Planeta na Clock ng Gear: 6 na Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:11

Ang (Lumang) mga mekanikal na orasan ay hindi kapani-paniwalang kawili-wili at kasiya-siyang panoorin, ngunit sa kasamaang palad ay halos imposible na itayo ang iyong sarili. Ang mga mekanikal na orasan ay kulang din sa kawalang-ingat ng tumpak na digital na teknolohiya na magagamit ngayon. Ipinapakita sa iyo ng Instructable na ito ng isang paraan upang pagsamahin ang pinakamahusay sa parehong mundo; sa pamamagitan ng pagmamaneho ng mga kamay ng mekanikal na orasan sa pamamagitan ng isang planetary gearbox na may isang stepper motor at isang Arduino!

Mga gamit

Pangkalahatang mga sangkap:

• 5mm na kahoy at acrylic sheet
• M5 bolts (countersunk), washers at nut
• Mga standoff ng PCB
• M3 screws para sa stepper motor

Mga sangkap ng kuryente:

• Stepper driver (ginamit ko ang L293d)
• Anumang uri ng Arduino
• Real Time Clock (ginamit ko ang DS3231)
• Hall effect sensor (ginamit ko ang A3144)
• 5mm Neodium magnet
• Mga pindutan para sa pag-input ng gumagamit
• 10K risistor
• 100uf 25V capacitor
• DC jack
• 5V 2A DC power supply
• Baterya para sa RTC (cr2032 sa aking kaso)

Mga sangkap ng mekanikal:

• Anumang uri ng 1.8 degree / step stepper motor na may 5mm axle
• GT2 400mm timing belt
• GT2 60 ngipin 5mm axle pulley
• GT2 20 ngipin 5mm axle pulley
• 5x16x5 mm tindig (3x)
• 5x16x5 mm flanged tindig (2x)
• M5x50 sinulid na tungkod

Hakbang 1: Pagdidisenyo at Paggawa ng mga Gears

Isa sa mga layunin ng proyektong ito ay magkaroon ng isang motor na nagtutulak ng kumpletong orasan, katulad ng isang tunay na mekanikal na orasan kung saan ang isang mekanismo ng pagtakas ang nagtutulak sa kumpletong orasan. Gayunpaman, ang minutong kamay ay kailangang gumawa ng 12 pag-ikot sa oras na ang oras na kamay ay gumagawa ng 1 pag-ikot. Nangangahulugan ito ng isang 1:12 gearbox ng pagbawas na kinakailangan upang magmaneho ng parehong mga kamay gamit ang isang motor. Napagpasyahan kong gawin ito sa isang planetary gearbox, maganda ang paliwanag ng kasama na video kung paano gumagana ang ganitong uri ng gearbox.

Ang susunod na hakbang para sa akin ay upang matukoy ang bilang ng ngipin para sa iba't ibang mga gears upang lumikha ng isang ratio ng 1:12. Ang website na ito ay naging kapaki-pakinabang at naglalaman ng lahat ng kinakailangang pormula. Inilakip ko ang gamit ng araw sa minutong kamay at ang nagdadala ng planeta sa oras na kamay, naiwan ang nakatigil na singsing na gear. Gumawa tayo ng kaunting matematika!

• S = bilang ng mga ngipin sa gear ng araw
• R = bilang ng mga ngipin sa ring gear
• P = bilang ng mga ngipin sa gear ng planeta

Ang gear ratio (i) ay natutukoy ng:

i = S / R + S

Tandaan na ang bilang ng mga ngipin sa gear ng planeta ay hindi mahalaga para sa gear ratio sa kasong ito, subalit kailangan nating igalang ang pangkalahatang pagpilit:

P = (R - S) / 2

Matapos ang ilang puzzling natapos ako gamit ang mga sumusunod na numero: S = 10; R = 110; P = 50; Tila nasa gilid sila ng kung ano ang posible dahil may napakakaunting clearance sa pagitan ng mga gears ng planeta, ngunit gumagana ito!

Maaari mong iguhit ang mga gears sa iyong paboritong programa ng CAD, karamihan sa mga ito ay may mga espesyal na plugin ng gear. Maaari mo ring gamitin ang mga file na nakakabit sa Instructable na ito. syempre. Tandaan na ang lahat ng mga gears, kahit na magkakaiba sa laki, ay may parehong pitch ng ngipin.

