O Relógio Astronômico: 10 Passos (com Imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Logo depois que os primeiros relógios mecânicos foram inventados no século 14, os inventores começaram a procurar maneiras de representar o movimento dos céus. Assim, o relógio astronômico foi criado. Talvez o relógio astronômico mais conhecido tenha sido criado em Praga por volta de 1410. Em vez de apenas mostrar que horas são, ele também mostra a posição relativa das estrelas conforme a Terra gira em seu eixo e gira em torno do sol.

Neste projeto, você aprenderá a criar um relógio astronômico que poderá ter em sua casa. Ele exibe um mapa das estrelas que estão atualmente no céu - de dia ou de noite. O mapa do céu muda conforme a Terra gira. O projeto envolve componentes mecânicos, eletrônicos e de software. Você precisará de acesso a uma impressora 3D, um cortador a laser e algumas ferramentas de marcenaria para concluir o projeto. Também usei Python para criar mapas estelares e design incorporado ao relógio. Talvez minha parte favorita do projeto seja integrar todas essas tecnologias juntas.

Este projeto foi totalmente original. Eu escrevi o software para operar o relógio, criei os designs de laser para o case e até mesmo construí as engrenagens e o trem de força. Eu também escrevi o software para fazer o layout do mapa estelar.

O resultado final pareceu valer a pena o tempo que gastei para montá-lo.

Etapa 1: reunindo as peças

Para este projeto, você precisará dos seguintes suprimentos:

2 - peças de acrílico 11x14 (0,093 polegadas de espessura)

1 - placa 1x6 com 6 pés de comprimento.

1 - Arduino Uno

1 - Módulo de relógio em tempo real

1 - motor de passo 28bjy-48

1 - driver de passo - UNL2003

Fonte de alimentação de 1 - 5 volts

Tira de luz led de 1 - 36 polegadas

Folha de madeira compensada de 1 - 1/4 polegada - 2x4 pés

1 - eixo de metal de 8 mm

2 - 608 rolamentos de esferas

1 - pedaços de placa de espuma preta - cerca de 12 x 12 polegadas

Diversos: arame, parafusos de madeira (# 6 x 1 1/4 pol.), Saco de parafusos de máquina de 6x32 x 0,75 pol. + Porcas, outro saco de parafusos de máquina 4x40 x 0,75, tinta para madeira (opcional)

Você também precisará das seguintes ferramentas:

Acesso a uma impressora 3D

Acesso a um gravador a laser capaz de cortar 1/4 em acrílico e madeira

Uma serra de mesa + roteador para criar a caixa do relógio

Etapa 2: imprimir as engrenagens e peças de plástico

Para começar, você precisará imprimir as engrenagens e as peças de plástico do relógio. Usei um Prusa I3 MK3, Slic3r e PETG para meu relógio. No entanto, quase qualquer variação deve funcionar bem para este projeto. A principal limitação é que você precisa de uma grande plataforma de impressão para criar o suporte da placa e a engrenagem de 72 dentes.

Esta é uma descrição rápida dos arquivos que você precisa imprimir:

suporte de rolamento - O suporte de rolamento contém dois rolamentos 608 para apoiar o eixo de acionamento. É aparafusado na parte de trás da placa do meio do relógio.

acoplador - esta peça de plástico liga o suporte da placa e a engrenagem dentada de 72 dentes. Ele tem 25 mm de comprimento, por isso foi projetado para um relógio com um espaço de cinco centímetros entre a placa frontal e a placa do meio que segura os rolamentos.

suporte da placa - o suporte da placa acopla a placa de acrílico e seu suporte ao eixo de acionamento.

suporte do eixo - Esta é a lima para um anel de 8 mm de diâmetro que é usado para segurar o eixo no lugar conforme ele passa pelo suporte do rolamento. Você precisa imprimir dois desses para o projeto.

Engrenagem reta (18 dentes) - Este aperto da engrenagem reta encaixa-se no eixo do motor de passo.

