Прошлой осенью (2011) я в полной мере воспользовался фантастической диверсионной политикой, в которой я работаю. Мы с женой провели большую часть этого времени, катаясь по красивому американскому юго-западу и множеству удивительных парков на плато Колорадо и вокруг него. Проезжая сотни миль в пустынных ландшафтах, ясность ночного неба вдохновила меня на создание камеры, которая могла бы вращаться, чтобы приспособиться к полярному вращению планеты. Любое длительное фотографическое экспонирование звезд со статичным штативом приведет к появлению звездных следов - что круто - но мешает астрофотографу снимать слабые детали в ночном небе. Я рассчитал передаточные числа в моей голове (в течение многих часов изоляции), пока моя жена спала на пассажирском сиденье рядом со мной и начала придумывать другие механические требования для сборки этого инструмента. После возвращения из моего творческого отпуска и после того, как наступил новый год, я начал проводить время в TechShop в Сан-Хосе, где я обнаружил все удивительные инструменты, которые могут вывести мысли из моей головы в реальный мир. Имея доступ, который они предоставляют ко многим другим труднодоступным инструментам, я решил сделать это в TechShop (www.techShop.ws.) Лазерный резак и акриловый лист были средством и методом, который я выбрал, чтобы воплотить эту мечту в реальность. Я также использовал Autodesk Inventor, который я научился использовать в TechShop, для создания механической системы и чертежей, которые заставляли лазер резать акрил с завораживающей точностью. Это инструктивное описание описывает процесс и шаги, которые я определил для создания этого экваториального монтирования.
Расходные материалы:
Шаг 1: Вдохновение
Возьмите некоторое время с работы и отправляйтесь куда-нибудь. Проведите много-много часов за рулем в отдаленных и незнакомых местах. Иди и исследуй мир. Без отвлечения от работы удивительно, как ваш ум может бродить и придумывать идеи. Я включил одну из моих любимых фотографий из нашей поездки по Долине Монументов, используя снимок с большой выдержкой и задние фонари автомобиля, создающие следы. Вторая фотография - пример того, как вращение Земли создает следы при съемке даже коротких (30 секунд) "длинных выдержек" снимков звезд. Это было сделано в F1.8 на 50 мм на Canon T1i. Вам не нужно смотреть слишком внимательно, чтобы увидеть звездные следы. Вы также можете мельком увидеть Млечный Путь по всему изображению.
Шаг 2: Инструменты и материалы
Для завершения этого проекта вам понадобятся следующие инструменты и материалы. Все эти инструменты доступны в TechShop, где я решил сделать большую часть работы.
Инструменты:
Arduino SDK
Autodesk Inventor (или эквивалентный инструмент CAD)
Microsoft Excel (или эквивалентное программное обеспечение для работы с электронными таблицами)
Epilog 60W Лазерный Резак
Цифровой штангенциркуль
Hack Saw
Отвертка
Разводной ключ
материалы:
3/16 "или 1/4" Акриловый лист (любой цвет, но я использовал прозрачный)
Шарикоподшипники с внутренним диаметром 1/4 "(12)
1/4 "x 3" Машинные винты
Шарикоподшипники с внутренним диаметром 1/2 "(2)
Стальной стержень с резьбой 1/2 "
1/4 "x 3 1/2" болты (6)
1/4 "х 1" нейлоновые проставки (12)
1/4 "Внутренний диаметр, шайбы (~ 20)
1/4 "Внутренний диаметр, 1 1/4" Внешний диаметр шайбы (~ 15)
1/4 "Орехи (~ 30)
Шарнир для фортепиано из нержавеющей стали
Квадрат с регулируемым углом наклона
Уровни
Поворотная головка штатива
Управление и электроника:
12V шаговый двигатель
Контроллер шагового двигателя
Arduino UNO Board
12 В постоянного тока
Зеленый лазер класса IIIA мощностью 5 мВт (опция)
Шаг 3: Разработка Gears
Чтобы спроектировать передачи, вы должны рассчитать передаточные числа, которые вам понадобятся для преобразования вашего двигателя в 1RPD (один оборот в день). Ваша камера будет установлена на шпиндель, который вращается с этой скоростью. Именно здесь я провел много времени за рулем и продумывая дизайн. Мое окончательное решение состояло в том, чтобы использовать двигатель 1RPM, который требует преобразования 1: 1440 (1 об / мин * 60 м / ч * 24 ч / д => 1440). Это число работает хорошо, потому что вы можете использовать его целые числовые коэффициенты для создания набора связанных передач. Я использовал факторы 3, 4, 4, 5, 6, поэтому передаточные числа будут иметь передаточные числа 3: 1, 4: 1, 4: 1, 5: 1 и 6: 1. Есть и другие факторы, которые вы можете использовать, любые рациональные числа, которые являются коэффициентами 1440, будут работать. Если вы выбираете другой двигатель скорости, вы должны выполнить аналогичное упражнение, чтобы определить подходящий набор передач.
