Planeettapyöräkello: 6 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

(Vanhat) mekaaniset kellokoneet ovat uskomattoman mielenkiintoisia ja miellyttäviä katsella, mutta valitettavasti melkein mahdotonta rakentaa itse. Mekaanisista kelloista puuttuu myös nykyään saatavilla olevan tarkan digitaalitekniikan huolimattomuus. Tämä opastettava opas näyttää tavan yhdistää molempien maailmojen parhaat puolet; ajamalla mekaanisia kellon käsiä planeettavaihteiston läpi, jossa on askelmoottori ja Arduino!

Tarvikkeet

Yleiset komponentit:

• 5 mm puuta ja akryylilevyä
• M5 pultit (upotetut), aluslevyt ja mutterit
• PCB -erotukset
• Askelmoottorin M3 -ruuvit

Sähkökomponentit:

• Askelohjain (käytin L293d)
• Mikä tahansa Arduino
• Reaaliaikainen kello (käytin DS3231)
• Hall -tehosteanturi (käytin A3144)
• 5 mm: n neodiummagneetti
• Käyttäjän syöttöpainikkeet
• 10K vastus
• 100uf 25V kondensaattori
• DC -liitäntä
• 5V 2A DC virtalähde
• Akku RTC: lle (cr2032 minun tapauksessani)

Mekaaniset komponentit:

• Mikä tahansa 1,8 asteen askelmoottori 5 mm: n akselilla
• GT2 400 mm jakohihna
• GT2 60 -hampainen 5 mm: n akselipyörä
• GT2 20 -hampainen 5 mm: n akselipyörä
• 5x16x5 mm laakeri (3x)
• 5x16x5 mm laippalaakeri (2x)
• M5x50 kierretanko

Vaihe 1: Vaihteiden suunnittelu ja valmistus

Yksi tämän projektin tavoitteista oli saada yksi moottori, joka ajaa koko kelloa, samanlainen kuin todellinen mekaaninen kello, jossa yksi pakomekanismi ajaa koko kelloa. Minuutin osoittimen on kuitenkin tehtävä 12 kierrosta aikana, jonka tuntiosoitin tekee 1 kierrosta. Tämä tarkoittaa, että 1:12 vähennysvaihteistoa tarvitaan molempien käsien ajamiseen yhdellä moottorilla. Päätin tehdä tämän planeettavaihteistolla, mukana oleva video selittää kauniisti, miten tämäntyyppinen vaihteisto toimii.

Seuraava askel minulle oli määrittää hammasluku eri vaihteille, jotta suhde olisi 1:12. Tämä sivusto oli erittäin hyödyllinen ja sisältää kaikki tarvittavat kaavat. Kiinnitin aurinkovaihteen minuuttiosoitimeen ja planeettakannattimen tuntiosoitimeen jättäen rengaspyörän paikallaan. Tehdään vähän matematiikkaa!

• S = hammaspyörän hampaiden lukumäärä
• R = hammaspyörän hampaiden lukumäärä
• P = hammasluku hammaspyörällä

Välityssuhde (i) määräytyy seuraavasti:

i = S/R+S

Huomaa, että planeettahammaspyörien hampaiden lukumäärällä ei ole väliä välityssuhteella tässä tapauksessa, mutta meidän on kuitenkin noudatettava yleistä rajoitusta:

P = (R - S)/2

Jonkin hämmentämisen jälkeen päädyin käyttämään seuraavia numeroita: S = 10; R = 110; P = 50; Ne näyttävät olevan mahdollisen reunalla, koska planeetan hammaspyörien välillä on hyvin vähän tilaa, mutta se toimii!

Voit piirtää vaihteita suosikki CAD -ohjelmassasi, useimmissa niistä on erikoisvaihdelaajennuksia. Voit myös käyttää vain tähän oppaaseen liitettyjä tiedostoja. tietysti. Huomaa, että kaikilla vaihteilla on erilaiset koot, mutta niiden hammasväli on sama.

