Horloge à engrenage planétaire : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Les (anciennes) horloges mécaniques sont incroyablement intéressantes et agréables à regarder, mais sont malheureusement presque impossibles à construire soi-même. Les horloges mécaniques manquent également de la négligence de la technologie numérique précise disponible aujourd'hui. Ce Instructable vous montre un moyen de combiner le meilleur des deux mondes; en entraînant des aiguilles d'horloge mécaniques à travers une boîte de vitesses planétaire avec un moteur pas à pas et un Arduino !

Fournitures

Composants généraux:

• Feuille de bois et acrylique de 5 mm
• Boulons M5 (fraisés), rondelles et écrous
• entretoises PCB
• Vis M3 pour le moteur pas à pas

Composants électriques:

• Pilote pas à pas (j'ai utilisé le L293d)
• Tout type d'Arduino
• Horloge temps réel (j'ai utilisé le DS3231)
• Capteur à effet Hall (j'ai utilisé le A3144)
• Aimant Néodium 5mm
• Boutons de saisie utilisateur
• Résistance 10K
• Condensateur 100uf 25V
• Prise CC
• Alimentation 5V 2A CC
• Batterie pour le RTC (cr2032 dans mon cas)

Composants mécaniques:

• Tout type de moteur pas à pas de 1,8 degré/pas avec axe de 5 mm
• Courroie de distribution GT2 400mm
• Poulie d'axe GT2 60 dents 5mm
• Poulie d'axe GT2 20 dents 5mm
• Roulement 5x16x5 mm (3x)
• Roulement à bride 5x16x5 mm (2x)
• Tige filetée M5x50

Étape 1: Concevoir et fabriquer les engrenages

L'un des objectifs de ce projet était d'avoir un moteur qui entraîne l'horloge complète, semblable à une vraie horloge mécanique où un mécanisme d'échappement entraîne l'horloge complète. L'aiguille des minutes doit cependant effectuer 12 rotations pendant que l'aiguille des heures effectue 1 rotation. Cela signifie qu'un réducteur 1:12 est nécessaire pour entraîner les deux mains avec un seul moteur. J'ai décidé de le faire avec une boîte de vitesses planétaire, la vidéo incluse explique magnifiquement comment fonctionne ce type de boîte de vitesses.

L'étape suivante pour moi consistait à déterminer le nombre de dents pour les différents engrenages afin de créer un rapport de 1:12. Ce site Web a été très utile et contient toutes les formules nécessaires. J'ai attaché la roue solaire à l'aiguille des minutes et le porte-satellites à l'aiguille des heures, laissant la couronne immobile. Faisons un peu de maths !

• S = nombre de dents sur le planétaire
• R = nombre de dents sur la couronne dentée
• P = nombre de dents sur le planétaire

Le rapport de transmission (i) est déterminé par:

i = S/R+S

A noter que le nombre de dents sur le planétaire n'a pas d'importance pour le rapport de démultiplication dans ce cas, cependant il faut respecter la contrainte générale:

P = (R - S)/2

Après quelques énigmes, j'ai fini par utiliser les nombres suivants: S = 10; R = 110; p = 50; Ils semblent être à la limite du possible puisqu'il y a très peu de jeu entre les planétaires, mais ça marche !

Vous pouvez dessiner les engrenages dans votre programme de CAO préféré, la plupart d'entre eux ont des plugins d'engrenages spéciaux. Vous pouvez également simplement utiliser les fichiers joints à ce Instructable. bien sûr. Notez que tous les engrenages, bien que de tailles différentes, ont le même pas de denture.

J'ai pensé que ce serait génial de fabriquer ces engrenages en aluminium de 5 mm et j'ai contacté un magasin local avec un jet d'eau s'ils pouvaient couper ces engrenages pour moi. Normalement, vous ne feriez jamais d'engrenages avec des coupe-eau, mais ce sont des engrenages très peu performants. Étonnamment, ils ont accepté d'essayer, mais ce plan a horriblement échoué. Les pièces étaient simplement trop petites pour le jet d'eau et ont commencé à bouger pendant qu'il coupait.

Ce revers signifiait qu'il était temps pour le plan B, alors j'ai acheté de l'acrylique noir fumé de 5 mm et j'ai trouvé une place avec un cutter laser, qui n'a eu aucun problème à couper mes engrenages. Si vous n'avez pas de découpeur laser disponible, vous pouvez probablement aussi utiliser une imprimante 3D pour ces engrenages, j'ai inclus les fichiers STL (la couronne dentée devra peut-être être divisée en 3 parties).

