Kugel-Lift Uhr / Marble-Lift Clock

Kugel-Lift Uhr / Marble-Lift Clock 3D-printed

https://youtu.be/xEXPYWYIihY"

Eine "verrückte Uhr, die man auf den ersten Blick wahrscheinlich gar nicht als Uhr erkennen kann ;-) Es handelt sich hier um eine Kombination aus einem Kugel-, bzw. Marble-Lift (wie z.B. hier: "Return Chute for marble lifter") und einer Uhr. Meine Idee war es, die Zeit anhand der Positionen der Kugeln auf der jeweiligen "Etage" des Liftes anzuzeigen. Es sollten sowohl Stunden, als auch Minuten angezeigt werden. Also benötigt man 2 Lifte. Wenn man jede Minute anzeigen lassen wollte, braucht man 60 Etagen, was wohl etwas "overkill" wäre, deshalb habe ich mich entschieden, nur jede 5te Minute anzuzeigen, was - wie beim Stunden-Lift - ebenfalls nur 12 Etagen benötigt. Aus Symmetrie-Gründen (sieht halt optisch schöner aus) wurde der Minuten-Lift spiegelbildlich aufgebaut, deshalb "wandert" dort die Kugrl von rechts-unten nach links-oben, d.h. die Beschriftung erfolgt analog. Soweit, so gut, das Prinzip war somit klar, jetzt sollte die hardwaretechnische Umsetzung erfolgen. Dazu wurde zuerst mit der CAD-Software FreeCad ein entspr. 3D-Modell entworfen, dessen Einzelteile später mit einem 3D-Drucker ausgedruckt werden sollten. Dieses Modell ist zur Verwendung von Kugeln mit 10mm⌀ vorgesehen, die Verwendung von größeren Kugeln würde das ganze Gebilde m.E. zu breit machen. Schon jetzt ergibt sich bei Verwendung von 10mm-Kugeln eine Breite von ca. 50cm und eine Höhe von ca. 22cm.
Hier also eine Explosionszeichnung des Stunden-Liftes: (Anklicken zum Vergrößern / Click to enlarge) Das zusammengesetzte Modell mit den Bezeichnungen der Einzelteile: (Anklicken zum Vergrößern / Click to enlarge) <
Als Antrieb für die Nockenwellen wurden 2 preiswerte Schrittmotoren vom Typ 28BYJ-48 (5V) eingeplant. Diese drehen die Nockenwellen, deren Nocken auf einer Alu-Achse mittels Madenschrauben M3x5 fixiert werden. Die Schrittmotoren haben einen Wellen-⌀ von 5mm und die Alu-Achse einen ⌀ von 6mm, deshalb wurde im Modell noch eine Wellenkupplung entworfen, in der sowohl Motorwelle, als auch Nockenwelle ebenfalls mit Madenschrauben M3x5 befestigt werden.

Auflistung aller 3D-Druckdateien für den Stunden-Lift: Gedruckt wurden die Elemente mit 0,2 mm Layerhöhe, was rel. zeitintensiv ist.
Auslass-Stunden	Bogen 90 Grad	Bogen 180°	Halter links Stunden	Halter rechts Stunden	Hintere Bef-Platte Stunden	Nocke 1 Stabilisator
Nocke mit Madenloch	Schlauch Nippel	Schlauch-Befestigung	Schlauch-Muffe	Stoessel1	Stoessel2	Stoessel3
Stoessel4	Stoessel5	Stoessel6	Stoessel7	Stoessel8	Stoessel9	Stoessel10
Stoessel11	Stoessel12	unterer Spacer	Wellen-Kupplung	Vordere Bef-Platte Stunden	Bohrschablone Stunden

Auflistung aller 3D-Druckdateien für den Minuten-Lift: Es sind hier nur die spiegelbildlichen Elemente aufgelistet, zusätzlich werden auch noch Elemente (wie z.B. Stössel) aus dem Stunden-Lift benötigt!
Auslass-Minuten	Bogen 180°	Halter rechts Minuten	Kugel-Uhr Schriftzug	Kurzer Spacer Minuten	Bohrschablone Minuten	Stoessel 1 modifiziert
Hintere Bef-Platte	Minuten-Schriftzug	Vordere Bef-Platte

Auflistung sonstiger 3D-Druckdateien:
Bedien-Panel	Handrad	Hall-Sensor Halter	Magnet-Halter

Alle 3D-Druckdateien (STL-Format) hier zum Download: STL-Dateien.zip

Achtung:
Beim Zusammenbau ist darauf zu achten, daß alle Nocken präzise auf der Welle ausgerichtet werden:

Jede 2te Nocke ist um 180° zur vorherigen versetzt, außerdem muss peinlichst genau darauf geachtet werden,
daß die Nocken genau mit den darüber liegenden Stösseln fluchten!

Gibt es zu grosse Abweichungen bei den 180°-Winkeln, werden die Stössel nicht korrekt angehoben,
mit der Folge, daß die Kugel nicht zum nächsten Stössel transportiert wird.

Fluchten die Nocken nicht genau mit den Stösseln, kollidieren sie mit den Stössel-Führungen und der Motor kann die Welle nicht mehr weiterdrehen.
Nachtrag:
Es ist wohl angebracht, die Nocken etwas schmaler als die Stössel zu entwerfen, dann gibt es keine Probleme mehr mit etwaigen Kollisionen.
Das Problem ist mir erst im Testbetrieb aufgefallen und im Nachhinein hatte ich keine Lust mehr, neue, schmalere Nocken auszudrucken.

