La tardor passada (2011) vaig aprofitar al màxim la fantàstica política sabàtica en què treballo. La meva dona i jo vam passar una bona part d’aquest temps conduint per la bonica zona sud-oest nord-americana i els molts parcs increïbles al voltant de l’altiplà de Colorado. Mentre conduïa centenars de quilòmetres de paisatges desolats, la claredat del cel nocturn em va inspirar a somiar amb un muntatge de càmera que giraria per adaptar-se a la rotació polar del planeta. Qualsevol exposició fotogràfica llarga de les estrelles amb un trípode estàtic donarà lloc a traçats estel·lars, que és genial, però impedeix que un astrofotògraf capturi detalls febles al cel nocturn. Vaig calcular les relacions de l’engranatge al cap (durant moltes hores d’aïllament) mentre la meva dona dormia al seient del passatger al meu costat i començava a somiar amb els altres requisits mecànics per construir aquesta eina. Després de tornar del meu període sabàtic i després del nou any, vaig començar a passar el temps a la botiga de San Jose TechShop on vaig descobrir totes les eines increïbles que poden portar reflexions com la meva fora del cap i al món real. Amb l’accés que ofereixen a tantes eines d’accés difícil, he decidit fer-ho a TechShop (www.techShop.ws). El tallador làser i el full d’acrílic van ser el suport i el mètode que vaig triar per fer realitat aquest somni. També vaig utilitzar Autodesk Inventor, que vaig aprendre a utilitzar a TechShop per crear el sistema mecànic i els dibuixos que conduirien el làser a tallar l'acrílic amb una precisió i precisió fascinants. Aquest manual descriu el procés i els passos que he definit per crear aquest muntatge equatorial.
Subministraments:
Pas 1: inspiració
Preneu-vos una estona de treball i aneu a algun lloc. Dediqueu moltes, moltes hores de conducció a llocs remots i desconeguts. Aneu a explorar el món. Sense les distraccions del treball, és increïble com la teva ment pot vagar i somiar amb idees. Vaig incloure una de les meves imatges preferides del nostre viatge a Monument Valley utilitzant una llarga exposició rodada amb llums de cua d’un cotxe que creen camins. La segona foto és un exemple de com la rotació de la terra crea pistes quan es prenen fotografies curtes (30 segons) de "llarga exposició" de les estrelles. Això es va prendre a F1.8 a 50 mm en una Canon T1i. No heu de mirar massa de prop per veure els senders de les estrelles. També podeu veure una mica de la Via Làctia a través de la imatge.
Pas 2: Eines i materials
Necessitareu les següents eines i materials per completar aquest projecte. Totes aquestes eines estan disponibles a TechShop, on he triat fer molta feina.
Eines:
Arduino SDK
Autodesk Inventor (o eina CAD equivalent)
Microsoft Excel (o programari de full de càlcul equivalent)
Cortadora làser Epilog 60W
Pinça digital
Hack Saw
Conductor de cargol
Clau ajustable
Materials:
Full acrílic de 3/16 "o 1/4" (qualsevol color, però he utilitzat clar)
Rodaments de boles de diàmetre interior de 1/4 "(12)
Cargols de màquina de 1/4 "x 3"
Rodaments de boles de diàmetre interior de 1/2 "(2)
Roda d'acer roscada d'1 / 2 "
Cargols de carro d'1 / 4 "x 3 1/2" (6)
Separadors de niló de 1/4 "x 1" (12)
Diàmetre interior de 1/4 ", rentadores (~ 20)
Diàmetres interiors d'1 / 4 ", rentadores de diàmetre exterior d'1 1/4" (~ 15)
Fruits secs d'1 / 4 "(~ 30)
Bisagra de piano d’acer inoxidable
Quadrat amb braç d'angle regulable
Nivells
Panoràmica i inclinació del trípode
Controls i electrònica:
Motor pas a pas de 12V
Controlador de pas a pas
Junta Arduino UNO
Font d’alimentació de 12V DC
Làser verd de 5 mW classe IIIA (opcional)
Pas 3: Dissenyar els engranatges
Per tal de dissenyar els engranatges, heu de calcular les proporcions que necessiteu per convertir el vostre motor a 1RPD (una rotació per dia). La vostra càmera es muntarà a un eix que gira a aquesta velocitat. Aquí vaig passar una bona part del meu temps conduint i pensant en el disseny. La meva decisió final va ser utilitzar un motor d’1RPM que requereixi una conversió d’1: 1440 (1 RPM * 60m / h * 24h / d => 1440). Aquest nombre funciona correctament perquè podeu utilitzar els seus factors sencers per crear un conjunt d’engranatges enllaçats. Els factors que he utilitzat són 3, 4, 4, 5, 6, de manera que els engranatges tindrien les relacions de canvi de 3: 1, 4: 1, 4: 1, 5: 1 i 6: 1. Hi ha altres factors que també podeu utilitzar, els números racionals que són factors de 1440 funcionaran. Si trieu un motor de velocitat diferent, heu de seguir un exercici similar per determinar un conjunt d’engranatges adequat.
