De astronomieklok: 10 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Kort nadat in de 14e eeuw de eerste mechanische klokken waren uitgevonden, gingen uitvinders op zoek naar manieren om de beweging van de hemel weer te geven. Zo ontstond de astronomische klok. Misschien wel de bekendste astronomische klok werd rond 1410 in Praag gemaakt. In plaats van alleen te laten zien hoe laat het is, toont het ook de relatieve positie van de sterren terwijl de aarde om haar as draait en om de zon draait.

In dit project leer je hoe je een astronomische klok kunt maken die je thuis kunt hebben. Het toont een kaart van de sterren die momenteel aan de hemel staan - dag of nacht. De luchtkaart verandert als de aarde draait. Het project omvat mechanische, elektronische en softwarecomponenten. U hebt toegang nodig tot een 3D-printer, een lasersnijder en enkele houtbewerkingsgereedschappen om het project te voltooien. Ik heb ook Python gebruikt om de sterrenkaarten en het ontwerp in de klok te maken. Misschien was mijn favoriete onderdeel van het project de integratie van al deze technologieën.

Dit project was volledig origineel. Ik schreef de software om de klok te laten draaien, maakte de laserontwerpen voor de behuizing en bouwde zelfs de tandwielen en aandrijflijn. Ik heb ook de software geschreven om de lay-out van de sterrenkaart te doen.

Het uiteindelijke resultaat leek de tijd die ik besteedde aan het samenstellen meer dan waard.

Stap 1: Verzamelen van de onderdelen

Voor dit project heb je de volgende benodigdheden nodig:

2 - stukken van 11x14 (0,093 inch dik) acryl

1 - 1x6 bord 6 ft lang.

1 - Arduino Uno

1 - Realtime klokmodule

1 - stappenmotor 28bjy-48

1 - stappenmotor - UNL2003

1 - 5 volt voeding

1 - 36 inch ledstriplicht

1 - 1/4 inch multiplex plaat - 2x4 ft

1 - 8 mm metalen as

2 - 608 kogellagers

1 - stukjes zwart foamboard - ongeveer 12 x 12 inch

Diversen: draad, houtschroeven (#6 x 1 1/4 inch), zakje met 6x32 x 0,75 inch machineschroeven + moeren, nog een zakje met 4x40 x 0,75 machineschroeven, beits (optioneel)

Je hebt ook de volgende hulpmiddelen nodig:

Toegang tot een 3D-printer

Toegang tot een laser-etser die 1/4 in acryl en hout kan snijden

Een tafelzaag + router om de kast voor de klok te maken

Stap 2: Druk de tandwielen en plastic onderdelen af

Om te beginnen, moet u de tandwielen en plastic onderdelen voor de klok afdrukken. Ik gebruikte een Prusa I3 MK3, Slic3r en PETG voor mijn klok. Bijna elke variatie zou echter goed moeten werken voor dit project. De belangrijkste beperking is dat je een groot printbed nodig hebt om de plaathouder en 72-tands tandwiel te maken.

Dit is een korte beschrijving van de bestanden die u moet afdrukken:

lagerhouder - De lagerhouder bevat twee 608 lagers om de aandrijfas te ondersteunen. Het wordt op de achterkant van de middelste plaat in de klok geschroefd.

koppeling - Dit plastic stuk verbindt de plaathouder en het tandwiel met 72 tanden. Het is 25 mm lang, dus het is ontworpen voor een klok met een ruimte van 2 inch tussen de voorplaat en de middelste plaat die de lagers vasthoudt.

plaathouder - De plaathouder koppelt de acrylplaat en zijn steun aan de aandrijfas.

ashouder - Dit is de vijl voor een ring met een diameter van 8 mm die wordt gebruikt om de as op zijn plaats te houden terwijl deze door de lagerhouder gaat. U moet er twee afdrukken voor het project.

Tandwiel (18 tanden) - Deze tandwielknijp past op de as van de stappenmotor.

