El reloj astronómico: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Poco después de que se inventaran los primeros relojes mecánicos en el siglo XIV, los inventores comenzaron a buscar formas de representar el movimiento de los cielos. Así se creó el reloj astronómico. Quizás el reloj astronómico más conocido se creó en Praga alrededor de 1410. En lugar de solo mostrar la hora, también muestra la posición relativa de las estrellas cuando la Tierra gira sobre su eje y gira alrededor del Sol.

En este proyecto, aprenderá a crear un reloj astronómico que puede tener en su hogar. Muestra un mapa de las estrellas que se encuentran actualmente en el cielo, de día o de noche. El mapa del cielo cambia a medida que gira la tierra. El proyecto involucra componentes mecánicos, electrónicos y de software. Necesitará acceso a una impresora 3D, una cortadora láser y algunas herramientas de carpintería para terminar el proyecto. También utilicé Python para crear los mapas de estrellas y el diseño incorporado en el reloj. Quizás mi parte favorita del proyecto fue la integración de todas estas tecnologías.

Este proyecto fue completamente original. Escribí el software para ejecutar el reloj, creé los diseños láser para la carcasa e incluso construí los engranajes y el tren de transmisión. También escribí el software para hacer el diseño del mapa estelar.

El resultado final pareció merecer la pena el tiempo que dediqué a montarlo.

Paso 1: reunir las piezas

Para este proyecto, necesitará los siguientes suministros:

2 piezas de acrílico de 11 x 14 (0,093 pulgadas de grosor)

1 - Tabla 1x6 de 6 pies de largo.

1 - Arduino Uno

1 - Módulo de reloj en tiempo real

1 - motor paso a paso 28bjy-48

1 - controlador paso a paso - UNL2003

1 - fuente de alimentación de 5 voltios

Tira de luz led de 1 a 36 pulgadas

1 - hoja de madera contrachapada de 1/4 de pulgada - 2x4 pies

1 - eje de metal de 8 mm

2-608 rodamientos de bolas

1 - piezas de tablero de espuma negra - aproximadamente 12 x 12 pulgadas

Varios: alambre, tornillos para madera (# 6 x 1 1/4 pulgada), bolsa de tornillos para metales + tuercas de 6x32 x 0,75 pulgadas, otra bolsa de tornillos para metales 4x40 x 0,75, tinte para madera (opcional)

También necesitará las siguientes herramientas:

Acceso a una impresora 3d

Acceso a un grabador láser capaz de cortar 1/4 de acrílico y madera

Una sierra de mesa + enrutador para crear la caja del reloj

Paso 2: imprima los engranajes y las piezas de plástico

Para comenzar, deberá imprimir los engranajes y las piezas de plástico del reloj. Usé una Prusa I3 MK3, Slic3r y PETG para mi reloj. Sin embargo, casi cualquier variación debería funcionar bien para este proyecto. La restricción principal es que necesita una cama de impresión grande para crear el soporte de la placa y el engranaje de 72 dientes.

Esta es una descripción rápida de los archivos que necesita imprimir:

soporte de cojinetes: el soporte de cojinetes sostiene dos cojinetes 608 para soportar el eje de transmisión. Se atornilla a la parte posterior de la placa central del reloj.

Acoplador: esta pieza de plástico une el soporte de la placa y el engranaje recto de 72 dientes. Tiene 25 mm de largo, por lo que está diseñado para un reloj con un espacio de dos pulgadas entre la placa frontal y la placa central que sujeta los cojinetes.

soporte de placa: el soporte de placa acopla la placa acrílica y su respaldo al eje de transmisión.

soporte del eje: esta es la lima para un anillo de 8 mm de diámetro que se utiliza para mantener el eje en su lugar mientras pasa a través del soporte del rodamiento. Necesita imprimir dos de estos para el proyecto.

Engranaje recto (18 dientes): este apriete de engranaje recto encaja en el eje del motor paso a paso.

