I efteråret (2011) udnyttede jeg den fantastiske sabatiske politik, hvor jeg er ansat. Min kone og jeg tilbragte en stor del af denne tid kørsel rundt den smukke amerikanske sydvest og de mange fantastiske parker på og omkring Colorado Plateau. Mens du kørte hundreder af miles i øde landskaber inspirerede nydhimmelens klarhed mig til at drømme op om et kamera mount, der ville rotere for at imødekomme planetens polarrotation. Eventuelle lange fotografiske eksponeringer af stjernerne med et statisk stativ vil resultere i stjernestier - hvilket er køligt - men udelukker en astrofotograf at opfange svage detaljer i nattehimlen. Jeg har beregnet gearforholdene i mit hoved (over mange timers isolation), mens min kone sov i passagersædet ved siden af mig og begyndte at drømme de andre mekaniske krav til at bygge dette værktøj. Efter at have vendt tilbage fra min sabbatsdag og efter det nye år blev jeg begyndt at bruge tid på San Jose TechShop, hvor jeg opdagede alle de fantastiske værktøjer, der kan bringe musings som min ud af dit hoved og ind i den virkelige verden. Med den adgang, de giver til så mange ellers vanskeligt tilgængelige værktøjer, besluttede jeg at lave det på TechShop (www.techShop.ws.) Laserskæreren og akrylpladen var mediet og metoden jeg valgte at gøre denne drøm rigtig. Jeg brugte også Autodesk Inventor, som jeg lærte at bruge på TechShop, for at skabe det mekaniske system og tegningerne, der ville drive laseren til at skære akrylet med fascinerende præcision og nøjagtighed. Denne instruerbar beskriver processen og trinene jeg definerede til at oprette denne ækvatorial mount.
forsyninger:
Trin 1: Få inspiration
Tag lidt tid på arbejde og gå et sted. Tilbring mange, mange timers kørsel i fjerntliggende og ukendte steder. Gå og udforske verden. Uden distraktioner i arbejdet er det fantastisk, hvordan dit sind kan vandre og drømme ideer. Jeg inkluderede en af mine yndlingsbilleder fra vores tur i Monument Valley ved hjælp af et langt eksponeringsbillede med bilens baglygter, der skabte stier. Det andet billede er et eksempel på, hvordan jordens rotation skaber stier, når der tages lige korte (30 sekunders) "lange eksponering" billeder af stjernerne. Dette blev taget ved F1.8 ved 50mm på en Canon T1i. Du behøver ikke at se for tæt på at se stjernestierne. Du kan også få et svagt indblik i Milky Way over billedet.
Trin 2: Værktøj og materialer
Du skal bruge følgende værktøjer og materialer til at fuldføre dette projekt. Alle disse værktøjer er tilgængelige på TechShop, hvor jeg valgte at gøre meget af arbejdet.
Værktøjer:
Arduino SDK
Autodesk Inventor (eller tilsvarende CAD-værktøj)
Microsoft Excel (eller tilsvarende regnearksoftware)
Epilog 60W Laser Cutter
Digital kaliper
Hack Saw
Skruetrækker
Justerbar nøgle
Materialer:
3/16 "eller 1/4" akrylark (enhver farve, men jeg brugte klar)
1/4 "kuglelejer med indvendig diameter (12)
1/4 "x 3" maskinskruer
1/2 "Indre Diameter Kuglelejer (2)
1/2 "gevindstangstang
1/4 "x 3 1/2" kuglebolte (6)
1/4 "x 1" Nylon Spacers (12)
1/4 "indvendig diameter, skiver (~ 20)
1/4 "indvendig diameter, 1 1/4" yder diameter skiver (~ 15)
1/4 "nødder (~ 30)
Rustfrit stål klaver hængsel
Firkant med justerbar vinkelarm
Niveauer
Pan og Tilt Tripod Hoved
Kontrol og Elektronik:
12V Stepper Motor
Stepper Motor Controller
Arduino UNO Board
12V DC strømforsyning
5mW klasse IIIA grøn laser (valgfri)
Trin 3: Design af gearene
For at designe gearene skal du beregne gearkvotienterne, som du skal konvertere din motor til 1RPD (en omdrejning pr. Dag). Dit kamera vil blive monteret på en spindel, der roterer med denne hastighed. Det var her, hvor jeg tilbragte en god del af min tid på at køre og tænke igennem designet. Min endelige beslutning var at bruge en 1RPM motor, der kræver en konvertering på 1: 1440 (1 omdrejningstal * 60m / h * 24h / d => 1440.) Dette tal fungerer fint, fordi du kan bruge hele dens faktorer til at oprette et sæt af koblede gear. De faktorer, jeg brugte, er 3, 4, 4, 5, 6, så gearene ville have gearforhold på 3: 1, 4: 1, 4: 1, 5: 1 og 6: 1. Der er også andre faktorer, du kan bruge, alle rationelle tal, der er faktorer på 1440, vil fungere. Hvis du vælger en anden hastighedsmotor, skal du følge en lignende øvelse for at bestemme et passende sæt gear.