Spur Gear (72 tanden).- Dit tandwiel koppelt aan de aandrijfas van de klok en draait de plaathouder en acrylplaat.

motorhouder - een plaat om de stappenmotor vast te houden

Het mechanische basisontwerp wordt weergegeven in de bovenstaande diagrammen. De voorplaat is bevestigd aan het gedeelte van de sterrenkaart dat roteert (de Rete). Deze is via een as verbonden met een 72-tands tandwiel. De stappenmotor (28BYJ48) drijft een 18-tands tandwiel aan dat de klok laat lopen. De motor zelf zit in de motorhouderplaat zodat deze op de centrale plaat van de klok kan worden afgesteld.

Het lagersteunsysteem dat de as vasthoudt, is vastgeschroefd op een centrale plaat in de klok. De gebruikte lagers zijn normale 608 lagers (22 mm buitendiameter, 8 mm binnendiameter, 7 mm dikte) die aan de binnen- en buitenkant van het beersteunstuk gaan. As koppelt aan de tandwielen en alles is op de as gelijmd om alles bij elkaar te houden.

De tandwielen en plastic onderdelen zijn gemaakt met Fusion 360. Ik ben een beetje nieuw in de software, maar de add-on tool voor het genereren van tandwielen werkte heel goed om dit samen te stellen. Uitzoeken hoe de software te gebruiken was voor mij een van de belangrijkste doelen van dit project.

U kunt hier toegang krijgen tot het ontwerpbestand voor de 3D-onderdelen: Fusion 360 Astronomy Clock

Stap 3: Laserets de acrylonderdelen

De acrylsjablonen voor de Rete (het deel met sterren erop) en de plaat (het voorstuk) zijn hierboven bevestigd. Deze sterrenkaart is ingesteld op een breedtegraad van ongeveer 40 graden noorderbreedte en zou voor de meeste mensen redelijk goed moeten werken. De kaarten zelf zijn gegenereerd met behulp van software die ik in python heb geschreven.

github.com/jfwallin/star-project

Ik zou niet aanraden om door te graven, tenzij je echt van pythoncodering en astronomie houdt. Het is nog niet zo goed gedocumenteerd, maar het is beschikbaar als je het wilt gebruiken. Ik heb veel tijd besteed aan het werken aan esthetische kwesties zoals stergrootte, lettertypen, labellocatie, enz. Het resultaat leek op elke andere planisfeer en zeker andere planisfeerontwerpen zouden voor dit project werken.

Er zijn in principe twee categorieën bestanden:

plaat - De stukken waarop de sterrenkaart is afgedrukt.

rete - De stukken met het venster waardoor je de sterren kunt zien, zijn erop gedrukt.

Je hoeft ze NIET allemaal af te drukken, maar ik dacht dat het misschien handig zou zijn om ze in verschillende formaten op te nemen.

Nadat ik de Rete en Plate had gegenereerd met behulp van de python-code, importeerde ik deze in Adobe Illustrator om de grafische elementen toe te voegen die nodig waren voor het etsen. Ik heb de sterrenkaart omgedraaid, deze is op de achterkant van het acryl geëtst om de achtergrondverlichting er een beetje mooier uit te laten zien.

Als u niet over een laser-etser beschikt, kunt u de Plate en Rete gewoon op papier afdrukken en ze vervolgens op een triplexbasis lijmen. Het zou niet de gloeiende acryllook hebben, maar het zou nog steeds een mooie klok zijn om op de mantel te hebben om je de rotatie van de sterren elke dag te laten zien. Het etsen van een metalen ontwerp zou de klok een coole steampunk-look geven.

(Opmerking: er was een correctie in de acrylplaatsjabloon die werd toegevoegd nadat een deel van de foto was genomen.)

Stap 4: Laser etsen van de houten delen

De Adobe Illustrator-bestanden voor de multiplexonderdelen voor de klok zijn hierboven bijgevoegd. Er zijn vier multiplex delen die met een laser moeten worden gesneden. Je zou gemakkelijk een CNC-machine kunnen gebruiken om deze onderdelen te maken, of zelfs gewoon snijden met een tafelzaag en een figuurzaag. U hoeft alleen de bedrukte delen van de laatste stapplaat en de voorkant van de klok op elkaar af te stemmen.

klok-achter-multiplex - Dit is slechts een 11x11 inch plaat van 1/8 in multiplex dat dient als de achterkant van de klok. Ik heb er een sterdesign op gezet, omdat het er cool uitzag.

