Planetinis pavarų laikrodis: 6 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

(Seni) mechaniniai laikrodžiai yra nepaprastai įdomūs ir malonūs žiūrėti, tačiau, deja, beveik neįmanoma jų pasigaminti. Mechaniniams laikrodžiams taip pat trūksta šiandienos prieinamos tikslios skaitmeninės technologijos neatsargumo. Ši instrukcija parodo būdą, kaip sujungti geriausius iš abiejų pasaulių; vairuodami mechaninį laikrodžio rodyklę per planetinę pavarų dėžę su žingsniniu varikliu ir „Arduino“!

Prekės

Bendrieji komponentai:

• 5 mm medžio ir akrilo lakštas
• M5 varžtai (įdubę), poveržlės ir veržlės
• PCB skirtumai
• M3 varžtai žingsniniam varikliui

Elektriniai komponentai:

• „Stepper“tvarkyklė (naudojau L293d)
• Bet kokio tipo „Arduino“
• Laikrodis realiuoju laiku (naudoju DS3231)
• Holo efekto jutiklis (naudojau A3144)
• 5 mm neodžio magnetas
• Vartotojo įvesties mygtukai
• 10K rezistorius
• 100uf 25V kondensatorius
• DC lizdas
• 5V 2A DC maitinimo šaltinis
• RTC baterija (mano atveju cr2032)

Mechaniniai komponentai:

• Bet kokio tipo 1,8 laipsnio žingsninis variklis su 5 mm ašimi
• GT2 400 mm paskirstymo diržas
• GT2 60 dantų 5 mm ašies skriemulys
• GT2 20 dantų 5 mm ašies skriemulys
• 5x16x5 mm guolis (3x)
• 5x16x5 mm flanšinis guolis (2x)
• M5x50 srieginis strypas

1 žingsnis: krumpliaračių projektavimas ir gamyba

Vienas iš šio projekto tikslų buvo turėti vieną variklį, kuris valdo visą laikrodį, panašų į tikrą mechaninį laikrodį, kai vienas pabėgimo mechanizmas varo visą laikrodį. Tačiau minutės rodyklė turi atlikti 12 apsisukimų per tą laiką, kurį valandinė rodyklė sukasi 1 kartą. Tai reiškia, kad norint sumažinti abi rankas vienu varikliu reikia 1:12 reduktoriaus. Aš nusprendžiau tai padaryti su planetine pavarų dėže, pridėtame vaizdo įraše gražiai paaiškinta, kaip veikia šio tipo pavarų dėžė.

Kitas žingsnis man buvo nustatyti skirtingų pavarų dantų skaičių, kad būtų sukurtas santykis 1:12. Ši svetainė buvo labai naudinga ir joje yra visos reikalingos formulės. Saulės krumpliaratį pritvirtinau prie minutinės rodyklės, o planetos laikiklį - prie valandinės rodyklės, žiedinę pavarą palikau nejudančią. Padarykime šiek tiek matematikos!

• S = krumpliaračio krumplių skaičius
• R = žiedinių krumpliaračių krumplių skaičius
• P = planetos krumpliaračio dantų skaičius

Pavaros santykis (i) nustatomas pagal:

i = S/R+S

Atminkite, kad dantų skaičius planetinėje pavaroje šiuo atveju neturi reikšmės pavarų skaičiui, tačiau turime laikytis bendro suvaržymo:

P = (R -S)/2

Po tam tikro galvosūkio aš baigiau naudoti šiuos skaičius: S = 10; R = 110; P = 50; Atrodo, kad jie yra ant galimybių ribos, nes tarp planetų krumpliaračių yra labai mažas tarpas, tačiau tai veikia!

Pavaras galite piešti savo mėgstamoje CAD programoje, dauguma jų turi specialius pavarų papildinius. Taip pat galite tiesiog naudoti failus, pridėtus prie šios instrukcijos. žinoma. Atkreipkite dėmesį, kad visos pavaros, nors ir skiriasi dydžiu, turi vienodą dantų žingsnį.

