Astronomski sat: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

Ubrzo nakon što su u 14. stoljeću izmišljeni prvi mehanički satovi, izumitelji su počeli tražiti načine za predstavljanje kretanja neba. Tako je nastao astronomski sat. Možda najpoznatiji astronomski sat stvoren je u Pragu oko 1410. Umjesto da samo prikaže koliko je sati, on također prikazuje relativni položaj zvijezda dok se Zemlja okreće oko svoje osi i okreće oko Sunca.

U ovom ćete projektu naučiti kako stvoriti astronomski sat koji možete imati u svom domu. Prikazuje kartu zvijezda koje su trenutno na nebu - danju ili noću. Karta neba se mijenja kako se Zemlja okreće. Projekt uključuje mehaničke, elektroničke i softverske komponente. Za dovršetak projekta trebat će vam pristup 3D pisaču, laserskom rezaču i nekim alatima za obradu drveta. Također sam koristio Python za stvaranje zvjezdanih karata i dizajn ugrađen u sat. Možda mi je najdraži dio projekta bila integracija svih ovih tehnologija zajedno.

Ovaj je projekt bio potpuno originalan. Napisao sam softver za pokretanje sata, stvorio dizajn lasera za kućište, pa čak i zupčanike i pogon. Napisao sam i softver za izradu zvjezdane karte.

Konačni rezultat činio se vrijednim vremena koje sam proveo sastavljajući ga.

Korak 1: Okupljanje dijelova

Za ovaj projekt trebat će vam sljedeće zalihe:

2 - komada akrila 11x14 (debljine 0,093 inča)

1 - 1x6 ploča duga 6 stopa.

1 - Arduino Uno

1 - Modul sata u stvarnom vremenu

1 - koračni motor 28bjy -48

1 - upravljač koraka - UNL2003

Napajanje 1 - 5 volti

LED traka od 1 do 36 inča

List šperploče 1 - 1/4 inča - 2x4 ft

Metalna osovina 1 - 8 mm

2 - 608 kuglični ležajevi

1 - komadići crne pjenaste ploče - oko 12 x 12 inča

Ostalo: žica, vijci za drvo (#6 x 1 1/4 inča), vrećica strojnih vijaka 6x32 x 0,75 inča + matice, druga vreća strojnih vijaka 4x40 x 0,75, mrlja za drvo (izborno)

Također će vam biti potrebni sljedeći alati:

Pristup 3D pisaču

Pristup laserskom bakrorezu za rezanje 1/4 akrila i drva

Stolna pila + usmjerivač za stvaranje kućišta sata

Korak 2: Ispišite zupčanike i plastične dijelove

Za početak ćete morati ispisati zupčanike i plastične dijelove za sat. Za sat sam koristio Prusa I3 MK3, Slic3r i PETG. Međutim, gotovo svaka varijacija trebala bi dobro funkcionirati za ovaj projekt. Primarno ograničenje je to što vam je potreban veliki krevet za ispis da biste stvorili držač ploče i opremu sa 72 zuba.

Ovo je brzi opis datoteka koje trebate ispisati:

držač ležaja - držač ležaja drži dva ležaja 608 za podupiranje pogonske osovine. Pričvršćuje se na stražnju stranu srednje ploče sata.

spojnica - Ovaj plastični komad povezuje držač ploče i zupčanik sa 72 zupčanika. Dug je 25 mm, pa je dizajniran za sat s razmakom od 2 inča između prednje ploče i srednje ploče koja drži ležajeve.

držač ploča - držač ploča spaja akrilnu ploču i njezinu podlogu s pogonskom osovinom.

držač vratila - Ovo je turpija za prsten promjera 8 mm koji se koristi za držanje osovine na mjestu dok prolazi kroz držač ležaja. Za projekt morate ispisati dvije ove stavke.

Zupčasti zupčanik (18 zubaca) - Ovo stiskanje zupčastog zupčanika pristaje na osovinu koračnog motora.