Engrenagem de dentes retos (72 dentes).- Esta engrenagem se acopla ao eixo do relógio e gira o suporte da placa e a placa de acrílico.

suporte do motor - uma placa para segurar o motor de passo

O projeto mecânico básico é mostrado nos diagramas acima. A placa frontal é fixada na parte do mapa estelar que gira (a Rete). Isso é conectado por meio de um eixo a uma engrenagem de 72 dentes. O motor de passo (28BYJ48) aciona uma engrenagem de 18 dentes que faz o relógio funcionar. O motor em si fica na placa de suporte do motor para que possa ser ajustado na placa central do relógio.

O sistema de suporte do rolamento que segura o eixo é aparafusado em uma placa central dentro do relógio. Os rolamentos usados são rolamentos 608 normais (diâmetro externo de 22 mm, diâmetro interno de 8 mm, espessura de 7 mm) que vão por dentro e por fora da peça de suporte do urso. O eixo se acopla às engrenagens e tudo é colado no eixo para mantê-lo unido.

As engrenagens e peças de plástico foram criadas usando Fusion 360. Eu sou um pouco novo no software, mas a ferramenta de geração de engrenagem adicional funcionou muito bem para colocar isso junto. Descobrir como usar o software foi um dos principais objetivos deste projeto para mim.

Você pode acessar o arquivo de design para as partes 3D aqui: Fusion 360 Astronomy Clock

Etapa 3: Faça a gravação a laser nas peças de acrílico

Os gabaritos de acrílico para a Rete (a parte com estrelas) e a Placa (a parte frontal) estão fixados acima. Este mapa estelar foi definido para uma latitude de cerca de 40 graus norte e deve funcionar muito bem para a maioria das pessoas. Os próprios mapas foram gerados usando um software que escrevi em python.

github.com/jfwallin/star-project

Eu não recomendaria vasculhar, a menos que você realmente goste de codificação python e astronomia. Ainda não está muito bem documentado, mas está disponível se você quiser usá-lo. Passei muito tempo trabalhando em questões estéticas como tamanho da estrela, fontes, localização do rótulo, etc. O resultado parecia semelhante a qualquer outro planisfério e, certamente, outros designs de planisfério funcionariam para este projeto.

Existem basicamente duas categorias de arquivos:

placa - As peças que têm o mapa estelar impresso.

rete - As peças que têm a janela pela qual você vê as estrelas impressas nelas.

Você NÃO precisa imprimir todos eles, mas achei que seria útil incluí-los em uma variedade de formatos.

Depois de produzir o Rete and Plate gerado usando o código python, importei-o para o Adobe Illustrator para adicionar os elementos gráficos necessários para a gravação. Virei o mapa estelar, ele está gravado na parte de trás do acrílico para fazer a iluminação de fundo parecer um pouco melhor.

Se você não tiver acesso a um gravador a laser, basta imprimir a Placa e a Rete no papel e depois colá-los em uma base de madeira compensada. Ele não teria a aparência de acrílico brilhante, mas ainda seria, mas ainda assim, seria um bom relógio para se ter no manto para mostrar a rotação das estrelas a cada dia. Gravando um design de metal daria ao relógio uma aparência cool punk a vapor.

(Observação: houve uma correção no modelo da placa de acrílico que foi adicionado depois que algumas das fotos foram tiradas.)

Etapa 4: gravar a laser as peças de madeira

Os arquivos do Adobe Illustrator para as peças de madeira compensada do relógio estão anexados acima. Existem quatro peças de madeira compensada que precisam ser cortadas a laser. Você pode facilmente usar uma máquina CNC para fazer essas peças, ou até mesmo simplesmente cortá-las com uma serra de mesa e uma serra circular. Você só precisa combinar as partes impressas da última placa de degrau e da frente do relógio.

clock-back-plywood - Esta é apenas uma folha de 11 x 11 polegadas de madeira compensada de 1/8 que funciona como a parte de trás do relógio. Eu coloquei um desenho de estrela nele, porque parecia legal.