Ara que s'han determinat els paràmetres dels engranatges, hem de fer servir AudoDesk Inventor (2012) o una solució CAD equivalent per dissenyar-los. Inventor va ser fantàstic per a aquest projecte, ja que compta amb un generador d'engranatges que incorpora els seus paramàtrics i calcula i converteix el disseny final de l'engranatge. Aquesta eina, no obstant això, no reunirà tots els engranatges en una caixa de canvis: això guardarem per al següent pas.
Podeu crear els engranatges obrint un nou conjunt a Inventor. A la pestanya Disseny del menú veureu un grup de components mecànics agrupats com a "Transmissió d'energia". Un dels elements consisteix a dissenyar engranatges motrius. En fer clic en aquest element apareixerà el quadre de diàleg "Generador de components de Spur Gears". (Vegeu la primera il·lustració)
Com que estem abandonant la rotació a través dels engranatges i només utilitzant el perfil de les peces per guiar el tallador làser, no necessitem preocupar-nos massa pels detalls fins en aquest quadre. He mantingut tots els paràmetres per defecte i només he canviat el valor del quadre de text "Ràtio d’engranatge desitjat". Per al primer conjunt d’engranatges heu d’entregar aquest valor a 3 i feu clic a "Calcular". (Vegeu la segona il·lustració.) Això generarà valors per al grup "Gear 1" i "Gear 2" a la meitat inferior del quadre de diàleg. Assegureu-vos que tant l’engranatge 1 com l’engranatge 2 estiguin configurats a "Component" i quan feu clic a "OK" se us demanarà que deseu el fitxer. Després de guardar els engranatges, apareixeran de manera màgica a l'àrea de treball. (Vegeu la tercera il·lustració.) Podeu col·locar el component en qualsevol lloc que vulgueu. Repetiu aquest procés per a tots els engranatges que heu triat (en aquest cas 3: 1, 4: 1, 4: 1, 5: 1, 6: 1) i poseu-los a l'espai de treball.
El pas final és editar les extrusions d’engranatges per igualar el gruix del vostre material acrílic. En el meu cas, això era de 3/16 ".
Pas 4: enllaçar els engranatges
Aquest procés requereix uns quants passos. El primer és col·locar forats d’igual mida al centre de cada engranatge. A continuació, es restringeix l’eix de rotació de cada engranatge a l’eix de rotació de qualsevol altre engranatge que estarà sobre el mateix eix. Finalment, hauríeu de limitar les cares dels conjunts d’engranatges enllaçats amb un desplaçament
Per col·locar un forat al centre de cada engranatge, obriu un dels components de l’engranatge i creeu un nou esbós a la cara de l’engranatge. Seleccioneu el "punt" del grup "Dibuixar" i col·loqueu un punt al centre de l’equip. Finalitzeu l'esbós i seleccioneu l'eina "Forat" des del grup "Modifica". Seleccioneu el punt que heu creat i definiu el diàmetre del cercle per ser igual al diàmetre de la vareta d'acer que utilitzareu (en el meu cas 1/4 "). El tipus de forat ha de ser un forat senzill perforat. Repetiu aquest procés per a tots els engranatges restants del vostre disseny. (Vegeu la primera il·lustració)
Ara s’acaben els engranatges. Ara podeu començar a enllaçar tots els equips de l’engranatge creant i restringint el seu eix de rotació. Primer, seleccioneu l’eina "Eix" dins del grup "Funcions de treball". Seleccioneu el forat que heu creat per fer l’eix. Repetiu això per a l’altre equipament que vulgueu enllaçar amb aquest. Un cop hagueu creat un conjunt d’eixos, podeu fer clic a l’element "Restringir" del grup "Posició". Restringiu els dos eixos que heu creat fent clic a tots dos i apliqueu la restricció. Continua fent això pels forats restants. Els conjunts d’equips es poden enllaçar en qualsevol ordre. Vaig optar per començar amb l'engranatge més gran i enllaçar gradualment el següent equipament més petit fins que tots estiguessin vinculats. Heu de limitar l’eix de rotació d’un gran engranatge a l’eix de rotació del petit engranatge del conjunt que connecteu amb ell. (Vegeu la segona il·lustració)