Ajattelin, että olisi mahtavaa tehdä nämä hammaspyörät 5 mm: n alumiinista, ja otin yhteyttä paikalliseen myymälään vesisuihkulla, jos he voisivat leikata nämä vaihteet minulle. Normaalisti et koskaan tee vaihteita vesileikkureilla, mutta nämä ovat erittäin heikkoja vaihteita. Yllättäen he suostuivat yrittämään, mutta tämä suunnitelma epäonnistui kauheasti. Osat olivat yksinkertaisesti liian pieniä vesisuihkulle ja alkoivat liikkua sen leikkaamisen aikana.

Tämä takaisku tarkoitti, että suunnitelman B aika oli, joten ostin noin 5 mm savunmusta akryylia ja löysin paikan laserleikkurilla, jolla ei ollut ongelmia hammaspyörien leikkaamisessa. Jos sinulla ei ole laserleikkuria saatavilla, voit todennäköisesti käyttää myös 3D-tulostinta näihin vaihteisiin, sisällytin STL-tiedostot (rengasvaihde on ehkä jaettava kolmeen osaan).

Leikkaamisen jälkeen painan asennetut laakerit planeettavaihteisiin. Oikean istuvuuden saamiseksi tein testikappaleen akryylia, jossa oli useita reikiä, joiden kummankin halkaisija oli hieman suurempi (askelmat 0,05 mm). Kun olin löytänyt oikean asennon, muutin planeettapyörien reiän koon tähän asetukseen. Tämä eroaa materiaalista ja konetyypistä, joten sinun tulee aina tehdä tämä itse.

Vaihe 2: Vaihdejärjestelmän kokoaminen

Vaihteiden kokoamiseen tarvitaan kellon runko. Nyt tämä on osa, jossa voit päästää luovuutesi villiksi, koska rungon muoto on suhteellisen merkityksetön, kunhan kaikki pultinreiät ovat oikeassa paikassa. I Valitsin tekemään paljon reikiä valintalevyyn ja takalevyyn korostaaksesi vaihteistomekanismia. Tämä on myös syy siihen, että planeettakannattimet ja minuutin käsi ovat eräänlaisia läpinäkyviä, mutta se näyttää myös hienolta!

Käytin jälleen laserleikkuria näiden osien valmistamiseen, ja koska akryyliosat olivat 5 mm paksuja, tein myös puiset osat 5 mm paksuiksi. Kaikki valintalevyn ja planeettakannattimen reiät upotettiin sopivien pulttien sijoittamiseksi.

Kellon keskiakseli kulkee kahdessa laakerissa planeettakannattimien sisällä. Koska tein tämän akselin 5 mm: n tangosta, se sopii todella tiukasti laakereihin, enkä voinut enää purkaa näitä osia. Olisi paljon helpompaa käyttää vain pala M5 -lankaa, koska sinun ei myöskään tarvitse katkaista omaa lankaa enää (jos vain tajusin etukäteen …..). Jotta aurinkopyörä ei pyöri akselin ympäri, siinä on D-muotoinen reikä, joten akseli on myös viilattava tähän D-muotoon. Kun aurinkopyörä sopii akselin ympärille, voit koota akselin, älä unohda planeettakannattimia, jos käytät laippalaakereita! Katso kokoonpano -ohjeet räjäytyskuvasta.

Kun keskiakseli on asennettu, planeetan vaihteiden aika. Nämä tarvitsevat myös pieniä aluslevyjä, aivan kuten keskiakselin, varmistaakseen, että vaihteet toimivat sujuvasti. Kun kaikki on asennettu planeettakannattimiin, tarkista, toimivatko planeetta- ja aurinkopyörät sujuvasti.