Naisip ko na magiging kahanga-hangang gawin ang mga gears na ito mula sa 5mm na aluminyo at nakipag-ugnay sa isang lokal na tindahan na may isang waterjet kung maaari nilang i-cut ang mga gears na ito para sa akin. Karaniwan hindi ka makakagawa ng mga gears na may mga pamutol ng tubig, ngunit ang mga ito ay napakababang mga gears sa pagganap. Nakakagulat na sumang-ayon silang subukan, ngunit ang planong ito ay nabigo nang labis. Ang mga bahagi ay maliit lamang para sa waterjet at nagsimulang lumipat habang ito ay paggupit.

Ang kabiguan na ito ay nangangahulugang oras na para sa plano B, kaya bumili ako ng 5mm usok na itim na acrylic at nakakita ng isang lugar na may isang pamutol ng laser, na walang problema sa pagputol ng aking mga gears. Kung wala kang isang magagamit na laser cutter maaari mo ring gamitin ang isang 3D-printer para sa mga gears na ito, isinama ko ang mga file ng STL (ang singsing ng gear ay maaaring kailanganin na hatiin sa 3 bahagi).

Matapos i-cut ay pinindot ko ang mga marapat na bearings sa mga gears ng planeta. Upang makuha ang tamang sukat gumawa ako ng isang piraso ng pagsubok ng acrylic na may maraming mga butas na ang bawat isa ay may isang maliit na mas malaking diameter (0.05 mm na mga hakbang). Matapos hanapin ang setting na may wastong pagkakasya binago ko ang laki ng butas sa mga gears ng planeta sa setting na ito. Ito ay isang bagay na naiiba sa materyal at uri ng makina kaya dapat mong palaging gawin ito sa iyong sarili.

Hakbang 2: Assembly ng Gear System

Upang tipunin ang mga gears, kinakailangan ang frame ng orasan. Ngayon ito ang bahagi kung saan maaari mong hayaan ang iyong pagkamalikhain na maging ligaw dahil ang hugis ng frame ay hindi mahalaga hangga't lahat ng mga butas ng bolt ay nasa tamang lugar. Pinili ko upang makagawa ng maraming mga butas sa dial plate at back plate upang bigyang-diin ang mekanismo ng gear. Ito rin ang dahilan kung bakit ang mga tagadala ng planeta at minutong kamay ay isang uri ng see-through, ngunit mukhang cool din ito!

Ginamit ko muli ang laser cutter upang gawin ang mga bahaging ito, at dahil ang mga bahagi ng acrylic ay 5mm makapal ginawa ko rin ang kapal ng mga kahoy na 5mm. Ang lahat ng mga butas sa dial plate at planet carrier ay countersunk upang mapaunlakan ang pagtutugma ng mga bolt.

Ang gitnang ehe ng orasan ay tumatakbo sa dalawang mga gulong sa loob ng mga carrier ng planeta. Dahil ginawa ko ang ehe na ito mula sa 5mm bar stock mayroon itong talagang masikip na akma sa loob ng mga bearings at hindi ko na nagawang i-disassemble ang mga sangkap na ito. Mas magiging madali ang paggamit lamang ng isang piraso ng M5 thread dahil hindi mo na rin kailangang i-cut ang iyong sariling thread (kung nalaman ko lang muna….). Upang pigilan ang gear ng araw mula sa pag-ikot sa paligid ng ehe mayroon itong hugis na D na butas, kaya kailangan ding i-file ang ehe sa ganitong D-hugis. Kapag ang sun gear ay umaangkop sa paligid ng ehe maaari mong tipunin ang ehe, huwag kalimutan ang mga carrier ng planeta kung gumagamit ka ng mga flanged bearings! Suriin ang sumabog na pagtingin para sa mga tagubilin sa pagpupulong.

Kapag naka-mount ang gitnang axis, oras nito para sa mga gears ng planeta. Kailangan din nito ang maliliit na washer, tulad ng gitnang ehe, upang matiyak na tumatakbo nang maayos ang mga gears. Kapag na-mount na ang lahat sa mga carrier ng planeta, suriin kung ang mga gears ng planeta at gear ng araw ay maayos na tumatakbo.