clock-center-plywood - Esta também é uma folha de madeira compensada de 11x11, mas eu a cortei de madeira compensada de 3/8 de polegada. Tem um orifício de 9 mm de diâmetro no centro para o eixo de transmissão. O motor de passo, o eixo de transmissão e os componentes eletrônicos do relógio são montados nesta peça.

contraplacado frontal do relógio - Esta é a peça frontal do relógio. Novamente, esta é uma peça de 11 x 11 polegadas de 1/8 de madeira compensada. Possui um orifício circular no centro juntamente com 4 orifícios para os parafusos 6x32 que fixam a placa à frente.

clock-plate-plywood - Esta peça de madeira compensada (1/8 polegada) permite que você monte a placa de plexiglass. Você acabará imprensando um pedaço de placa de espuma preta entre o compensado e o acrílico. Esta peça também é montada no suporte da placa impressa em 3D.

Etapa 5: montar a caixa do relógio

A caixa que contém o relógio é feita de um pedaço de madeira 1x6 com cerca de 6 pés de comprimento.

A ideia básica é fazer uma caixa que contenha os pedaços de madeira de 11 x 11 polegadas em ranhuras de dado. Dimensionei minha caixa para ter uma dimensão externa de 12 polegadas e uma dimensão interna de 10,5 polegadas. Todas as peças do relógio precisam ter três ranhuras de dado encaixadas nelas. Para a minha versão, tenho peças de madeira 12x6x0,75 e duas peças de madeira 10,5x6x1.

As ranhuras para a frente e para trás do relógio são inseridas cerca de 1/2 polegada da frente e de trás das peças de madeira. Usei um bit de roteador 1/8 em uma mesa de roteador para fazer esses slots. Depois de verificar o ajuste com a madeira compensada, desloquei a cerca da mesa do roteador em um pequeno pedaço (cerca de 1/32 de polegada em unidades imperiais) e, em seguida, passei novamente.

A ranhura de friso central que segura a placa central também foi cortada na mesa da tupia. Como usei 3/8 em compensado para esta peça, fiz mais um ajuste na cerca da mesa da tupia para fazer um furo mais largo. Você tem cerca de 2 polegadas de espaço entre a placa da fonte e a placa central na caixa, portanto, ajuste a tabela de acordo.

Para ambos os cortes, fiz alguns passes para cada placa. Também passei algumas vezes nas tábuas para me certificar de que os cortes estavam limpos.

Os dados para as duas placas laterais foram para o comprimento total da placa. No entanto, para as peças superior e inferior mais longas, usei dois blocos de parada na mesa da tupia para mergulhar a lâmina na madeira cerca de 1/2 polegada de distância do início e do final das peças de madeira. Basicamente, eu não queria que as ranhuras fossem visíveis do lado de fora da caixa. Todas as ranhuras têm cerca de 1/4 de profundidade para segurar o compensado.

Depois de cortar as peças, monte temporariamente a caixa e lixe áspero qualquer borda que possa estar para fora. Você também vai querer tirar todas as arestas afiadas das partes externas da caixa do relógio. Quando estiver satisfeito com a caixa, remova o painel superior e certifique-se de que as placas de compensado realmente se encaixem nas ranhuras que você instalou. Descobri que precisava tirar 1/8 dos meus pratos com uma serra de mesa para fazer as coisas caberem confortavelmente na caixa que criei.

Como este era um protótipo, cortei alguns cantos ao apresentar o caso neste projeto. Usei choupo como relógio, mas apenas porque tinha uma lousa em minha loja prontamente disponível. Ficaria melhor em cereja ou nogueira. Eu também usei simples juntas de parafuso para prendê-lo junto com uma construção de sobreposição simples. Os parafusos estarão na parte superior e inferior do relógio, então eles não serão muito perceptíveis quando estiver no manto ao lado da minha lareira. (Além disso, eu mencionei que este era um protótipo?). A próxima versão do relógio usará juntas de meia-esquadria.