Après la coupe, j'enfonce les roulements ajustés dans les engrenages planétaires. Pour obtenir le bon ajustement, j'ai fait une pièce d'essai en acrylique avec plusieurs trous qui avaient chacun un diamètre légèrement plus grand (pas de 0,05 mm). Après avoir trouvé le réglage avec le bon ajustement, j'ai changé la taille du trou dans les engrenages planétaires pour ce réglage. C'est quelque chose qui diffère selon le matériau et le type de machine, vous devez donc toujours le faire vous-même.

Étape 2: Assemblage du système d'engrenage

Pour assembler les engrenages, le cadre de l'horloge est nécessaire. C'est maintenant la partie où vous pouvez laisser libre cours à votre créativité puisque la forme du cadre est relativement sans importance tant que tous les trous de boulons sont au bon endroit. J'ai choisi de faire beaucoup de trous dans la plaque du cadran et la plaque arrière pour souligner le mécanisme d'engrenage. C'est aussi la raison pour laquelle les porte-planètes et l'aiguille des minutes sont un peu transparents, mais ça a aussi l'air cool !

J'ai encore une fois utilisé le cutter laser pour fabriquer ces pièces, et comme les pièces en acrylique mesuraient 5 mm d'épaisseur, j'ai également fabriqué les pièces en bois de 5 mm d'épaisseur. Tous les trous de la plaque de cadran et du porte-satellites ont été fraisés pour accueillir les boulons correspondants.

L'axe central de l'horloge tourne dans deux paliers à l'intérieur des porte-satellites. Depuis que j'ai fabriqué cet axe à partir de barres de 5 mm, il a un ajustement très serré à l'intérieur des roulements et je n'étais plus en mesure de démonter ces composants. Il serait beaucoup plus facile d'utiliser simplement un morceau de fil M5 puisque vous n'auriez plus à couper votre propre fil (si seulement je m'en rendais compte à l'avance…..). Pour empêcher le planétaire de tourner autour de l'axe, il a un trou en forme de D, donc l'axe doit également être limé dans cette forme de D. Lorsque le planétaire s'adapte autour de l'essieu, vous pouvez assembler l'essieu, n'oubliez pas les porte-satellites si vous utilisez des roulements à bride ! Consultez la vue éclatée pour les instructions de montage.

Lorsque l'axe central est monté, il est temps pour les engrenages planétaires. Ceux-ci ont également besoin de petites rondelles, tout comme l'axe central, pour assurer le bon fonctionnement des engrenages. Une fois que tout est monté sur les porte-satellites, vérifiez si les engrenages planétaires et le planétaire fonctionnent correctement.

La partie centrale peut maintenant être montée dans le cadre de l'horloge. C'est un travail fastidieux, mais coller les boulons à travers la plaque avant et les coller en place aide beaucoup. Il peut également être utile de relever la plaque avant pour laisser de la place à l'aiguille des minutes. Les photos montrent que j'ai placé six petits morceaux de papier entre la couronne d'engrenage et la plaque arrière pour laisser un peu d'espace aux engrenages. Lors de l'insertion du porte-satellites, assurez-vous que les cadrans pointent vers un endroit sensible (si l'aiguille des minutes indique 12, l'aiguille des heures ne doit pas être entre deux heures par exemple)

Étape 3: Connexion du moteur pas à pas et du capteur

Maintenant que nous avons un mécanisme d'engrenage qui entraîne les aiguilles correctement, nous devons encore entraîner le mécanisme d'engrenage correctement. Différents types de moteurs électriques pourraient être utilisés, j'ai choisi un moteur pas à pas car il peut effectuer des mouvements précis sans capteurs à retour angulaire constant. Un moteur pas à pas peut également émettre un véritable son de « clic », ce qui est excellent pour l'horloge semi-mécanique !

Un moteur pas à pas ordinaire peut faire 200 pas par tour, ce qui se traduit par 200 pas par heure si nous le connectons à l'aiguille des minutes. Cela signifierait un intervalle de 18 secondes par étape, ce qui ne sonne pas encore comme une horloge. Par conséquent, j'ai utilisé une transmission 1:3 entre le moteur pas à pas et les aiguilles des minutes, de sorte que le moteur pas à pas doit faire 600 pas par heure. En utilisant le mode demi-pas, cela peut être augmenté jusqu'à 1200 pas par heure, ce qui équivaut à un pas toutes les 3 secondes. Sonne mieux!

