Hodiny s planetárnym prevodom: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

(Staré) mechanické hodinové hodiny sú neuveriteľne zaujímavé a príjemné na sledovanie, ale bohužiaľ je takmer nemožné ich postaviť vlastnými rukami. Mechanickým hodinám tiež chýba nedbalosť presnej digitálnej technológie, ktorá je dnes k dispozícii. Tento návod vám ukáže spôsob, ako skombinovať to najlepšie z oboch svetov; poháňaním mechanických ručičiek cez planétovú prevodovku s krokovým motorom a Arduinom!

Zásoby

Všeobecné komponenty:

• 5 mm drevený a akrylový plech
• Skrutky M5 (zápustné), podložky a matice
• Medzery medzi PCB
• Skrutky M3 pre krokový motor

Elektrické komponenty:

• Krokový ovládač (použil som L293d)
• Akýkoľvek typ Arduina
• Hodiny v reálnom čase (používal som DS3231)
• Snímač Hallovho efektu (používal som A3144)
• 5 mm neodymový magnet
• Tlačidlá pre vstup užívateľa
• 10K odpor
• 100uf 25V kondenzátor
• DC konektor
• Napájanie 5V 2A DC
• Batéria pre RTC (v mojom prípade cr2032)

Mechanické komponenty:

• Akýkoľvek typ krokového motora s stupňom 1,8 stupňa/krok s 5 mm nápravou
• Rozvodový remeň GT2 400 mm
• GT2 60 zubová 5 mm osová kladka
• Remenica GT2 s 20 zubami 5 mm
• Ložisko 5x16x5 mm (3x)
• Prírubové ložisko 5x16x5 mm (2x)
• Závitová tyč M5x50

Krok 1: Navrhovanie a výroba ozubených kolies

Jedným z cieľov tohto projektu bolo mať jeden motor, ktorý poháňa celé hodiny, podobne ako skutočné mechanické hodiny, kde jeden únikový mechanizmus poháňa celé hodiny. Minútová ručička však musí urobiť 12 otáčok za čas, kedy hodinová ručička urobí 1 otočenie. To znamená, že na pohon oboch rúk jedným motorom je potrebná redukčná prevodovka 1:12. Rozhodol som sa to urobiť s planétovou prevodovkou, priložené video krásne vysvetľuje, ako tento typ prevodovky funguje.

Ďalším krokom pre mňa bolo určenie počtu zubov pre rôzne prevody, aby sa vytvoril pomer 1:12. Táto webová stránka bola veľmi nápomocná a obsahuje všetky potrebné vzorce. Slnečné koleso som pripevnil k minútovej ručičke a nosič planéty k hodinovej ruke, pričom prstencový prevodový stupeň som nechal v pokoji. Poďme si trochu matematiky!

• S = počet zubov centrálneho kolesa
• R = počet zubov na ozubenom kolese
• P = počet zubov na planétovom prevode

Prevodový pomer (i) je určený:

i = S/R+S

Všimnite si toho, že počet zubov na planétovom prevode v tomto prípade nezáleží na prevodovom pomere, musíme však rešpektovať všeobecné obmedzenia:

P = (R - S)/2

Po nejakom záhadnom som skončil s použitím nasledujúcich čísel: S = 10; R = 110; P = 50; Zdá sa, že sú na okraji toho, čo je možné, pretože medzi planétovými kolesami je veľmi malá vôľa, ale funguje to!

Ozubené kolesá môžete kresliť vo svojom obľúbenom programe CAD, väčšina z nich má špeciálne doplnky pre prevodové stupne. Môžete tiež použiť súbory priložené k tomuto návodu. samozrejme. Všimnite si toho, že všetky prevody, aj keď sa líšia veľkosťou, majú rovnaký rozstup zubov.

Myslel som si, že by bolo úžasné vyrobiť tieto prevody z 5 mm hliníka a kontaktoval miestny obchod s vodným lúčom, ak by mi mohli tieto zariadenia znížiť. Bežne by ste nikdy nerobili prevody pomocou vodných nožov, ale toto sú veľmi nízke prevodové stupne. Prekvapivo súhlasili, že to skúsia, ale tento plán strašne zlyhal. Diely boli pre vodný lúč jednoducho príliš malé a počas rezania sa začali pohybovať.

Táto prekážka znamenala, že je čas na plán B, a tak som si kúpil 5 mm dymovo čierny akryl a našiel som si miesto s laserovou rezačkou, ktorá nemala problém rozrezať moje prevody. Ak nemáte k dispozícii laserovú rezačku, môžete na tieto ozubené kolesá pravdepodobne použiť aj 3D tlačiareň, vrátane súborov STL (ozubené koleso môže byť potrebné rozdeliť na 3 časti).