Ang gitnang bahagi ay maaari na ngayong mai-mount sa frame ng orasan. Ito ay isang nakakapagod na trabaho, ngunit ang pagdikit ng mga bolt sa harap ng plato at pag-tap sa kanila sa lugar ay nakakatulong nang malaki. Maaari din itong maging kapaki-pakinabang upang itaas ang front plate upang lumikha ng silid para sa minutong kamay. Ipinapakita ng mga larawan na naglagay ako ng anim na maliliit na piraso ng papel sa pagitan ng singsing na pang-gear at back plate upang magbigay ng kaunting clearance para sa mga gears. Kapag pinapasok ang carrier ng planeta siguraduhin na ang mga pagdayal ay nakaturo sa isang makatuwirang lokasyon (kung ang minutong minuto ng kamay ay tumuturo sa 12, ang oras na kamay ay hindi dapat nasa pagitan ng dalawang oras na halimbawa)

Hakbang 3: Pagkonekta sa Stepper at Sensor

Ngayon na mayroon kaming isang mekanismo ng gear na hinihimok nang tama ang mga kamay, kailangan pa rin nating ihimok nang tama ang mekanismo ng gear. Maaaring magamit ang iba't ibang mga uri ng mga de-kuryenteng motor, pumili ako ng isang stepper motor dahil maaari itong gumawa ng tumpak na paggalaw nang walang pare-pareho ang mga sensor ng feedback ng anggular. Ang isang stepper motor ay maaari ring gumawa ng isang totoong tunog na "Click", na mahusay para sa semi-mechanical na orasan!

Ang isang regular na stepper motor ay maaaring gumawa ng 200 mga hakbang bawat rebolusyon, na isinalin sa 200 mga hakbang bawat oras kung ikinonekta namin ito sa minutong kamay. Mangangahulugan ito ng isang agwat ng 18 segundo bawat hakbang, na kung saan ay hindi pa tunog tulad ng isang ticking orasan. Samakatuwid gumamit ako ng isang 1: 3 na paghahatid sa pagitan ng stepper motor at ng minutong mga kamay kaya't ang stepper motor ay kailangang gumawa ng 600 mga hakbang bawat oras. Gamit ang kalahating hakbang mode na ito ay maaaring dagdagan sa 1200 mga hakbang bawat oras, na katumbas ng isang hakbang bawat 3 segundo. Mas magandang pakinggan!

Ang isang problema sa stepper ay binibigyan ng motor na hindi mo alam kung nasaan sila kapag pinapagana mo ang iyong Arduino. Ito ang dahilan kung bakit ang lahat ng mga 3D printer ay may mga end-stop, upang mailipat mo ang iyong printer sa isang kilalang posisyon at pagkatapos ay magpatuloy mula sa puntong iyon. Kailangan din ito para sa orasan, isang pagtigil lamang sa pagtatapos ang hindi gagana dahil ang isang orasan ay dapat gumawa ng tuloy-tuloy na pag-ikot. Upang mapagtanto ang posisyon na ito sa pag-sensing ginamit ko ang isang A3144 Hall-effect sensor na nakakaintindi ng magnet (suriin ang polarity!….) Na nakakabit sa carrier ng planeta. Ginagamit ito upang ilipat ang mga kamay sa isang tukoy na posisyon sa pagsisimula, pagkatapos na maaari silang lumipat sa kinakailangang oras.

Ang Assembly ay napaka-simple; Ikabit ang stepper motor sa likod ng plato, naiwan ang mga tornilyo na bahagyang maluwag. Pagkatapos ay maaari mong mai-mount ang maliit na pulley sa stepper motor axle at suriin kung ang timing belt ay tumatakbo nang diretso. Ngayon ay maaari mong i-slide ang stepper motor upang ayusin ang pag-igting sa timing belt. Ang timing belt ay nangangailangan ng kaunting pag-play upang matiyak na hindi ka naglalagay ng anumang stress sa mga gears. Maglaro sa setting na ito hanggang sa nasiyahan ka, pagkatapos ay higpitan ang mga turnilyo ng stepper motor.

Ang sensor ng hall-effect ay nakadikit sa lugar. Pinakamainam na maghinang muna ng tatlong mga wire sa sensor, siguraduhing ilagay ang pag-urong ng init sa paligid ng bawat binti ng sensor upang hindi sila maiikli ang bawat isa. Matapos ang paghihinang ng sensor ay maaaring nakadikit sa lugar. Hindi na mahalaga kung aling panig ang nasa taas, hangga't hindi mo pa nakakalakip ang pang-akit. Matapos mong nakadikit ang sensor sa lugar, ikonekta ito sa isang Arduino o isang maliit na LED circuit upang subukan kung gumagana ito. (TANDAAN: gagana lamang ang sensor ng hall effect kung ang mga linya ng magnetic field ay pupunta sa tamang direksyon). Gamit ang test circuit na ito, i-verify kung paano dapat nakadikit ang magnet. Sa sandaling tiyak na sigurado ka kung aling bahagi ng iyong pang-akit ang dapat harapin ang sensor, kola ang magnet sa lugar.