Un problème avec les moteurs pas à pas est que vous ne savez jamais où ils se trouvent lorsque vous allumez votre Arduino. C'est pourquoi toutes les imprimantes 3D ont des butées de fin de course, vous pouvez donc déplacer votre imprimante vers une position connue, puis continuer à partir de ce point. Ceci est également nécessaire pour l'horloge, seule une butée ne fonctionnera pas car une horloge doit effectuer des rotations continues. Pour réaliser cette détection de position, j'ai utilisé un capteur à effet Hall A3144 qui détecte un aimant (vérifiez la polarité ! ….) attaché au porte-satellites. Ceci est utilisé pour déplacer les aiguilles vers une position spécifique au démarrage, après quoi elles peuvent se déplacer vers le temps nécessaire.

L'assemblage est très simple; Fixez le moteur pas à pas à la plaque arrière, en laissant les vis légèrement desserrées. Ensuite, vous pouvez monter la petite poulie sur l'axe du moteur pas à pas et vérifier si la courroie de distribution est droite. Vous pouvez maintenant faire glisser le moteur pas à pas pour régler la tension de la courroie de distribution. La courroie de distribution a besoin d'un petit jeu pour s'assurer que vous n'exercez aucune contrainte sur les engrenages. Jouez avec ce réglage jusqu'à ce que vous soyez satisfait, puis serrez complètement les vis du moteur pas à pas.

Le capteur à effet Hall est collé. Il est préférable de souder d'abord trois fils au capteur, en veillant à mettre du thermorétractable autour de chaque branche du capteur afin qu'ils ne puissent pas se court-circuiter. Après soudure, le capteur peut être collé en place. Le côté vers le haut n'a pas vraiment d'importance, tant que vous n'avez pas encore fixé l'aimant. Après avoir collé le capteur en place, connectez-le à un Arduino ou à un petit circuit LED pour tester s'il fonctionne. (REMARQUE: le capteur à effet Hall ne fonctionne que si les lignes de champ magnétique vont dans le bon sens). À l'aide de ce circuit de test, vérifiez comment l'aimant doit être collé. Une fois que vous êtes absolument sûr de quel côté de votre aimant doit faire face au capteur, collez l'aimant en place.

Étape 4: L'électronique qui fait tourner l'horloge

Vous pouvez utiliser un code Arduino très simple qui fait un demi-pas avec le moteur puis prend un délai de 3000 millisecondes jusqu'à l'étape suivante. Cela fonctionnerait mais ce n'est pas très précis car l'horloge interne Arduino n'est pas ultra précise. Deuxièmement, l'Arduino oublierait l'heure à chaque fois qu'il perdrait de la puissance.

Pour garder une trace de l'heure, il est donc préférable d'utiliser une horloge en temps réel. Ces choses sont des puces spécialement conçues avec une batterie de secours qui gardent une trace précise de l'heure. Pour ce projet, j'ai choisi le DS3231 RTC qui peut communiquer avec un Arduino via i2c, ce qui facilite le câblage. Une fois que vous avez réglé l'heure correctement sur sa puce, il n'oubliera jamais l'heure qu'il est (tant qu'il reste un peu de jus à la batterie cr2032). Consultez ce site Web pour tous les détails sur ce module.

La conduite du moteur pas à pas se fait avec un pilote de moteur L293d. Certains pilotes de moteurs pas à pas plus avancés utilisent un signal PWM pour le micro-pas et la limitation du courant. Ce signal PWM peut faire le bruit de piaulement ennuyeux avec lequel chaque fabricant est familier (surtout si vous possédez une imprimante 3D). Puisque cette horloge est censée faire partie de votre intérieur, les bruits désagréables ne sont pas souhaités. Par conséquent, j'ai décidé d'utiliser le pilote de moteur low-tech l293d pour m'assurer que mon horloge est silencieuse (à part le pas toutes les 3 secondes, mais c'est en fait agréable !). Consultez ce site Web pour une description détaillée de la puce l293d. Notez que je fais fonctionner mon moteur pas à pas à 5 V, ce qui réduit la consommation d'énergie et la température du moteur pas à pas.

Comme mentionné précédemment, j'utilise un capteur à effet Hall pour détecter un aimant collé au support de la planète. Le principe de fonctionnement du capteur est très simple, il change d'état lorsqu'un aimant est suffisamment proche. De cette façon, votre Arduino peut détecter un haut ou un bas numérique et donc détecter si un aimant est proche. Consultez ce site Web qui montre comment connecter le capteur et montre le code simple utilisé pour la détection de l'aimant.

