Đồng hồ bánh răng hành tinh: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Các tác phẩm đồng hồ cơ học (cũ) cực kỳ thú vị và khiến người xem hài lòng, nhưng tiếc là hầu như không thể tự chế tạo được. Đồng hồ cơ cũng thiếu đi sự bất cẩn trước công nghệ kỹ thuật số chính xác hiện nay. Có thể hướng dẫn này cho bạn thấy một cách để kết hợp tốt nhất của cả hai thế giới; bằng cách điều khiển kim đồng hồ cơ học thông qua hộp số hành tinh với động cơ bước và Arduino!

Quân nhu

Thành phần chung:

• 5mm gỗ và tấm acrylic
• Bu lông M5 (chìm), vòng đệm và đai ốc
• PCB standoffs
• Vít M3 cho động cơ bước

Thành phần điện tử:

• Trình điều khiển bước (tôi đã sử dụng L293d)
• Bất kỳ loại Arduino nào
• Đồng hồ thời gian thực (tôi đã sử dụng DS3231)
• Cảm biến hiệu ứng Hall (tôi đã sử dụng A3144)
• Nam châm Neodium 5mm
• Các nút cho đầu vào của người dùng
• Điện trở 10K
• Tụ điện 100uf 25V
• Giắc cắm DC
• Nguồn điện 5V 2A DC
• Pin cho RTC (cr2032 trong trường hợp của tôi)

Thành phần cơ khí:

• Bất kỳ loại động cơ bước 1,8 độ / bước nào với trục 5mm
• Đai thời gian GT2 400mm
• GT2 60 răng trục 5mm ròng rọc
• GT2 20 răng 5mm trục ròng rọc
• Vòng bi 5x16x5 mm (3x)
• Vòng bi có mặt bích 5x16x5 mm (2x)
• Thanh ren M5x50

Bước 1: Thiết kế và chế tạo bánh răng

Một trong những mục tiêu của dự án này là có một động cơ điều khiển chiếc đồng hồ hoàn chỉnh, tương tự như một chiếc đồng hồ cơ học thực sự trong đó một cơ cấu thoát sẽ điều khiển chiếc đồng hồ hoàn chỉnh. Tuy nhiên, kim phút cần thực hiện 12 vòng quay trong thời gian kim giờ thực hiện 1 vòng quay. Điều này có nghĩa là cần phải có hộp số giảm 1:12 để truyền động bằng cả hai tay với một động cơ. Tôi quyết định làm điều này với hộp số hành tinh, video đi kèm giải thích rất hay cách hoạt động của loại hộp số này.

Bước tiếp theo đối với tôi là xác định số răng cho các bánh răng khác nhau để tạo ra tỷ lệ 1:12. Trang web này rất hữu ích và chứa tất cả các công thức cần thiết. Tôi gắn bánh răng mặt trời vào kim phút và vật mang hành tinh vào kim giờ, để bánh răng đứng yên. Hãy làm một chút toán học!

• S = số răng trên bánh răng mặt trời
• R = số răng trên bánh răng
• P = số răng trên bánh răng hành tinh

Tỷ số truyền (i) được xác định bởi:

i = S / R + S

Lưu ý rằng số răng trên bánh răng hành tinh không quan trọng đối với tỷ số truyền trong trường hợp này, tuy nhiên chúng ta cần phải tôn trọng những hạn chế chung:

P = (R - S) / 2

Sau một số khó hiểu, tôi đã sử dụng các số sau: S = 10; R = 110; P = 50; Họ dường như đang ở bên rìa của những gì có thể vì có rất ít khe hở giữa các bánh răng hành tinh, nhưng nó hoạt động!

Bạn có thể vẽ các bánh răng trong chương trình CAD yêu thích của mình, hầu hết chúng đều có các plugin bánh răng đặc biệt. Bạn cũng có thể chỉ sử dụng các tệp đính kèm với Tài liệu hướng dẫn này. Đương nhiên. Lưu ý rằng tất cả các bánh răng, mặc dù khác nhau về kích thước, nhưng có cùng bước răng.

