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Réaliser une horloge digitale mécanique

English version

(Difficulté : *** assez difficile)

Principe :

Nous souhaitons réaliser une horloge originale qui affiche les heures et les minutes en digital. Mais plutôt qu'un simple système à afficheur Leds, nous utilisons quatre colonnes de 5 blocs (en bois) que nous faisons pivoter (Comme dans un Rubik's cube) pour réaliser les chiffres en sept segments mais de façon mécanique.

L'horloge est alimentée en 5V par une prise mini ou micro USB. Cette prise alimente une carte Arduino Nano. La carte est reliée à 4circuits intégrés 6612 de gestion de moteurs via 3 pins pour les 4 pôles moteur  + 4 pins sélection du moteur. Chaque 6612 est relié à un moteur pas à pas 42x42x37.5, D22, axe D5x15 200pas/t.

L'axe de chaque moteur est enfoncé à force dans un tube laiton monté à force dans le bloc inférieur et l'entraîne par friction.

Tous les blocs sont munis d'une vis excentrée, sur le dessus, qui entraîne le bloc du dessus de 3/4 tour max.

Les 4 blocs supérieurs sont munis d'une encoche, sur le dessous, circulaire 1/2 t l 4 qui reçoit la vis précédente.

Tous les blocs peuvent pivoter de plusieurs tours sauf celui du haut qui est limité par sa vis et la plaque plexiglas du haut à 3/4 de tour max.

Chaque bloc peut donc exposer ses 4 face latérales (Sauf celui du haut qui n'en montre que 3).

Chaque bloc en bois est verni en clair sauf certaines parties des faces latérales vernies foncées pour former les segments de l'afficheur.

La plaque supérieure en plexiglas maintient les axes des blocs (Tige laiton D6). Elle limite aussi le déplacement de chaque bloc supérieur.

La plaque inférieure en plexiglas maintient les axes des blocs. Elle maintient aussi les 4 moteurs.

Chaque bloc est séparé de celui du dessus par une rondelle D6 qui évitent que les blocs ne frottent entre eux (Et s'entraine mutuellement en rotation).

À l'arrière, 8 courroies blanches (Les noires, en caoutchouc ne glissent pas assez) crantées (Utilisées du côté non cranté) (Ou un ruban résistant) chacune reliée à un ressort, frottent sur la face arrière des blocs (Sauf les blocs inférieurs) et ont tendance à maintenir l'alignement des faces et à éviter des rotations accidentelles.

Découpe des plaques en plexiglas :

1. A la mise sous tension, la carte Arduino se met à compter les minutes et les heures (En démarrant à 12h00).
   
2. Chaque minute, elle actionne dans un sens ou dans l'autre le moteur des minutes en comptant les quarts de tour : 50 pas pour 1 quart de tour. Une fois que le bloc du bas des minutes a fait ses 3/4 de tour, il entraine le bloc au-dessus et ainsi de suite.
3. Ainsi avec une série de rotation dans un sens et dans l'autre (un peu comme un Rubik's cube) on peut positionner la face adéquate du bloc du haut, puis du suivant et ainsi de suite en descendant jusqu'à afficher 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
   
4. De même avec les dizaines de minutes, avec les heures et les dizaines d'heures

• Le 1 ne soit pas centré mais à droite
• La barre de droite du 4 ne monte pas jusqu'en haut

1. 20 blocs 45 x 45 x 15 taillés dans une planche de bois de 310x75x15 (ou imprimés en 3D), ou 180 cubes de 15 en bois clair pour jouer, collés entre eux, numérotés et vernis en partie en foncé
2. 1 plaque du haut en plexiglas 290 x 61 x 4 percée, découpée
3. 1 plaque du bas en plexiglas 290 x 61 x 4 percée
   
4. 1 planche bois 310 x 75 x 15 percée, vernie
   
5. 8 courroies crantées 135 x 10
   
6. 4 ressorts : des ressorts de traction en partie déroulés. des ressorts peu puissants pour que le moteur pas à pas arrive à entraîner dans les deux sens les 4 blocs supérieurs d'un coup.
   
7. 4 tiges filetée M4 L143
8. 2 tiges filetées M4 L100
   
9. 4 tubes laiton D6 L88
10. 24 rondelles 6
    
11. Écrous rondelles M4
12. Vis écrous M3x10
13. 4 moteurs pas à pas 42x42x37.5axe D5x15 200 pas/t 
14. 1 carte Arduino Nano
    
15. 4 circuits intégrés 6612 commande moteur
    

1. Vernir en clair ou foncé, les 180 cubes bois 15 puis les coller, percer D 6 pour les blocs inférieurs, D 6.5 pour les autres. Rainurer (Sauf les blocs du bas) sur le dessous en 1/2 cercle profondeur 4, ajouter une vis M3x10 qui dépasse de 3 et un écrou par bloc pour fabriquer 20 blocs de 45 x 45 x 15
2. Fabriquer la plaque en plexiglas du bas 290 x 61 x 4, percée
   
