Astronomi -uret: 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Kort efter at de første mekaniske ure blev opfundet i 1300 -tallet, begyndte opfindere at lede efter måder at repræsentere himmelens bevægelse. Således blev astronomi -uret skabt. Måske blev det bedst kendte astronomi -ur skabt i Prag i omkring 1410. I stedet for bare at vise, hvad klokken er, viser den også stjernernes relative position, når Jorden roterer om sin akse og drejer rundt om Solen.

I dette projekt lærer du, hvordan du opretter et astronomi -ur, som du kan have i dit hjem. Det viser et kort over stjernerne, der i øjeblikket er på himlen - dag eller nat. Himmelskortet ændrer sig, når jorden roterer. Projektet omfatter mekaniske, elektroniske og softwarekomponenter. Du skal bruge adgang til en 3d -printer, en laserskærer og nogle træbearbejdningsværktøjer for at afslutte projektet. Jeg brugte også Python til at oprette stjernekort og design indarbejdet i uret. Måske var min yndlingsdel af projektet at integrere alle disse teknologier sammen.

Dette projekt var helt originalt. Jeg skrev softwaren til at køre uret, skabte laserdesign til sagen og byggede endda gear og drivlinje. Jeg skrev også softwaren til at lave layoutet på stjernekortet.

Det endelige resultat virkede værd at den tid, jeg brugte på at sammensætte det.

Trin 1: Samling af delene

Til dette projekt skal du bruge følgende forsyninger:

2 - stykker 11x14 (0,093 tommer tyk) akryl

1 - 1x6 board 6 ft lang.

1 - Arduino Uno

1 - Realtid ur modul

1 - trinmotor 28bjy -48

1 - stepper driver - UNL2003

1 - 5 volt strømforsyning

1 - 36 tommer led strip lys

1 - 1/4 tommer krydsfinerplade - 2x4 ft

1 - 8 mm metalskaft

2 - 608 kuglelejer

1 - stykker sort skumplade - ca. 12 x 12 tommer

Øvrigt: wire, træskruer (#6 x 1 1/4 tommer), pose med 6x32 x 0,75 tommer maskinskruer + møtrikker, endnu en pose med 4x40 x 0,75 maskinskruer, bejdse (valgfrit)

Du skal også bruge følgende værktøjer:

Adgang til en 3d -printer

Adgang til en laserætser, der er i stand til at skære 1/4 i akryl og træ

En bordsav + router til at oprette sagen til uret

Trin 2: Udskriv gear og plastdele

For at begynde skal du udskrive gear og plastdele til uret. Jeg brugte en Prusa I3 MK3, Slic3r og PETG til mit ur. Imidlertid bør næsten enhver variation fungere fint til dette projekt. Den primære begrænsning er, at du har brug for en stor print seng for at skabe tallerkenholderen og 72-tandet gear.

Dette er en hurtig beskrivelse af de filer, du skal udskrive:

lejeholder - Lejeholderen har to 608 lejer til støtte for drivakslen. Den boltes på bagsiden af den midterste plade i uret.

kobling - Dette plaststykke forbinder pladeholderen og det 72 tandede tandhjul. Den er 25 mm lang, så den er designet til et ur med et tommer mellemrum mellem frontpladen og den midterste plade, der holder lejerne.

pladeholder - Pladeholderen kobler akrylpladen og dens bagside til drivakslen.

akselholder - Dette er filen til en ring med en diameter på 8 mm, der bruges til at holde akslen på plads, når den passerer gennem lejeholderen. Du skal udskrive to af disse til projektet.

Tandhjulsgear (18 tænder) - Dette anspændingsgear klemmer på akslen på trinmotoren.

Spur Gear (72 tænder).- Dette gear kobler til urets drivaksel og drejer pladeholderen og akrylpladen.

motorholder - en plade til at holde trinmotoren

Det grundlæggende mekaniske design er vist i diagrammerne ovenfor. Frontpladen er fastgjort til den del af stjernekortet, der roterer (Rete). Dette er forbundet via en aksel til et 72-tandet gear. Steppermotoren (28BYJ48) driver et 18-tandet gear, der kører uret. Selve motoren sidder i motorholderpladen, så den kan justeres på urets centrale plade.

Lejestøttesystemet, der holder akslen, er boltet på en central plade inden i uret. De anvendte lejer er normale 608 lejer (22 mm udvendig diameter, 8 mm indvendig diameter, 7 mm tykkelse), der går på indersiden og ydersiden af bjørnestøttestykket. Skaft parres til gearene, og alt limes på akslen for at holde det hele sammen.