klok-midden-multiplex - Dit is ook een 11x11 in multiplex plaat, maar ik heb het uit 3/8 inch multiplex gesneden. Het heeft een gat met een diameter van 9 mm in het midden voor de aandrijfas. De stappenmotor, de aandrijfas en de elektronica voor de klok zijn op dit stuk gemonteerd.

klok-front-multiplex - Dit is het voorstuk van de klok. Nogmaals, dit is een 11x11 inch stuk van 1/8 in multiplex. Het heeft een rond gat in het midden samen met 4 gaten voor de 6x32 schroeven die de plaat aan de voorkant bevestigen.

klok-plaat-multiplex - Met dit stuk multiplex (1/8 inch) kunt u de plexiglasplaat monteren. Je zult uiteindelijk een stuk zwart foamboard tussen het triplex en het acryl klemmen. Dit stuk wordt ook op de 3D-geprinte plaathouder gemonteerd.

Stap 5: Monteer de klokbehuizing

De doos met de klok is gemaakt van een stuk hout van 1x6 dat ongeveer 6 voet lang was.

Het basisidee is om een doos te maken die de stukken hout van 11x11 inch in dado-groeven houdt. Ik heb mijn doos zo gedimensioneerd dat deze een buitenafmeting van 12 inch en een binnenafmeting van 10,5 inch heeft. Alle stukken van de klok moeten drie dado-groeven hebben die erin worden gerouteerd. Voor mijn versie heb ik stukken hout nodig van 12x6x0,75 en twee stukken hout van 10,5x6x1.

De groeven voor de voor- en achterkant van de klok zijn ongeveer 1/2 inch vanaf de voor- en achterkant van de houten stukken ingevoegd. Ik gebruikte een 1/8 frees op een routertafel om deze slots te maken. Nadat ik de pasvorm met het triplex had gecontroleerd, heb ik de omheining van de freestafel met een veegje verschoven (ongeveer 1/32 inch in imperiale eenheden) en heb ik het er vervolgens weer doorheen gehaald.

De middelste dado-groef die de middenplaat vasthoudt, werd ook op de freestafel gesneden. Aangezien ik 3/8 in multiplex voor dit stuk gebruikte, heb ik de omheining van de freestafel verder aangepast om het bredere gat te maken. Je hebt ongeveer 5 cm ruimte tussen de letterplaat en de middenplaat in de doos, dus pas de tafel dienovereenkomstig aan.

Voor beide sneden deed ik een paar passen voor elk bord. Ik heb de planken ook een paar keer doorgenomen om er zeker van te zijn dat de sneden schoon waren.

De dados voor de twee zijborden waren voor de volledige lengte van het bord. Voor de langere boven- en onderstukken heb ik echter twee stopblokken op de freestafel gebruikt om het mes ongeveer 1/2 inch van het begin en einde van de stukken hout in het hout te steken. Eigenlijk wilde ik niet dat de groeven zichtbaar waren aan de buitenkant van de behuizing. Alle groeven zijn ongeveer 1/4 diep om het triplex vast te houden.

Nadat u de stukken hebt gesneden, monteert u de behuizing tijdelijk en schuurt u eventuele randen die eruit kunnen steken. U zult ook eventuele scherpe randen van de buitenste delen van de klokkast willen verwijderen. Als u tevreden bent met de behuizing, verwijdert u het bovenpaneel en zorgt u ervoor dat de multiplexplaten echt in de groeven passen die u hebt gefreesd. Ik kwam erachter dat ik een 1/8 van mijn borden moest halen met een tafelzaag om dingen comfortabel te laten passen in de doos die ik had gemaakt.

Omdat dit een prototype was, heb ik een paar hoeken gesneden bij het maken van de behuizing in dit project. Ik gebruikte populier voor mijn klok, maar alleen omdat ik een bord in mijn winkel had dat direct beschikbaar was. Het zou er mooier uitzien in kers of walnoot. Ik heb ook eenvoudige schroefverbindingen gebruikt om het bij elkaar te houden met een eenvoudige overlappende constructie. De schroeven bevinden zich aan de boven- en onderkant van de klok, dus ze zullen niet erg opvallen als deze op de mantel bij mijn open haard staat. (Had ik al gezegd dat dit een prototype was?). De volgende versie van de klok zal verstekverbindingen gebruiken.