Теперь, когда параметры зубчатых колес определены, нам необходимо использовать AudoDesk Inventor (2012) или эквивалентное CAD-решение для их проектирования. Inventor отлично подходит для этого проекта, поскольку в нем есть встроенный генератор цилиндрических зубчатых колес, который принимает ваши параметры, рассчитывает и отображает окончательную конструкцию зубчатой передачи. Этот инструмент, однако, не соберет все шестерни в коробку передач - это мы сохраним для следующего шага.
Вы можете создать шестерни, открыв новую сборку в Inventor. На вкладке «Дизайн» в меню вы увидите группу механических компонентов, сгруппированных как «Силовая передача». Одним из пунктов является разработка цилиндрических зубчатых колес. Если щелкнуть этот элемент, откроется диалоговое окно «Генератор компонентов зубчатых колес». (См. Первую иллюстрацию.)
Поскольку мы снижаем скорость вращения зубчатых колес и используем профиль деталей только для направления лазерного резака, нам не нужно слишком беспокоиться о мелких деталях в этой коробке. Я сохранил все параметры по умолчанию и изменил значение только в текстовом поле «Требуемое передаточное число». Для первого набора передач вы должны установить это значение на 3 и нажать «Рассчитать». (См. Вторую иллюстрацию.) Это сгенерирует значения для группы «Gear 1» и «Gear 2» в нижней половине диалогового окна. Убедитесь, что шестерня 1 и шестерня 2 настроены на «Компонент», и когда вы нажмете «ОК», вам будет предложено сохранить файл. После сохранения механизмов они волшебным образом появятся в рабочей зоне. (См. Третью иллюстрацию.) Затем вы можете разместить компонент где угодно. Повторите этот процесс для всех выбранных вами цилиндрических зубчатых колес (в данном случае 3: 1, 4: 1, 4: 1, 5: 1, 6: 1) и поместите их в рабочее пространство.
Последний шаг - отредактировать экструзии зубчатых колес, чтобы они равнялись толщине вашего акрилового материала. В моем случае это было 3/16 ".
Шаг 4: Соединение Gears
Этот процесс требует нескольких шагов. Первый заключается в размещении отверстий одинакового размера в центре каждой шестерни. За этим следует ограничение оси вращения каждой шестерни на оси вращения любой другой шестерни, которая будет на том же валу. Наконец, вы должны ограничить грани связанных наборов передач смещением.
Чтобы разместить отверстие в центре каждой шестерни, откройте один из компонентов шестерни и создайте новый эскиз на лицевой стороне шестерни. Выберите «Точку» из группы «Draw» и поместите точку в центр шестерни. Завершите эскиз и выберите инструмент «Отверстие» в группе «Изменить». Выберите точку, которую вы создали, и определите диаметр круга, который будет равен диаметру стального стержня, который вы будете использовать (в моем случае 1/4 ".) Тип отверстия должен быть просверленным простым отверстием. Повторите этот процесс для всех оставшихся передач в вашем дизайне. (см. первую иллюстрацию)
Вы винтики теперь закончены. Теперь вы можете начать связывать все наборы передач, создавая и ограничивая их ось вращения. Сначала выберите инструмент «Ось» в группе «Рабочие элементы». Выберите отверстие, которое вы создали, чтобы сделать ось. Повторите это для другого механизма, который вы хотите связать с этим. Создав соответствующий набор осей, вы можете щелкнуть элемент «Ограничить» в группе «Положение». Ограничьте две созданные вами оси, щелкнув по обеим из них, и примените ограничение. Продолжайте делать это для оставшихся отверстий. Комплекты передач могут быть связаны в любом порядке. Я решил начать с самой большой передачи и постепенно связывал следующую самую маленькую передачу, пока все не были связаны. Вы должны ограничить ось вращения большого зубчатого колеса осью вращения малого зубчатого колеса из набора, который вы связываете с ним. (См. Вторую иллюстрацию.)