Nu hvor gearparametrene er blevet bestemt, skal vi bruge AudoDesk Inventor (2012) eller en tilsvarende CAD-løsning til at designe dem. Opfinder var fantastisk til dette projekt, da det har en indbygget spore gear generator, der tager i dine paramatere og beregner og gør det sidste gear design. Dette værktøj vil imidlertid ikke samle alle gearene i en gearkasse - det gemmer vi til næste trin.
Du kan oprette gear ved at åbne en ny enhed i Opfinder. Under fanen Design i menuen vil du se en gruppe af mekaniske komponenter grupperet som "Power Transmission". Et af emnerne er til udformning af sporkuger. Ved at klikke på dette element vil du få vist dialogboksen "Spur Gears Component Generator". (Se første illustration.)
Da vi går ned ad drejningen gennem gearene og kun bruger profilen af delene til at styre laserskæreren, behøver vi ikke bekymre os for meget om de fine detaljer i denne boks. Jeg lagrede alle parametrene til deres standard og ændrede kun værdien i tekstboksen "Ønsket gearforhold". For det første sæt gear skal du sætte denne værdi til 3 og klikke på "Beregn". (Se anden illustration.) Dette vil generere værdier for gruppen "Gear 1" og "Gear 2" i den nederste halvdel af dialogboksen. Sørg for, at både gear 1 og gear 2 er konfigureret til "Component", og når du klikker på "OK", bliver du bedt om at gemme filen. Efter at have gemt gearene, vil de vises magisk i arbejdsområdet. (Se tredje illustration.) Du kan så placere komponenten hvor som helst du vil. Gentag denne proces for alle de indstillede gear, du har valgt (i dette tilfælde 3: 1, 4: 1, 4: 1, 5: 1, 6: 1) og placer dem i arbejdsområdet.
Det sidste trin er at redigere gearets ekstruderinger for at svare til tykkelsen af dit akrylmateriale. I mit tilfælde var det 3/16 ".
Trin 4: Kobling af gearene
Denne proces kræver nogle få trin. Den første er at placere huller af samme størrelse i midten af hvert gear. Dette følges ved at begrænse rotationsaksen for hvert gear til rotationsaksen af ethvert andet gear, som vil være på samme aksel. Endelig bør du begrænse ansigterne på de koblede gear sæt med en forskydning.
For at placere hul i midten af hvert gear skal du åbne et af gearkomponenterne og oprette en ny skitse på gearets overflade. Vælg "Point" fra "Draw" gruppen og sæt et punkt i midten af gearet. Afslut skissen og vælg værktøjet "Hul" fra gruppen "Modify". Vælg det punkt, du har oprettet, og definer diameteren af cirklen, der svarer til diameteren af stålstangen du vil bruge (i mit tilfælde 1/4 ".) Hullet skal være et boret simpelt hul. Gentag denne proces for alle de resterende gear i dit design. (Se første illustration)
Dine tandhjul er nu færdige. Du kan nu begynde at forbinde alle gearsætene sammen ved at skabe og begrænse deres rotationsakse. Vælg først "Axis" -værktøjet i gruppen "Arbejdsfunktioner". Vælg det hul, du oprettede for at lave aksen. Gentag dette for det andet gear, du ønsker at linke til denne. Når du har lavet et matchende sæt akse, kan du klikke på "Begræns" i gruppen "Position". Begræns de to akse, du oprettede ved at klikke på dem begge og anvende begrænsningen. Fortsæt med at gøre dette til de resterende huller. Gearsætene kan være forbundet i enhver rækkefølge. Jeg valgte at starte med det største gear og inkrementelt forbund det næste mindste gear indtil alle var forbundet. Du skal begrænse rotationsaksen for et stort gear til rotationsaksen for det lille gear i det sæt, du forbinder med det. (Se anden illustration.)