Erfahrungen während des Testbetriebes:
Ich habe mit 10mm Kugeln aus verschiedenen Materialen ( Stahl, Glas, Buchenholz ) experimentiert, wobei nur die Stahlkugeln gut funktionierten, die Kugeln aus Glas, bzw. Holz haben ein zu geringes Gewicht und bleiben dann manchmal im 180°-Bogen liegen.

Beim Testen stellte sich auch heraus, daß sich die Wellendrehungen im Lauf der Zeit veränderten - obwohl der Schrittmotor ja eigentlich immer die gleiche Schrittanzahl durchführt.
So habe ich die beiden Wellen mit jeweils einem Magneten, der sich mit der Welle dreht und jeweils einem an den Ständern angebrachten Hall-Sensor nachgerüstet.
Die auf der Welle angebrachten Magneten wurden um 90° zu den Nocken verdreht.

Dreht sich nun der Magnet nach dem Booten zum Hall-Sensor wird im ESP32 ein Interrupt ausgelöst, der softwaremäßig ausgewertet wird und die Welle zu einem bestimmtem Startwinkel fährt - mit anderen Worten: der Startwinkel der Welle ist nach dem Booten jetzt bekannt.
Das mache ich mir zu Nutzen, in dem ich den Microprozessor 6 x täglich softwaremäßig reboote, d.h. die Wellenposition wir 6 mal am Tag ( 2:35:30, 6:35:30, 10:35:30, 14:35:30, 18:35:30 umd 22:35:30) automatisch korrigiert und die Uhr läuft jetzt absolut präzise.
Warum die "komischen" Uhrzeiten? - nun, nur bei bestimmtem Uhrzeiten bleiben die Kugeln auf ihren momentanen Stösseln liegen und werden nur kurz hoch- und wieder runtergefahren, d.h. sie werden nicht! auf den nächst höheren Stössel transportiert, was ja die Anzeige verfälschen würde.

Hardware:

1 Stck. ESP32 NodeMcu Development Board
2 Stck. Stepper-Motor 28BYJ-48 (5V)
2 Stck. Treiberplatine ULN2003
2 Stck. Linear Magnetic Hall-Sensor KY-024
1 Stck. Lochrasterplatine 160 xx 100 mm, Raster 2,54 mm
2 Stck. Micro-Taster
5 Stck. Widerstand 10 kΩ
1 Stck. USB 5V Steckernetzteil
4 Stck. Gewindeschrauben 4,0 x 30 mm incl. Muttern
2 Stck. Stahlkugeln ⌀ 10mm
div. Schrauben 3,0 x 12 mm
div. 3D-Drucker Filament
1 m Aluminium Rundstab ⌀ 6mm
1 m PVC Schlauch Innen ⌀ 12,0 mm Aussen ⌀ 16,0 mm
50 Stck. Madenschrauben 5 x 3 mm

Übliches Bastlermaterial (Lötzinn, Schrumpfschlauch, etc.) und Lötwerkzeug sollte vorhanden sein.

Hier der Schaltplan der Uhr:

(Anklicken zum Vergrößern / Click to enlarge)

Mit den beiden Microtastern kann man die jeweilige Welle rotieren, d.h. der jeweilige Schrittmotor führt nach einmaliger Betätigung fortwährend! jeweils 2038 Schritte aus. Erst nach nochmaliger Betätigung des Tasters stoppt die Welle, aber erst nachdem die 2038 Schritte kpl. abearbeitet wurden,
Das ist auch erwünscht, da so gewährleistet ist, daß die Welle immer an der korrekten Stelle hält und nicht abrupt stoppt.

Im Schaltplan ist noch ein Stepdown-Wandler zu sehen, der die Netzteilspannung von 12V auf 5V reduziert.
Der Stepdown-Wandler ist nicht unbedingt erforderlich und wird hier nur wegen meiner örtlichen Gegebenheiten verwendet.
Man kann auch ein handelsübliches 5V-Steckernetzteil verwenden und die Einspeisung über die USB-Buchse des ESP32 vornehmen.

Die blaue LED dient u.a. zur Anzeige, daß das WLAN verbunden wurde und wenn sich die Schrittmotoren im Stell-Betrieb befinden.
Die aktuelle Zeitinformation wird via WLAN von einem NTP-Server aus dem Internet geholt.

Noch ein Wort zu den Hall-Sensoren:
Ich habe Hall-Sensoren verwendet, die sich auf einer Platine (KY-024)befinden, die zusätzlich einen Schmitt-Trigger enthält, dessen Ansprechschwelle man mit einem Poti einstellen kann.
Von Platinen habe ich den eigentlichen Hall-Sensor abgelötet und mit 3adriger Litze verbunden, um ihn direkt am Ständer der Uhr anbringen zu können.

                            (Anklicken zum Vergrößern / Click to enlarge)

Hier noch ein Foto vom Bedien-Panel und den montierten Hall-Sensoren / Magneten:

                            (Anklicken zum Vergrößern / Click to enlarge)

Software:
Anbei der entspr. Sketch zum Download: marble_clock.ino

Bitte beachten, daß im Sketch die eigenen Netzwerk-, bzw. WLAN-Parameter eingetragen werden müssen!

Fazit:
Wer die Marble-Clock nachbauen möchte, kann das gerne machen - ich persönlich würde es mir nicht noch einmal antun, denn es war doch ein sehr zeitintensives Projekt mit viel "Software Try & Error", Fehldrucken, etc.
Aber evtl. ist es ja mit den jetzt vorhandenen Vorlagen und Sketch einfacher und schneller zu realisieren ;-)