Reloj de engranajes planetarios: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Los (antiguos) mecanismos mecánicos de relojería son increíblemente interesantes y agradables de ver, pero desafortunadamente son casi imposibles de construir por ti mismo. Los relojes mecánicos también carecen del descuido de la tecnología digital precisa disponible en la actualidad. Este Instructable le muestra una manera de combinar lo mejor de ambos mundos; conduciendo manecillas mecánicas de reloj a través de una caja de cambios planetaria con un motor paso a paso y un Arduino!

Suministros

Componentes generales:

• Lámina de madera y acrílico de 5 mm
• Pernos M5 (avellanados), arandelas y tuercas
• Separadores de PCB
• Tornillos M3 para el motor paso a paso

Componentes eléctricos:

• Controlador paso a paso (utilicé el L293d)
• Cualquier tipo de Arduino
• Reloj de tiempo real (utilicé el DS3231)
• Sensor de efecto Hall (utilicé el A3144)
• Imán de neodio de 5 mm
• Botones para la entrada del usuario
• Resistencia de 10K
• Condensador 100uf 25V
• DC Jack
• Fuente de alimentación de 5V 2A DC
• Batería para el RTC (cr2032 en mi caso)

Componentes mecánicos:

• Cualquier tipo de motor paso a paso de 1.8 grados / paso con eje de 5 mm
• Correa de distribución GT2 de 400 mm
• Polea de eje GT2 60 dientes 5mm
• GT2 polea de eje de 5 mm de 20 dientes
• Rodamiento 5x16x5 mm (3x)
• Rodamiento con brida 5x16x5 mm (2x)
• Varilla roscada M5x50

Paso 1: diseñar y fabricar los engranajes

Uno de los objetivos de este proyecto era tener un motor que impulsara el reloj completo, similar a un reloj mecánico real donde un mecanismo de escape impulsa el reloj completo. Sin embargo, la manecilla de los minutos necesita realizar 12 rotaciones en el tiempo que la manecilla de las horas realiza 1 rotación. Esto significa que se necesita una caja de cambios de reducción 1:12 para conducir ambas manos con un motor. Decidí hacer esto con una caja de cambios planetaria, el video incluido explica maravillosamente cómo funciona este tipo de caja de cambios.

El siguiente paso para mí fue determinar el número de dientes de los diferentes engranajes para crear una proporción de 1:12. Este sitio web fue muy útil y contiene todas las fórmulas necesarias. Adjunté el engranaje solar al minutero y el portasatélites a la manecilla de las horas, dejando la corona estacionaria. ¡Hagamos un poco de matemáticas!

• S = número de dientes del engranaje solar
• R = número de dientes de la corona
• P = número de dientes en el engranaje planetario

La relación de transmisión (i) está determinada por:

yo = S / R + S

Tenga en cuenta que la cantidad de dientes en el engranaje planetario no importa para la relación de transmisión en este caso, sin embargo, debemos respetar la restricción general:

P = (R - S) / 2

Después de algunos enigmas terminé usando los siguientes números: S = 10; R = 110; P = 50; Parecen estar al borde de lo que es posible ya que hay muy poco espacio libre entre los engranajes planetarios, ¡pero funciona!

Puede dibujar los engranajes en su programa CAD favorito, la mayoría de ellos tienen complementos de engranajes especiales. También puede usar los archivos adjuntos a este Instructable. por supuesto. Tenga en cuenta que todos los engranajes, aunque difieren en tamaño, tienen el mismo paso de diente.

Pensé que sería increíble hacer estos engranajes de aluminio de 5 mm y me comuniqué con una tienda local con un chorro de agua si podían cortar estos engranajes por mí. Normalmente, nunca haría engranajes con cortadores de agua, pero estos son engranajes de muy bajo rendimiento. Sorprendentemente, aceptaron intentarlo, pero este plan fracasó horriblemente. Las piezas eran simplemente demasiado pequeñas para el chorro de agua y comenzaron a moverse mientras se cortaba.