Una vegada que l’eix de tots els engranatges estigui enllaçat, heu de restringir la cara de cada parell enllaçat amb un desplaçament. Això els organitzarà de manera que es desplacin entre si i es puguin rotar lliurement. (Vegeu la tercera il·lustració)
Ara teniu un conjunt d’engranatges que estan lligats correctament i podem començar a construir una caixa d’engranatges per contenir-los. (Vegeu la quarta il·lustració)
Pas 5: Dissenyar la caixa de canvis
En aquest pas, haureu de crear tres panells separats que allotjaran els rodaments de boles sobre els quals girarà cada eix. Abans de començar haureu d'organitzar els engranatges en la seva configuració final. Quan organitzeu els engranatges, heu d’assegurar-vos que no obstrueixin al màxim qualsevol altre eix. Vaig haver d’afegir un segon engranatge amb una relació d’1: 1 per permetre que l’eix d'alumini passés per tota la caixa del canvi. (Vegeu la primera il·lustració)
Una vegada que els vostres engranatges estiguin en la seva posició final, creeu un nou pla de treball desviat de la superfície d’un dels engranatges. Aquesta serà la superfície sobre la qual es crearà la forma de la caixa de la caixa de canvis. Podeu dibuixar simplement un rectangle al voltant de tots els engranatges o, per un disseny més eficient i elegant, podeu crear un contorn al voltant dels engranatges. Aquest és el procés que he utilitzat.
Creeu un nou esbós a la superfície que heu creat i seleccioneu "Geometria del projecte". Feu clic a cadascun dels forats dels engranatges per projectar aquesta forma a la vostra superfície de treball. (Vegeu la segona il·lustració)
Un cop hagueu projectat els forats dels engranatges al vostre pla de treball, podeu crear cercles centrats en el centre de cada cercle. (Vegeu la tercera il·lustració)
Ara uniu els cercles amb línies tangencials. (Vegeu la quarta il·lustració)
Utilitzeu l’eina "Retallar" del grup "Modificar" i seleccioneu tots els segments de línia que hi hagi al contorn de la forma que heu creat. (Vegeu la cinquena il·lustració)
L’últim pas per construir el contorn del panell és crear un segment recte a la part inferior que adjuntem a la bisagra del piano per tal de girar el pla de rotació per alinear-se amb la rotació polar polar. Per fer-ho, gireu el dibuix fins que la forma estigui alineada amb la vostra preferència. Després d'això, creeu un rectangle que s'alineixi amb els punts més allunyats del perímetre del panell. (Vegeu la sisena il·lustració)
L’últim pas per crear el contorn del panell és retallar les línies d’interior restants. (Vegeu la setena il·lustració)
Un cop definit el contorn, cal que modifiqueu els patrons de forat projectats per tal que coincideixin amb el diàmetre exterior dels rodaments de boles que utilitzeu. En el meu cas, vaig utilitzar rodaments de boles amb diàmetres exteriors de 1.125 "i .75". (Vegeu la vuitena il·lustració)
Ara hauríeu d’extrusionar aquesta forma per crear el primer panell de la vostra caixa de canvis. Extrudeu-la a l’amplada del full d’acrílic que utilitzeu, en el meu cas 3/16 ".
Un cop creat el primer panell, heu de duplicar aquest disseny per als panells frontal i posterior. A la il·lustració final d'aquesta part podeu veure com els panells s'alineen amb els engranatges, així com els eixos que connecten els engranatges.