Stap 6: Monteer de mechanische onderdelen voor de klok

Het monteren van de mechanische onderdelen van de klokken duurt een paar minuten, maar is relatief eenvoudig.

Verbind de sterplaat, de triplexplaat, het tandwiel met 72 tanden en de plastic plaathouder met elkaar:

1. Gebruik de plaathouder van multiplex als sjabloon en knip een stuk zwarte schuimkernplaat van dezelfde grootte uit. Ik heb een Exacto-mes om dit stuk te maken, maar een figuurzaagmachine kan net zo goed werken. (Belangrijke opmerking: DE KERN VAN HET SCHUIM NIET LASERSNIJDEN. Het produceert giftige dampen.)
2. Centreer de houten plaathouder op de 3D-geprinte plaatdrager. Meet en boor vervolgens vier schroefgaten om uit te lijnen met die in de plastic drager. Bevestig de plastic drager aan de plaathouder van multiplex met behulp van 6x32 1-inch bout en moeren. Snijd kleine gaatjes in de schuimplaat om plaats te bieden aan de boutkoppen.
3. Sandwich de acryl sterplaat, de schuimplaat met de schroefgaten erin en de triplexplaat samen. Er zijn vier gaten in de triplexplaat en in de acryl sterplaat. U moet 6x32 1-inch schroeven gebruiken om deze stukken met elkaar te verbinden. Natuurlijk moet u op de juiste locaties een gat door de schuimkernplaat en door het constructiepapier boren.
4. Lijm de koppeling op de plaatdrager. Ik heb een tolerantie van 0,1 mm toegevoegd tussen de lipjes en de gaten om ervoor te zorgen dat dit goed past.
5. Lijm het tandwiel met 72 tanden op de drager. Hiermee wordt de montage van de kloksterplaat voltooid. Ik heb Gorilla-lijm gebruikt om het tandwiel met 72 tanden, de koppeling en de plaatdrager aan elkaar te cementeren.

Stap 7: Begin met het monteren van de kast voor de klok

Monteer de voorplaat: Schroef de acryl rete op de multiplex voorplaat van de klok met behulp van vier 6x32 1-inch (of zelfs 3/4-inch) bouten en moeren.

Voeg de LED-strip met achtergrondverlichting toe: Neem de LED-strip en bevestig deze tussen de middelste plaat van de klok en de voorplaat van de klok. (Het kan helpen om hiervoor de voorplaat van de klok te verwijderen.). Zorg ervoor dat de strip stevig vastzit en de rotatie van de klokmechanismen of de stappenmotor niet hindert. Misschien wilt u nietjes of lijm gebruiken om het op zijn plaats te houden. Plaats het multiplex front met de acryl rete in de klokkast. Plaats ook de middelste plaat met het klokmechanisme in de klokkast. Zorg ervoor dat u de stroomdraad voor de LED-strip voorzichtig door de middenplaat laat lopen. Hiervoor is aan de onderkant van het bord een gat gemaakt.

Stap 8: Monteer de middelste plaat en bedraad de klok

Nu is het tijd om de middelste plaat van de klok in elkaar te zetten. Dit omvat de mechanische ondersteuning van de aandrijfas en motor, samen met de bedrading van de elektronica voor het project.