Spur Gear (72 zuba).- Ovaj zupčanik spaja se s pogonskom osovinom sata i okreće držač ploče i akrilnu ploču.

držač motora - ploča za držanje koračnog motora

Osnovni mehanički dizajn prikazan je na gornjim dijagramima. Prednja ploča je pričvršćena na dio zvjezdane karte koji se okreće (Rete). To je preko vratila spojeno na zupčanik sa 72 zuba. Koračni motor (28BYJ48) pokreće zupčanik sa 18 zuba koji pokreće sat. Sam motor sjedi u ploči držača motora tako da se može namjestiti na središnju ploču sata.

Sustav nosača ležaja koji drži osovinu pričvršćen je vijcima na središnju ploču unutar sata. Koriste se normalni ležajevi 608 (vanjski promjer 22 mm, unutarnji promjer 8 mm, debljina 7 mm) koji idu s unutarnje i vanjske strane nosača medvjeda. Vratilo se spaja s zupčanicima, a sve je zalijepljeno na vratilo kako bi sve to držalo zajedno.

Zupčanici i plastični dijelovi stvoreni su pomoću Fusion 360. Malo sam nov u softveru, ali dodatni alat za generiranje zupčanika bio je jako dobar za sastavljanje ovoga. Shvaćanje načina korištenja softvera za mene je bila jedna od primarnih svrha ovog projekta.

Datoteci dizajna za 3D dijelove možete pristupiti ovdje: astronomski sat Fusion 360

Korak 3: Laserskim izvlačenjem akrilnih dijelova

Akrilni predlošci za Rete (dio sa zvijezdama) i ploču (prednji dio) pričvršćeni su gore. Ova je zvjezdana karta postavljena na zemljopisnu širinu od oko 40 stupnjeva sjeverno i trebala bi raditi prilično dobro za većinu ljudi. Same karte su generirane pomoću softvera koji sam napisao u pythonu.

github.com/jfwallin/star-project

Ne bih preporučio kopanje ako ne volite Python kodiranje i astronomiju. Još nije sve dobro dokumentirano, ali je dostupno ako ga želite koristiti. Puno sam vremena proveo radeći na estetskim pitanjima poput veličine zvijezde, fontova, lokacije naljepnica itd. Rezultat se činio sličnim bilo kojoj drugoj planisferi, a zasigurno bi i drugi dizajni planisfere radili za ovaj projekt.

U osnovi postoje dvije kategorije datoteka:

ploča - Komadi na kojima je otisnuta zvjezdana karta.

rete - Komadići na kojima je otisnut prozor kroz koji gledate zvijezde.

NE morate ih sve ispisivati, ali mislio sam da bi moglo biti korisno uključiti ih u različite formate.

Nakon što sam proizveo Rete and Plate pomoću python koda, uvezao sam ga u Adobe Illustrator kako bih dodao grafičke elemente potrebne za jetkanje. Okrenuo sam zvjezdanu kartu koja je ugravirana na stražnjoj strani akrila kako bi pozadinsko osvjetljenje izgledalo ljepše.

Ako nemate pristup laserskom bakrorezu, možete samo ispisati ploču i ponovno na papir, a zatim ih zalijepiti na podlogu od šperploče. Ne bi imao sjajni akrilni izgled, ali bi ipak, ali ipak bio lijep sat koji bi imao na plaštu da vam prikazuje rotaciju zvijezda svaki dan. Urezivanje metalnog dizajna dat će satu hladan parni punk izgled.

(Napomena: došlo je do ispravke u predlošku akrilne ploče koja je dodana nakon što su neke slike snimljene.)

Korak 4: Laserski izdubite drvene dijelove

Datoteke Adobe Illustrator za dijelove sata od šperploče dodane su gore. Postoje četiri dijela šperploče koje je potrebno laserski rezati. Za izradu ovih dijelova mogli biste jednostavno upotrijebiti CNC stroj ili čak ondje rezati stolnom pilom i pilom za pomicanje. Vi samo trebate uskladiti ispisane dijelove s ploče posljednjeg koraka i prednje strane sata.

iverica sa stražnjim satom-Ovo je samo list dimenzija 11x11 inča od 1/8 šperploče koji služi kao stražnji dio sata. Na to sam stavio zvjezdani dizajn, jer je izgledao super.