Hakbang 4: Ang Elektronika na Gumagawa ng Clock Tick

Maaari kang gumamit ng isang napaka-simpleng Arduino code na kung saan ay gumagawa ng isang kalahating hakbang sa motor at pagkatapos ay tumatagal ng isang 3000 millisecond pagkaantala hanggang sa susunod na hakbang. Gagana ito ngunit hindi ito masyadong tumpak dahil ang panloob na relo ng Arduino ay hindi masyadong tumpak. Pangalawa ay makakalimutan ng Arduino ang oras sa tuwing nawawalan ito ng lakas.

Upang subaybayan ang oras sa samakatuwid pinakamahusay na gumamit ng real-time na orasan. Ang mga bagay na ito ay espesyal na dinisenyo chips na may isang back-up na baterya na tumpak na sinusubaybayan ng oras. Para sa proyektong ito pinili ko ang DS3231 RTC na maaaring makipag-usap sa isang Arduino sa pamamagitan ng i2c, na ginagawang madali ang mga kable. Kapag naitakda mo nang tama ang oras sa kanyang maliit na tilad ay hindi nito malilimutan kung anong oras na (hangga't ang cr2032 na baterya ay may natitirang katas). Suriin ang website na ito para sa lahat ng mga detalye tungkol sa modyul na ito.

Ang pagmamaneho ng stepper motor ay tapos na sa isang L293d motor driver. Ang ilang mas advanced na mga driver ng stepper motor ay gumagamit ng isang PWM signal para sa micro-stepping at kasalukuyang limitasyon. Ang PWM signal na ito ay maaaring makagawa ng nakakainis na ingay ng peep ng bawat tagagawa ay pamilyar sa (lalo na kung nagmamay-ari ka ng isang 3D printer). Dahil ang orasan na ito ay dapat na maging bahagi ng iyong panloob, hindi kanais-nais na mga ingay. Samakatuwid nagpasya akong gamitin ang low-tech na l293d motor driver upang matiyak na ang aking orasan ay tahimik (bukod sa paghakbang bawat 3 sec, ngunit talagang kasiya-siya iyon!). Suriin ang website na ito para sa isang detalyadong paglalarawan ng l293d chip. Tandaan na pinapatakbo ko ang aking stepper motor sa 5V na nagpapababa ng pagkonsumo ng kuryente at temperatura ng stepper motor.

Tulad ng nabanggit kanina, gumagamit ako ng sensor ng Hall-effect upang makita ang isang magnet na nakadikit sa carrier ng planeta. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng sensor ay napaka-simple, binabago nito ang estado kapag ang isang magnet ay sapat na malapit. Sa ganitong paraan ang iyong Arduino ay maaaring makakita ng isang digital mataas o mababa at samakatuwid ay tuklasin kung ang isang magnet ay malapit. Suriin ang website na ito na nagpapakita kung paano ikonekta ang sensor at ipinapakita ang simpleng code na ginamit para sa pagtuklas ng magnet.

Huling ngunit hindi pa huli, nagdagdag ako ng 4 na mga pindutan para sa pag-input ng gumagamit sa PCB. Ginagamit nila ang panloob na mga resistors ng pull-up ng Arduino upang gawing simple ang mga kable. Ang aking PCB ay mayroon ding mga header sa isang pagsasaayos ng Uno upang maidagdag ko ang mga panangga ng Arduino para sa mga posibleng pagpapalawak (hindi ko pa nagagawa ito sa ngayon).

Sinubukan ko muna ang lahat sa aking breadboard at pagkatapos ay nag-disenyo ako at nag-order ng isang pasadyang PCB para sa proyektong ito, dahil mukhang mahusay ito! Maaari mo ring mai-mount ang PCB sa likod ng iyong orasan kung ayaw mong tingnan ito.

Ang mga Gerber file para sa PCB ay maaaring ma-download mula sa aking drive, Hindi ako pinapayagan ng mga Instructable na i-upload ang mga ito para sa ilang kadahilanan. Gamitin ang link na ito sa aking google drive.