Når aksen på alle gear er forbundet, skal du begrænse ansigtet af hvert koblet par med en forskydning. Dette vil arrangere dem, så de er modregnet fra hinanden og fri til at rotere. (Se tredje illustration.)
Du har nu et sæt spidsgear, som alle er forbundet korrekt, og vi kan begynde at konstruere en gearkasse til at indeholde dem. (Se fjerde illustration.)
Trin 5: Design af gearkassen
I dette trin er du nødt til at oprette tre separate paneler, der vil rumme kuglelejerne, som hver aksel vil rotere. Før du begynder skal du sætte gearene i deres endelige konfiguration. Når du styrer gearene, skal du være sikker på at forhindre dem i at forhindre enhver anden aksel så meget som muligt. Jeg var nødt til at tilføje et andet sæt gear med et 1: 1 forhold for at lade aluminiumakslen passere gennem hele gearkassen. (Se første illustration.)
Når dine gear er i deres endelige position, opret et nyt arbejdsplan forskudt fra overfladen af et af tandhjulene. Dette vil være overfladen, hvorpå du vil skabe formen på gearkassehuset. Du kan simpelthen tegne et rektangel rundt om alle tandhjulene eller til et mere effektivt og elegant design, du kan skabe en kontur omkring gearene. Dette er den proces, jeg brugte.
Lav en ny skitse på overfladen, du har oprettet, og vælg "Projekt Geometri". Klik på hvert af hullerne på gearene for at projicere denne form på din arbejdsflade. (Se anden illustration.)
Når du har projiceret hullerne i gearene på dit arbejdsplan, kan du oprette cirkler centreret midt på hver cirkel. (Se tredje illustration.)
Deltag nu i cirklerne med tangentielle linjer. (Se fjerde illustration.)
Brug nu værktøjet "Trim" i gruppen "Modify" og vælg alle linjestykker, der findes inden for konturen af den form, du har oprettet. (Se femte illustration.)
Det sidste skridt i opbygningen af panelets kontur er at skabe et lige segment i bunden, som vi vil vedhæfte klaverhængslet til for at dreje rotationsplanet for at tilpasse sig den planetariske polarrotation. For at gøre dette drej din tegning, indtil formen er justeret efter dine præferencer. Derefter skabes et rektangel, der justerer sig med de fjerneste punkter langs panelets omkreds. (Se sjette illustration.)
Det sidste skridt i opbygningen af panelets kontur er at trimme de resterende indvendige linjer. (Se syvende illustration.)
Når konturen er defineret, skal du ændre de projicerede hulmønstre for at matche den ydre diameter af de kuglelejer, du bruger. I mit tilfælde brugte jeg kuglelejer med ydre diametre på 1,125 "og .75". (Se ottende illustration.)
Du bør nu ekstrudere denne form for at skabe det første panel til din gearkasse. Ekstruder dette til bredden af det akrylark, du bruger, i mit tilfælde 3/16 ".
Når du først har oprettet det første panel, skal du duplikere dette design til front og bagpaneler. I den endelige illustration på denne del kan du se, hvordan panelerne passer med gearene samt akslerne, der forbinder gearene.
Trin 6: Design af transmissionen
Dette sidste trin i det fysiske design indebærer at skabe en timing trisse og en sele til stepper motor. Autodesk Inventor er en meget flot guiden til dette formål, ligesom gearene.