Maniau, kad būtų nuostabu pagaminti šias pavaras iš 5 mm aliuminio, ir kreipiausi į vietinę parduotuvę su vandens srove, jei jie galėtų man nupjauti šias pavaras. Paprastai jūs niekada nedarytumėte krumpliaračių su vandens pjaustytuvais, tačiau tai yra labai mažos galios pavaros. Keista, kad jie sutiko pabandyti, tačiau šis planas žiauriai nepavyko. Vandens srovei dalys buvo tiesiog per mažos ir pjovimo metu pradėjo judėti.

Ši nesėkmė reiškė, kad atėjo laikas planui B, todėl nusipirkau 5 mm dūmo juodą akrilą ir radau vietą su lazeriniu pjaustytuvu, kuris neturėjo problemų pjauti mano pavaras. Jei neturite lazerinio pjaustytuvo, tikriausiai taip pat galite naudoti 3D spausdintuvą šioms pavaroms, aš įtraukiau STL failus (žiedinę pavarą gali tekti padalyti į 3 dalis).

Po pjovimo į planetinius krumpliaračius įspaudžiu sumontuotus guolius. Norėdami tinkamai pritvirtinti, aš padariau akrilo bandinį su keliomis skylėmis, kurių kiekvienos skersmuo buvo šiek tiek didesnis (0,05 mm žingsniai). Suradęs tinkamą nustatymą, aš pakeičiau skylės dydį planetinėse pavarose į šį nustatymą. Tai skiriasi nuo medžiagos ir mašinos tipo, todėl visada turėtumėte tai padaryti patys.

2 žingsnis: pavarų sistemos surinkimas

Norint surinkti krumpliaračius, reikalingas laikrodžio rėmas. Dabar tai yra ta dalis, kurioje galite išlaisvinti savo kūrybiškumą, nes rėmo forma yra palyginti nesvarbi, kol visos varžtų skylės yra tinkamoje vietoje. I Pasirinkote padaryti daug skylių rinkimo plokštėje ir galinėje plokštėje, kad pabrėžtumėte pavaros mechanizmą. Tai taip pat yra priežastis, dėl kurios planetos nešėjai ir minutinė ranka yra tarsi permatomi, tačiau taip pat atrodo tiesiog šauniai!

Aš dar kartą panaudojau lazerinį pjaustytuvą šioms dalims gaminti, o kadangi akrilo dalys buvo 5 mm storio, aš taip pat padariau medines dalis 5 mm storio. Visos skylės rinkimo plokštėje ir planetos laikiklyje buvo įdubusios, kad būtų galima pritvirtinti atitinkamus varžtus.

Centrinė laikrodžio ašis sukasi dviem guoliais planetos laikiklių viduje. Kadangi aš padariau šią ašį iš 5 mm strypo, ji tikrai sandariai priglunda prie guolių, ir aš nebegalėjau išardyti šių komponentų. Būtų daug lengviau tiesiog naudoti M5 sriegio gabalą, nes jums taip pat nebereikės kirpti savo siūlų (jei tik suprasčiau iš anksto …..). Kad saulės pavara nesisuktų aplink ašį, ji turi D formos skylę, todėl ašis taip pat reikia įklijuoti į šią D formą. Kai saulės pavara tinka aplink ašį, galite surinkti ašį, nepamirškite planetinių laikiklių, jei naudojate flanšinius guolius! Peržiūrėkite surinkimo instrukcijas sprogstamame vaizde.

Kai sumontuota centrinė ašis, laikas planetos krumpliaračiams. Jiems taip pat reikalingos mažos poveržlės, kaip ir centrinė ašis, kad pavaros veiktų sklandžiai. Kai viskas bus sumontuota ant planetų laikiklių, patikrinkite, ar planetos pavaros ir saulės pavara veikia sklandžiai.