Etapa 6: Monte as peças mecânicas para o relógio

A montagem das partes mecânicas dos relógios leva alguns minutos, mas é relativamente simples.

Conecte a placa em estrela, a placa de madeira compensada, a engrenagem reta de 72 dentes e o suporte da placa de plástico juntos:

1. Usando o suporte da placa de madeira compensada como modelo, corte um pedaço de placa de espuma preta para que tenha o mesmo tamanho. Usei uma faca Exacto para criar esta peça, mas uma serra circular pode funcionar da mesma forma. (Observação importante: NÃO CORTE O NÚCLEO DE ESPUMA A LASER. Ele produz gases tóxicos.)
2. Centralize o suporte da placa de madeira no suporte da placa impressa em 3D. Meça e faça quatro orifícios para parafusos para alinhá-los com os do suporte de plástico. Prenda o suporte de plástico ao suporte da placa de madeira compensada usando 6x32 parafusos e porcas de 1 polegada. Faça pequenos orifícios na placa de espuma para acomodar as cabeças dos parafusos.
3. Sanduiche a placa em estrela de acrílico, a placa de espuma com os orifícios dos parafusos e a placa de madeira compensada juntas. Existem quatro orifícios na placa de compensado e na placa estrela de acrílico. Você precisará usar parafusos 6x32 de 1 polegada para conectar essas peças. Obviamente, você precisará fazer um furo na placa do núcleo de espuma e no papel de construção nos locais apropriados.
4. Cole o acoplador no suporte da placa. Eu adicionei uma tolerância de 0,1 mm entre as guias e os orifícios para garantir que isso se encaixe bem.
5. Cole a engrenagem reta de 72 dentes no suporte. Isso concluirá a montagem da placa estrela do relógio. Usei a cola Gorilla para cimentar a engrenagem de 72 dentes, o acoplador e o transportador de placa.

Etapa 7: comece a montar a caixa do relógio

Monte a placa frontal: aparafuse a rete de acrílico à placa frontal de madeira compensada do relógio usando quatro parafusos e porcas 6x32 de 1 polegada (ou mesmo 3/4 de polegada).

Adicione a faixa de LED de luz de fundo: Pegue a faixa de LED e prenda-a entre a placa do meio e a placa frontal do relógio. (Pode ajudar remover a placa frontal do relógio para fazer isso.). Certifique-se de que a tira está presa com segurança e não interfere com a rotação dos mecanismos do relógio ou do motor de passo. Você pode usar grampos ou cola para mantê-lo no lugar. Coloque a frente de madeira compensada com a rete de acrílico na caixa do relógio. Coloque a placa do meio com o mecanismo do relógio na caixa do relógio também. Certifique-se de passar o fio de alimentação da faixa de LED cuidadosamente pela placa do meio. Um buraco foi colocado na base do tabuleiro para fazer isso.

Etapa 8: monte a placa do meio e ligue o relógio

Agora é hora de montar a placa do meio do relógio. Isso inclui o suporte mecânico do eixo de acionamento e motor, junto com a fiação da eletrônica para o projeto.