šperploča sa središnjim satom-Ovo je također list šperploče dimenzija 11x11, ali izrezao sam ga od šperploče 3/8 inča. U sredini ima otvor promjera 9 mm za pogonsku osovinu. Na ovaj su dio montirani koračni motor, pogonsko vratilo i elektronika za sat.

iverica sa prednjom stranom sata-Ovo je prednji dio sata. Opet, ovo je komad 1/8 dimenzija 11x11 inča u šperploči. Ima kružnu rupu u sredini zajedno s 4 rupe za vijke 6x32 koji pričvršćuju ploču s prednje strane.

ploča od šperploče sa satom-Ovaj komad šperploče (1/8 inča) omogućuje vam postavljanje ploče od pleksiglasa. Konačno ćete sendvič staviti komad crne pjenaste ploče između šperploče i akrila. Ovaj se dio također montira na držač za 3D tiskanu ploču.

Korak 5: Sastavite kućište sata

Kutija koja drži sat izrađena je od 1x6 komada drva dugačkog oko 6 stopa.

Osnovna ideja je napraviti kutiju koja drži drvene komade 11x11 inča u dado utorima. Svoju sam kutiju dimenzionirao tako da vanjska dimenzija iznosi 12 inča, a unutarnja 10,5 inča. Svi dijelovi sata trebaju imati tri dado utora. Za svoju verziju moram iscrtati komade drva dimenzija 12x6x0,75 i dva komada drva dimenzija 10,5x6x1.

Utori za prednju i stražnju stranu sata nalaze se oko 1/2 inča od prednje i stražnje strane drvenih komada. Za izradu ovih utora koristio sam 1/8 usmjerivač na stolu usmjerivača. Nakon što sam provjerio pristajanje šperpločom, pomaknuo sam ogradu stola usmjerivača za mrvicu (oko 1/32 inča u jedinicama Imperial), a zatim je ponovno prošao.

Središnji dado utor koji drži središnju ploču također je izrezan na stolu za usmjeravanje. Budući da sam za ovaj komad koristio 3/8 u šperploči, dodatno sam prilagodio ogradu stola usmjerivača kako bih napravio širu rupu. Imate približno 2 inča prostora između ploče za font i središnje ploče u kutiji, pa prema tome prilagodite tablicu.

Za oba reza napravio sam nekoliko prolaza za svaku ploču. Također sam nekoliko puta prošao ploče kako bih se uvjerio da su rezovi čisti.

Dados za dvije bočne ploče bile su za cijelu dužinu ploče. Međutim, za dulje gornje i donje dijelove, upotrijebio sam dva bloka na stolu za glodanje kako bih zabio oštricu u drvo otprilike 1/2 inča od početka i kraja drvenih komada. U osnovi, nisam želio da utori budu vidljivi s vanjske strane kućišta. Svi su utori duboki oko 1/4 za držanje šperploče.

Nakon što izrežete komade, privremeno sastavite kućište i grubo izbrusite svaki rub koji bi mogao stršiti. Također ćete htjeti skinuti oštre rubove sa vanjskih dijelova kućišta sata. Kad ste zadovoljni s kućištem, skinite gornju ploču i pobrinite se da ploče od šperploče zaista stanu u utore koje ste usmjerili. Otkrio sam da moram skinuti 1/8 s tanjura stolnom pilom kako bi stvari udobno stale u kutiju koju sam stvorio.

Budući da je ovo bio prototip, presjekao sam nekoliko uglova prilikom izrade slučaja u ovom projektu. Koristio sam topolu za svoj sat, ali samo zato što sam u mojoj trgovini imao dostupnu ploču. Ljepše bi izgledalo u trešnji ili orahu. Također sam koristio samo jednostavne vijčane spojeve za držanje zajedno s jednostavnom konstrukcijom preklapanja. Vijaci će se nalaziti na vrhu i dnu sata, tako da se neće jako primijetiti kada je na plaštu kraj mog kamina. (Također, jesam li spomenuo da je ovo prototip?). Sljedeća verzija sata će koristiti mitered spojeve.