Как только ось всех зубчатых колес связана, вы должны ограничить грань каждой связанной пары смещением. Это расположит их так, чтобы они были смещены относительно друг друга и могли свободно вращаться. (См. Третью иллюстрацию.)
Теперь у вас есть набор цилиндрических зубчатых колес, которые все правильно соединены, и мы можем приступить к созданию коробки передач, в которой они находятся. (См. Четвертую иллюстрацию.)
Шаг 5: Проектирование коробки передач
На этом этапе вам необходимо создать три отдельные панели, в которых будут размещены шарикоподшипники, на которых будет вращаться каждый вал. Перед началом вам необходимо расположить шестерни в их окончательной конфигурации. Когда вы устанавливаете шестерни, вы должны быть уверены, что они не будут препятствовать какому-либо другому валу, насколько это возможно. Мне пришлось добавить второй набор передач с соотношением 1: 1, чтобы алюминиевый вал проходил через всю коробку передач. (См. Первую иллюстрацию.)
Как только ваши шестерни будут в их окончательном положении, создайте новую рабочую плоскость, смещенную от поверхности одной из шестерен. Это будет поверхность, на которой вы создадите форму корпуса коробки передач. Вы можете просто нарисовать прямоугольник вокруг всех передач или для более эффективного и элегантного дизайна вы можете создать контур вокруг передач. Это процесс, который я использовал.
Создайте новый эскиз на созданной вами поверхности и выберите «Геометрия проекта». Нажмите на каждое из отверстий зубчатых колес, чтобы спроецировать эту форму на вашу рабочую поверхность. (См. Вторую иллюстрацию.)
После того, как вы спроецировали отверстия в зубчатых колесах на рабочую плоскость, вы можете создать круги с центром в середине каждого круга. (См. Третью иллюстрацию.)
Теперь соедините круги с тангенциальными линиями. (См. Четвертую иллюстрацию.)
Теперь используйте инструмент «Обрезать» в группе «Изменить» и выберите все отрезки, которые существуют внутри контура фигуры, которую вы создали. (Смотрите пятую иллюстрацию.)
Последний шаг в построении контура панели - создать прямой сегмент внизу, к которому мы прикрепим шарнир пианино, чтобы повернуть плоскость вращения, чтобы выровнять ее с планетарным полярным вращением. Для этого вращайте свой чертеж, пока форма не выровняется по вашему вкусу. После этого создайте прямоугольник, который выравнивается с самыми дальними точками по периметру панели. (Смотрите шестую иллюстрацию.)
Последний шаг в создании контура панели - обрезать оставшиеся внутренние линии. (Смотрите седьмую иллюстрацию.)
После того, как контур определен, вам необходимо изменить проекции отверстий в соответствии с внешним диаметром используемых вами шарикоподшипников. В моем случае я использовал шарикоподшипники с наружными диаметрами 1,125 "и 0,75". (См. Восьмую иллюстрацию.)
Теперь вы должны вытянуть эту форму, чтобы создать первую панель для вашей коробки передач. Выдавите это на ширину акрилового листа, который вы используете, в моем случае 3/16 ".
После создания первой панели вы должны продублировать этот дизайн для передней и задней панелей. На последнем рисунке этой части вы можете видеть, как панели совмещаются с шестернями, а также с осями, соединяющими шестерни.