Tôi nghĩ sẽ thật tuyệt khi làm những bánh răng này từ nhôm 5mm và đã liên hệ với một cửa hàng địa phương nhờ máy phun nước nếu họ có thể cắt những bánh răng này cho tôi. Thông thường bạn sẽ không bao giờ chế tạo bánh răng bằng máy cắt nước, nhưng đây là những bánh răng có hiệu suất rất thấp. Đáng ngạc nhiên là họ đồng ý thử, nhưng kế hoạch này đã thất bại một cách khủng khiếp. Các bộ phận chỉ đơn giản là nhỏ cho tia nước và bắt đầu di chuyển xung quanh khi nó đang cắt.

Sự thất bại này có nghĩa là đã đến lúc cho kế hoạch B, vì vậy tôi đã mua một số acrylic màu đen khói 5mm và tìm một nơi có máy cắt laser, không có vấn đề gì khi cắt bánh răng của tôi. Nếu bạn không có sẵn máy cắt laser, bạn có thể cũng có thể sử dụng máy in 3D cho các bánh răng này, tôi đã bao gồm các tệp STL (bánh răng vòng có thể cần được chia thành 3 phần).

Sau khi cắt, tôi nhấn các ổ trục đã lắp vào bánh răng hành tinh. Để có được sự vừa vặn, tôi đã tạo một mẫu thử bằng acrylic với một số lỗ mà mỗi lỗ có đường kính lớn hơn một chút (bước 0,05 mm). Sau khi tìm thấy cài đặt với độ phù hợp chính xác, tôi đã thay đổi kích thước lỗ trên bánh răng hành tinh thành cài đặt này. Đây là một cái gì đó khác với vật liệu và loại máy, vì vậy bạn nên luôn tự làm điều này.

Bước 2: Lắp ráp hệ thống bánh răng

Để lắp ráp các bánh răng, khung của đồng hồ là cần thiết. Bây giờ đây là phần mà bạn có thể thỏa sức sáng tạo vì hình dạng của khung tương đối không quan trọng miễn là tất cả các lỗ bu lông đều ở đúng vị trí. Tôi đã chọn để tạo ra rất nhiều lỗ trên đĩa quay và đĩa sau để nhấn mạnh cơ chế bánh răng. Đây cũng là lý do tại sao các tàu sân bay hành tinh và kim phút là loại có thể nhìn xuyên qua, nhưng nó cũng trông rất ngầu!

Tôi một lần nữa sử dụng máy cắt laser để làm những bộ phận này, và vì các bộ phận acrylic dày 5mm nên tôi cũng làm các bộ phận bằng gỗ dày 5mm. Tất cả các lỗ trên đĩa quay và vật mang hành tinh đều được làm chìm để chứa các bu lông khớp.

Trục trung tâm của đồng hồ chạy trong hai ổ trục bên trong các tàu sân bay hành tinh. Vì tôi đã làm trục này từ thanh thép 5mm nên nó rất vừa vặn bên trong các ổ trục và tôi không thể tháo rời các thành phần này nữa. Sẽ dễ dàng hơn rất nhiều nếu chỉ sử dụng một đoạn chỉ M5 vì bạn cũng sẽ không phải cắt chỉ của chính mình nữa (giá như tôi nhận ra trước…..). Để ngăn bánh răng mặt trời quay quanh trục, nó có một lỗ hình chữ D, vì vậy trục cũng cần phải được tạo thành hình chữ D này. Khi bánh răng mặt trời ăn khớp với trục, bạn có thể lắp ráp trục, đừng quên các bánh răng hành tinh nếu bạn sử dụng vòng bi có mặt bích! Kiểm tra chế độ xem đã phát nổ để biết hướng dẫn lắp ráp.

Khi trục trung tâm được lắp, thời gian của nó đối với bánh răng hành tinh. Chúng cũng cần các vòng đệm nhỏ, giống như trục trung tâm, để đảm bảo các bánh răng hoạt động trơn tru. Sau khi mọi thứ được gắn vào tàu sân bay, hãy kiểm tra xem bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời có chạy trơn tru hay không.