Dabar centrinę dalį galima montuoti į laikrodžio rėmą. Tai varginantis darbas, tačiau varžtų perkišimas per priekinę plokštę ir užklijavimas vietoje labai padeda. Taip pat gali būti naudinga pakelti priekinę plokštę, kad būtų vietos minutės rankai. Nuotraukos rodo, kad aš įdėjau šešis mažus popieriaus lapus tarp krumpliaračio žiedo ir galinės plokštės, kad pavara būtų šiek tiek laisva. Įdėdami planetos laikiklį įsitikinkite, kad ratukai nukreipti į protingą vietą (jei minutės rodyklė rodo 12, valandos rodyklė neturėtų būti tarp dviejų valandų pavyzdžio)

3 žingsnis: žingsnio ir jutiklio prijungimas

Dabar, kai turime pavarų mechanizmą, kuris teisingai vairuoja rankas, vis tiek turime teisingai vairuoti pavaros mechanizmą. Galima naudoti įvairių tipų elektros variklius, aš pasirinkau žingsninį variklį, nes jis gali atlikti tikslius judesius be nuolatinių kampinio grįžtamojo ryšio jutiklių. Žingsninis variklis taip pat gali skleisti tikrą „Click“garsą, kuris puikiai tinka pusiau mechaniniam laikrodžiui!

Įprastas žingsninis variklis gali atlikti 200 žingsnių per apsisukimą, o tai reiškia 200 žingsnių per valandą, jei prijungsime jį prie minutės rodyklės. Tai reikštų 18 sekundžių intervalą per žingsnį, kuris dar neskamba kaip tiksintis laikrodis. Todėl aš naudoju 1: 3 perdavimą tarp žingsninio variklio ir minutinių rodyklių, todėl žingsninis variklis turi atlikti 600 žingsnių per valandą. Naudojant pusės žingsnio režimą, tai galima padidinti iki 1200 žingsnių per valandą, tai yra vienas žingsnis per 3 sekundes. Skamba geriau!

Viena su žingsninių variklių problema yra ta, kad niekada nežinote, kur jie yra, kai įjungiate „Arduino“. Štai kodėl visi 3D spausdintuvai turi galines ribas, todėl galite perkelti spausdintuvą į žinomą vietą ir tęsti nuo to taško. Tai taip pat reikalinga laikrodžiui, tik galinis stabdys neveiks, nes laikrodis turėtų nuolat suktis. Norėdami suvokti šį padėties jutiklį, aš naudoju A3144 Hall efekto jutiklį, kuris jaučia magnetą (patikrinkite poliškumą! …), pritvirtintą prie planetos nešiklio. Tai naudojama paleidžiant rankas į tam tikrą padėtį, po kurios jos gali pereiti į reikiamą laiką.

Surinkimas yra labai paprastas; Pritvirtinkite žingsninį variklį prie galinės plokštės, šiek tiek atsukdami varžtus. Tada galite pritvirtinti mažą skriemulį ant žingsninio variklio ašies ir patikrinti, ar paskirstymo diržas veikia tiesiai. Dabar galite stumti žingsninį variklį, kad sureguliuotumėte paskirstymo diržo įtempimą. Paskirstymo diržui reikia šiek tiek paleisti, kad įsitikintumėte, jog krumpliaračiai nėra įtempti. Paleiskite šį nustatymą, kol būsite patenkinti, tada visiškai priveržkite žingsninio variklio varžtus.

Salės efekto jutiklis yra priklijuotas vietoje. Geriausia iš pradžių lituoti tris laidus prie jutiklio ir įsitikinti, kad aplink kiekvieną jutiklio kojelę susitraukia šiluma, kad jie negalėtų sutrumpinti vienas kito. Po litavimo jutiklį galima klijuoti į vietą. Nesvarbu, kuri pusė yra aukštyn, kol dar nepridėjote magneto. Priklijavę jutiklį, prijunkite jį prie „Arduino“arba mažos šviesos diodų grandinės, kad patikrintumėte, ar jis veikia. (PASTABA: salės efekto jutiklis veikia tik tuo atveju, jei magnetinio lauko linijos eina teisinga kryptimi). Naudodami šią bandymo grandinę patikrinkite, kaip magnetas turi būti priklijuotas. Kai būsite visiškai tikri, kuri magneto pusė turi būti nukreipta į jutiklį, priklijuokite magnetą.