Шаг 6: Проектирование силовой передачи
Этот последний шаг физического проекта включает создание зубчатого шкива и подвески для шагового двигателя. Autodesk Inventor предоставляет очень хороший мастер для этой цели, как и шестерни.
На вкладке «Конструкция» и в группе «Передача мощности» выберите пункт «Синхронные ремни». (См. Первую иллюстрацию.)
Вам нужно будет построить зубчатый шкив поверх твердого объекта. Я использовал соотношение 1: 3 для передачи мощности от шагового двигателя на коробку передач. Вам нужно будет изменить количество зубьев для каждой передачи в соответствии с выбранными вами значениями. (См. Вторую иллюстрацию.)
Теперь, когда вы спроектировали силовую передачу, вы должны поместить ее в коробку передач. Соедините центральную точку большего зубчатого шкива с осью последней передачи в коробке передач. Поворачивайте трансмиссию, пока она не окажется в хорошем положении снаружи коробки передач. (См. Третью иллюстрацию.)
Завершающим этапом этого процесса является создание элементов крепления для шагового двигателя, чтобы он соответствовал силовой передаче. Используйте центр меньшего первичного зубчатого шкива, чтобы поместить центр шагового двигателя на переднюю панель. Затем используйте эту точку для создания функций, необходимых для монтажа двигателя. (Смотрите четвертую иллюстрацию.)
Шаг 7: Веселье с лазерами: вырезание компонентов
После того, как вы завершили проектирование зубчатых колес и коробки передач, вы должны преобразовать файлы в векторные рисунки, которые можно вырезать с помощью лазера с ЧПУ. Сначала создайте новый чертеж и удалите периметр и авторские рисунки. Измените размер рисунка, чтобы он был равен размеру вашего акрилового листа. Вставьте ваши шестерни в один файл. (См. Первую иллюстрацию.)
Создайте дополнительные чертежи, используя тот же метод, и импортируйте панели, которые вы создали для коробки передач.
Вы должны экспортировать эти файлы в формат, совместимый с любым программным обеспечением для векторного рисования, которое вы планируете использовать для вырезания файла. Я решил использовать Adobe Illustrator для этого шага и поэтому экспортировал файлы как файлы AutoCAD DWG. По какой-то причине последняя версия Adobe Illustrator правильно работает только с файлами, сохраненными как чертежи AutoCAD 2004, поэтому убедитесь, что вы выбрали эту опцию при экспорте файла. (См. Вторую иллюстрацию.)
Далее откройте файл в иллюстраторе. (См. Третий рисунок.) После загрузки файла вы должны сначала выбрать весь чертеж и изменить ширину всех векторов на .001pt или меньше. Лазерный драйвер Epilog требует очень тонкой линии, чтобы быть интерпретированным как вектор резки. Если вы пропустите этот шаг, лазерный резак будет обрабатывать векторы как растеризованные изображения и только гравировать изображения на поверхности акрила. Наконец, прежде чем печатать изображения на лазер, вы должны настроить лазер на указанные параметры, предоставленные производителем для материала, который вы используете. После этого отправьте чертеж на лазерный резак и начните резку!
Шаг 8: Сборка коробки передач и силовой передачи
В восторге от наивного убеждения, что я почти закончил, я погрузился в этот шаг. В моей голове я собирался снимать с большой выдержкой в ту ночь! Ах, но реальность вскоре отбросила меня обратно на Землю. Оказалось, что это был многочасовой проект с большим количеством задников для завершения первой сборки. Сборка коробки передач похожа на сборку трехмерной головоломки. С готовыми гайками и шайбами расстояние будет непоследовательным, и поэтому прямое руководство по этой части проекта нецелесообразно. Вместо этого я предоставил список ниже, описывающий методы, которые я нашел полезными для успешного решения этой головоломки.
Детали, которые я использовал для сборки коробки передач, включают следующие элементы. Все они перечислены в разделе инструментов и материалов данного руководства, а также в необходимых количествах.