Engranaje recto (72 dientes).- Este engranaje se acopla al eje de transmisión del reloj y hace girar el portaplacas y la placa acrílica.

soporte del motor: una placa para sujetar el motor paso a paso

El diseño mecánico básico se muestra en los diagramas de arriba. La placa frontal está unida a la parte del mapa estelar que gira (la Rete). Este está conectado a través de un eje a un engranaje de 72 dientes. El motor paso a paso (28BYJ48) impulsa un engranaje de 18 dientes que hace funcionar el reloj. El motor en sí se encuentra en la placa del soporte del motor, por lo que se puede ajustar en la placa central del reloj.

El sistema de soporte de cojinetes que sujeta el eje está atornillado a una placa central dentro del reloj. Los rodamientos utilizados son rodamientos normales 608 (22 mm de diámetro exterior, 8 mm de diámetro interior, 7 mm de espesor) que van por dentro y por fuera de la pieza de soporte del oso. El eje se acopla a los engranajes y todo está pegado al eje para mantenerlo todo unido.

Los engranajes y las piezas de plástico se crearon con Fusion 360. Soy un poco nuevo en el software, pero la herramienta de generación de engranajes complementaria funcionó muy bien para armar esto. Descubrir cómo usar el software fue uno de los propósitos principales de este proyecto para mí.

Puede acceder al archivo de diseño para las partes 3d aquí: Reloj astronómico Fusion 360

Paso 3: Grabe con láser las piezas acrílicas

Las plantillas acrílicas para la Rete (la parte con estrellas) y la Placa (la pieza frontal) se adjuntan arriba. Este mapa estelar se estableció para una latitud de unos 40 grados norte y debería funcionar bastante bien para la mayoría de las personas. Los mapas en sí se generaron utilizando un software que escribí en Python.

github.com/jfwallin/star-project

No recomendaría profundizar a menos que realmente te guste la codificación y la astronomía en Python. Aún no está tan bien documentado, pero está disponible si desea utilizarlo. Pasé mucho tiempo trabajando en cuestiones estéticas como el tamaño de las estrellas, las fuentes, la ubicación de la etiqueta, etc. El resultado parecía similar a cualquier otro planisferio, y ciertamente otros diseños de planisferio funcionarían para este proyecto.

Básicamente, existen dos categorías de archivos:

plate - Las piezas que tienen impreso el mapa estelar.

rete - Las piezas que tienen la ventana por la que ves las estrellas impresas.

NO es necesario imprimirlos todos, pero pensé que podría ser útil incluirlos en una variedad de formatos.

Después de producir el Rete and Plate generado usando el código de Python, lo importé a Adobe Illustrator para agregar los elementos gráficos necesarios para el grabado. Le di la vuelta al mapa de estrellas que está grabado en la parte posterior del acrílico para que la luz de fondo se vea un poco mejor.

Si no tiene acceso a un grabador láser, puede imprimir el Plate and Rete en papel y luego pegarlos a una base de madera contrachapada. No tendría el aspecto de acrílico brillante, pero aún así sería un buen reloj para tener en el manto para mostrarle la rotación de las estrellas cada día. Grabar un diseño de metal le daría al reloj un aspecto genial de steam punk.

(Nota: hubo una corrección en la plantilla de la placa acrílica que se agregó después de que se tomaron algunas fotos).

Paso 4: Grabe con láser las piezas de madera

Los archivos de Adobe Illustrator para las piezas de madera contrachapada del reloj se adjuntan arriba. Hay cuatro piezas de madera contrachapada que deben cortarse con láser. Puede usar fácilmente una máquina CNC para hacer estas piezas, o incluso simplemente cortarlas con una sierra de mesa y una sierra de calar. Solo necesita hacer coincidir las partes impresas de la placa del último paso y el frente del reloj.

madera contrachapada de reloj: esta es solo una hoja de 11 x 11 pulgadas de madera contrachapada de 1/8 de pulgada que sirve como la parte posterior del reloj. Le puse un diseño de estrella, porque se veía genial.