Pas 6: Disseny de la transmissió d’energia
Aquest últim pas del disseny físic implica la creació d’una polea de sincronització i un arnès per al motor pas a pas. Autodesk Inventor proporciona un assistent molt agradable per a aquest propòsit, igual que els engranatges.
A la pestanya "Disseny" i dins del grup "Transmissió d’energia", seleccioneu l’element "Cintes sincronitzades". (Vegeu la primera il·lustració)
Haureu de construir la polea temporitzada a sobre d’un objecte sòlid. Vaig utilitzar una relació de 1: 3 per transmetre la potència del motor de pas a la caixa del canvi. Haureu de modificar el nombre de dents de cada equip segons els valors que hàgiu triat. (Vegeu la segona il·lustració)
Ara que heu dissenyat la transmissió de potència, heu de col·locar-la a la caixa del canvi. Enllaceu el punt central de la polea de sincronització més gran a l’eix de l’últim engranatge de la caixa de canvis. Gireu la transmissió de potència fins que estigui en una bona posició a l'exterior de la caixa del canvi. (Vegeu la tercera il·lustració)
El pas final d’aquest procés és crear les funcions de muntatge del motor pas a pas de manera que s’alineixi amb el tren d’energia. Utilitzeu el centre de la polea primària més petita per col·locar el centre del motor pas a pas al panell frontal. A continuació, utilitzeu aquest punt per crear les funcions necessàries per muntar el motor. (Vegeu la quarta il·lustració)
Pas 7: diversió amb els làsers: tallar els components
Un cop hagueu completat el disseny dels engranatges i la caixa del canvi, heu de convertir els fitxers en dibuixos vectorials que es poden tallar amb un làser CNC. Primer creeu un dibuix nou i suprimiu els dibuixos del perímetre i de l’autor. Canvieu la mida del dibuix per ser igual a la mida del vostre full acrílic. Enganxeu els engranatges en un sol fitxer. (Vegeu la primera il·lustració)
Creeu dibuixos addicionals utilitzant el mateix mètode i importeu els panells creats per a la caixa del canvi.
Heu d’exportar aquests fitxers en un format compatible amb qualsevol programari de dibuix vectorial que vulgueu utilitzar per tallar el fitxer. He triat utilitzar Adobe Illustrator per a aquest pas i, per tant, he exportat els fitxers com a fitxers AutoCAD DWG. Per alguna raó, la darrera versió d’Adobe Illustrator només funciona correctament amb fitxers desats com AutoCAD 2004 Drawings, així que assegureu-vos de seleccionar aquesta opció quan exporteu el fitxer. (Vegeu la segona il·lustració)
A continuació, obriu el fitxer en il·lustrador. (Vegeu la tercera il·lustració). Després de carregar el fitxer, primer heu de seleccionar tot el dibuix i canviar l’amplada de tots els vectors a .001pt o menor. El controlador làser Epilog requereix que una línia molt fina sigui interpretada com un vector de tall. Si ometeu aquest pas, el tallador làser tractarà els vectors com a imatges rasteritzades i només gravarà les imatges a la superfície de l'acrílic. Finalment, abans d’imprimir les imatges al làser, heu de configurar el làser als paràmetres especificats proporcionats pel fabricant per al material que utilitzeu. Un cop fet això, envieu el dibuix al tallador làser i comenceu el tall.
Pas 8: Muntatge de la caixa de canvis i del tren elèctric
Excitat per la ingenua creença que estava gairebé acabat, em vaig enfonsar en aquest pas. En la meva ment, vaig estar fent fotos de llarga exposició aquesta nit! Ah, però la realitat em va fer aviat a la Terra. Va resultar ser un projecte de diverses hores amb molt de seguiment per completar el primer muntatge. Muntar la caixa del canvi és com muntar un trencaclosques 3D. Amb les femelles i les rentadores fora de la plataforma, l’espai serà inconsistent i, per tant, una guia directa sobre aquesta part del projecte no és pràctica. En lloc d'això, he proporcionat una llista següent que descriu els mètodes que he trobat útils per resoldre amb èxit aquest trencaclosques.
Les parts que usava per muntar la caixa d’engranatges inclouen els següents elements. Tots aquests es llisten a la secció d’eines i materials d’aquest tutorial, així com de les quantitats requerides.