Korak 6: Sastavite mehaničke dijelove za sat

Sklapanje mehaničkih dijelova satova traje nekoliko minuta, ali relativno je ravno prema naprijed.

Spojite zvjezdastu ploču, ploču od šperploče, zupčanik sa 72 zubaca i držač plastične ploče zajedno:

1. Koristeći držač ploče od šperploče kao predložak, izrežite komad ploče od jezgre od crne pjene iste veličine. Ja sam Exacto nož za stvaranje ovog komada, ali svitak bi mogao djelovati jednako dobro. (Važna napomena: NEMOJTE LASEROM IZREZATI PJENU JEDRU. Proizvodi otrovne pare.)
2. Drveni držač ploča postavite u središte za 3D tiskani nosač ploča. Izmjerite, a zatim izbušite četiri rupe za vijke kako biste ih poravnali s onima u plastičnom nosaču. Pričvrstite plastični nosač na držač ploče od šperploče pomoću 6x32 1-inčnog vijka i matica. Izrežite male rupe na pjenastoj ploči kako biste smjestili glave vijaka.
3. Spojite akrilnu zvjezdanu ploču, pjenastu ploču s otvorima za vijke u njoj i ploču od šperploče. Na ploči od šperploče i na ploči od akrilne zvijezde postoje četiri rupe. Morat ćete upotrijebiti vijke od 6 inča od 1 inča za povezivanje ovih dijelova. Naravno, morat ćete izbušiti rupu kroz pjenastu jezgru i kroz građevinski papir na odgovarajućim mjestima.
4. Spojnicu zalijepite na nosač ploče. Dodao sam toleranciju od 0,1 mm između jezičaka i rupa kako bih bio siguran da ovo dobro pristaje.
5. Zalijepite zupčanik sa 72 zubaca na nosač. Time će se dovršiti montaža ploče sa zvjezdicom sata. Koristio sam ljepilo Gorilla za cementiranje zupčanika sa 72 zuba, spojnice i nosača ploča.

Korak 7: Počnite sastavljati kućište za sat

Sastavite prednju ploču: Pričvrstite akrilni rete na prednju ploču sata od šperploče pomoću četiri vijka i matica od 6 x 32 inča (ili čak 3/4 inča).

Dodajte LED traku s pozadinskim osvjetljenjem: Uzmite LED traku i pričvrstite je između srednje ploče sata i prednje ploče sata. (Možda će vam pomoći ukloniti prednju ploču sata.). Provjerite je li traka dobro pričvršćena i ne ometa rotaciju mehanizma sata ili koračnog motora. Možda ćete htjeti držati spajalice ili ljepilo da ih držite na mjestu. Stavite prednju stranu šperploče s akrilnim reteom u kućište sata. Srednju ploču sa satnim mehanizmom stavite i u kućište sata. Pažljivo provucite žicu za napajanje LED trake kroz srednju ploču. Za to je na dnu ploče postavljena rupa.

Korak 8: Sastavite srednju ploču i ožičite sat

Sada je vrijeme da sastavite srednju ploču sata. To uključuje mehaničku podršku pogonske osi i motora, zajedno s elektronikom ožičenja za projekt.