Este revés significó que era hora del plan B, así que compré un poco de acrílico negro humo de 5 mm y encontré un lugar con un cortador láser, que no tuvo problemas para cortar mis engranajes. Si no tiene un cortador láser disponible, probablemente también pueda usar una impresora 3D para estos engranajes, incluí los archivos STL (es posible que el engranaje anular deba dividirse en 3 partes).

Después de cortar, presiono los cojinetes instalados en los engranajes planetarios. Para lograr el ajuste correcto, hice una pieza de prueba de acrílico con varios orificios, cada uno de los cuales tenía un diámetro ligeramente mayor (pasos de 0.05 mm). Después de encontrar el ajuste con el ajuste correcto, cambié el tamaño del orificio en los engranajes planetarios a este ajuste. Esto es algo que difiere según el material y el tipo de máquina, por lo que siempre debe hacerlo usted mismo.

Paso 2: Montaje del sistema de engranajes

Para montar los engranajes, se necesita el marco del reloj. Ahora bien, esta es la parte en la que puede dejar volar su creatividad, ya que la forma del marco es relativamente poco importante siempre que todos los orificios de los pernos estén en el lugar correcto. Elegí hacer muchos agujeros en la placa del dial y la placa trasera para enfatizar el mecanismo de engranajes. Esta es también la razón por la que los porta planetas y el minutero son transparentes, ¡pero también se ve genial!

Una vez más utilicé el cortador láser para hacer estas piezas, y como las piezas acrílicas tenían un grosor de 5 mm, también hice las piezas de madera con un grosor de 5 mm. Todos los orificios en la placa del cuadrante y el portasatélites fueron avellanados para acomodar los pernos a juego.

El eje central del reloj se mueve en dos cojinetes dentro de los portasatélites. Desde que hice este eje con una barra de 5 mm, tiene un ajuste muy ajustado dentro de los rodamientos y ya no pude desmontar estos componentes. Sería mucho más fácil usar un trozo de hilo M5 ya que tampoco tendrías que cortar tu propio hilo nunca más (si tan sólo me diera cuenta de antemano…..). Para evitar que el engranaje solar gire alrededor del eje, tiene un orificio en forma de D, por lo que el eje también debe presentarse en esta forma de D. Cuando el engranaje solar se ajusta alrededor del eje, puede ensamblar el eje, ¡no olvide los portasatélites si usa cojinetes con bridas! Consulte la vista ampliada para ver las instrucciones de montaje.

Cuando el eje central está montado, es hora de que los engranajes planetarios. Estos también necesitan arandelas pequeñas, al igual que el eje central, para asegurarse de que los engranajes funcionen sin problemas. Una vez que todo esté montado en los portaplanetas, verifique si los engranajes planetarios y el engranaje solar funcionan sin problemas.

La parte central ahora se puede montar en el marco del reloj. Este es un trabajo tedioso, pero es de gran ayuda pegar los pernos a través de la placa frontal y pegarlos con cinta adhesiva. También puede ser útil levantar la placa frontal para dejar espacio para el minutero. Las fotos muestran que coloqué seis pequeños trozos de papel entre el anillo de engranajes y la placa trasera para dejar un poco de espacio para los engranajes. Al insertar el portasatélites, asegúrese de que los diales apunten a una ubicación sensible (si el minutero apunta a las 12, la manecilla de las horas no debe estar entre dos horas de ejemplo)

Paso 3: Conexión del sensor y el paso a paso

Ahora que tenemos un mecanismo de engranajes que maneja las manos correctamente, todavía necesitamos manejar el mecanismo de engranajes correctamente. Se pueden usar varios tipos de motores eléctricos, elegí un motor paso a paso ya que puede realizar movimientos precisos sin sensores de retroalimentación angular constante. Un motor paso a paso también puede producir un sonido de "clic" real, ¡lo cual es genial para el reloj semimecánico!

Un motor paso a paso normal puede dar 200 pasos por revolución, lo que se traduce en 200 pasos por hora si lo conectamos al minutero. Esto significaría un intervalo de 18 segundos por paso, que aún no suena como el tic-tac de un reloj. Por lo tanto, utilicé una transmisión de 1: 3 entre el motor paso a paso y las manecillas de los minutos, por lo que el motor paso a paso necesita dar 600 pasos por hora. Con el modo de medio paso, esto se puede aumentar a 1200 pasos por hora, lo que equivale a un paso cada 3 segundos. ¡Suena mejor!