clock-center-plywood - Esta es también una hoja de madera contrachapada de 11x11 pulgadas, pero la corté de madera contrachapada de 3/8 de pulgada. Tiene un orificio de 9 mm de diámetro en el centro para el eje de transmisión. El motor paso a paso, el eje de transmisión y la electrónica del reloj están montados en esta pieza.

clock-front-plywood: esta es la pieza frontal del reloj. Nuevamente, esta es una pieza de madera contrachapada de 11x11 pulgadas de 1/8 de pulgada. Tiene un orificio circular en el centro junto con 4 orificios para los tornillos 6x32 que sujetan la placa al frente.

clock-plate-plywood: esta pieza de madera contrachapada (1/8 de pulgada) le permite montar la placa de plexiglás. Eventualmente, colocará un pedazo de tablero de espuma negra entre la madera contrachapada y el acrílico. Esta pieza también se monta en el soporte de placa impreso en 3D.

Paso 5: ensamble la caja del reloj

La caja que contiene el reloj está hecha de una pieza de madera de 1 x 6 que mide aproximadamente 6 pies de largo.

La idea básica es hacer una caja que contenga las piezas de madera de 11 x 11 pulgadas en ranuras para ranurar. Medí mi caja para que tuviera una dimensión exterior de 12 pulgadas y una dimensión interior de 10,5 pulgadas. Todas las piezas del reloj deben tener tres ranuras para ranurar en ellas. Para mi versión, tengo piezas de madera de 12x6x0,75 y dos piezas de madera de 10,5x6x1.

Las ranuras de la parte delantera y trasera del reloj están insertadas aproximadamente a 1/2 pulgada de la parte delantera y trasera de las piezas de madera. Usé una broca de enrutador de 1/8 en una mesa de enrutador para hacer estas ranuras. Después de verificar el ajuste con la madera contrachapada, desplacé la cerca de la mesa del enrutador con una pizca (aproximadamente 1/32 de pulgada en unidades imperiales) y luego la pasé nuevamente.

La ranura central para ranurar que sostiene la placa central también se cortó en la mesa del enrutador. Como utilicé madera contrachapada de 3/8 de pulgada para esta pieza, hice un ajuste adicional de la cerca de la mesa del enrutador para hacer el orificio más ancho. Tiene aproximadamente 2 pulgadas de espacio entre la placa de fuentes y la placa central en la caja, así que ajuste la tabla en consecuencia.

Para ambos cortes, hice un par de pases para cada tabla. También pasé las tablas varias veces para asegurarme de que los cortes estuvieran limpios.

Los dados para las dos tablas laterales eran para toda la longitud de la tabla. Sin embargo, para las piezas superiores e inferiores más largas, utilicé dos bloques de tope en la mesa del tupí para hundir la hoja en la madera aproximadamente a 1/2 pulgada de distancia del principio y el final de las piezas de madera. Básicamente, no quería que las ranuras fueran visibles en el exterior de la carcasa. Todas las ranuras tienen aproximadamente 1/4 de profundidad para sostener la madera contrachapada.

Una vez que haya cortado las piezas, ensamble temporalmente la caja y lije cualquier borde que pueda sobresalir. También querrá quitar los bordes afilados de las partes exteriores de la caja del reloj. Cuando esté satisfecho con la carcasa, retire el panel superior y asegúrese de que las placas de madera contrachapada realmente encajen en las ranuras que colocó. Descubrí que necesitaba quitar 1/8 de mis platos con una sierra de mesa para que las cosas encajaran cómodamente en la caja que creé.

Debido a que se trataba de un prototipo, corté algunas esquinas al hacer el caso en este proyecto. Usé álamo para mi reloj, pero solo porque tenía una tabla en mi tienda disponible. Se vería mejor en cereza o nuez. También utilicé uniones de tornillo simples para mantenerlo unido con una construcción de superposición simple. Los tornillos estarán en la parte superior e inferior del reloj, por lo que no se notarán mucho cuando esté en el manto junto a mi chimenea. (Además, ¿mencioné que esto era un prototipo?). La próxima versión del reloj utilizará juntas en inglete.