Phần trung tâm bây giờ có thể được gắn vào khung đồng hồ. Đây là một công việc tẻ nhạt, nhưng việc gắn các bu lông qua tấm phía trước và dán chúng vào vị trí sẽ giúp ích rất nhiều. Nó cũng có thể hữu ích để nâng cao tấm phía trước để tạo khoảng trống cho kim phút. Các bức ảnh cho thấy tôi đã đặt sáu mảnh giấy nhỏ giữa vòng bánh răng và tấm sau để tạo ra một chút khe hở cho các bánh răng. Khi lắp hạt mang hành tinh, hãy đảm bảo các mặt số hướng vào một vị trí hợp lý (nếu kim phút của tạp chí chỉ ở vị trí 12, thì kim giờ không được ở giữa hai giờ chẳng hạn)

Bước 3: Kết nối Bước và Cảm biến

Bây giờ chúng ta đã có một cơ cấu bánh răng dẫn động tay chính xác, chúng ta vẫn cần truyền động cơ cấu bánh răng một cách chính xác. Có thể sử dụng nhiều loại động cơ điện khác nhau, tôi đã chọn động cơ bước vì nó có thể thực hiện các chuyển động chính xác mà không cần cảm biến phản hồi góc liên tục. Động cơ bước cũng có thể tạo ra âm thanh "Click" thực sự, điều này rất tốt cho đồng hồ bán cơ!

Một động cơ bước thông thường có thể thực hiện 200 bước mỗi vòng quay, tương đương 200 bước mỗi giờ nếu chúng ta kết nối nó với kim phút. Điều này có nghĩa là khoảng thời gian là 18 giây mỗi bước, điều này chưa phát ra âm thanh giống như một chiếc đồng hồ tích tắc. Do đó, tôi đã sử dụng truyền động 1: 3 giữa động cơ bước và kim phút để động cơ bước cần thực hiện 600 bước mỗi giờ. Sử dụng chế độ nửa bước, điều này có thể tăng lên 1200 bước mỗi giờ, tương đương với một bước trong 3 giây. Nghe hay hơn!

Một vấn đề với động cơ bước mà bạn không bao giờ biết chúng ở đâu khi bạn cấp nguồn cho Arduino của mình. Đây là lý do tại sao tất cả các máy in 3D đều có điểm cuối, vì vậy bạn có thể di chuyển máy in của mình đến một vị trí đã biết và sau đó tiếp tục từ điểm đó. Điều này cũng cần thiết cho đồng hồ, chỉ một điểm dừng cuối sẽ không hoạt động vì đồng hồ phải quay liên tục. Để nhận biết vị trí này, tôi đã sử dụng một cảm biến hiệu ứng Hall A3144 cảm nhận một nam châm (kiểm tra độ phân cực!….) Được gắn vào tàu sân bay hành tinh. Điều này được sử dụng để di chuyển các bàn tay đến một vị trí cụ thể khi khởi động, sau đó chúng có thể di chuyển đến thời điểm cần thiết.

Hội rất đơn giản; Gắn động cơ bước vào tấm sau, để các vít hơi lỏng. Sau đó, bạn có thể lắp ròng rọc nhỏ trên trục động cơ bước và kiểm tra xem đai thời gian có chạy thẳng hay không. Bây giờ bạn có thể trượt động cơ bước để điều chỉnh độ căng trên đai thời gian. Đai thời gian cần một chút hoạt động để đảm bảo bạn không gây áp lực lên các bánh răng. Thử cài đặt này cho đến khi bạn hài lòng, sau đó siết chặt hoàn toàn các vít của động cơ bước.

Cảm biến hiệu ứng hội trường được dán tại chỗ. Tốt nhất bạn nên hàn ba dây vào cảm biến trước, đảm bảo đặt nhiệt co lại xung quanh mỗi chân của cảm biến để chúng không thể làm chập nhau. Sau khi hàn, cảm biến có thể được dán vào vị trí. Không thực sự quan trọng mặt nào lên, miễn là bạn chưa gắn nam châm vào. Sau khi bạn đã dán cảm biến vào đúng vị trí, hãy kết nối nó với Arduino hoặc mạch LED nhỏ để kiểm tra xem nó có hoạt động hay không. (LƯU Ý: cảm biến hiệu ứng hội trường chỉ hoạt động nếu đường sức từ đi đúng hướng). Sử dụng mạch thử nghiệm này, xác minh xem nam châm sẽ được dán như thế nào. Khi bạn đã hoàn toàn chắc chắn mặt nam châm của mình sẽ đối diện với cảm biến, hãy dán nam châm vào vị trí.