Monte o suporte do rolamento e o motor de passo na placa do meio: Prenda o motor de passo na placa do meio usando dois parafusos 6x32 e porcas. Passe o fio do passo para a parte de trás da placa. Pegue o suporte de rolamento impresso em 3D e encaixe dois rolamentos 608 na frente e atrás do suporte. Você pode precisar ajustar esta parte se sua impressora 3D estiver um pouco desligada, no entanto, consegui obter um ajuste confortável usando PETG e minha impressora Prusa. Parafuse o suporte na parte de trás da placa do meio. Monte os mecanismos do relógio no eixo de acionamento: Empurre o eixo de metal de 8 mm através da engrenagem dentada de 72 dentes e através da placa de plástico do orifício de forma que encoste ao lado do suporte da placa de madeira compensada. Coloque a outra extremidade do eixo de metal de 8 mm através da placa central e do suporte do rolamento. Coloque a placa central na caixa, certificando-se de que haja espaço suficiente para a roda em estrela girar atrás dos parafusos que prendem a armação de plástico frontal no lugar. Meça e marque um local para cortar o eixo para que ele se encaixe confortavelmente na caixa. Você vai querer ter um eixo suficiente para colar duas das peças de travamento do eixo antes e depois do rolamento. Depois de fazer essa medição, remova o conjunto engrenagem / placa e retire o eixo do suporte do rolamento. Corte o eixo com uma serra para que ele se encaixe completamente na caixa, mas também tenha um segundo de 0,5 a 1 cm que sai da parte de trás do suporte do rolamento. Assim que o eixo estiver cortado no comprimento correto, monte novamente a placa / engrenagem dentada de 72 dentes na placa e cole-a no lugar. Adicione uma trava de eixo logo atrás do conjunto e, em seguida, coloque o eixo através do suporte do rolamento. Depois de reconfirmar o ajuste, cole a trava do eixo no eixo. Cole uma segunda trava de eixo no eixo atrás do suporte do rolamento.

A ordem do mecanismo do relógio será:

1. placa de acrílico
2. placa de núcleo de espuma
3. porta-placa de madeira compensada
4. Porta-placa impressa em 3D
5. acoplador
6. Engrenagem de 72 dentes
7. bloqueio do eixo
8. rolamento da placa de suporte central + suporte do rolamento + bloqueio do eixo do rolamento
9. bloqueio do eixo

Como etapa final, encaixe por pressão a engrenagem dentada de 18 dentes no motor de passo. Ajuste e aperte o motor de passo para que as engrenagens de 72 e 18 dentes se encaixem e se movam suavemente. Aperte os parafusos do motor de passo no lugar.

Conecte a eletrônica:

O diagrama de fiação do relógio é relativamente simples. Você precisa conectar o módulo de relógio em tempo real aos pinos SDA e SCL, junto com os +5 volts e o aterramento no Arduino. Você também precisa conectar os pinos IN1 a IN4 no driver de passo UNL2003A aos pinos 8 a 11 no Arduino, junto com a conexão do aterramento. Uma chave e um resistor de 1k Ohm precisam ser conectados entre o aterramento e o pino 7 do Arduino. Finalmente, uma fonte de alimentação precisa ser conectada à placa UNL 2003A e ao Arduino a partir de uma fonte de alimentação de 5 volts.

Aqui está um conjunto mais detalhado de descrições:

1. Solde um fio de um lado do botão. Anexe-o ao pino 7 no Arduino.
2. Solde um resistor de 1k do outro lado do botão de pressão para que o botão de entrada seja aterrado quando não estiver sendo pressionado. Do outro lado do botão, ligue-o a +5 volts.
3. Conecte os quatro fios entre os pinos 8, 9, 10 e 11 aos pinos IN1, IN2, IN3 e IN4 do UNL 2003A.
4. Conecte os pontos SCL e SDA no Módulo de Relógio em Tempo Real aos pinos corretos no Arduino.
5. Conecte o aterramento do Arduino ao Módulo de Relógio em Tempo Real e às placas UNL 2003A.
6. Crie um divisor de energia para sua fonte de 5 volts (2 amperes devem ser suficientes) e conecte-o ao Arduino e à placa UNL 2003A.
7. Finalmente, você precisa conectar a fonte de alimentação de LED através da camada intermediária do relógio e rosqueá-la na parte de trás do gabinete. Você vai querer que o controlador LED fique na parte de trás para que possa alterar o padrão de iluminação do relógio.

Você precisará conectar +5 volts ao driver de passo e +6 a +12 volts ao Arduino. Tentei sem sucesso usar uma única fonte de alimentação para isso, mas provavelmente teria usado um sistema de 2 A 7 volts com um regulador de potência para o stepper se tivesse um pouco mais de tempo.

