksiepapier op die toepaslike plekke boor.
4. Plak die koppelaar aan die plaatdraer vas. Ek het 'n 0,1 mm -verdraagsaamheid tussen die oortjies en die gate bygevoeg om seker te maak dat dit goed pas.
5. Plak die tandwiel met 72 tande aan die draer vas. Dit sal die samestelling van die kloksterplaat voltooi. Ek het Gorilla-gom gebruik om die 72-tandrat, die koppelstuk en die plaatdraer saam te sement.

Stap 7: Begin om die omhulsel vir die klok te monteer

Monteer die voorplaat: Skroef die akrielbeugel vas aan die voorblad van die laaghout met vier 6x32 1-duim (of selfs 3/4 duim) boute en moere.

Voeg die LED -strook met agterlig by: Neem die LED -strook en maak dit vas tussen die middelste plaat van die horlosie en die voorkant van die horlosie. (Dit kan help om die voorplaat van die horlosie te verwyder om dit te doen.). Maak seker dat die strook stewig vasgemaak is en nie die draai van die klokmeganismes of die stapmotor belemmer nie. U kan krammetjies of gom gebruik om dit vas te hou. Plaas die voorkant van die laaghout met die akrielverf in die horlosiekas. Plaas die middelste plaat met die klokmeganisme ook in die horlosiekas. Maak seker dat u die kragdraad vir die LED -strook versigtig deur die middelste plaat trek. 'N Gat is aan die onderkant van die bord geplaas om dit te doen.

Stap 8: Monteer die middelste plaat en bedraad die horlosie

Nou is dit tyd om die middelste plaat van die horlosie saam te stel. Dit sluit die meganiese ondersteuning van die dryfas en motor in, asook die bedrading van die elektronika vir die projek.

Monteer die laerhouer en die stapmotor op die middelplaat: Bevestig die stapmotor met twee 6x32 boute en moere aan die middelplaat. Draai die draad van die stepper na die agterkant van die bord. Neem die 3D -gedrukte laerhouer en druk twee 608 laers in die voorkant en agterkant van die houer. Miskien moet u hierdie deel aanpas as u 3d -drukker effens af is, maar ek het 'n goeie pas gekry met behulp van PETG en my Prusa -drukker. Draai die houer vas aan die agterkant van die middelplaat. Monteer die klokmeganismes aan die dryfas: Druk die 8 mm-metaalas deur die 72-tand tandwiel en deur die plastiekgatplaat sodat dit langs die laaghoutplaathouer aansluit. Plaas die ander kant van die 8 mm metaalas deur die sentrale plaat en die laerhouer. Plaas die sentrale plaat in die boks en maak seker dat daar genoeg speling is sodat die sterwiel agter die skroewe kan draai wat die voorste plastiek vashou. Meet en merk 'n plek om die as te sny sodat dit gemaklik in die boks pas. U sal genoeg as wil hê om twee van die as -slotstukke voor en na die lager vas te plak. Nadat u hierdie meting gedoen het, verwyder die rat/plaat -eenheid en haal die as uit die laerhouer. Sny die as met 'n ystersaag sodat dit heeltemal in die omhulsel pas, maar ook 'n sekonde van 0,5 tot 1 cm wat uit die agterkant van die laerhouer steek. Sodra die as op die regte lengte gesny is, monteer die plaat/72 tand tandwiel aan die bord en plak dit vas. Voeg 'n asblok net agter die eenheid by en plaas die as deur die laerhouer. Nadat u die pas weer bevestig het, plak die as se slot aan die as vas. Plak 'n tweede aslot aan die as agter die laerhouer.

Die volgorde van die klokmeganisme sal wees:

1. akriel bord
2. skuimkernbord
3. laaghout plaat houer
4. 3d gedrukte bordhouer
5. koppelaar
6. 72 tandrat
7. as slot
8. sentrale draagplaatlager + laerhouer + laerskagslot
9. as slot

As 'n laaste stap, druk die 18-tand-tandrat op die stapmotor. Verstel en trek die stapmotor vas sodat die ratte van 72 tande en 18 tande inmekaar pas en glad beweeg. Draai die stepper motorboute vas.

Bedraad die elektronika:

Die bedradingsdiagram vir die klok is relatief eenvoudig. U moet die real -time klokmodule aan die SDA- en SCL -penne koppel, saam met die +5 volt en die aarde op die Arduino. U moet ook die IN1 verbind deur die IN4 -penne op die UNL2003A -stepper -bestuurder aan die penne 8 tot 11 op die Arduino, asook die aansluiting van die grond. 'N Skakelaar en 'n 1k Ohm -weerstand moet tussen die grond en pen 7 van die Arduino verbind word. Laastens moet 'n kragtoevoer aan die UNL 2003A -bord en die Arduino gekoppel word vanaf 'n 5 volt -kragtoevoer.