Tandhjulene og plastdelene blev skabt ved hjælp af Fusion 360. Jeg er lidt ny inden for softwaren, men add-on geargenereringsværktøjet fungerede rigtig godt til at sammensætte dette. At finde ud af at bruge softwaren var et af de primære formål med dette projekt for mig.

Du kan få adgang til designfilen til 3d -delene her: Fusion 360 Astronomy Clock

Trin 3: Laseræts akryldelene

Akrylskabeloner til Rete (delen med stjerner på) og pladen (forstykket) er vedhæftet ovenfor. Dette stjernekort blev sat til en breddegrad på omkring 40 grader nord, og skulle fungere ret godt for de fleste mennesker. Selve kortene blev genereret ved hjælp af software, jeg skrev i python.

github.com/jfwallin/star-project

Jeg vil ikke anbefale at grave igennem, medmindre du virkelig kan lide pythonkodning og astronomi. Det er ikke så veldokumenteret endnu, men det er tilgængeligt, hvis du vil bruge det. Jeg brugte meget tid på at arbejde med æstetiske spørgsmål som stjernestørrelse, skrifttyper, etiketplacering osv. Resultatet lignede enhver anden planisfære, og sikkert andre planisfæredesign ville fungere til dette projekt.

Der er dybest set to kategorier af filer:

plade - De stykker, der har stjernekortet trykt på.

rete - De stykker, der har vinduet, som du ser stjernerne igennem, er trykt på dem.

Du behøver IKKE at udskrive dem alle, men jeg tænkte, at det kunne være nyttigt at inkludere dem i forskellige formater.

Efter at jeg producerede genererede Rete og pladen ved hjælp af python -koden, importerede jeg den til Adobe Illustrator for at tilføje de grafiske elementer, der er nødvendige for ætsningen. Jeg vendte stjernekortet, det er ætsning på bagsiden af akrylen for at få bagbelysningen til at se lidt pænere ud.

Hvis du ikke har adgang til en laserætser, kan du bare udskrive pladen og Rete på papir og derefter lime dem til en krydsfinerbase. Det ville ikke have det glødende akryludseende, men det ville stadig, men stadig være et godt ur at have på kappen for at vise dig stjernernes rotation hver dag. Ætsning af et metaldesign ville give uret et køligt steampunk -look.

(Bemærk: der var en korrektion i akrylpladeskabelonen, der blev tilføjet, efter at nogle af billedet blev taget.)

Trin 4: Lasertræk trædele

Adobe Illustrator -filerne til krydsfinerdelene til uret er vedhæftet ovenfor. Der er fire dele af krydsfiner, der skal laserskæres. Du kan nemt bruge en CNC -maskine til at lave disse dele, eller endda bare skære der med en bordsav og en rullesav. Du skal bare matche de udskrevne dele fra den sidste trinplade og urfronten.

clock-back-krydsfiner-Dette er bare et 11x11 tommer ark med 1/8 i krydsfiner, der fungerer som bagsiden af uret. Jeg satte et stjernedesign på det, fordi det så fedt ud.

ur-center-krydsfiner-Dette er også et 11x11 i krydsfinerark, men jeg skar det ud af 3/8 tommer krydsfiner. Den har et hul med en diameter på 9 mm i midten til drivakslen. Trinmotoren, drivakslen og elektronikken til uret er monteret på dette stykke.

ur-front-krydsfiner-Dette er urets forstykke. Igen er dette et 11x11 tommer stykke 1/8 i krydsfiner. Det har et cirkulært hul i midten sammen med 4 huller til de 6x32 skruer, der fastgør pladen til fronten.

urplade-krydsfiner-Dette stykke krydsfiner (1/8 tommer) giver dig mulighed for at montere plexiglaspladen. Du vil til sidst smøre et stykke sort skumplade mellem krydsfiner og akryl. Dette stykke monteres også på den 3D -trykte pladeholder.

Trin 5: Saml urkassen

Kassen, der holder uret, er lavet af et 1x6 stykke træ, der var cirka 6 fod langt.

Grundidéen er at lave en kasse, der indeholder de 11x11 tommer træstykker i dado -riller. Jeg dimensionerede min kasse til at have en ydre dimension på 12 tommer og en indre dimension på 10,5 tommer. Alle urets stykker skal have tre dado -riller ført ind i dem. Til min version skal jeg træstykker, der er 12x6x0,75 og to stykker træ, der er 10,5x6x1.