Po rezaní vtlačím namontované ložiská do planétových kolies. Aby som správne sedel, vyrobil som testovací kus z akrylu s niekoľkými otvormi, z ktorých každý mal o niečo väčší priemer (kroky 0,05 mm). Po nájdení nastavenia so správnym uložením som zmenil veľkosť otvoru v planétových prevodoch na toto nastavenie. To sa líši v závislosti od materiálu a typu stroja, takže by ste to mali vždy urobiť sami.

Krok 2: Zostavenie prevodového systému

Na zostavenie ozubených kolies je potrebný rám hodín. Teraz je to tá časť, kde môžete nechať svoju kreativitu divokú, pretože tvar rámu je relatívne nedôležitý, pokiaľ sú všetky otvory pre skrutky na správnom mieste. Rozhodol som sa urobiť veľa dier v číselníku a zadnej doske, aby som zdôraznil prevodový mechanizmus. To je tiež dôvod, prečo sú nosiče planét a minútová ručička akosi priehľadné, ale tiež to jednoducho vyzerá skvele!

Na výrobu týchto dielov som opäť použil laserovú rezačku, a pretože akrylové diely boli hrubé 5 mm, vyrobil som drevené diely tiež hrubé 5 mm. Všetky otvory v číselníkovej doske a v nosiči planéty boli zapustené, aby sa do nich zmestili zodpovedajúce skrutky.

Stredová náprava hodín prebieha v dvoch ložiskách vo vnútri nosičov planét. Pretože som vyrobil túto os z 5 mm tyčového skladu, má skutočne tesné uloženie vo vnútri ložísk a tieto komponenty som už nedokázal rozobrať. Bolo by oveľa jednoduchšie použiť kúsok vlákna M5, pretože by ste už tiež nemuseli prestrihávať svoje vlastné vlákno (keby som si to vopred uvedomil …..). Aby sa centrálne koleso neotáčalo okolo nápravy, má otvor v tvare D, takže do tohto tvaru D musí byť uložená aj náprava. Keď sa centrálne koleso zmestí okolo nápravy, môžete os namontovať, nezabudnite na planétové nosiče, ak používate prírubové ložiská! Pokyny na montáž nájdete v rozloženom zobrazení.

Keď je stredová os namontovaná, je čas, aby sa planéta previedla. Tieto tiež potrebujú malé podložky, rovnako ako centrálna náprava, aby sa zaistil hladký chod prevodov. Akonáhle je všetko namontované na nosičoch planét, skontrolujte, či planétové prevody a centrálne koleso bežia hladko.

Stredovú časť je teraz možné namontovať do rámu hodín. Je to únavná práca, ale prilepenie skrutiek cez prednú dosku a zalepenie ich páskou na mieste veľmi pomáha. Tiež môže byť užitočné zdvihnúť prednú dosku, aby sa vytvoril priestor pre minútovú ručičku. Fotografie ukazujú, že som umiestnil šesť malých kúskov papiera medzi ozubený krúžok a zadnú dosku, aby som poskytol malý priestor pre prevody. Pri vkladaní nosiča planéty sa uistite, že ciferníky smerujú na rozumné miesto (ak minútová ručička ukazuje na 12, hodinová ručička by nemala byť napríklad medzi dvoma hodinami)

Krok 3: Pripojenie steppera a senzora

Teraz, keď máme prevodový mechanizmus, ktorý správne poháňa ruky, musíme stále správne poháňať prevodový mechanizmus. Dali sa použiť rôzne druhy elektromotorov, vybral som krokový motor, pretože dokáže vykonávať presné pohyby bez konštantných senzorov uhlovej spätnej väzby. Krokový motor môže tiež vydávať skutočný zvuk „kliknutia“, čo je skvelé pre polo-mechanické hodiny!

Bežný krokový motor dokáže urobiť 200 krokov za otáčku, čo v preklade znamená 200 krokov za hodinu, ak ho spojíme s minútovou ručičkou. To by znamenalo interval 18 sekúnd na krok, ktorý zatiaľ neznie ako tikajúce hodiny. Preto som medzi krokovým motorom a minútovými ručičkami použil prevod 1: 3, takže krokový motor musí urobiť 600 krokov za hodinu. V režime polovičného kroku to možno zvýšiť na 1 200 krokov za hodinu, čo sa rovná jednému kroku za 3 sekundy. Znie to lepšie!