- Cargols de màquina de fil de 1/4 "-20 (2 1/2")
- 1/4 "-20 cargols (2 1/2") per muntar els tres panells
- 1/4 "-20 femelles hexagonals
- Separadors de niló de 1/4 "x 1" per allotjar uniformement els tres panells
- Rentadores de diàmetre interior d'1 / 4 "de diàmetre interior (5/8" de diàmetre exterior)
- Rentadores de 1/4 "d'identificació i 1 1/4" de diàmetre
- Rodaments de bola d'1 / 4 "
- Vareta roscada d'acer de 1/2 "-13 (que proporciona la plataforma rotacional de la càmera)
- 1/2 "-13 femelles hexagonals
- Rentadores de 1/2 "d'identificació i 1 1/2" de diàmetre
- Acoplador reductor de 1/2 "-13 a 1/4" -20 (per connectar la càmera a la vareta d'acer)
- Rodaments de bola d'1 / 2 "
Ser sistemàtic en el procés d'assemblatge
Els enginyers tenim un terrible hàbit de saltar directament a la piscina abans de comprovar l'aigua. Feu un pla per tal de com procedireu d’una col·lecció de peces a l’última màquina muntada. Vaig començar per muntar primer els engranatges i els eixos al mateix panell on es va muntar el sistema de transmissió de potència. A partir d'aquí vaig construir cada capa addicional de la caixa del canvi, prestant especial atenció al dibuix CAD 3D que vaig anar.
Estigueu preparats per seguir els vostres passos
En passar pel procés de muntatge de les peces, trobareu que cal ajustar l’espai entre els engranatges. Això requerirà una mica de desmuntatge dels components per fer els ajustos. No us deixeu atrapat en el desig d’accelerar totes les femelles quan aneu. Això només farà que sigui més difícil tornar enrere i fer aquests ajustaments més tard.
Tingueu totes les vostres parts i eines organitzades i disponibles
Haureu de centrar-vos molt en el procés a mesura que us vagi per fer un seguiment del vostre progrés. Com s’ha mencionat anteriorment, caldrà tornar a seguir els vostres passos per fer modificacions menors a l’hora. Per descomptat, un cop recorregut els vostres passos, haureu de continuar el vostre progrés. Sense una imatge mental clara del procés d'assemblatge que heu seguit, serà molt difícil avançar cap a la seva realització. En disposar de totes les parts i eines organitzades, no es distreu buscant coses a mesura que vagi i continuarà avançant cap a la realització de l'assemblea.
Planifiqueu l'espai i el temps
Necessitareu un munt d’espai per treballar a l’assemblea, així com diverses hores ininterrompudes. Bloquejar almenys unes quantes hores per treballar en el muntatge. Potser necessitareu aturar-vos i reprendre el projecte, però com més separeu el procés de muntatge en etapes discontínues, el procés serà més lent i menys eficient.
Pas 9: Programació del controlador de motor
Un cop finalitzada la construcció física, haurà de programar i connectar la placa Arduino Uno i el controlador del motor pas a pas al motor pas a pas. Com que vaig decidir utilitzar una relació de 3: 1 per al tren elèctric, vaig haver de programar el motor de pas per girar a les 3 RPM per aconseguir una rotació per dia al cargol de la càmera.
També he optat per implementar un botó de calibratge per ajustar els ajustaments a la velocitat de rotació, per si fos necessari. El codi font de l'Arduino és molt senzill:
===================================================================
int val = 0; // Emmagatzema el valor del botó del potenciomètric per al calibratge
int trim_enable = 0; // Emmagatzema el valor d'encès / desactivació del commutador de calibratge
void setup () {
PINMode (8, OUTPUT);
PINMode (9, OUTPUT);
digitalWrite (8, HIGH);
digitalWrite (9, LOW);
}
bucle buid () {
digitalWrite (9, HIGH); // Inicia el pols al controlador de pas que sol·licita un altre pas
retardMicrosegons (6250 + val); // Espera 6,25 mil·lisegons + valor de calibratge si està habilitat
digitalWrite (9, LOW); // Finalitza el pols al controlador de pas
retardMicrosegons (6250 + val); // Espera 6,25 mil·lisegons + valor de calibratge si està habilitat
trim_enable = analogRead (1); // Llegeix l'interruptor de calibratge on / off
if (trim_enable> 10) // Si el commutador de calibratge està habilitat …
{
val = analogRead (0) - 512; // Ajusta el període de retard pel valor generat pel potenciòmetre
}
més
{
val = 0; // No ajusteu el període de retard predeterminat de 12,5 ms
}
}
===================================================================
Pas 10: Cablatge de l’electrònica
A més de la placa Arduino, vaig utilitzar un controlador de motor de pas barat anomenat Easy Driver. La informació sobre aquest dispositiu es pot trobar a http://www.schmalzhaus.com/EasyDriver/index.html. El codi font del pas anterior es va derivar del codi font proporcionat en aquest lloc.