Rillerne til urets for- og bagside er indsat ca. 1/2 tommer fra forsiden og bagsiden af træstykkerne. Jeg brugte en 1/8 router bit på et router bord til at lave disse slots. Efter at have kontrolleret pasformen med krydsfiner, kompenserede jeg routerbordets hegn med en smidge (ca. 1/32 tommer i kejserlige enheder) og kørte det derefter igennem igen.

Den midterste dado -rille, der holder centerpladen, blev også skåret på routerbordet, da jeg brugte 3/8 i krydsfiner til dette stykke, lavede jeg en yderligere justering af routerbordets hegn for at lave det bredere hul. Du har cirka 2 tommer plads mellem skrifttypepladen og centerpladen i boksen, så juster tabellen i overensstemmelse hermed.

For begge udskæringer lavede jeg et par afleveringer for hvert bræt. Jeg kørte også brædderne igennem et par gange for at sikre, at snittene var rene.

Dados til de to sideplader var i hele længden af brættet. Men for de længere top- og bundstykker brugte jeg to stopblokke på routerbordet til at kaste bladet ned i træet cirka 1/2 tommer væk fra begyndelsen og slutningen af træstykkerne. Grundlæggende ville jeg ikke have, at rillerne skulle være synlige på ydersiden af sagen. Alle rillerne er cirka 1/4 dybe for at holde krydsfiner.

Når du har skåret stykkerne, skal du midlertidigt samle sagen og slibe enhver kant, der kan stikke ud. Du vil også gerne fjerne eventuelle skarpe kanter fra de ydre dele af urkassen. Når du er tilfreds med sagen, skal du tage afmonteringen af det øverste panel og sikre, at krydsfinerpladerne faktisk passer ind i de riller, du har ført. Jeg fandt ud af, at jeg var nødt til at tage 1/8 af mine tallerkener med en bordsav for at få tingene til at passe behageligt i den æske, jeg skabte.

Fordi dette var en prototype, skar jeg et par hjørner af, når jeg lavede sagen i dette projekt. Jeg brugte poppel til mit ur, men kun fordi jeg havde et bræt siddende i min butik let tilgængeligt. Det ville se pænere ud i kirsebær eller valnød. Jeg brugte også bare simple skrueforbindelser til at holde det sammen med en simpel overlapningskonstruktion. Skruerne vil være på toppen og bunden af uret, så de vil ikke være særlig mærkbare, når det er på kappen ved min pejs. (Har jeg også nævnt, at dette var en prototype?). Den næste version af uret vil bruge gerede led.

Trin 6: Saml de mekaniske dele til uret

Montering af de mekaniske dele af urene tager et par minutter, men det er relativt lige frem.

Tilslut stjernepladen, krydsfinerpladen, det 72-tandede tandhjul og plastpladeholderen sammen:

1. Brug en krydsfinerpladeholder som en skabelon til at skære et stykke sort skumkerntavle ud for at have samme størrelse. Jeg har en Exacto -kniv til at skabe dette stykke, men en rullesav kan fungere lige så godt.)
2. Centrer træpladeholderen på den 3D -trykte tallerkenholder. Mål og bor derefter fire skruehuller for at flugte med dem i plastholderen. Fastgør plastholderen til krydsfinerpladeholderen ved hjælp af 6x32 1-tommer bolt og møtrikker. Skær små huller i skumpladen for at rumme bolthovederne.
3. Sandwich den akrylstjernede plade, skumpladen med skruehullerne i den og krydsfinerpladen sammen. Der er fire huller i krydsfinerpladen og i akrylstjernepladen. Du skal bruge 6x32 1-tommer skruer til at forbinde disse stykker sammen. Selvfølgelig skal du bore et hul gennem skumkernpladen og gennem byggepapiret på de passende steder.
4. Lim koblingen til tallerkenholderen. Jeg tilføjede en 0,1 mm tolerance mellem fanerne og hullerne for at sikre, at dette passer godt.
5. Lim det 72-tandede tandhjulsgear til holderen. Dette vil fuldføre samlingen af urstjernepladen. Jeg brugte Gorillalim til at cementere det 72-tandede gear, koblingen og pladeholderen sammen.

Trin 7: Begynd at samle uret til uret

Saml frontpladen: Skru akrylnøglen fast på urets krydsfinerplade ved hjælp af fire 6x32 1-tommer (eller endda 3/4 tommer) bolte og møtrikker.