Monteer de lagerhouder en de stappenmotor op de middenplaat: Bevestig de stappenmotor op de middenplaat met twee 6x32 bouten en moeren. Leid de draad van de stepper naar de achterkant van het bord. Pak de 3D-geprinte lagerhouder en knijp twee 608 lagers in de voor- en achterkant van de houder. Mogelijk moet u dit onderdeel aanpassen als uw 3D-printer een beetje afwijkt, maar het is me gelukt om een goede pasvorm te krijgen met PETG en mijn Prusa-printer. Schroef de houder vast aan de achterkant van de middelste plaat. Monteer de klokmechanismen op de aandrijfas: Duw de 8 mm metalen as door het tandwiel met 72 tanden en door de plastic gatenplaat zodat deze tegen de plaathouder van multiplex aanligt. Steek het andere uiteinde van de 8 mm metalen as door de centraalplaat en de lagerhouder. Plaats de centraalplaat in de doos en zorg ervoor dat er voldoende ruimte is om het sterwiel te laten draaien achter de schroeven die de voorste plastic rete op zijn plaats houden. Meet en markeer een plaats om de schacht af te snijden, zodat deze comfortabel in de doos past. U wilt voldoende as hebben om op twee van de asvergrendelingsstukken voor en na het lager te lijmen. Nadat u deze meting hebt uitgevoerd, verwijdert u het tandwiel/plaatsamenstel en haalt u de as uit de lagerhouder. Snijd de as met een ijzerzaag zodat deze volledig in de behuizing past, maar ook een 0,5 tot 1 cm seconde die uit de achterkant van de lagerhouder steekt. Zodra de as op de juiste lengte is gesneden, zet u de plaat/72 tands tandwiel weer in elkaar op de plaat en lijmt u deze op zijn plaats. Voeg een asvergrendeling toe net achter het geheel en steek de as vervolgens door de lagerhouder. Nadat u de pasvorm opnieuw hebt bevestigd, lijmt u de schachtvergrendeling op de schacht. Lijm een tweede asvergrendeling op de as achter de lagerhouder.

De volgorde van het klokmechanisme is:

1. acryl plaat
2. schuim kernplaat
3. multiplex plaat houder
4. 3D-geprinte plaathouder
5. koppeling
6. 72 tands tandwiel
7. asvergrendeling
8. centrale steunplaatlager + lagerhouder + lagerasvergrendeling
9. asvergrendeling

Als laatste stap drukt u het tandwiel met 18 tanden op de stappenmotor. Stel de stappenmotor af en draai deze vast zodat de tandwielen met 72 en 18 tanden in elkaar grijpen en soepel bewegen. Draai de bouten van de stappenmotor op hun plaats.

Sluit de elektronica aan:

Het bedradingsschema voor de klok is relatief eenvoudig. U moet de realtimeklokmodule aansluiten op de SDA- en SCL-pinnen, samen met de +5 volt en aarde op de Arduino. U moet ook de IN1 tot en met IN4-pinnen op de UNL2003A-stepperdriver aansluiten op de pinnen 8 tot 11 op de Arduino, samen met het aansluiten van de grond. Een schakelaar en een weerstand van 1k Ohm moeten worden aangesloten tussen de grond en pin 7 van de Arduino. Ten slotte moet er een voeding worden aangesloten op het UNL 2003A-bord en op de Arduino vanaf een 5 volt-voeding.

Hier is een meer gedetailleerde reeks beschrijvingen:

1. Soldeer een draad aan één kant van de drukknop. Bevestig deze aan de pin 7 op de Arduino.
2. Soldeer een weerstand van 1k aan de andere kant van de drukknop, zodat de ingangsknop geaard is wanneer deze niet wordt ingedrukt.. Verbind aan de andere kant van de knop met +5 volt.
3. Sluit de vier draden tussen pinnen 8, 9, 10 en 11 aan op de UNL 2003A-pinnen IN1, IN2, IN3 en IN4.
4. Verbind de SCL- en SDA-punten op de Real Time Clock-module met de juiste pinnen op de Arduino.
5. Verbind de aarde van de Arduino met de Real Time Clock-module en met de UNL 2003A-kaarten.
6. Maak een stroomsplitter voor je 5 volt voeding (2 ampère zou voldoende moeten zijn), en sluit deze aan op de Arduino en het UNL 2003A-bord.
7. Ten slotte moet u de LED-voeding door de middelste laag van de klok bevestigen en aan de achterkant van de behuizing vastmaken. U wilt dat de LED-controller aan de achterkant uitsteekt, zodat u het verlichtingspatroon op de klok kunt wijzigen.

U moet +5 volt aan de stepper-driver en +6 tot +12 volt aan de Arduino koppelen. Ik heb tevergeefs geprobeerd om hiervoor een enkele voeding te gebruiken, maar ik had waarschijnlijk een 2 amp 7 volt systeem met een stroomregelaar voor de stepper gebruikt als ik wat meer tijd had gehad.

Zorg ervoor dat de spanning tussen de motor en de tandwielen niet te strak of te los is. Dubbelcheck alles. Wanneer alle bedrading op zijn plaats zit en de onderdelen zijn vastgezet, schuift u het geheel voorzichtig op zijn plaats.