Paso 6: ensamble las piezas mecánicas del reloj

Montar las partes mecánicas de los relojes lleva unos minutos, pero es relativamente sencillo.

Conecte la placa de estrella, la placa de madera contrachapada, el engranaje recto de 72 dientes y el soporte de la placa de plástico juntos:

1. Utilizando el soporte de la placa de madera contrachapada como plantilla, corte un trozo de tablero de núcleo de espuma negra para que tenga el mismo tamaño. Utilicé un cuchillo Exacto para crear esta pieza, pero una sierra de marquetería podría funcionar igual de bien. (Nota importante: NO CORTE CON LÁSER EL NÚCLEO DE ESPUMA. Produce vapores tóxicos).
2. Centre el soporte de la placa de madera en el soporte de la placa impresa en 3D. Mida y luego taladre cuatro orificios para tornillos para alinearlos con los del soporte de plástico. Fije el soporte de plástico al soporte de la placa de madera contrachapada con pernos y tuercas de 6x32 1 pulgada. Haga pequeños agujeros en la tabla de espuma para acomodar las cabezas de los pernos.
3. Coloque la placa de estrella acrílica, la placa de espuma con los orificios para tornillos y la placa de madera contrachapada juntas. Hay cuatro agujeros en la placa de madera contrachapada y en la placa de estrella acrílica. Necesitará usar tornillos de 6x32 de 1 pulgada para conectar estas piezas. Por supuesto, deberá perforar un agujero a través de la placa de núcleo de espuma y a través del papel de construcción en los lugares apropiados.
4. Pegue el acoplador al portaplacas. Agregué una tolerancia de 0.1 mm entre las pestañas y los orificios para asegurarme de que encaje bien.
5. Pegue el engranaje recto de 72 dientes al portador. Esto completará el montaje de la placa de estrella del reloj. Usé pegamento Gorilla para unir el engranaje de 72 dientes, el acoplador y el soporte de la placa.

Paso 7: comience a armar la caja del reloj

Ensamble la placa frontal: atornille la rete acrílica a la placa frontal de madera contrachapada del reloj con cuatro pernos y tuercas de 6x32 1 pulgada (o incluso 3/4 pulgada).

Agregue la tira de LED de retroiluminación: tome la tira de LED y fíjela entre la placa central del reloj y la placa frontal del reloj. (Puede ser útil quitar la placa frontal del reloj para hacer esto). Asegúrese de que la tira esté bien sujeta y no interfiera con la rotación de los mecanismos del reloj o el motor paso a paso. Es posible que desee utilizar grapas o pegamento para mantenerlo en su lugar. Coloque el frente de madera contrachapada con la rete acrílica en la caja del reloj. Coloque también la placa central con el mecanismo del reloj en la caja del reloj. Asegúrese de pasar el cable de alimentación de la tira de LED con cuidado a través de la placa central. Se ha colocado un agujero en la base del tablero para hacer esto.

Paso 8: ensamble la placa intermedia y cablee el reloj

Ahora es el momento de armar la placa central del reloj. Esto incluye el soporte mecánico del eje de accionamiento y el motor, junto con el cableado de la electrónica del proyecto.