Certifique-se de que a tensão entre o motor e as engrenagens não esteja muito apertada ou frouxa. Verifique tudo. Quando toda a fiação estiver no lugar e as peças presas, deslize cuidadosamente o conjunto no lugar.

No entanto - não conecte a fonte de alimentação ainda. Precisamos programar a placa primeiro

Etapa 9: programar o Arduino

Programar o Arduino foi bastante simples. É assim que o código funciona:

1. Quando o código é iniciado, ele inicializa um contador de passos e obtém a hora do módulo de relógio em tempo real. O número de etapas do motor também é inicializado, junto com algumas outras variáveis sobre o sistema.
2. A hora é convertida da hora local para a hora sideral local. Como a Terra gira em torno do Sol enquanto ele gira em seu eixo, o tempo que leva para as estrelas girarem é cerca de 4 minutos mais curto do que o tempo que leva para girar para a posição do Sol (média). A sub-rotina de tempo sideral no código foi modificada neste site. No entanto, houve alguns erros no código, então eu atualizei para usar o algoritmo de Tempo Sideral aproximado criado pelo Observatório Naval dos Estados Unidos.
3. Quando o loop principal começa, ele calcula quanto tempo se passou (em horas siderais) desde que o relógio foi ligado. Em seguida, ele olha para o contador de passos atual e calcula quantos passos devem ser adicionados para que a rotação do relógio esteja alinhada com a hora atual. Este número de etapas é enviado ao Arduino para mover o disco.
4. Se um botão for pressionado no loop principal, o disco avançará mais rapidamente. Isso permite que você defina o disco para a hora e data atuais. O relógio não preserva o número de etapas após uma reinicialização de energia e não há codificador para indicar a posição absoluta do disco. Posso adicionar isso em uma versão futura do projeto.
5. Após mover o relógio, o sistema entra em hibernação por algum tempo e repete as duas últimas etapas.

Eu fiz um monte de experimentos com o stepper para ter certeza de que sabia quantos passos eram realmente necessários para uma única rotação. Para meu stepper, era 512 x 4 com a biblioteca Arduino Stepper padrão. No código, eu defino o RPM em 1. Embora seja dolorosamente lento quando você está acertando o relógio, velocidades mais altas tendem a ter mais etapas perdidas.

Etapa 10: conecte e defina a hora

Depois de fazer o upload do código, conecte as fontes de alimentação ao Arduino e ao stepper. Conecte tudo, incluindo a luz de fundo. Use o controle remoto para acender a luz.

Agora, basta pressionar o botão para alinhar a hora e a data. Apenas certifique-se de que a hora atual na rete de plástico externa esteja alinhada com o mês e o dia na placa de acrílico interna. Parabéns! Você tem um relógio astronômico.

Depois de definir o tempo, você deve obter pulsos do stepper a cada 8 segundos ou mais para atualizar o campo estelar. É uma rotação LENTA de 24 horas, então não espere muita ação nisso. Obviamente, você pode (e deve!) Terminar o caso.

Como já disse, este é um protótipo. Em geral, estou feliz com os resultados, mas gostaria de ajustá-lo um pouco na próxima versão. Quando eu o reconstruir, provavelmente usarei os steppers NEMA em vez das versões baratas. Acho que o poder de retenção e a confiabilidade os tornariam mais fáceis de usar. A engrenagem funcionou bem, mas eu sinto que coloquei um pouco de folga nas engrenagens que projetei. Eu provavelmente faria isso de forma diferente também.

Por fim, gostaria de agradecer ao pessoal da Biblioteca Walker MTSU por sua ajuda na construção. Eu usei o Laser Etcher em seu Maker Space para fazer as peças de acrílico e corte de madeira, e tive muitas discussões produtivas com Ben, Neal e o resto da gangue do Makerspace quando pensava no relógio.

Segundo Prêmio no Concurso de Relógios