Enfin, j'ai ajouté 4 boutons pour la saisie utilisateur sur le PCB. Ils utilisent les résistances de rappel internes Arduino pour simplifier le câblage. Mon PCB a également des en-têtes dans une configuration Uno afin que je puisse ajouter des blindages Arduino pour d'éventuelles extensions (je ne l'ai pas fait jusqu'à présent).

J'ai d'abord tout testé sur ma maquette, puis j'ai conçu et commandé un PCB personnalisé pour ce projet, car il a l'air génial ! Vous pouvez également monter le PCB au dos de votre horloge si vous ne voulez pas le regarder.

Les fichiers Gerber pour le PCB peuvent être téléchargés à partir de mon lecteur, Instructables ne me permet pas de les télécharger pour une raison quelconque. Utilisez ce lien vers mon lecteur google.

Étape 5: Programmation de l'Arduino

Le code de base de l'Arduino est en fait très simple. J'ai joint un schéma qui visualise ce qui se passe à l'intérieur de l'Arduino et comment l'Arduino s'interface avec les autres appareils. J'ai utilisé plusieurs bibliothèques pour simplifier le codage.

• Accelstepper -> gère la séquence de pas du moteur pas à pas, vous permet de donner des commandes intuitives comme: Stepper.runSpeed() ou Stepper.move() qui vous permettent de vous déplacer respectivement à une certaine vitesse ou à une certaine position.
• Fil -> ceci est nécessaire pour la communication i2c, même lors de l'utilisation de la RTClib
• RTClib -> gère la communication entre Arduino et RTC, vous permet de donner des commandes intuitives comme rtc.now() qui renvoie l'heure actuelle.
• OneButton -> Gère l'entrée du bouton, détecte les pressions, puis exécute un vide pré-spécifié pour faire quelque chose. Peut détecter des appuis simples, doubles ou longs.

Lors de l'écriture du code d'une horloge, il est très important d'éviter d'avoir des variables qui ne cessent d'augmenter. Étant donné que le code Arduino fonctionnera 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, ces variables deviendront rapidement de plus en plus grosses et finiront par provoquer un débordement. Le moteur pas à pas, par exemple, n'est jamais commandé pour aller à une certaine position, car cette position ne ferait qu'augmenter avec le temps. Au lieu de cela, le moteur pas à pas est commandé pour déplacer un certain nombre de pas dans une certaine direction. De cette façon, il n'y a pas de variable de position qui augmente avec le temps.

La première fois que vous connectez le RTC, vous devez régler l'heure de la puce, il y a un morceau de code que vous pouvez décommenter qui définit l'heure RTC égale à l'heure de votre ordinateur (l'heure au moment où vous compilez le code). Notez que lorsque vous laissez cela sans commentaire, l'heure RTC sera réinitialisée à l'heure à laquelle vous avez compilé votre code à chaque fois. Alors décommentez-le, exécutez-le une fois, puis commentez-le à nouveau.

J'ai attaché mon code à ce Instructable, je l'ai commenté en détail. Vous pouvez le télécharger sans aucun changement ou le vérifier et voir ce que vous en pensez !

Étape 6: Profitez du son de votre horloge pour la première fois

Après avoir connecté tous les appareils électroniques et téléchargé le code, voici le résultat !

La conception de base de cette horloge est très simple et elle peut être réalisée dans de nombreuses formes et tailles différentes. Comme il y a un Arduino à bord, vous pouvez également facilement ajouter des fonctionnalités supplémentaires. Réglage d'une alarme, que l'horloge allume votre machine à café à une heure définie, connectivité Internet, modes de démonstration sympas qui mettent en valeur le mouvement mécanique pour montrer votre conception aux autres et bien plus encore !

Comme vous l'avez peut-être remarqué tout au long de ce Instructable, j'ai dû démonter mon horloge pour écrire ce Instructable. Bien que malheureux pour ce Instructable, je peux au moins garantir que la conception fonctionne très bien à long terme, puisque cette horloge tourne depuis plus de 3 ans dans mon salon sans aucun problème !

S'il vous plaît laissez-moi savoir dans les commentaires si vous avez aimé ce Instructable, c'est la première fois que j'en écris un. Aussi, si vous avez des conseils ou des questions, envoyez-moi un message. Et j'espère que j'ai inspiré quelqu'un à construire aussi une horloge semi-mécanique un jour !

Premier prix du concours d'horloges