Hakbang 5: Programming ang Arduino

Ang pangunahing code para sa Arduino ay talagang napaka-simple. Nag-attach ako ng isang scheme na nakikita ang nangyayari sa loob ng Arduino at kung paano nakikipag-ugnay ang Arduino sa iba pang mga aparato. Gumamit ako ng maraming mga library upang gawing simple ang pag-coding.

• Ang Accelstepper -> hinahawakan ang stepping series ng stepper motor, hinahayaan kang magbigay ng mga intuitive na utos tulad ng: Stepper.runSpeed (), o Stepper.move () na hahayaan kang ilipat sa isang tiyak na bilis o sa isang tiyak na posisyon ayon sa pagkakabanggit.
• Wire -> kinakailangan ito para sa komunikasyon ng i2c, kahit na ginagamit ang RTClib
• RTClib -> humahawak sa komunikasyon sa pagitan ng Arduino at RTC, hinahayaan kang magbigay ng mga intuitive na utos tulad ng rtc.now () na nagbabalik ng kasalukuyang oras.
• Onebutton -> Humahawak sa pag-input ng pindutan, nakita ang mga pagpindot at pagkatapos ay nagpapatakbo ng isang paunang natukoy na walang bisa upang gumawa ng isang bagay. Maaaring makita ang solong, doble o mahabang pagpindot.

Kapag nagsusulat ng code para sa isang orasan napakahalaga na iwasan ang pagkakaroon ng mga variable na patuloy na dumarami. Dahil ang Arduino code ay tatakbo nang 24/7 ang mga variable na ito ay mabilis na magiging mas malaki at mas malaki at kalaunan ay magiging sanhi ng isang overflow. Ang stepper motor halimbawa ay hindi kailanman iniutos na pumunta sa isang tiyak na posisyon, dahil ang posisyon na ito ay tataas lamang sa paglipas ng panahon. Sa halip ang stepper motor ay inuutusan na ilipat ang isang tiyak na bilang ng mga hakbang sa isang tiyak na direksyon. Sa ganitong paraan walang variable ng posisyon na nagdaragdag sa paglipas ng panahon.

Sa kauna-unahang pagkakakonekta mo sa RTC kailangan mo upang itakda ang oras ng maliit na tilad, mayroong isang piraso ng code na maaari mong pag-inmente na nagtatakda ng oras ng RTC na katumbas ng oras mo sa computer (ang oras sa sandaling ipunin mo ang code). Tandaan na kapag iniwan mo ito nang hindi komportable ang oras ng RTC ay mare-reset sa oras kung saan mo naipon ang iyong code sa bawat oras. Kaya't i-kompromiso ito, patakbuhin ito minsan at pagkatapos ay puna ulit ito.

Inilakip ko ang aking code sa Instructable na ito, binigyan ko ito ng mabuti. Maaari mong i-upload ito nang walang anumang mga pagbabago o suriin ito at makita kung ano ang palagay mo!

Hakbang 6: Tangkilikin ang Tunog ng Iyong Pag-click sa Clock sa Unang Oras

Matapos ikonekta ang lahat ng electronics at i-upload ang code, ito ang resulta!

Ang pangunahing disenyo ng orasan na ito ay napaka-simple at maaari itong gawin sa maraming iba't ibang mga hugis at sukat. Dahil mayroong isang Arduino na nakasakay madali mo ring magdagdag ng mga karagdagang tampok. Pagtatakda ng isang alarma, buksan ang orasan sa iyo ng kape machine sa isang takdang oras, pagkakakonekta sa internet, mga cool na mode ng demo na i-highlight ang paggalaw ng mekanikal upang ipakita ang iyong disenyo sa iba at higit pa!

Tulad ng napansin mo sa buong Instructable na ito, kailangan kong ihiwalay ang aking orasan alang-alang sa pagsusulat ng Instructable na ito. Kahit na kapus-palad para sa Instructable na ito maaari kong hindi magagarantiyahan ang disenyo ay mahusay na gumaganap sa pangmatagalang, dahil ang orasan na ito ay humihigit sa higit sa 3 taon sa aking sala nang walang anumang mga problema!

Mangyaring ipaalam sa akin sa mga komento kung nagustuhan mo ang Instructable na ito, ito ang unang pagkakataon na sumulat ako ng isa. Gayundin kung mayroon kang anumang mga tip o katanungan, padalhan lamang ako ng mensahe. At inaasahan kong pinasigla ko ang isang tao na bumuo din ng isang semi-mechanical na orasan isang araw!

Unang Gantimpala sa Clocks Contest