Under fanen "Design" og i "Power Transmission" -gruppen skal du vælge "Synchronous Belts" -elementet. (Se første illustration.)
Du skal opbygge timingskiven på toppen af et solidt objekt. Jeg brugte et 1: 3-forhold for at sende strømmen fra steppermotoren til gearkassen. Du skal ændre antallet af tænder for hvert gear i henhold til de værdier du har valgt. (Se anden illustration.)
Nu, hvor du har designet kraftoverførslen, skal du placere den på gearkassen. Forbind det midterste punkt på den større timingskive til akslen på det sidste gear i gearkassen. Drej kraftoverførslen, indtil den er i en god position udenfor gearkassen. (Se tredje illustration.)
Det sidste trin i denne proces er at skabe monteringsfunktionerne til steppermotoren, således at den justerer sig med krafttoget. Brug midten af den mindre primære timingskive til at placere midten af steppermotoren på frontpanelet. Brug derefter dette punkt til at oprette de funktioner, der er nødvendige for at montere motoren. (Se den fjerde illustration.)
Trin 7: Sjov med lasere: Udskæring af komponenterne
Når du har færdiggjort gearets design og gearkassen, skal du konvertere filerne til vektor tegninger, der kan skæres ud ved hjælp af en CNC laser. Opret først en ny tegning og fjern omkreds og forfatter tegninger. Skift tegningens størrelse, der svarer til størrelsen af dit akrylark. Indsæt dine gear i en fil. (Se første illustration.)
Opret yderligere tegninger ved hjælp af samme metode og importer de paneler, du har oprettet til gearkassen.
Du skal eksportere disse filer til et format, der er kompatibelt med den vektor tegning software du planlægger at bruge til at klippe filen. Jeg valgte at bruge Adobe Illustrator til dette trin og eksporterede derfor filerne som AutoCAD DWG-filer. Af en eller anden grund virker den nyeste version af Adobe Illustrator kun korrekt med filer, der er gemt som AutoCAD 2004 Tegninger, så sørg for, at du vælger denne indstilling, når du eksporterer filen. (Se anden illustration.)
Næste åbner filen i illustrator. (Se tredje illustration.) Når filen er indlæst, skal du først vælge hele tegningen og ændre bredden af alle vektorer til .001pt eller mindre. Epilog-laserdriveren kræver en meget fin linje, som skal fortolkes som en skærevektor. Hvis du hopper over dette trin, vil laserskæreren behandle vektorer som rasteriserede billeder og kun ætse billederne på overfladen af akryl. Endelig, inden du udskriver billederne til laseren, skal du konfigurere laseren til de angivne parametre fra producenten for det materiale du bruger. Når du har gjort dette, send tegningen til laserskæreren og begynd skæringen!
Trin 8: Montering af gearkassen og krafttræet
Spændt på den naive tro på, at jeg næsten var færdig, kastede jeg mig ind i dette trin. Efter min mening skulle jeg tage lange eksponeringsbilleder den nat! Åh, men virkeligheden bankede mig hurtigt tilbage til Jorden. Det viste sig at være et multi-timers projekt med masser af back-tracking for at fuldføre den første samling. Montering af gearkassen er som at samle et 3D-puslespil. Med hylde og møtrikker vil afstanden være inkonsekvent, og derfor er en direkte vejledning på denne del af projektet upraktisk. I stedet har jeg givet en liste nedenfor, der beskriver de metoder, som jeg fandt nyttige i at løse dette puslespil.
De dele, som jeg brugte til at montere gearkassen, omfatter følgende emner. Alle disse er angivet i værktøjs- og materialesektionen i denne vejledning samt nødvendige mængder.