Jeden problém s krokovými motormi je ten, že pri zapnutí Arduina nikdy neviete, kde sú. Preto majú všetky 3D tlačiarne koncové dorazy, aby ste mohli tlačiareň presunúť na známe miesto a potom z tohto bodu pokračovať. Je to potrebné aj pre hodiny, iba koncová zarážka nebude fungovať, pretože hodiny by sa mali otáčať nepretržite. Na realizáciu tohto snímania polohy som použil snímač Hallovho efektu A3144, ktorý sníma magnet (skontrolujte polaritu! …) pripevnený k nosiču planéty. Slúži na presunutie rúk do konkrétnej polohy pri štarte, po ktorej sa môžu presunúť na potrebný čas.

Montáž je veľmi jednoduchá; Pripojte krokový motor k zadnej doske, pričom skrutky nechajte mierne uvoľnené. Potom môžete malú kladku namontovať na os krokového motora a skontrolovať, či rozvodový remeň beží rovno. Teraz môžete posunutím krokového motora nastaviť napätie na rozvodovom remeňu. Rozvodový remeň potrebuje malú vôľu, aby ste sa presvedčili, že na ozubené kolesá nevyvíjate žiadne napätie. Hrajte sa s týmto nastavením, kým nie ste spokojní, potom úplne utiahnite skrutky krokového motora.

Senzor Hallovho efektu je nalepený na svojom mieste. Najlepšie je najskôr spájať tri vodiče so senzorom a uistiť sa, že okolo každej nohy senzora je zmršťovadlo, aby sa nemohli navzájom skratovať. Po spájkovaní je možné senzor prilepiť na miesto. Nezáleží na tom, ktorá strana je hore, pokiaľ ste magnet ešte nepripojili. Po prilepení senzora na miesto ho pripojte k Arduinu alebo malému obvodu LED a vyskúšajte, či funguje. (POZNÁMKA: snímač Hallovho efektu funguje iba vtedy, ak sa čiary magnetického poľa uberajú správnym smerom). Pomocou tohto testovacieho obvodu overte, ako by mal byť magnet prilepený. Keď ste si úplne istí, ktorá strana magnetu by mala smerovať k senzoru, prilepte magnet na miesto.

Krok 4: Elektronika, ktorá vytvára hodiny

Môžete použiť veľmi jednoduchý kód Arduino, ktorý urobí polovičný krok s motorom a potom trvá 3000 milisekúnd oneskorenie do ďalšieho kroku. To by fungovalo, ale nie je to veľmi presné, pretože vnútorné hodiny Arduino nie sú veľmi presné. Za druhé, Arduino zabudne na čas zakaždým, keď stratí napájanie.

Na sledovanie času je preto najlepšie použiť hodiny v reálnom čase. Tieto veci sú špeciálne navrhnuté čipy so záložnou batériou, ktoré presne sledujú čas. Pre tento projekt som si vybral DS3231 RTC, ktorý môže komunikovať s Arduino cez i2c, čo uľahčuje zapojenie. Akonáhle na jeho čipe nastavíte čas, nikdy nezabudne, koľko je hodín (pokiaľ batérii cr2032 zostane šťava). Na tomto webe nájdete všetky podrobnosti o tomto module.

Riadenie krokového motora sa vykonáva pomocou ovládača motora L293d. Niektoré pokročilejšie ovládače krokových motorov používajú signál PWM na mikrokrokovanie a obmedzenie prúdu. Tento signál PWM môže spôsobovať nepríjemný hluk, ktorý pozná každý výrobca (najmä ak vlastníte 3D tlačiareň). Pretože sa tieto hodiny majú stať súčasťou vášho interiéru, nie sú žiaduce nepríjemné zvuky. Preto som sa rozhodol použiť low-tech ovládač motora l293d, aby som sa ubezpečil, že moje hodiny sú tiché (okrem krokovania každé 3 sekundy, ale to je skutočne zábavné!). Na tejto webovej stránke nájdete podrobný popis čipu l293d. Všimnite si toho, že používam krokový motor na 5 V, čo znižuje spotrebu energie a teplotu krokového motora.

Ako už bolo spomenuté, na detekciu magnetu prilepeného k nosiču planéty používam snímač s Hallovým efektom. Princíp činnosti senzora je veľmi jednoduchý, mení stav, keď je magnet dostatočne blízko. Vaše Arduino tak dokáže detekovať digitálne maximum alebo minimum, a teda zistiť, či je magnet blízko. Pozrite sa na tento web, ktorý ukazuje, ako pripojiť snímač, a ukazuje jednoduchý kód používaný na detekciu magnetov.