Un problema con los motores paso a paso es que nunca sabes dónde están cuando enciendes tu Arduino. Es por eso que todas las impresoras 3D tienen topes finales, por lo que puede mover su impresora a una posición conocida y luego continuar desde ese punto. Esto también es necesario para el reloj, solo un tope final no funcionará ya que un reloj debe hacer rotaciones continuas. Para realizar esta detección de posición, utilicé un sensor de efecto Hall A3144 que detecta un imán (¡verifique la polaridad! …) conectado al portador planetario. Esto se usa para mover las manecillas a una posición específica al inicio, después de lo cual pueden moverse al tiempo necesario.

El montaje es muy sencillo; Fije el motor paso a paso a la placa trasera, dejando los tornillos ligeramente sueltos. Luego puede montar la polea pequeña en el eje del motor paso a paso y verificar si la correa de distribución corre recta. Ahora puede deslizar el motor paso a paso para ajustar la tensión en la correa de distribución. La correa de distribución necesita un poco de juego para asegurarse de que no ejerce presión sobre los engranajes. Juegue con esta configuración hasta que esté satisfecho, luego apriete completamente los tornillos del motor paso a paso.

El sensor de efecto hall está pegado en su lugar. Lo mejor es soldar tres cables al sensor primero, asegurándose de colocar termorretráctil alrededor de cada pata del sensor para que no se puedan cortocircuitar entre sí. Después de soldar, el sensor se puede pegar en su lugar. Realmente no importa qué lado esté hacia arriba, siempre que no haya colocado el imán todavía. Después de haber pegado el sensor en su lugar, conéctelo a un Arduino o un pequeño circuito LED para probar si funciona. (NOTA: el sensor de efecto Hall solo funciona si las líneas del campo magnético van en la dirección correcta). Con este circuito de prueba, verifique cómo se debe pegar el imán. Una vez que esté absolutamente seguro de qué lado de su imán debe mirar hacia el sensor, pegue el imán en su lugar.

Paso 4: Los componentes electrónicos que hacen que el reloj funcione

Puede usar un código Arduino muy simple que hace medio paso con el motor y luego toma un retraso de 3000 milisegundos hasta el siguiente paso. Esto funcionaría, pero no es muy preciso ya que el reloj interno de Arduino no es ultra preciso. En segundo lugar, Arduino olvidaría el tiempo cada vez que pierde energía.

Por tanto, para realizar un seguimiento del tiempo, es mejor utilizar un reloj de tiempo real. Estas cosas son chips especialmente diseñados con una batería de respaldo que registran con precisión el tiempo. Para este proyecto, elegí el DS3231 RTC que puede comunicarse con un Arduino a través de i2c, lo que facilita el cableado. Una vez que establezca la hora correctamente en su chip, nunca olvidará qué hora es (siempre que a la batería cr2032 le quede algo de energía). Visite este sitio web para conocer todos los detalles sobre este módulo.

La conducción del motor paso a paso se realiza con un controlador de motor L293d. Algunos controladores de motor paso a paso más avanzados utilizan una señal PWM para micropasos y limitación de corriente. Esta señal PWM puede producir el molesto ruido de pío con el que todo fabricante está familiarizado (especialmente si tienes una impresora 3D). Dado que se supone que este reloj se convertirá en parte de su interior, no se desean ruidos desagradables. Por lo tanto, decidí usar el controlador de motor l293d de baja tecnología para asegurarme de que mi reloj esté en silencio (además de los pasos cada 3 segundos, ¡pero eso es realmente agradable!). Visite este sitio web para obtener una descripción detallada del chip l293d. Tenga en cuenta que ejecuto mi motor paso a paso a 5 V, lo que reduce el consumo de energía y la temperatura del motor paso a paso.

Como se mencionó anteriormente, utilizo un sensor de efecto Hall para detectar un imán pegado al portador de planetas. El principio de funcionamiento del sensor es muy simple, cambia de estado cuando un imán está lo suficientemente cerca. De esta manera, su Arduino puede detectar un nivel digital alto o bajo y, por lo tanto, detectar si un imán está cerca. Consulte este sitio web que muestra cómo conectar el sensor y muestra el código simple utilizado para la detección de imanes.