4 žingsnis: Elektronika, kuri leidžia rodyti laikrodį

Galite naudoti labai paprastą „Arduino“kodą, kuris su varikliu atlieka pusę žingsnio, o tada iki kito veiksmo užtrunka 3000 milisekundžių. Tai veiktų, tačiau nėra labai tiksli, nes vidinis „Arduino“laikrodis nėra itin tikslus. Antra, „Arduino“pamirštų laiką kiekvieną kartą, kai praranda galią.

Todėl norint sekti laiką geriausia naudoti realaus laiko laikrodį. Tai yra specialiai sukurti lustai su atsargine baterija, kuri tiksliai seka laiką. Šiam projektui pasirinkau DS3231 RTC, kuris gali bendrauti su „Arduino“per „i2c“, kad būtų lengviau prijungti laidus. Kai teisingai nustatysite laiką jo mikroschemoje, jis niekada nepamirš, kiek valandų (kol „cr2032“baterijoje liko šiek tiek sulčių). Peržiūrėkite šią svetainę, kur rasite išsamią informaciją apie šį modulį.

Žingsninis variklis vairuojamas naudojant L293d variklio tvarkyklę. Kai kurie pažangesni žingsninių variklių vairuotojai naudoja PWM signalą, kad sumažintų žingsnius ir apribotų srovę. Šis PWM signalas gali sukelti erzinantį triukšmą, kurį žino kiekvienas gamintojas (ypač jei turite 3D spausdintuvą). Kadangi šis laikrodis turėtų tapti jūsų interjero dalimi, bjaurus triukšmas nėra pageidaujamas. Todėl nusprendžiau naudoti žemųjų technologijų l293d variklio tvarkyklę, kad įsitikinčiau, jog mano laikrodis tyli (be žingsnių kas 3 sekundes, bet tai tikrai malonu!). Išsamų l293d lusto aprašymą rasite šioje svetainėje. Atkreipkite dėmesį, kad aš naudoju žingsninį variklį esant 5 V įtampai, o tai sumažina žingsninio variklio energijos sąnaudas ir temperatūrą.

Kaip minėta anksčiau, aš naudoju „Hall“efekto jutiklį, kad aptikčiau magnetą, priklijuotą prie planetos nešiklio. Jutiklio veikimo principas yra labai paprastas, jis keičia būseną, kai magnetas yra pakankamai arti. Tokiu būdu jūsų „Arduino“gali aptikti aukštą ar žemą skaitmeninį skaitmenį ir todėl nustatyti, ar magnetas yra arti. Peržiūrėkite šią svetainę, kurioje parodyta, kaip prijungti jutiklį, ir parodytas paprastas kodas, naudojamas magnetui aptikti.

Paskutinis, bet ne mažiau svarbus dalykas - aš pridėjau 4 mygtukus vartotojo įvedimui į PCB. Jie naudoja „Arduino“vidinius traukiamus rezistorius, kad supaprastintų laidus. Mano PCB taip pat turi „Uno“konfigūracijos antraštes, kad galėčiau išplėsti „Arduino“skydus (iki šiol to nepadariau).

Pirmiausia viską išbandžiau savo duonos lentoje, o tada suprojektavau ir užsakiau šiam projektui pritaikytą PCB, nes jis atrodo nuostabiai! Taip pat galite montuoti PCB laikrodžio gale, jei nenorite į jį žiūrėti.

PCB skirtus „Gerber“failus galima atsisiųsti iš mano disko, „Instructables“neleidžia man jų įkelti dėl tam tikrų priežasčių. Naudokite šią nuorodą į mano „Google“diską.