Monte el soporte del cojinete y el motor paso a paso en la placa del medio: Fije el motor paso a paso a la placa del medio con dos tornillos y tuercas de 6x32. Ejecute el cable desde el paso a paso hasta la parte posterior del tablero. Tome el soporte del rodamiento impreso en 3D y apriete dos rodamientos 608 en la parte delantera y trasera del soporte. Es posible que deba ajustar esta parte si su impresora 3D está un poco apagada, sin embargo, logré obtener un ajuste perfecto con PETG y mi impresora Prusa. Atornille el soporte a la parte posterior de la placa intermedia. Ensamble los mecanismos del reloj en el eje de transmisión: empuje el eje de metal de 8 mm a través del engranaje recto de 72 dientes y a través de la placa de orificio de plástico para que se apoye junto al soporte de la placa de madera contrachapada. Coloque el otro extremo del eje de metal de 8 mm a través de la placa central y el soporte del rodamiento. Coloque la placa central en la caja, asegurándose de que haya suficiente espacio para que la rueda de estrella gire detrás de los tornillos que sujetan la rete de plástico frontal en su lugar. Mide y marca un lugar para cortar el eje para que encaje cómodamente en la caja. Querrá tener suficiente eje para pegar dos de las piezas de bloqueo del eje antes y después del rodamiento. Una vez que haya realizado esta medición, retire el conjunto de engranaje / placa y saque el eje del soporte del cojinete. Corte el eje con una sierra para metales para que quepa completamente dentro de la caja, pero también tenga un segundo de 0,5 a 1 cm que sobresalga de la parte posterior del soporte del cojinete. Una vez que el eje esté cortado a la longitud correcta, vuelva a ensamblar la placa / engranaje de dientes rectos de 72 dientes a la placa y péguela en su lugar. Agregue un bloqueo del eje justo detrás del conjunto, luego coloque el eje a través del soporte del cojinete. Una vez que haya vuelto a confirmar el ajuste, pegue el bloqueo del eje al eje. Pegue un segundo bloqueo del eje al eje detrás del soporte del cojinete.

El orden del mecanismo del reloj será:

1. placa de acrílico
2. tablero de núcleo de espuma
3. soporte de placa de madera contrachapada
4. Soporte de placa impreso en 3d
5. acoplador
6. Engranaje de 72 dientes
7. bloqueo del eje
8. cojinete de placa de soporte central + soporte de cojinete + bloqueo del eje del cojinete
9. bloqueo del eje

Como paso final, coloque a presión el engranaje recto de 18 dientes en el motor paso a paso. Ajuste y apriete el motor paso a paso para que los engranajes de 72 y 18 dientes engranen y se muevan suavemente. Apriete los pernos del motor paso a paso en su lugar.

Cablee la electrónica:

El diagrama de cableado del reloj es relativamente sencillo. Debe conectar el módulo de reloj en tiempo real a los pines SDA y SCL, junto con los +5 voltios y tierra en el Arduino. También necesita conectar los pines IN1 a IN4 en el controlador paso a paso UNL2003A a los pines 8 a 11 en el Arduino, junto con la conexión a tierra. Se debe conectar un interruptor y una resistencia de 1k Ohm entre la tierra y el pin 7 del Arduino. Finalmente, se debe conectar una fuente de alimentación a la placa UNL 2003A y al Arduino desde una fuente de alimentación de 5 voltios.

Aquí hay un conjunto de descripciones más detalladas:

1. Suelde un cable a un lado del botón pulsador. Adjunte esto al pin 7 en el Arduino.
2. Suelde una resistencia de 1k en el otro lado del botón pulsador para que el botón de entrada esté conectado a tierra cuando no se esté presionando. En el otro lado del botón, átelo a +5 voltios..
3. Conecte los cuatro cables entre los pines 8, 9, 10 y 11 a los pines IN1, IN2, IN3 e IN4 de UNL 2003A.
4. Conecte los puntos SCL y SDA en el módulo de reloj en tiempo real a los pines correctos en el Arduino.
5. Conecte la tierra del Arduino al módulo de reloj en tiempo real y a las placas UNL 2003A.
6. Cree un divisor de potencia para su suministro de 5 voltios (2 amperios deberían ser suficientes) y conéctelo al Arduino y a la placa UNL 2003A.
7. Finalmente, debe conectar la fuente de alimentación LED a través de la capa intermedia del reloj y enroscarla en la parte posterior de la caja. Querrá que el controlador LED sobresalga por la parte posterior para que pueda cambiar el patrón de iluminación en el reloj.

Deberá conectar +5 voltios al controlador paso a paso y +6 a +12 voltios al Arduino. Intenté sin éxito usar una sola fuente de alimentación para esto, pero probablemente habría usado un sistema de 2 amperios y 7 voltios con un regulador de potencia para el paso a paso si hubiera tenido un poco más de tiempo.