Keskiosa voidaan nyt asentaa kellokehykseen. Tämä on työlästä työtä, mutta pulttien kiinnittäminen etulevyn läpi ja teippaus paikoilleen auttaa paljon. Voi myös olla hyödyllistä nostaa etulevyä, jotta minuuttiosoitimelle saadaan tilaa. Valokuvat osoittavat, että laitoin kuusi pientä paperia hammaspyörän ja takalevyn väliin, jotta hammaspyörille jää hieman tilaa. Kun asetat planeettakannattimen paikalleen, varmista, että valitsimet osoittavat järkevään paikkaan (jos minuuttiosoitin osoittaa 12, tuntiosoitin ei saa olla kahden esimerkin välillä)

Vaihe 3: Stepperin ja anturin liittäminen

Nyt kun meillä on vaihdemekanismi, joka ohjaa kädet oikein, meidän on silti ajettava vaihde mekanismia oikein. Erilaisia sähkömoottoreita voitaisiin käyttää, valitsin askelmoottorin, koska se voi tehdä tarkkoja liikkeitä ilman jatkuvia kulmapalauteantureita. Askelmoottori voi myös tuottaa todellisen "Click" -äänen, mikä sopii erinomaisesti puolimekaaniseen kelloon!

Tavallinen askelmoottori voi tehdä 200 askelta kierrosta kohden, mikä tarkoittaa 200 askelta tunnissa, jos kytket sen minuuttiosoitimeen. Tämä merkitsisi 18 sekunnin välin askelta kohti, mikä ei vielä kuulosta tikittävältä kellolta. Siksi käytin askelmoottorin ja minuuttiosoitinten välistä 1: 3 -lähetystä, joten askelmoottorin on tehtävä 600 askelta tunnissa. Puolivaihetilassa tätä voidaan nostaa 1200 askeleen tunnissa, mikä vastaa yhtä askelta 3 sekuntia kohden. Kuulostaa paremmalta!

Yksi askelmoottorien ongelma on, että et koskaan tiedä missä ne ovat, kun käynnistät Arduinon. Siksi kaikilla 3D-tulostimilla on päätepysäkit, joten voit siirtää tulostimesi tunnettuun paikkaan ja jatkaa sitten tästä kohdasta. Tätä tarvitaan myös kellossa, vain lopetus ei toimi, koska kellon tulee pyöriä jatkuvasti. Tämän asentotunnistuksen toteuttamiseksi käytin A3144 Hall-efektianturia, joka tunnistaa planeettakannattimeen kiinnitetyn magneetin (tarkista napaisuus!…). Tätä käytetään siirtämään kädet tiettyyn asentoon käynnistyksen yhteydessä, minkä jälkeen ne voivat siirtyä tarvittavaan aikaan.

Kokoaminen on hyvin yksinkertaista; Kiinnitä askelmoottori takalevyyn jättäen ruuvit hieman löysälle. Sitten voit asentaa pienen hihnapyörän askelmoottorin akselille ja tarkistaa, onko jakohihna suora. Nyt voit liu'uttaa askelmoottoria säätääksesi jakohihnan kireyttä. Jakohihna tarvitsee pientä leikkiä varmistaaksesi, ettet rasita vaihteita. Pelaa tällä asetuksella, kunnes olet tyytyväinen, ja kiristä sitten askelmoottorin ruuvit kokonaan.

Hall-efektianturi on liimattu paikalleen. On parasta juottaa ensin kolme johtoa anturiin varmistaen, että lämpö kutistuu anturin jokaisen jalan ympärille, jotta ne eivät voi oikosulkea toisiaan. Juottamisen jälkeen anturi voidaan liimata paikalleen. Sillä ei ole väliä, kumpi puoli on ylöspäin, kunhan et ole vielä kiinnittänyt magneettia. Kun olet liittänyt anturin paikalleen, liitä se Arduinoon tai pieneen LED -piiriin testataksesi, toimiiko se. (HUOMAUTUS: Hall -tehosteanturi toimii vain, jos magneettikentän linjat kulkevat oikeaan suuntaan). Tarkista tämän testipiirin avulla, kuinka magneetti tulee liimata. Kun olet täysin varma, kumman puolen magneetin tulee olla anturia kohti, liimaa magneetti paikalleen.