Nosač ležaja i koračni motor postavite na srednju ploču: Pričvrstite koračni motor na srednju ploču pomoću dva vijka i matice 6x32. Povucite žicu od stepera do stražnje strane ploče. Uzmite 3D tiskani držač ležaja i stisnite dva ležaja 608 u prednji i stražnji dio držača. Možda ćete morati prilagoditi ovaj dio ako je vaš 3D pisač malo isključen, međutim uspio sam se dobro uklopiti koristeći PETG i moj Prusa pisač. Pričvrstite držač na stražnju stranu srednje ploče. Montirajte satne mehanizme na pogonsko vratilo: Gurnite metalnu osovinu od 8 mm kroz zupčanik sa 72 zuba i kroz plastičnu ploču s rupama tako da se naslanja uz držač ploče od šperploče. Drugi kraj metalne osovine od 8 mm postavite kroz središnju ploču i držač ležaja. Postavite središnju ploču u kutiju pazeći da ima dovoljno prostora da se zvjezdasti kotač okreće iza vijaka koji drže prednji plastični uložak na mjestu. Izmjerite i označite mjesto za rezanje vratila tako da udobno stane u kutiju. Morat ćete imati dovoljno osovine za lijepljenje dva komada brave vratila prije i poslije ležaja. Nakon što ste izvršili ovo mjerenje, uklonite sklop zupčanika/ploče i izvadite vratilo iz držača ležaja. Izrežite osovinu pomoću pile tako da potpuno stane u kućište, ali također ima sekundu od 0,5 do 1 cm koja strši sa stražnje strane držača ležaja. Nakon što je osovina odrezana na odgovarajuću duljinu, ponovno postavite ploču/zupčanik sa 72 zupca na ploču i zalijepite je na mjesto. Dodajte bravu vratila odmah iza sklopa, a zatim provucite vratilo kroz držač ležaja. Nakon što ste ponovno potvrdili pristajanje, zalijepite bravu vratila na vratilo. Zalijepite drugu bravu vratila na vratilo iza držača ležaja.

Redoslijed mehanizma sata bit će sljedeći:

1. akrilna ploča
2. ploča od jezgre od pjene
3. držač ploča od šperploče
4. 3D tiskani držač za ploče
5. spojnica
6. Zupčanik sa 72 zuba
7. bravica vratila
8. ležaj središnje potporne ploče + držač ležaja + brava osovine ležaja
9. bravica vratila

Kao posljednji korak, pritisnite zupčanik sa 18 zubaca na koračni motor. Namjestite i zategnite koračni motor tako da se zupčanici sa 72 i 18 zubaca spoje zajedno i glatko se kreću. Pritegnite vijke koračnog motora na mjesto.

Ožičite elektroniku:

Shema ožičenja sata relativno je jednostavna. Morate spojiti modul sata u stvarnom vremenu na pinove SDA i SCL, zajedno s +5 volti i masom na Arduinu. Također morate spojiti pinove IN1 preko IN4 na upravljačkom programu koraka UNL2003A na pinove 8 do 11 na Arduinu, zajedno s uzemljenjem. Prekidač i otpornik od 1 k Ohma potrebno je spojiti između mase i pina 7 Arduina. Konačno, potrebno je napajanje priključiti na ploču UNL 2003A i na Arduino iz izvora napajanja od 5 volti.

Evo detaljnijeg skupa opisa:

1. Lemite žicu s jedne strane gumba. Pričvrstite ovo na pin 7 na Arduinu.
2. Lemite 1k otpornik s druge strane pritisne tipke tako da je ulazni gumb uzemljen kad se ne pritisne. S druge strane gumba, privežite ga na +5 volti..
3. Spojite četiri žice između pinova 8, 9, 10 i 11 na UNL 2003A pinove IN1, IN2, IN3 i IN4.
4. Spojite SCL i SDA točke na modulu sata u stvarnom vremenu s ispravnim pinovima na Arduinu.
5. Spojite uzemljenje Arduina na Modul sata u stvarnom vremenu i na ploče UNL 2003A.
6. Napravite razdjelnik snage za napajanje od 5 volti (2 ampera bi trebala biti dovoljna) i spojite ga na Arduino i UNL 2003A ploču.
7. Na kraju, morate priključiti LED napajanje kroz srednji sloj sata i navoj na stražnju stranu kućišta. Želite da LED kontroler strši straga kako biste mogli promijeniti raspored osvjetljenja na satu.

Morat ćete priključiti +5 volti na stepper driver i +6 do +12 volta na Arduino. Bezuspješno sam pokušao upotrijebiti jedno napajanje za to, ali vjerojatno bih za stepper koristio sustav od 2 ampera od 7 volti s regulatorom snage da imam malo više vremena.

Pazite da napetost između motora i zupčanika nije pretijesna niti previše izgubljena. Dvaput provjerite sve. Kad su sve žice postavljene i dijelovi učvršćeni, pažljivo gurnite sklop na mjesto.