3. Fabriquer la plaque en plexiglas du haut 290 x 61 x 4, percée, découpée
4. Fabriquer un support en bois 310 x 75 x 15 percé, verni
5. Poser les 4 moteurs sous la plaque plexiglas du bas
6. Visser les 4x4 vis M3X10 pour fixer chaque moteur sur la plaque plexiglas du bas
7. Installer 4 les tiges filetées M4 avec 4 écrous M4 et 4 rondelles d4 sur la plaque plexiglas du bas
   
8. Monter 4 écrous M4, 4 rondelles d4 sur les tiges filetées
9. Monter 4 écrous M4, 4 rondelles d4 sur les tiges filetées
10. Insérer les tiges filetées dans le support en bois
11. Monter 4 rondelles d4 et 4 écrous M4 sur les tiges filetées
12. Poser 4 entretoises sur les axes du moteur pour que les blocs ne touchent pas les vis de fixation moteur
13. Découper 4 tubes laiton D6 L 85
    
14. Poser une petite quantité de soudure, à l'extrémité, à l'intérieur de chaque tube laiton pour créer l'entraînement avec le plat du moteur pas à pas
    
15. Coller (Araldite) chaque bloc inférieur à l'extrémité du tube laiton
    
16. Poser chaque bloc inférieur avec son tube laiton monté à force sur l'axe du moteur jusqu'à l'entretoise
    
17. Poser une rondelle M6 sur chaque tube laiton
18. Poser les 4 blocs suivants, les 4 rondelles d6
19. Et ainsi de suite
20. Monter les ressorts sur la tige centrale avec une rondelle M4 entre chaque ressort
    
21. Sur chaque tige filetée extérieure monter 2 écrous M4 montés en contre écrou et une rondelle 4
22. Idem sur la tige filetée de droite
23. Poser les 6 courroies crantées percées à chaque extrémité, d'un côté dans le ressort, de l'autre relié à la tige filetée L100
    
24. Visser 4 écrous M4 sur les tiges filetées puis poser 4 rondelles d4
25. Poser la plaque plexiglas 4 du haut
26. Poser 4 rondelles puis visser 4 écrous M4
27. Régler les 8 écrous supérieurs pour que les blocs supérieurs tournent avec un jeu de 1 mm
    
28. Connecter chaque moteur à un 6612
    
29. Connecter toutes les entrées 6612 AIN1 ensemble (Fil vert) et à l'Arduino, idem AIN2 (Fil bleu), BIN1 (Fil violet), BIN2 (Fil gris)
    
30. Connecter chaque STBY des 6612 à 4 pins Arduino (Fils marron, rouge, orange et jaune)
    
31. Il faut écrire le programme : à la mise sous tension 12 : 00, chaque minute, on lance la séquence de rotation dans un sens et dans l'autre pour passer de 0 à 1, de 1 à 2, de 2 à 3, de 3 à 4, de 4 à 5, de 5 à 6, de 6 à 7, de 7 à 8, de 8 à 9, de 9 à 0
32. Nota : il est plus simple de déterminer les codes de rotation une fois un premier chiffre de 5 blocs assemblé
33. Nota : il faut s'assurer que au moins un code envoie le bloc supérieur en butée gauche et un autre en butée droite. Ainsi, en cas d'erreur, le moteur va se bloquer en butée et l'erreur sera rattrapée (Mais ça peut prendre 24h). En théorie, on peut même positionner les blocs n'importe comment, ils finiront par se synchroniser
34. Construire un coffret en bois avec 4 trous rectangulaires pour les chiffres, un trou pour l'USB Nano et deux trous pour les boutons poussoir qui permettent d'avancer d'une minute ou d'une heure
    
35. Positionner manuellement (On peut le faire coffret assemblé) les chiffres à 12 : 00 si le programme le permet
36. À midi, brancher l'horloge : la Led clignote
37. Un bouton poussoir permet d'avancer de 1 mn
38. Un bouton poussoir permet d'avancer de 1 h

Une première version de test des 5 blocs provisoires (En bois), peints, avec la rainure semi-circulaire et la vis M3x10 et son écrou pour faire la butée.




Les 5 blocs provisoirement montés avec un axe et (Gros) moteur à courant continu provisoire :


Réalisation des blocs définitifs :

1. Nous avons acheté 200 cubes de 15 en bois clair
   
2. Certains cubes sont vernis clairs d'autre vernis foncés
   
3. Nous avons collé (colle à bois) les cubes en 3x3 pour former un bloc
4. Les blocs ainsi obtenus ont été percés D 6.5 au centre et pour la vis M3 et rainurés (Sauf les blocs inférieurs : D 6)
5. Les blocs ont été vernis
   

Et le tout est assemblé

Vue avant de l'horloge complète sans le boîtier (Il manque les circuits buffer des moteurs) :

Le système de friction fonctionne bien : les 4 moteurs entraînent les blocs, même les 5 simultanément, dans les deux sens.
Il reste à installer les 4 6612, les relier à l'Arduino et tester tout ça et faire une vidéo...

La boîte (En contre-plaqué plaqué noyer) poncée et vernie...

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deux boutons de mise à l'heure et le connecteur mini USB :

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That's All, folks !

A jour au 17/04/2022