Bước 4: Các thiết bị điện tử tạo ra đồng hồ đánh dấu

Bạn có thể sử dụng một mã Arduino rất đơn giản, tạo một nửa bước với động cơ và sau đó có độ trễ 3000 mili giây cho đến bước tiếp theo. Điều này sẽ hoạt động nhưng nó không chính xác lắm vì đồng hồ Arduino bên trong không siêu chính xác. Thứ hai, Arduino sẽ quên thời gian mỗi khi mất điện.

Do đó, để theo dõi thời gian, tốt nhất bạn nên sử dụng đồng hồ thời gian thực. Những thứ này là những con chip được thiết kế đặc biệt với pin dự phòng giúp theo dõi chính xác thời gian. Đối với dự án này, tôi đã chọn DS3231 RTC có thể giao tiếp với Arduino thông qua i2c, giúp việc đấu dây trở nên dễ dàng. Một khi bạn đặt thời gian chính xác trên chip của nó, nó sẽ không bao giờ quên đó là mấy giờ (miễn là pin cr2032 còn một ít nước). Kiểm tra trang web này để biết tất cả các chi tiết về mô-đun này.

Việc điều khiển động cơ bước được thực hiện với trình điều khiển động cơ L293d. Một số trình điều khiển động cơ bước nâng cao hơn sử dụng tín hiệu PWM cho vi bước và giới hạn dòng điện. Tín hiệu PWM này có thể tạo ra tiếng ồn nhìn trộm khó chịu mà mọi nhà sản xuất đều quen thuộc (đặc biệt nếu bạn sở hữu một máy in 3D). Vì đồng hồ này được coi là một phần của nội thất của bạn, nên những tiếng ồn khó chịu là không mong muốn. Do đó, tôi đã quyết định sử dụng trình điều khiển động cơ l293d công nghệ thấp để đảm bảo đồng hồ của tôi im lặng (bên cạnh bước 3 giây một lần, nhưng điều đó thực sự thú vị!). Kiểm tra trang web này để biết mô tả chi tiết về chip l293d. Lưu ý rằng tôi chạy động cơ bước của mình ở 5V, điều này làm giảm mức tiêu thụ điện năng và nhiệt độ của động cơ bước.

Như đã đề cập trước đó, tôi sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall để phát hiện một nam châm được dán vào vật mang hành tinh. Nguyên lý hoạt động của cảm biến rất đơn giản, nó thay đổi trạng thái khi một nam châm ở đủ gần. Bằng cách này, Arduino của bạn có thể phát hiện mức cao hoặc thấp kỹ thuật số và do đó phát hiện xem nam châm có ở gần hay không. Hãy xem trang web này hiển thị cách kết nối cảm biến và hiển thị mã đơn giản được sử dụng để phát hiện nam châm.

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, tôi đã thêm 4 nút để người dùng nhập vào PCB. Họ sử dụng các điện trở kéo lên bên trong Arduino để đơn giản hóa việc đấu dây. PCB của tôi cũng có các tiêu đề trong cấu hình Uno nên tôi có thể thêm lá chắn Arduino để có thể mở rộng (cho đến nay tôi vẫn chưa làm điều này).

Đầu tiên tôi đã thử nghiệm mọi thứ trên breadboard của mình và sau đó tôi thiết kế và đặt hàng một PCB tùy chỉnh cho dự án này, vì nó trông rất tuyệt! Bạn cũng có thể gắn PCB ở mặt sau đồng hồ của mình nếu bạn không muốn nhìn vào nó.

Các tệp Gerber cho PCB có thể được tải xuống từ ổ đĩa của tôi, Huấn luyện viên không cho phép tôi tải chúng lên vì một số lý do. Sử dụng liên kết này đến ổ đĩa google của tôi.