Međutim - nemojte još spajati napajanje. Moramo prvo programirati ploču

Korak 9: Programirajte Arduino

Programiranje Arduina bilo je prilično jednostavno. Kod funkcionira ovako:

1. Kad se kôd pokrene, on inicijalizira brojač koraka i ugrabi vrijeme iz modula sata u stvarnom vremenu. Broj koraka za motor se također inicijalizira, zajedno s nekoliko drugih varijabli o sustavu.
2. Vrijeme se pretvara iz lokalnog vremena u lokalno sideričko vrijeme. Budući da se Zemlja okreće oko Sunca dok se okreće oko svoje osi, vrijeme potrebno za rotaciju zvijezda je oko 4 minute kraće od vremena koje je potrebno za okretanje Sunca u (srednji) položaj. Potprogram Sidereal vremena u kodu izmijenjen je s ove web stranice. Međutim, bilo je nekoliko pogrešaka u kodu, pa sam ažurirao kako bih upotrijebio potpuni približni algoritam Sidereal Time koji je izradio US Naval Observatory.
3. Kada glavna petlja započne, izračunava koliko je vremena prošlo (u Sidereal satima) od uključivanja sata. Zatim gleda trenutni brojač koraka i izračunava koliko koraka treba dodati kako bi rotacija sata bila usklađena s trenutnim vremenom. Ovaj broj koraka šalje se Arduinu za pomicanje diska.
4. Ako se gumb pritisne u glavnoj petlji, disk će se kretati brže prema naprijed. To vam omogućuje da postavite disk na trenutno vrijeme i datum. Sat ne čuva broj koraka nakon resetiranja napajanja, a nema ni kodera koji bi označio apsolutni položaj diska. Mogu to dodati u budućoj verziji projekta.
5. Nakon pomicanja sata, sustav prelazi u stanje mirovanja neko vrijeme i ponavlja posljednja dva koraka.

Napravio sam hrpu eksperimenata sa stepperom kako bih bio siguran koliko sam koraka ZAISTA potrebno za jednu rotaciju. Za moj steper to je bilo 512 x 4 sa standardnom Arduino Stepper knjižnicom. U kodu sam postavio broj okretaja na 1. Iako je ovo bolno sporo pri postavljanju sata, veće brzine imale su više propuštenih koraka.

Korak 10: Uključite ga u struju i postavite vrijeme

Nakon što učitate kôd, spojite napajanje na Arduino i steper. Uključite sve, uključujući pozadinsko svjetlo. Uključite svjetlo pomoću daljinskog upravljača.

Sada sve što trebate je pritisnuti gumb za usklađivanje vremena i datuma. Samo provjerite je li trenutno vrijeme na vanjskoj plastičnoj posudi usklađeno s mjesecom i danom na unutarnjoj akrilnoj ploči. Čestitamo! Imate astronomski sat.

Nakon što je vrijeme postavljeno, trebali biste dobivati impulse od stepera svakih 8 sekundi za ažuriranje zvjezdnog polja. To je SLOKA 24 -satna rotacija, stoga ne očekujte puno radnji po tom pitanju. Očigledno, možete (i trebali biste!) Završiti slučaj.

Kao što sam rekao, ovo je prototip. Općenito sam zadovoljan njegovim rezultatima, ali u sljedećoj verziji bih to malo prilagodio. Kad ga obnovim, vjerojatno ću koristiti NEMA stepere umjesto jeftino-o verzija. Mislim da bi ih moć držanja i pouzdanost učinili lakšima za korištenje. Mjenjač je dobro funkcionirao, ali osjećam se kao da sam stavio previše igre u zupčanike koje sam dizajnirao. Vjerojatno bih to učinio i drugačije.

Na kraju, htio sam zahvaliti ljudima iz knjižnice MTSU Walker na pomoći u izgradnji ovoga. Koristio sam Laser Etcher u njihovom Maker Spaceu za izradu akrilnih i drvenih dijelova i imao sam mnogo produktivnih razgovora s Benom, Nealom i ostatkom Makerspace bande kada sam razmišljao o satu.

Druga nagrada na natjecanju satova