Vaihe 4: Elektroniikka, joka tekee kellon tikin

Voit käyttää hyvin yksinkertaista Arduino -koodia, joka tekee puolivaiheen moottorin kanssa ja kestää sitten 3000 millisekunnin viiveen seuraavaan vaiheeseen. Tämä toimisi, mutta se ei ole kovin tarkka, koska sisäinen Arduino -kello ei ole erittäin tarkka. Toiseksi Arduino unohtaisi ajan joka kerta, kun se menettää virran.

Ajan seuraamiseksi on parasta käyttää reaaliaikaista kelloa. Nämä asiat ovat erityisesti suunniteltuja siruja, joissa on vara-akku, jotka pitävät tarkasti ajan. Tätä projektia varten valitsin DS3231 RTC: n, joka voi kommunikoida Arduinon kanssa i2c: n kautta, mikä helpottaa johdotusta. Kun olet asettanut kellon ajan oikein sirulle, se ei koskaan unohda kellonaikaa (niin kauan kuin cr2032 -akussa on mehua jäljellä). Katso tältä sivustolta kaikki tämän moduulin tiedot.

Askelmoottoria ajetaan L293d -moottoriajurilla. Jotkut edistyneemmät askelmoottoriohjaimet käyttävät PWM-signaalia mikroaskelmaan ja virranrajoitukseen. Tämä PWM -signaali voi aiheuttaa ärsyttävän piippausäänen, jonka jokainen valmistaja tuntee (varsinkin jos omistat 3D -tulostimen). Koska tämän kellon on tarkoitus olla osa sisustustasi, ikäviä ääniä ei haluta. Siksi päätin käyttää matalan teknologian l293d-moottoriajuria varmistaakseni, että kelloni on hiljainen (3 sekunnin välein tapahtuvan askeleen lisäksi, mutta se on todella nautittavaa!). Katso tältä sivustolta yksityiskohtainen kuvaus l293d -sirusta. Huomaa, että käytän askelmoottoriani 5 V: lla, mikä alentaa askelmoottorin virrankulutusta ja lämpötilaa.

Kuten aiemmin mainittiin, käytän Hall-tehosteanturia havaitsemaan planeettakannattimeen liimattu magneetti. Anturin toimintaperiaate on hyvin yksinkertainen, se muuttaa tilaa, kun magneetti on riittävän lähellä. Tällä tavalla Arduino voi tunnistaa digitaalisen korkean tai matalan ja havaita siksi, onko magneetti lähellä. Tutustu tähän sivustoon, joka näyttää anturin liittämisen ja näyttää yksinkertaisen koodin, jota käytetään magneetin havaitsemiseen.

Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, lisäsin piirilevyyn 4 painiketta käyttäjän syöttämiseksi. He käyttävät Arduinon sisäisiä vetovastuksia yksinkertaistamaan johdotusta. Piirilevyssäni on myös Uno -kokoonpanon otsikot, joten voisin lisätä Arduino -kilvet mahdollisiin laajennuksiin (en ole tehnyt tätä toistaiseksi).

Testasin ensin kaiken leipälaudallani ja sitten suunnittelin ja tilasin mukautetun piirilevyn tähän projektiin, koska se näyttää mahtavalta! Voit myös kiinnittää piirilevyn kellon taakse, jos et halua katsoa sitä.

Piirilevyn Gerber -tiedostot voidaan ladata asemaltani, Instructables ei anna minun ladata niitä jostain syystä. Käytä tätä linkkiä Google -asemaan.