Asegúrese de que la tensión entre el motor y los engranajes no sea ni demasiado apretada ni demasiado floja. Revisa todo dos veces. Cuando todo el cableado esté en su lugar y las piezas estén aseguradas, deslice con cuidado el conjunto en su lugar.

Sin embargo, no conecte la fuente de alimentación todavía. ¡Primero tenemos que programar el tablero

Paso 9: programe el Arduino

Programar el Arduino fue bastante sencillo. Así es como funciona el código:

1. Cuando el código comienza, inicializa un contador de pasos y toma el tiempo del módulo de reloj en tiempo real. El número de pasos para el motor también se inicializa, junto con algunas otras variables sobre el sistema.
2. La hora se convierte de la hora local a la hora sideral local. Dado que la Tierra gira alrededor del Sol mientras gira sobre su eje, el tiempo que tardan las estrellas en rotar es aproximadamente 4 minutos más corto que el tiempo que tardan en rotar a la posición (media) del Sol. La subrutina de tiempo sidéreo en el código se modificó desde este sitio. Sin embargo, hubo algunos errores en el código, por lo que actualicé para usar el algoritmo de tiempo sidéreo aproximado completo creado por el Observatorio Naval de EE. UU.
3. Cuando comienza el ciclo principal, calcula cuánto tiempo ha pasado (en horas sidéreas) desde que se encendió el reloj. Luego mira el contador de pasos actual y calcula cuántos pasos deben agregarse para que la rotación del reloj esté alineada con la hora actual. Este número de pasos se envía al Arduino para mover el disco.
4. Si se presiona un botón en el bucle principal, el disco avanza a un ritmo más rápido. Esto le permite configurar el disco a la fecha y hora actuales. El reloj no conserva el número de pasos después de un reinicio de energía y no hay un codificador para indicar la posición absoluta del disco. Puedo agregar esto en una versión futura del proyecto.
5. Después de mover el reloj, el sistema entra en reposo durante un período de tiempo y repite los dos últimos pasos.

Hice un montón de experimentos con el paso a paso para asegurarme de saber cuántos pasos eran REALMENTE necesarios para una sola rotación. Para mi stepper, era de 512 x 4 con la biblioteca estándar de Arduino Stepper. En el código, configuré las RPM en 1. Aunque esto es dolorosamente lento cuando está configurando el reloj, las velocidades más altas tienden a tener más pasos perdidos.

Paso 10: Conéctelo y configure la hora

Una vez que haya cargado el código, conecte las fuentes de alimentación al Arduino y al paso a paso. Enchufa todo, incluida la luz de fondo. Usa el control remoto para encender la luz.

Ahora todo lo que necesita es presionar el botón para alinear la hora y la fecha. Solo asegúrese de que la hora actual en la placa de plástico exterior esté alineada con el mes y el día de la placa acrílica interior. ¡Felicidades! Tienes un reloj astronómico.

Una vez que se establece el tiempo, debe obtener pulsos del paso a paso cada 8 segundos aproximadamente para actualizar el campo de estrellas. Es una rotación LENTA de 24 horas, así que no espere mucha acción al respecto. Obviamente, puede (¡y debe!) Terminar el caso.

Como he dicho, este es un prototipo. En general, estoy contento con los resultados, pero lo modificaría un poco en la próxima versión. Cuando lo reconstruya, probablemente usaré steppers NEMA en lugar de las versiones baratas. Creo que el poder de sujeción y la confiabilidad los harían más fáciles de usar. El engranaje funcionó bien, pero siento que puse demasiado juego en los engranajes que diseñé. Probablemente también haría eso de otra manera.

Finalmente, quería agradecer a la gente de la Biblioteca Walker de MTSU por su ayuda en la construcción de esto. Usé el grabador láser en su Maker Space para hacer las piezas de acrílico y corte de madera, y tuve muchas discusiones productivas con Ben, Neal y el resto de la pandilla de Makerspace cuando pensé en el reloj.

Segundo premio en el concurso de relojes