V neposlednom rade som na DPS pridal 4 tlačidlá pre vstup užívateľa. Na zjednodušenie zapojenia používajú vnútorné výsuvné odpory Arduino. Moja doska plošných spojov má tiež hlavičky v konfigurácii Uno, aby som mohol pridať štíty Arduino na možné rozšírenia (doteraz som to neurobil).

Najprv som všetko vyskúšal na svojom doske a potom som navrhol a objednal vlastnú PCB pre tento projekt, pretože vyzerá úžasne! Ak sa na to nechcete pozerať, môžete tiež namontovať DPS na zadnú stranu hodín.

Súbory Gerber pre DPS je možné stiahnuť z môjho disku, Instructables mi ich z nejakého dôvodu nedovoľuje nahrať. Použite tento odkaz na môj disk Google.

Krok 5: Programovanie Arduina

Základný kód pre Arduino je v skutočnosti veľmi jednoduchý. Pripojil som schému, ktorá vizualizuje, čo sa deje vo vnútri Arduina a ako je Arduino prepojené s ostatnými zariadeniami. Na zjednodušenie kódovania som použil niekoľko knižníc.

• Accelstepper -> zvláda postupnosť krokového motora, umožňuje vám dávať intuitívne príkazy ako: Stepper.runSpeed () alebo Stepper.move (), ktoré vám umožňujú pohybovať sa určitou rýchlosťou alebo do určitej polohy.
• Drôt -> to je potrebné pre komunikáciu i2c, aj keď používate RTClib
• RTClib -> zvláda komunikáciu medzi Arduino a RTC, umožňuje vám dávať intuitívne príkazy ako rtc.now (), ktoré vracia aktuálny čas.
• OneButton -> Ovláda zadávanie tlačidiel, detekuje stlačenia a potom spustí vopred zadanú prázdnotu, aby niečo urobil. Dokáže detekovať jednoduché, dvojité alebo dlhé stlačenia.

Pri písaní kódu pre hodiny je veľmi dôležité vyhnúť sa premenným, ktoré sa neustále zvyšujú. Pretože kód Arduino bude bežať 24/7, tieto premenné sa budú rýchlo zväčšovať a nakoniec spôsobia pretečenie. Napríklad krokovému motoru nie je nikdy prikázané, aby prešiel do určitej polohy, pretože táto poloha by sa časom iba zvyšovala. Namiesto toho je krokovému motoru prikázané, aby pohyboval určitým počtom krokov v určitom smere. Týmto spôsobom neexistuje žiadna premenná polohy, ktorá by sa časom zvyšovala.

Pri prvom pripojení RTC k nastaveniu času čipu existuje časť kódu, ktorý môžete odkomentovať a ktorá nastaví čas RTC rovnaký ako počítačový čas (čas v okamihu, keď kód skomplikujete). Všimnite si toho, že keď to necháte bez komentárov, čas RTC sa obnoví na čas, v ktorom ste kód vždy skompilovali. Tak to odkomentujte, spustite to raz a potom to znova komentujte.

Pripojil som svoj kód k tomuto Instructable, dôkladne som ho okomentoval. Môžete ho nahrať bez akýchkoľvek zmien alebo si ho pozrieť a zistiť, čo si myslíte!

Krok 6: Užite si prvýkrát zvuk tikajúcich hodín

Po pripojení všetkej elektroniky a nahraní kódu je to výsledok!

Základný dizajn týchto hodín je veľmi jednoduchý a môžu byť vyrobené v mnohých rôznych tvaroch a veľkostiach. Pretože je na palube Arduino, môžete tiež ľahko pridať ďalšie funkcie. Nastavte si budík, nechajte hodiny zapnúť kávovar v nastavenom čase, internetové pripojenie, skvelé demo režimy, ktoré zvýraznia mechanický pohyb, ktorým ukážete svoj dizajn ostatným, a oveľa viac!

Ako ste si mohli všimnúť v celom tomto návode, kvôli písaniu tohto pokynu som musel rozobrať hodiny. Aj keď mám pre tento návod smolu, môžem prinajmenšom zaručiť, že dizajn dlhodobo funguje veľmi dobre, pretože tieto hodiny v mojej obývačke bez problémov tikajú viac ako 3 roky!

Dajte mi vedieť v komentároch, či sa vám tento návod páči, je to prvýkrát, čo ho píšem. Ak máte akékoľvek otázky alebo nápady, napíšte mi správu. A dúfam, že som niekoho inšpiroval k tomu, aby jedného dňa postavil aj polo-mechanické hodiny!

Prvá cena v súťaži o hodiny