La il·lustració següent és una modificació de la pàgina d'exemples a http://www.schmalzhaus.com/EasyDriver/Examples/EasyDriverExamples.html
He afegit el potenciòmetre i el commutador que s’utilitzen per calibrar la velocitat del motor pas a pas. Aquest disseny llegeix la tensió de l’eixugador del potenciòmetre com a entrada analògica i pren el valor digital (0 - 1023) com a compensació de calibratge. El commutador utilitzat en aquest circuit determina si la velocitat del motor pas a pas es compensarà o no amb aquest valor.
Pas 11: producte final
Després d’acabar l’electrònica, haureu d’acabar la construcció muntant la unitat en una plataforma estable. Vaig utilitzar un cercle de fusta contraxapada de 20 "de diàmetre i la frontissa de piano que figurava a la secció Eines i materials. És important utilitzar una gran plataforma estable per minimitzar el moviment i les vibracions. Si la vostra plataforma és inestable, la muntura serà més probable que es mogui durant una exposició llarga i això es podria mostrar a les vostres fotos.
També voldreu adjuntar almenys un nivell a la base. Això us permetrà crear una alineació més precisa amb el pla de rotació del planeta. Si utilitzeu un làser verd (com es mostra a les imatges), no necessitareu els nivells. El làser us permet apuntar la muntura cap a l’estrella polar sense necessitat de mesurar els angles.
Per acoblar el capçal del trípode Pan and Tilt, cal tallar aproximadament 1/2 "d’un dels cargols de la màquina de 1/4". Ara preneu el botó que acabeu de fer i enganxeu-lo a la femella d'acoblament reduïda de 1/2 "-13 a 1/4" -20, que també apareix a la secció de materials. Això hauria de ser cargolat a la vareta roscada d’1 / 2 "i finalment el capçal del trípode connectat a aquest adaptador.
El pas final (opcional) és adjuntar un làser verd a una rosca d’acoblament d’1 / 4 "mitjançant tirants i enganxar-la a un dels cargols exposats per actuar com a guia òptica.
Les il·lustracions següents mostren el producte final en funció dels materials que he utilitzat per a aquest projecte.
Pas 12: Els resultats: Astrofotografia d’exposició llarga
Acabo de finalitzar la meva primera prova de l'equip i estic molt content amb els resultats inicials. Vaig fer una alineació molt dura del sistema amb Polaris utilitzant el làser verd. Llavors vaig utilitzar el programari de visualització en directe remot amb la meva Canon per alinear i gravar dues imatges de prova. La primera il·lustració mostra una captura del cel occidental de 60 segons des del meu pati amb la muntanya equatorial compromesa. La segona fotografia es va configurar amb idèntiques configuracions, però amb la muntura equatorial apagada. Les dues imatges es van prendre amb una macro L de 100 MM a 400 ISO. La diferència entre els dos trets és molt pronunciada!
Estic molt emocionat de fer algunes fotos més amb els meus extensors de lent de 400mm + 1.4x + 2.0x! És una sensació increïble veure aquest projecte treballant tot el temps que he posat en ell i estic emocionat de seguir endavant.
Pas 13: Què segueix …?
He après molt durant aquest procés i tinc uns quants pensaments sobre què fer després …
Alineació automàtica mitjançant mòdul GPS per a l'Arduino
Controls de motor pas a pas d'angle i acimut per a muntatge de càmeres
Cercador d'objectes celestes
Seguidor de lluna
Materials millorats
Disseny més petit
Molts més….
Estigueu atents a la nova i millorada versió dos.
http://www.123dapp.com/stl-3D-Model/Equatorial-Mount-for-Astrophotography/667245
Primer premi a la
Fes-ho un desafiament real
Finalista a la
Desafiament de robots