5 žingsnis: „Arduino“programavimas

Pagrindinis „Arduino“kodas iš tikrųjų yra labai paprastas. Pridėjau schemą, kurioje vaizduojama, kas vyksta „Arduino“viduje ir kaip „Arduino“sąveikauja su kitais įrenginiais. Kodavimui supaprastinti naudojau kelias bibliotekas.

• Accelstepper -> tvarko žingsninio variklio žingsnių seką, leidžia duoti intuityvias komandas, tokias kaip: Stepper.runSpeed () arba Stepper.move (), kurios leidžia judėti atitinkamai tam tikru greičiu arba į tam tikrą padėtį.
• Viela -> tai reikalinga i2c ryšiui, net naudojant RTClib
• RTClib -> tvarko ryšį tarp „Arduino“ir RTC, leidžia duoti intuityvias komandas, tokias kaip rtc.now (), kuris grąžina dabartinį laiką.
• „OneButton“-> Tvarko mygtukų įvestį, aptinka paspaudimus ir paleidžia iš anksto nurodytą tuštumą, kad kažką padarytų. Gali aptikti vieną, dvigubą ar ilgą paspaudimą.

Rašant laikrodžio kodą labai svarbu vengti kintamųjų, kurie nuolat didėja. Kadangi „Arduino“kodas veiks 24 valandas per parą, šie kintamieji greitai taps vis didesni ir ilgainiui sukels perpildymą. Pavyzdžiui, žingsninis variklis niekada neįsakomas į tam tikrą padėtį, nes laikui bėgant ši padėtis tik didės. Vietoj to, žingsninis variklis yra įpareigotas judėti tam tikru žingsnių skaičiumi tam tikra kryptimi. Tokiu būdu nėra padėties kintamojo, kuris laikui bėgant didėtų.

Pirmą kartą prijungus RTC reikia nustatyti lusto laiką, yra kodo fragmentas, kurį galite atšaukti ir kuris nustato RTC laiką, lygų jūsų kompiuterio laikui (laikas, kai surenkate kodą). Atminkite, kad kai paliksite tai nekomentuojamą, RTC laikas kiekvieną kartą bus atstatytas į tą laiką, kuriuo sudarėte kodą. Taigi nekomentuokite, paleiskite vieną kartą ir tada vėl pakomentuokite.

Pridėjau savo kodą prie šio „Instructable“, kruopščiai jį pakomentavau. Galite jį įkelti be jokių pakeitimų arba patikrinti ir pamatyti, ką manote!

6 žingsnis: pirmą kartą mėgaukitės laikrodžio tiksėjimo garsu

Prijungus visą elektroniką ir įkėlus kodą, toks rezultatas!

Pagrindinis šio laikrodžio dizainas yra labai paprastas ir gali būti pagamintas iš įvairių formų ir dydžių. Kadangi laive yra „Arduino“, taip pat galite lengvai pridėti papildomų funkcijų. Nustatydami žadintuvą, leiskite laikrodžiui įjungti kavos aparatą nustatytu laiku, interneto ryšį, šaunius demonstracinius režimus, kurie išryškina mechaninį judesį ir parodo jūsų dizainą kitiems, ir dar daugiau!

Kaip jau pastebėjote šioje instrukcijoje, norėdamas parašyti šią instrukciją, turėjau išardyti laikrodį. Nors ir gaila šio „Instructable“, galiu bent jau garantuoti, kad dizainas ilgainiui veiks labai gerai, nes šis laikrodis mano svetainėje be jokių problemų tiksėjo daugiau nei 3 metus!

Praneškite man komentaruose, ar jums patiko ši instrukcija, pirmą kartą ją rašau. Taip pat, jei turite kokių nors patarimų ar klausimų, tiesiog atsiųskite man žinutę. Ir tikiuosi, kad aš ką nors įkvėpiau vieną dieną taip pat sukurti pusiau mechaninį laikrodį!

Pirmasis prizas laikrodžių konkurse