Tilføj baggrundsbelyst LED -strimmel: Tag LED -strimlen, og fastgør den mellem urets midterste plade og urets frontplade. (Det kan hjælpe at fjerne urets frontplade for at gøre dette.). Sørg for, at strimlen er forsvarligt fastgjort og ikke forstyrrer rotation af urmekanismerne eller trinmotoren. Du vil måske bruge hæfteklammer eller lim til at holde det på plads. Sæt krydsfinerfronten med akrylreten i urkassen. Placer også midterpladen med urmekanismen i urkassen. Sørg for at føre strømkablet til LED -strimlen forsigtigt gennem den midterste plade. Et hul er blevet placeret i bunden af brættet for at gøre dette.

Trin 8: Saml mellempladen, og forbind uret

Nu er det tid til at sammensætte midterpladen på uret. Dette inkluderer den mekaniske understøtning af drivaksen og motoren sammen med ledningerne til elektronikken til projektet.

Monter lejeholderen og trinmotoren på midterpladen: Fastgør trinmotoren til midterpladen ved hjælp af to 6x32 bolte og møtrikker. Kør ledningen fra stepper til bagsiden af brættet. Tag det 3d -trykte lejegreb, og klem to to 608 lejer ind foran og bag på holderen. Du skal muligvis justere denne del, hvis din 3d -printer er lidt slukket, men det lykkedes mig at få en god pasform ved hjælp af PETG og min Prusa -printer. Skru holderen fast på bagsiden af den midterste plade. Saml urmekanismerne til drivakslen: Skub 8 mm metalakslen gennem 72-tandet tandhjul og gennem plasthulpladen, så den støder op ved siden af krydsfinerpladeholderen. Placer den anden ende af 8 mm metalskaftet gennem den centrale plade og lejeholderen. Placer den centrale plade i kassen, og sørg for, at der er tilstrækkelig frigang til, at stjernehjulet kan rotere bag de skruer, der holder den forreste plastik på plads. Mål og markér et sted, hvor akslen skal skæres, så den sidder behageligt i kassen. Du vil gerne have nok af en aksel til at lime på to af aksellåsestykkerne før og efter lejet. Når du har foretaget denne måling, fjern gear/pladesamlingen og tag akslen ud af lejeholderen. Skær akslen ved hjælp af en hacksav, så den passer helt ind i kabinettet, men har også et 0,5 til 1 cm sekund, der stikker ud af bagsiden af lejeholderen. Når akslen er skåret til den rigtige længde, samles pladen/72 tandhjulet til pladen igen og limes på plads. Tilføj en aksellås lige bag forsamlingen, og sæt derefter akslen gennem lejeholderen. Når du har bekræftet tilpasningen igen, lim aksellåsen til akslen. Lim en anden aksellås til akslen bag lejeholderen.

Urmekanismens rækkefølge vil være:

1. akryl plade
2. skumkerntavle
3. krydsfiner pladeholder
4. 3d printet tallerkenholder
5. kobling
6. 72 tandhjul
7. aksellås
8. central støtteplade leje + lejeholder + lejeaksel lås
9. aksellås

Som et sidste trin skal du trykke på pas det 18-tandede tandhjulsgear på trinmotoren. Juster og stram trinmotoren, så 72-tandede og 18-tandede gear hænger sammen og bevæger sig jævnt. Spænd trinmotorboltene på plads.

Tilslut elektronikken:

Ledningsdiagrammet for uret er relativt enkelt. Du skal forbinde realtidsurmodulet til SDA- og SCL -benene sammen med +5 volt og jord på Arduino. Du skal også forbinde IN1 gennem IN4 -benene på UNL2003A -stepper -driveren til stifterne 8 til 11 på Arduino sammen med at forbinde jorden. En switch og en 1k Ohm modstand skal forbindes mellem jorden og pin 7 på Arduino. Endelig skal der tilsluttes en strømforsyning til UNL 2003A -kortet og til Arduino fra en 5 volt strømforsyning.

Her er et mere detaljeret sæt beskrivelser:

1. Lod en ledning på den ene side af trykknappen. Fastgør dette til stiften 7 på Arduino.
2. Lod en 1k resister på den anden side af trykknappen, så inputknappen er jordet, når den ikke skubbes.. På den anden side af knappen skal du binde den til +5 volt..
3. Tilslut de fire ledninger mellem ben 8, 9, 10 og 11 til UNL 2003A stifterne IN1, IN2, IN3 og IN4.
4. Tilslut SCL- og SDA -punkterne på Real Time Clock -modulet til de korrekte ben på Arduino.
5. Tilslut jorden på Arduino til Real Time Clock -modulet og til UNL 2003A -kortene.
6. Opret en power splitter til din 5 volt forsyning (2 ampere burde være tilstrækkelig), og slut den til Arduino og UNL 2003A -kortet.
7. Endelig skal du tilslutte LED -strømforsyningen gennem det midterste lag af uret og gevind på bagsiden af sagen. Du vil have LED -controlleren til at stikke ud på bagsiden, så du kan ændre belysningsmønsteret på uret.