Bước 5: Lập trình Arduino

Mã cơ bản cho Arduino thực sự rất đơn giản. Tôi đã đính kèm một sơ đồ hình dung những gì xảy ra bên trong Arduino và cách Arduino giao tiếp với các thiết bị khác. Tôi đã sử dụng một số thư viện để đơn giản hóa việc viết mã.

• Accelstepper -> xử lý trình tự bước của động cơ bước, cho phép bạn đưa ra các lệnh trực quan như: Stepper.runSpeed () hoặc Stepper.move () cho phép bạn di chuyển ở một tốc độ nhất định hoặc đến một vị trí nhất định tương ứng.
• Wire -> điều này cần thiết cho giao tiếp i2c, ngay cả khi sử dụng RTClib
• RTClib -> xử lý giao tiếp giữa Arduino và RTC, cho phép bạn đưa ra các lệnh trực quan như rtc.now () trả về thời gian hiện tại.
• OneButton -> Xử lý đầu vào của nút, phát hiện các lần nhấn và sau đó chạy một khoảng trống được chỉ định trước để thực hiện một việc gì đó. Có thể phát hiện các lần nhấn đơn, nhấn đôi hoặc nhấn lâu.

Khi viết mã cho đồng hồ, điều rất quan trọng là tránh có các biến tiếp tục tăng. Vì mã Arduino sẽ chạy 24/7 nên các biến này sẽ nhanh chóng ngày càng lớn hơn và cuối cùng sẽ gây tràn. Ví dụ, động cơ bước không bao giờ được lệnh đi đến một vị trí nhất định, vì vị trí này sẽ chỉ tăng lên theo thời gian. Thay vào đó, động cơ bước được lệnh di chuyển một số bước nhất định theo một hướng nhất định. Bằng cách này, không có biến vị trí nào tăng theo thời gian.

Lần đầu tiên kết nối RTC, bạn cần đặt thời gian của chip, có một đoạn mã bạn có thể bỏ ghi chú đặt thời gian RTC bằng với thời gian trên máy tính của bạn (thời điểm tại thời điểm bạn biên dịch mã). Lưu ý rằng khi bạn bỏ ghi chú này, thời gian RTC sẽ được đặt lại về thời gian bạn biên dịch mã của mình mọi lúc. Vì vậy, bỏ ghi chú này, chạy nó một lần và sau đó nhận xét nó một lần nữa.

Tôi đã đính kèm mã của mình vào Có thể hướng dẫn này, tôi đã nhận xét kỹ lưỡng về nó. Bạn có thể tải lên mà không có bất kỳ thay đổi nào hoặc hãy kiểm tra và xem bạn nghĩ gì!

Bước 6: Lần đầu tiên thưởng thức âm thanh của đồng hồ kêu

Sau khi kết nối tất cả các thiết bị điện tử và tải lên mã, đây là kết quả!

Thiết kế cơ bản của đồng hồ này rất đơn giản và nó có thể được làm với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Vì có Arduino trên bo mạch nên bạn cũng có thể dễ dàng thêm các tính năng bổ sung. Đặt báo thức, để đồng hồ bật máy pha cà phê của bạn vào một thời gian đã định, kết nối internet, các chế độ demo thú vị làm nổi bật chuyển động cơ học để hiển thị thiết kế của bạn cho người khác và hơn thế nữa!

Như bạn có thể đã nhận thấy trong suốt Tài liệu hướng dẫn này, tôi đã phải tháo đồng hồ của mình ra để viết Tài liệu hướng dẫn này. Mặc dù không may cho Thiết bị hướng dẫn này, ít nhất tôi có thể đảm bảo thiết kế hoạt động rất tốt trong thời gian dài, vì chiếc đồng hồ này đã hoạt động hơn 3 năm trong phòng khách của tôi mà không gặp bất kỳ sự cố nào!

Vui lòng cho tôi biết trong phần bình luận nếu bạn thích tài liệu này, đây là lần đầu tiên tôi viết. Ngoài ra nếu bạn có bất kỳ lời khuyên hoặc câu hỏi, chỉ cần gửi cho tôi một tin nhắn. Và hy vọng một ngày nào đó tôi đã truyền cảm hứng cho ai đó cũng chế tạo đồng hồ bán cơ!

Giải nhất cuộc thi đồng hồ