Por último, pero no menos importante, agregué 4 botones para la entrada del usuario en la PCB. Usan las resistencias pull-up internas de Arduino para simplificar el cableado. Mi PCB también tiene encabezados en una configuración Uno, por lo que podría agregar escudos Arduino para posibles expansiones (no lo he hecho hasta ahora).

Primero probé todo en mi tablero y luego diseñé y pedí una PCB personalizada para este proyecto, ¡ya que se ve increíble! También puede montar el PCB en la parte posterior de su reloj si no quiere mirarlo.

Los archivos Gerber para la PCB se pueden descargar desde mi disco, Instructables no me permite cargarlos por alguna razón. Utilice este enlace a mi unidad de Google.

Paso 5: Programando el Arduino

El código básico para Arduino es realmente muy simple. Adjunté un esquema que visualiza lo que sucede dentro del Arduino y cómo el Arduino interactúa con los otros dispositivos. Usé varias bibliotecas para simplificar la codificación.

• Accelstepper -> maneja la secuencia de pasos del motor paso a paso, le permite dar comandos intuitivos como: Stepper.runSpeed () o Stepper.move () que le permiten moverse a una cierta velocidad o a una determinada posición respectivamente.
• Cable -> esto es necesario para la comunicación i2c, incluso cuando se usa RTClib
• RTClib -> maneja la comunicación entre Arduino y RTC, le permite dar comandos intuitivos como rtc.now () que devuelve la hora actual.
• OneButton -> Maneja la entrada del botón, detecta presiones y luego ejecuta un vacío preespecificado para hacer algo. Puede detectar pulsaciones simples, dobles o largas.

Al escribir código para un reloj es muy importante evitar tener variables que sigan aumentando. Dado que el código Arduino se ejecutará las 24 horas del día, los 7 días de la semana, estas variables se harán cada vez más grandes y eventualmente causarán un desbordamiento. Al motor paso a paso, por ejemplo, nunca se le ordena que vaya a una determinada posición, ya que esta posición solo aumentaría con el tiempo. En cambio, se ordena al motor paso a paso que se mueva un cierto número de pasos en una determinada dirección. De esta forma no existe una variable de posición que aumente con el tiempo.

La primera vez que conecta el RTC necesita establecer la hora del chip, hay un fragmento de código que puede descomentar que establece la hora RTC igual a la hora de su computadora (la hora en el momento en que compila el código). Tenga en cuenta que cuando deje esto sin comentar, la hora de RTC se restablecerá a la hora en la que compiló su código cada vez. Así que descomente esto, ejecútelo una vez y luego coméntelo nuevamente.

Adjunté mi código a este Instructable, lo comenté a fondo. ¡Podrías subirlo sin ningún cambio o verlo y ver lo que piensas!

Paso 6: ¡Disfruta del sonido del tic-tac de tu reloj por primera vez

Después de conectar todos los componentes electrónicos y cargar el código, ¡este es el resultado!

El diseño básico de este reloj es muy simple y podría fabricarse en muchas formas y tamaños diferentes. Dado que hay un Arduino a bordo, también puede agregar funciones adicionales fácilmente. Configurar una alarma, hacer que el reloj encienda su máquina de café a una hora determinada, conectividad a Internet, modos de demostración geniales que resaltan el movimiento mecánico para mostrar su diseño a los demás y mucho más.

Como habrás notado a lo largo de este Instructable, tuve que desmontar mi reloj para poder escribir este Instructable. Aunque es desafortunado para este Instructable, al menos puedo garantizar que el diseño funciona muy bien a largo plazo, ya que este reloj ha estado funcionando durante más de 3 años en mi sala de estar sin ningún problema.

Por favor, avíseme en los comentarios si le gustó este Instructable, es la primera vez que escribo uno. Además, si tiene algún consejo o pregunta, envíeme un mensaje. ¡Y espero haber inspirado a alguien para que también construya un reloj semimecánico algún día!

Primer premio en el concurso de relojes