- 1/4 "-20 gevindskruer (2 1/2")
- 1/4 "-20 transportbolte (2 1/2") til montering af de tre paneler
- 1/4 "-20 hexmøtrikker
- 1/4 "x 1" Nylon Spacers for jævnt at rumme de tre paneler
- 1/4 "ID (indvendig diameter), 5/8" OD (ydre diameter) skiver
- 1/4 "ID, 1 1/4" OD skiver
- 1/4 "ID kuglelejer
- 1/2 "-13 stål gevindstang (giver rotationsplatform til kamera)
- 1/2 "-13 hex nødder
- 1/2 "ID, 1 1/2" OD skiver
- 1/2 "-13 til 1/4" -20 reduktionskobler (for at fastgøre kameraholderen på stålstangen)
- 1/2 "ID kuglelejer
Vær systematisk i samleprocessen
Vi ingeniører har en frygtelig vane at hoppe direkte ind i poolen, før vi tjekker vandet. Har en plan kortlagt for, hvordan du vil gå fra en samling af dele til den endelige monterede maskine. Jeg begyndte ved først at samle gear og aksler til det samme panel, som kraftoverføringssystemet er monteret på. Derefter byggede jeg hvert ekstra lag af gearkassen særligt opmærksom på 3D CAD tegningen, da jeg gik.
Vær forberedt på at genvinde dine trin
Når du går gennem processen med at samle delene, vil du opdage, at afstanden mellem gearene skal justeres. Dette vil kræve en smule demontering af komponenterne for at foretage justeringer. Må ikke blive fanget i ønsket om at stramme ned hver møtrik, mens du går. Dette vil kun gøre det sværere at gå tilbage og foretage disse justeringer senere.
Har alle dine dele og værktøjer organiseret og tilgængelig
Du bliver nødt til at fokusere meget på processen, mens du går for at holde styr på dine fremskridt. Som nævnt ovenfor vil det være nødvendigt at genoverveje dine trin for at foretage mindre ændringer, mens du går. Selvfølgelig når du genoptager dine trin, skal du fortsætte dine fremskridt. Uden et klart mentalt billede af den samleproces, du har fulgt, vil det være meget svært at komme videre mod færdiggørelsen. Ved at have alle de dele og værktøjer organiseret, vil du ikke blive distraheret ved at kigge efter ting, mens du går, og vil konsekvent gå videre mod færdiggørelsen af forsamlingen.
Planlæg for plads og tid
Du skal have masser af plads til at arbejde på forsamlingen såvel som en række uafbrudte timer. Blok fra mindst et par timer til at arbejde på forsamlingen. Du skal muligvis stadig stoppe og genoptage projektet, men jo mere du adskiller samleprocessen i diskontinuerlige faser, desto langsommere og mindre effektive vil processen være.
Trin 9: Programmering af motorcontrolleren
Når først den fysiske konstruktion er færdig, skal du programmere og tilslutte Arduino Uno board og stepper motor controller til stepper motor. Da jeg besluttede at bruge et 3: 1-forhold for krafttoget, måtte jeg programmere steppermotoren for at rotere ved 3RPM for at opnå en omdrejning pr. Dag på kameraspindlen.
Jeg valgte også at implementere en kalibreringsknap for at finjustere justeringer til rotationshastigheden, hvis det var nødvendigt. Kildekoden til Arduino er meget enkel:
===================================================================
int val = 0; // Gemmer værdien af potentiomenterknap til kalibrering
int trim_enable = 0; // Opbevarer til / fra værdi af kalibreringsafbryder
void setup () {
pinMode (8, OUTPUT);
pinMode (9, OUTPUT);
digitalWrite (8, HIGH);
digitalWrite (9, LOW);
}
void loop () {
digitalWrite (9, HIGH); // Starter pulsen til stepper controller, der anmoder om et andet trin
delayMicroseconds (6250 + val); // Venter på 6,25 millisekunder + kalibreringsværdi, hvis den er aktiveret
digitalWrite (9, LOW); // Afslutter pulsen til step controller
delayMicroseconds (6250 + val); // Venter på 6,25 millisekunder + kalibreringsværdi, hvis den er aktiveret
trim_enable = analogRead (1); // Læser kalibrering af / på-knap
hvis (trim_enable> 10) // Hvis kalibreringsbryderen er aktiveret …
{
val = analogRead (0) - 512; // Juster forsinkelsesperioden med den værdi, der genereres af potentiometeret
}
andet
{
val = 0; // Juster ikke standardforsinkelsesperioden på 12,5ms
}
}
===================================================================
Trin 10: Tilslutning af elektronikken
Udover Arduino bordet brugte jeg en billig stepper motor controller kaldet Easy Driver. Oplysninger til denne enhed kan findes på http://www.schmalzhaus.com/EasyDriver/index.html. Kildekoden fra det foregående trin blev afledt af kildekoden, der blev leveret på dette sted.