Vaihe 5: Arduinon ohjelmointi

Arduinon peruskoodi on itse asiassa hyvin yksinkertainen. Liitin kaavion, joka visualisoi, mitä Arduinon sisällä tapahtuu ja miten Arduino on yhteydessä muihin laitteisiin. Käytin useita kirjastoja yksinkertaistamaan koodausta.

• Accelstepper -> käsittelee askelmoottorin askeljärjestystä, antaa sinulle intuitiivisia komentoja, kuten: Stepper.runSpeed () tai Stepper.move (), joiden avulla voit liikkua tietyllä nopeudella tai tiettyyn asentoon.
• Lanka -> tätä tarvitaan i2c -kommunikointiin, myös käytettäessä RTClibiä
• RTClib -> käsittelee Arduinon ja RTC: n välistä tiedonsiirtoa, antaa sinulle intuitiivisia komentoja, kuten rtc.now (), joka palauttaa nykyisen ajan.
• OneButton -> Käsittelee painikkeita, havaitsee painallukset ja suorittaa sitten ennalta määritetyn tyhjiön tehdäkseen jotain. Tunnistaa yhden, kahden tai pitkän painalluksen.

Kun kirjoitat koodia kellolle, on erittäin tärkeää välttää muuttujien lisääntymistä. Koska Arduino -koodi toimii ympäri vuorokauden, nämä muuttujat suurenevat nopeasti ja aiheuttavat lopulta ylivuotoa. Esimerkiksi askelmoottoria ei koskaan käsketä siirtymään tiettyyn asentoon, koska tämä asento vain kasvaisi ajan myötä. Sen sijaan askelmoottoria käsketään siirtämään tietty määrä portaita tiettyyn suuntaan. Tällä tavalla ei ole sijaintimuuttujaa, joka kasvaa ajan myötä.

Kun liität RTC: n ensimmäistä kertaa, sinun on asetettava sirun aika, voit palauttaa koodin, joka asettaa RTC -ajan samaksi kuin tietokoneaika (aika koodin kokoamishetkellä). Huomaa, että kun jätät tämän huomautuksettomaksi, RTC -aika nollataan aina siihen aikaan, jolloin koot koodisi joka kerta. Joten poista tämä kommentti, suorita se kerran ja kommentoi sitten uudelleen.

Liitin koodini tähän Instructableen, kommentoin sitä perusteellisesti. Voit ladata sen ilman muutoksia tai tarkistaa sen ja katsoa mitä mieltä olet!

Vaihe 6: Nauti kellosi tikittämisestä ensimmäistä kertaa

Kun olet liittänyt kaiken elektroniikan ja lähettänyt koodin, tämä on tulos!

Tämän kellon perussuunnittelu on hyvin yksinkertainen ja se voidaan valmistaa monessa eri muodossa ja koossa. Koska koneessa on Arduino, voit myös helposti lisätä lisäominaisuuksia. Kun asetat hälytyksen, anna kellon käynnistää kahvinkeitin asetettuna aikana, internetyhteys, viileät esittelytilat, jotka korostavat mekaanista liikettä näyttääksesi suunnittelusi muille ja paljon muuta!

Kuten olet ehkä huomannut koko tämän ohjeen, minun oli purettava kelloni erilleen tämän ohjeen kirjoittamisen vuoksi. Vaikka valitettavasti tämä Instructable on, voin ainakin taata, että muotoilu toimii erittäin hyvin pitkällä aikavälillä, koska tämä kello on tikannut yli 3 vuotta olohuoneessani ilman ongelmia!

Kerro minulle kommenteissa, jos pidit tästä Instructable -ohjelmasta, se on ensimmäinen kerta, kun kirjoitan sellaisen. Lisäksi jos sinulla on vinkkejä tai kysymyksiä, lähetä minulle viesti. Ja toivon, että inspiroin jotakuta rakentamaan myös puolimekaniikan kellon jonain päivänä!

Ensimmäinen palkinto kellokilpailussa