Sluit de voeding echter nog niet aan. We moeten eerst het bord programmeren

Stap 9: Programmeer de Arduino

Het programmeren van de Arduino was vrij eenvoudig. Zo werkt de code:

1. Wanneer de code start, initialiseert deze een stappenteller en haalt de tijd uit de real-time klokmodule. Het aantal stappen voor de motor wordt ook geïnitialiseerd, samen met een paar andere variabelen over het systeem.
2. De tijd wordt omgezet van lokale tijd naar lokale Sterrentijd. Omdat de aarde om de zon draait terwijl ze om haar as draait, is de tijd die de sterren nodig hebben om te draaien ongeveer 4 minuten korter dan de tijd die nodig is om naar de (gemiddelde) positie van de zon te draaien. De subroutine Sterrentijd in de code is gewijzigd vanaf deze site. Er waren echter een paar fouten in de code, dus ik heb geüpdatet om het volledige geschatte Sidereal Time-algoritme te gebruiken dat is gemaakt door het US Naval Observatory.
3. Wanneer de hoofdlus begint, berekent deze hoeveel tijd er is verstreken (in sterrenuren) sinds de klok werd aangezet. Het kijkt dan naar de huidige stappenteller en berekent hoeveel stappen moeten worden toegevoegd zodat de rotatie van de klok is uitgelijnd met de huidige tijd. Dit aantal stappen wordt naar de Arduino gestuurd om de schijf te verplaatsen.
4. Als een knop in de hoofdlus wordt ingedrukt, beweegt de schijf sneller vooruit. Hiermee kunt u de schijf instellen op de huidige tijd en datum. De klok bewaart het aantal stappen niet na een stroomreset en er is geen encoder om de absolute positie van de schijf aan te geven. Ik kan dit toevoegen in een toekomstige versie van het project.
5. Nadat de klok is verplaatst, gaat het systeem enige tijd in slaapstand en herhaalt de laatste twee stappen.

Ik heb een aantal experimenten met de stepper gedaan om er zeker van te zijn dat ik wist hoeveel stappen WERKELIJK nodig waren voor een enkele rotatie. Voor mijn stepper was het 512 x 4 met de standaard Arduino Stepper-bibliotheek. In de code heb ik de RPM ingesteld op 1. Hoewel dit pijnlijk langzaam is wanneer je de klok instelt, hadden hogere snelheden de neiging om meer gemiste stappen te hebben.

Stap 10: Sluit hem aan en stel de tijd in

Nadat je de code hebt geüpload, sluit je de voedingen aan op de Arduino en de stepper. Sluit alles aan, inclusief de achtergrondverlichting. Gebruik de afstandsbediening om het licht aan te doen.

Nu hoeft u alleen nog maar op de knop te drukken om de tijd en de datum op één lijn te brengen. Zorg ervoor dat de huidige tijd op de buitenste plastic rete is uitgelijnd met de maand en de dag op de binnenste acrylplaat. Gefeliciteerd! Je hebt een astronomische klok.

Zodra de tijd is ingesteld, moet u om de 8 seconden pulsen van de stepper krijgen om het sterveld bij te werken. Het is een LANGZAME 24-uurs rotatie, dus verwacht hier niet veel actie van. Het is duidelijk dat u de zaak kunt (en moet!) afmaken.

Zoals ik al zei, dit is een prototype. Ik ben over het algemeen blij met zijn resultaten, maar ik zou het een beetje aanpassen in de volgende versie. Toen ik het herbouwde, zal ik waarschijnlijk NEMA-steppers gebruiken in plaats van de goedkope versies. Ik denk dat de houdkracht en betrouwbaarheid ze gemakkelijker te gebruiken zouden maken. De versnelling werkte goed, maar ik heb het gevoel dat ik een beetje te veel speling heb gestopt in de versnellingen die ik heb ontworpen. Ik zou dat waarschijnlijk ook anders doen.

Tot slot wil ik de mensen van de MTSU Walker Library bedanken voor hun hulp bij het bouwen hiervan. Ik gebruikte de Laser Etcher in hun Maker Space om de acryl- en houtsneden te maken, en had veel productieve discussies met Ben, Neal en de rest van de Makerspace-bende toen ik aan de klok dacht.

Tweede prijs in de klokkenwedstrijd