Hier is 'n meer gedetailleerde stel beskrywings:

1. Soldeer 'n draad aan die een kant van die drukknop. Heg dit aan die pen 7 op die Arduino.
2. Soldeer 'n 1K -weerstand aan die ander kant van die drukknop sodat die invoerknoppie geaard word as dit nie gedruk word nie. Bind dit aan die ander kant van die knoppie aan +5 volt..
3. Koppel die vier drade tussen penne 8, 9, 10 en 11 aan die UNL 2003A -penne IN1, IN2, IN3 en IN4.
4. Koppel die SCL- en SDA -punte op die Real Time Clock -module aan die regte penne op die Arduino.
5. Koppel die grond van die Arduino aan die Real Time Clock -module en die UNL 2003A -borde.
6. Skep 'n kragverdeler vir u 5 volt -toevoer (2 ampère behoort voldoende te wees) en koppel dit aan die Arduino en die UNL 2003A -bord.
7. Uiteindelik moet u die LED -kragtoevoer deur die middelste laag van die horlosie en draad aan die agterkant van die omhulsel koppel. U sal wil hê dat die LED -kontroleerder aan die agterkant moet uitsteek, sodat u die beligtingspatroon op die klok kan verander.

U moet +5 volt aan die stepper driver koppel en +6 tot +12 volt aan die Arduino. Ek het sonder sukses probeer om 'n enkele kragtoevoer hiervoor te gebruik, maar ek sou waarskynlik 'n 2 amp 7 volt -stelsel met 'n kragreguleerder vir die stepper gebruik het as ek 'n bietjie meer tyd gehad het.

Maak seker dat die spanning tussen die motor en die ratte nie te styf of te laag is nie. Kontroleer alles goed. As al die bedrading in plek is en die onderdele vasgemaak is, skuif die eenheid versigtig op sy plek.

Moet egter nog nie die kragtoevoer aansluit nie. Ons moet die bord eers programmeer

Stap 9: Programmeer die Arduino

Die programmering van die Arduino was redelik eenvoudig. Dit is hoe die kode werk:

1. As die kode begin, begin dit 'n stappenteller en gryp die tyd uit die real -time klokmodule. Die aantal stappe vir die motor word ook geïnisialiseer, tesame met 'n paar ander veranderlikes oor die stelsel.
2. Die tyd word omgeskakel van plaaslike tyd in plaaslike Sideriese tyd. Aangesien die aarde om die son draai terwyl dit om sy as draai, is die tyd wat dit neem vir die sterre om te draai ongeveer 4 minute korter as die tyd wat dit neem om na die son se (gemiddelde) posisie te draai. Die subroetine Sidereal time in die kode is vanaf hierdie webwerf gewysig. Daar was egter 'n paar foute in die kode, so ek het opgedateer om die volledige benaderde Sidereal Time -algoritme te gebruik wat deur die US Naval Observatory geskep is.
3. As die hooflus begin, bereken dit hoeveel tyd (in Sideriese ure) verloop het sedert die horlosie aangeskakel is. Dit kyk dan na die huidige stapteller en bereken hoeveel stappe bygevoeg moet word sodat die draai van die klok in lyn is met die huidige tyd. Hierdie aantal stappe word na die Arduino gestuur om die skyf te skuif.
4. As 'n knoppie in die hooflus gedruk word, beweeg die skyf vinniger vorentoe. Hiermee kan u die skyf op die huidige tyd en datum instel. Die klok behou nie die aantal stappe na 'n kragherstel nie, en daar is geen enkodeerder om die absolute posisie van die skyf aan te dui nie. Ek kan dit byvoeg in 'n toekomstige weergawe van die projek.
5. Nadat die horlosie beweeg het, gaan die stelsel 'n geruime tyd aan die slaap en herhaal die laaste twee stappe.

Ek het 'n klomp eksperimente met die stepper gedoen om seker te maak ek weet hoeveel stappe EINTLIK nodig is vir 'n enkele rotasie. Vir my stepper was dit 512 x 4 met die standaard Arduino Stepper -biblioteek. In die kode stel ek die RPM op 1. Alhoewel dit pynlik stadig is as u die klok instel, het hoër snelhede die neiging om meer stappe te mis.

Stap 10: Koppel dit aan en stel die tyd in

Nadat u die kode opgelaai het, sluit die kragtoevoer aan op die Arduino en die stepper. Steek alles in, insluitend die agterlig. Gebruik die afstandsbediening om die lig aan te skakel.

Al wat u hoef te doen is om op die knoppie te druk om die tyd en datum aan te pas. Maak net seker dat die huidige tyd op die buitenste plastiekbehuizing in lyn is met die maand en dag op die binneste akrielplaat. Baie geluk! U het 'n sterrekundige klok.

Sodra die tyd vasgestel is, moet u elke 8 sekondes pulse van die stepper kry om die sterveld by te werk. Dit is 'n stadige rotasie van 24 uur, dus moenie te veel aksie hierop verwag nie. Uiteraard kan u (en moet!) Die saak afhandel.

Soos ek gesê het, is dit 'n prototipe. Ek is oor die algemeen tevrede met die resultate, maar ek sal dit in die volgende weergawe 'n bietjie aanpas. As ek dit herbou, sal ek waarskynlik NEMA steppers gebruik in plaas van die cheap-o weergawes. Ek dink dat die houvermoë en betroubaarheid dit makliker sal maak om dit te gebruik. Die ratkas het goed gewerk, maar ek voel asof ek 'n bietjie te veel speel in die ratte wat ek ontwerp het. Ek sou dit waarskynlik ook anders doen.

Ten slotte wou ek die mense by die MTSU Walker Library bedank vir hul hulp om dit te bou. Ek het die Laser Etcher in hul Maker Space gebruik om die dele van akriel en hout te sny, en ek het baie produktiewe gesprekke gehad met Ben, Neal en die ander Makerspace -bende toe ek aan die klok dink.

Tweede prys in die klokwedstryd