- 1/4 "-20 винтов с резьбой (2 1/2")
- 1/4 "-20 болтов каретки (2 1/2") для сборки трех панелей
- 1/4 "-20 шестигранные гайки
- Нейлоновые проставки 1/4 "x 1" для равномерного размещения трех панелей
- шайбы с внутренним диаметром 1/4 дюйма, с наружным диаметром 5/8 дюйма
- 1/4 "ID, 1 1/4" OD шайбы
- шариковые подшипники с внутренним диаметром 1/4 "
- стальной стержень с резьбой 1/2 "-13 (с поворотной платформой для камеры)
- 1/2 "-13 шестигранные гайки
- 1/2 "ID, 1 1/2" OD шайбы
- переходная муфта от 1/2 "-13 до 1/4" -20 (для крепления крепления камеры к стальному стержню)
- шарикоподшипники с внутренним диаметром 1/2 "
Будьте систематичны в процессе сборки
У наших инженеров есть ужасная привычка прыгать прямо в бассейн перед проверкой воды. Составьте план того, как вы перейдете от набора деталей к окончательно собранной машине. Сначала я собрал шестерни и мосты на той же панели, на которой установлена система передачи энергии. Оттуда я выстроил каждый дополнительный слой коробки передач, уделяя особое внимание 3D CAD чертежу.
Будьте готовы повторить ваши шаги
Проходя процесс сборки деталей, вы обнаружите, что расстояние между шестернями нужно будет отрегулировать. Это потребует небольшой разборки компонентов для внесения корректировок. Не увлекайтесь желанием затянуть каждую гайку по ходу дела. Это только затруднит возврат и внесение этих изменений позже.
Все ваши детали и инструменты должны быть организованы и доступны
Вам нужно будет сосредоточиться на процессе, чтобы следить за своим прогрессом. Как упомянуто выше, необходимо будет пересмотреть ваши шаги, чтобы внести незначительные изменения, как вы идете. Конечно, как только вы восстановите свои шаги, вам нужно будет продолжить свой прогресс. Без четкого мысленного представления о процессе сборки, которому вы следовали, будет очень трудно продвинуться к завершению. Организовав все детали и инструменты, вы не будете отвлекаться на поиск вещей по ходу дела и будете последовательно продвигаться к завершению сборки.
План пространства и времени
Вам понадобится много места для работы над сборкой, а также количество непрерывных часов. Заблокируйте хотя бы несколько часов работы над сборкой. Возможно, вам все равно придется остановить и возобновить проект, но чем больше вы будете разделять процесс сборки на отдельные этапы, тем медленнее и менее эффективным будет процесс.
Шаг 9: Программирование контроллера мотора
После завершения физической конструкции вам необходимо запрограммировать и подключить плату Arduino Uno и контроллер шагового двигателя к шаговому двигателю. Поскольку я решил использовать соотношение 3: 1 для силовой передачи, мне пришлось запрограммировать шаговый двигатель на 3 об / мин для достижения одного оборота в день на шпинделе камеры.
Я также выбрал ручку калибровки для точной настройки скорости вращения, если это необходимо. Исходный код для Arduino очень прост:
===================================================================
int val = 0; // Сохраняет значение ручки потенциометра для калибровки
int trim_enable = 0; // Сохраняет значение вкл / выкл переключателя калибровки
void setup () {
pinMode (8, ВЫХОД);
pinMode (9, ВЫХОД);
digitalWrite (8, HIGH);
digitalWrite (9, LOW);
}
void loop () {
digitalWrite (9, HIGH); // Запускает импульс на шаговый контроллер, запрашивая еще один шаг
delayMicroseconds (6250 + val); // Ожидание 6,25 миллисекунд + калибровочное значение, если включено
digitalWrite (9, LOW); // Завершает импульс на шаговый контроллер
delayMicroseconds (6250 + val); // Ожидание 6,25 миллисекунд + калибровочное значение, если включено
trim_enable = analogRead (1); // Читает калибровку вкл / выкл
if (trim_enable> 10) // Если переключатель калибровки включен …
{
val = analogRead (0) - 512; // Регулируем период задержки по значению, генерируемому потенциометром
}
еще
{
val = 0; // Не настраивайте период задержки по умолчанию 12,5 мс
}
}
===================================================================
Шаг 10: Подключение электроники
В дополнение к плате Arduino я использовал недорогой контроллер шагового двигателя, называемый Easy Driver. Информацию об этом устройстве можно найти по адресу http://www.schmalzhaus.com/EasyDriver/index.html. Исходный код предыдущего шага был получен из исходного кода, представленного на этом сайте.