Du bliver nødt til at binde +5 volt til stepper driveren og +6 til +12 volt til Arduino. Jeg forsøgte uden held at bruge en enkelt strømforsyning til dette, men jeg ville sandsynligvis have brugt et 2 amp 7 volt system med en effektregulator til stepperen, hvis jeg havde lidt mere tid.

Sørg for, at spændingen mellem motoren og gearene hverken er for stram eller for tabt. Dobbelt tjek alt. Når alle ledninger er på plads, og delene er fastgjort, skal forsigtigt sættes enheden på plads.

Dog - tilslut ikke strømforsyningen endnu. Vi skal først programmere tavlen

Trin 9: Programmer Arduino

Programmering af Arduino var ret ligetil. Sådan fungerer koden:

1. Når koden starter, initialiserer den en trintæller og tager tiden fra real -time -urmodulet. Antallet af trin for motoren initialiseres også sammen med et par andre variabler om systemet.
2. Tiden konverteres fra lokal tid til lokal siderisk tid. Da Jorden drejer rundt om Solen, mens den roterer om sin akse, er den tid, det tager for stjernerne at rotere, cirka 4 minutter kortere end den tid, det tager at rotere til Solens (middel) position. Sidereal -tidens underprogram i koden blev ændret fra dette websted. Der var dog et par fejl i koden, så jeg opdaterede for at bruge den fulde omtrentlige Sidereal Time -algoritme oprettet af US Naval Observatory.
3. Når hovedsløjfen begynder, beregner den, hvor lang tid der er gået (i sideriske timer), siden uret blev tændt. Den ser derefter på den aktuelle trintæller og beregner, hvor mange trin der skal tilføjes, så urets rotation er tilpasset den aktuelle tid. Dette antal trin sendes til Arduino for at flytte disken.
4. Hvis der trykkes på en knap i hovedsløjfen, bevæger disken sig fremad med en hurtigere hastighed. Dette giver dig mulighed for at indstille disken til den aktuelle tid og dato. Uret bevarer ikke antallet af trin efter en strømnulstilling, og der er ingen encoder, der angiver diskens absolutte position. Jeg kan tilføje dette i en fremtidig version af projektet.
5. Efter at have flyttet uret, går systemet i dvale i et stykke tid og gentager de sidste to trin.

Jeg lavede en masse eksperimenter med stepperen for at sikre, at jeg vidste, hvor mange trin der faktisk var nødvendigt for en enkelt rotation. For min stepper var den 512 x 4 med standard Arduino Stepper bibliotek. I koden satte jeg omdrejningstallet til 1. På trods af at dette er smerteligt langsomt, når du indstiller uret, havde højere hastigheder tendens til at have flere ubesvarede trin.

Trin 10: Tilslut den, og indstil tiden

Når du har uploadet koden, skal du tilslutte strømforsyningerne til Arduino og stepper. Tilslut alt, inklusive baglyset. Brug fjernbetjeningen til at tænde lyset.

Det eneste du skal gøre er at trykke på knappen for at justere tidspunktet og datoen. Bare sørg for, at den aktuelle tid på den ydre plastik er tilpasset måneden og dagen på den indvendige akrylplade. Tillykke! Du har et astronomi -ur.

Når tiden er indstillet, bør du få pulser fra stepper hvert 8. sekund for at opdatere stjernefeltet. Det er en SLOW 24 timers rotation, så forvent ikke en masse handling på dette. Det er klart, at du kan (og burde!) Afslutte sagen.

Som jeg har sagt, er dette en prototype. Jeg er generelt glad for hans resultater, men jeg ville justere det lidt i den næste version. Når jeg genopbyggede det, vil jeg sandsynligvis bruge NEMA stepper i stedet for de billige-o versioner. Jeg tror, at holdkraften og pålideligheden ville gøre dem lettere at bruge. Gearingen fungerede godt, men jeg føler, at jeg lagde lidt for meget spil i de gear, jeg designede. Det ville jeg nok også gøre anderledes.

Endelig ville jeg takke folkene på MTSU Walker Library for deres hjælp til at bygge dette. Jeg brugte Laser Etcher i deres Maker Space til at lave de akryl- og træskårne dele og havde mange produktive diskussioner med Ben, Neal og resten af Makerspace -banden, når jeg tænkte på uret.

Anden pris i urkonkurrencen