Illustrationen nedenfor er en ændring fra eksemplets side på http://www.schmalzhaus.com/EasyDriver/Examples/EasyDriverExamples.html
Jeg har tilføjet potentiometeret og skift, som bruges til at kalibrere hastigheden på steppermotoren. Dette design læser spændingen af potentiometerets visker som en analog indgang og tager den digitale værdi (0 - 1023) som kalibreringsforskydning. Den omskifter, der anvendes i dette kredsløb, bestemmer, om stepmotorens hastighed vil blive opvejet af denne værdi.
Trin 11: Slutprodukt
Efter færdiggørelsen af elektronikken skal du færdiggøre bygningen ved at montere enheden på en stabil platform. Jeg brugte en 20 "diameter krydsfiner cirkel og klaver hængslet opført i afsnittet Værktøj og materialer. Det er vigtigt at bruge en stor stabil platform for at minimere bevægelse og vibrationer. Hvis din platform er ustabil, vil din monter være mere tilbøjelige til at bevæge sig under en lang eksponering og dette kunne vise i dine fotos.
Du vil også gerne vedhæfte mindst et niveau til basen. Dette giver dig mulighed for at skabe en mere præcis tilpasning til planetens rotationsplan. Hvis du bruger en grøn laser (som vist på billederne), behøver du ikke niveauerne. Laseren giver dig mulighed for at pege på monteringen mod polarstjernen uden at skulle måle vinkler.
For at fastgøre Pan and Tilt stativhovedet skal du først afskære ca. 1/2 "af en af 1/4" maskinskruerne. Tag nu den stud, du lige har lavet, og skru den i 1/2 "-13 til 1/4" -20 reducerende koblingsmøtrikken, der også er angivet i materialesektionen. Dette skal derefter skrues på 1/2 "gevindstangen og stativhovedet er endelig fastgjort til denne adapter.
Det endelige (valgfri) trin er at fastgøre en grøn laser til en 1/4 "koblingsmøtrik med lynlås og skrue den på en af de udsatte maskinskruer for at fungere som en optisk vejledning.
Illustrationerne nedenfor viser det endelige produkt baseret på de materialer, jeg brugte til dette projekt.
Trin 12: Resultaterne: Astrofotografi med lang eksponering
Jeg har lige afsluttet min første test af udstyret, og jeg er meget tilfreds med de første resultater. Jeg udførte en meget grov justering af systemet til Polaris ved hjælp af den grønne laser. Så brugte jeg fjernsynsvisningsprogrammet med min Canon til at lineere og skyde to testbilleder. Den første illustration viser en 60 sekunders fangst af den vestlige himmel fra min gårdhave med den ækvatoriale mount forlovede. Det andet skud blev konfigureret med identiske indstillinger, men med ækvatorial mount slået fra. Begge billeder blev taget med en 100MM L Macro ved 400 ISO. Forskellen mellem de to skud er meget udtalt!
Jeg er meget begejstret for at tage flere billeder med min 400mm linse + 1,4x + 2,0x udvidere! Det er en fantastisk følelse at se dette projekt arbejder efter hele tiden, jeg har lagt i det og er begejstret for at komme videre herfra.
Trin 13: Hvad er næste …?
Jeg har lært meget under denne proces og har et par tanker om hvad jeg skal gøre næste …
Automatisk justering ved hjælp af GPS-modul til Arduino
Stepper motor kontrol af vinkel og azimut til kamera mount
Celestial object finder
Månens tracker
Forbedrede materialer
Mindre design
Mange flere….
Hold dig opdateret til den nye og forbedrede version to.
http://www.123dapp.com/stl-3D-Model/Equatorial-Mount-for-Astrophotography/667245
Første pris i
Gør det rigtigt udfordring
Finalist i
Robot Udfordring