Иллюстрация ниже является модификацией со страницы примеров по адресу http://www.schmalzhaus.com/EasyDriver/Examples/EasyDriverExamples.html.
Я добавил потенциометр и переключатель, которые используются для калибровки скорости шагового двигателя. Эта конструкция считывает напряжение с стеклоочистителя потенциометра как аналоговый вход и принимает цифровое значение (0 - 1023) в качестве смещения калибровки. Переключатель, используемый в этой цепи, определяет, будет ли скорость шагового двигателя смещена на это значение.
Шаг 11: Конечный продукт
После завершения электроники вам нужно будет завершить сборку, установив устройство на устойчивую платформу. Я использовал фанерный круг диаметром 20 дюймов и шарнир пианино, перечисленные в разделе «Инструменты и материалы». Важно использовать большую устойчивую платформу, чтобы минимизировать движение и вибрацию. Если ваша платформа нестабильна, ваша гора с большей вероятностью будет двигаться во время долгая выдержка, и это может показать на ваших фотографиях.
Вы также захотите прикрепить хотя бы один уровень к базе. Это позволит вам создать более точное выравнивание относительно плоскости вращения планеты. Если вы используете зеленый лазер (как показано на рисунках), вам не понадобятся уровни. Лазер позволяет вам направить крепление к полярной звезде без необходимости измерения углов.
Чтобы прикрепить головку штатива Pan и Tilt, сначала необходимо отрезать примерно 1/2 "одного из 1/4" крепежных винтов. Теперь возьмите только что сделанную шпильку и вверните ее в переходную гайку от 1/2 "-13 до 1/4" -20, также указанную в разделе материалов. Затем его следует прикрутить к резьбовому стержню 1/2 ", а головка штатива наконец прикрепить к этому адаптеру.
Последний (необязательный) шаг - прикрепить зеленый лазер к 1/4 "стяжной гайке с помощью стяжек и прикрутить его к одному из открытых крепежных винтов, чтобы он действовал в качестве оптической направляющей.
На рисунках ниже показан конечный продукт на основе материалов, которые я использовал для этого проекта.
Шаг 12: Результаты: Астрофотография с большой выдержкой
Я только что закончил свой первый тест оборудования, и я очень доволен начальными результатами. Я выполнил очень грубую настройку системы на Polaris, используя зеленый лазер. Затем я использовал программное обеспечение удаленного просмотра в реальном времени с моим Canon, чтобы выстроить в линию и снять два тестовых изображения. На первом рисунке показан 60-секундный снимок западного неба из моего внутреннего двора с включенной экваториальной горкой. Второй снимок был настроен с идентичными настройками, но с отключенным экваториальным креплением. Обе фотографии были сделаны с помощью макроса L 100MM при 400 ISO. Разница между двумя выстрелами очень заметна!
Я очень рад сделать еще несколько снимков с моим объективом 400 мм + 1,4x + 2,0x! Это удивительное чувство видеть этот проект работающим после того, как я вложил в него все время, и я рад двигаться вперед отсюда.
Шаг 13: что дальше …?
Я многому научился во время этого процесса, и у меня есть несколько мыслей, что делать дальше …
Автоматическое выравнивание с использованием модуля GPS для Arduino
Управление шаговым двигателем угла и азимута для крепления камеры
Поиск небесных объектов
Лунный трекер
Улучшенные материалы
Меньший дизайн
Многое другое….
Оставайтесь с нами для новой и улучшенной версии два.
http://www.123dapp.com/stl-3D-Model/Equatorial-Mount-for-Astrophotography/667245
Первая премия в
Сделай это настоящим испытанием
Финалист в
Robot Challenge
