Olis Uhr – Eine analoge Uhr und viel Technik (Teil 1)

Ich brauche ein Uhrwerk. Kannst Du mir sowas bauen? Aber klar doch, Oli…
So in etwa kam mein Auftrag zu Stande, eine Uhrwerk zu entwickeln, das nicht ganz dem Standard entspricht. Mehr dazu im Teil eins der Geschichte

Wer ist Oli, und was hat es mit dieser Uhr auf sich?
Oli ist ein Kunde von mir und er hatte vor langer Zeit eine Idee für ein ganz persönliches Projekt. Er wollte eine eigene Uhr bauen, die ganz nach seinen Vorstellungen aussieht. Als begnadeter Designer hat er sich ans Werk gemacht und dabei kam ein Metallrahmen heraus, der sich sehen lassen kann. 1.5m Durchmesser. Wie sie ganz genau aussieht bzw. aussehen wird, zeige ich an dieser Stelle noch nicht. Stattdessen hier eine Zeichnung aus dem CAD, welche ich kurz angefertigt habe, um die Masse zu testen

Zugegeben, man sieht hier noch nicht so viel, aber als Erklärung, wie die Uhr am Ende aussehen soll, reicht es. Das definitive Design wird erst verraten, wenn die Uhr fertig gebaut ist, und das ist derzeit noch nicht der Fall.
Die Uhr bzw. das “Uhren-Gehäuse”, wenn man das überhaupt so nennen darf, besteht aus mehreren Stahlringen. Das Werk selbst ist der Teil, der rot eingezeichnet ist.

Aber was macht denn nun diese Uhr bzw. das Werk so besonders, dass ich hier einen Artikel dazu verfasse?
Nun, die Uhr bzw. der Rahmen, die Verzierungen und Zeiger sind entstanden, bevor überhaupt klar war, wie ein dazugehöriges Werk aussehen sollte. Leider kann man ein passendes Uhrwerk nicht ab Stange kaufen. Das hat gleich mehrere Gründe:

1. Das Werk muss relativ gross ausgelegt sein, da die Uhr Zeiger mit einer Länge von rund 50cm bekommt
2. Das Uhrwerk braucht drei drehbare Achsen. Eine für den Stundenzeiger, eine für den Minutenzeiger und eine für ein grosses Rad, das sich hinter den Zeigern befindet und ebenfalls drehen muss.
3. Die Achsen müssen sehr lang sein. Wo bei einer normalen Uhr das Werk direkt hinter den Zeigern bzw. hinter dem Ziffernblatt sitzt und der Abstand vielleicht einen Zentimeter ausmacht, sind es hier am Ende etwa 12 Zentimeter.
4. Das Rad an der dritten Achse muss sich unabhängig vom Rest drehen lassen

Der Prototyp und viele Versuche

Meine erste Idee für ein passendes Uhrwerk war einfach. Ich nehme drei Schrittmotoren, verbinde diese versetzt auf drei ineinander geschobene Rohre und steuere das Ganze mit einem Arduino und ein paar Treibern. Gesagt, getan – So sah der erste Versuch aus, damals noch mit zwei Motoren und ein paar behelfsmässigen Holzleisten. Die Teile hatte ich gerade noch rumliegen, daher waren die Riemen für den Antrieb noch zu lang, aber das tat der Sache keinen Abbruch

Ich bin froh, dass ich diese Tests vor dem Bau gemacht habe, sonst wäre ich den Schwächen meiner Konstruktion nicht bzw. zu spät auf die Schliche gekommen. Es wurde nämlich ziemlich schnell klar, dass der Riemen-Antrieb ein paar Tücken aufweist. Allerdings waren nicht die Riemen, sondern die Schrittmotoren das Problem. Schrittmotoren müssen, damit sie in ihrer Position verharren, auch wenn sie nicht drehen, mit Strom versorgt werden. Das heisst, wenn ich diesen “Dauerstrom” abschalte, dann lässt sich der Motor von Hand drehen. Meine Idee war es, den Arduino einfach so zu programmieren, dass er den jeweiligen Motor einfach jede Minute einmal kurz ansteuert. Dafür muss ich den Motor einschalten, die Drehung ausführen lassen und den Motor wieder abschalten. Lasse ich den Motor dauerhaft eingeschaltet, wird der extrem warm. Wir reden hier von schnell mal über 80 Grad. Stelle ich ihn jede Minute nur kurz an und danach wieder ab, dann würde sich der jeweilige Zeiger, auf Grund des Eigengewichts, nach unten drehen. Ich brauche also einen Antrieb, der sich sich selbst sperrt. Die Lösung: Ein Schneckenantrieb

Nun brauchen wir aber nicht einen Motor, sondern die ganze Sache dreimal…
Und nicht nur das. Irgendwie muss ich die Zeiger dann ja auch einstellen können. Dafür muss die Schaltung feststellen können, wo sich die Zeiger bzw. das Rad befinden. Meine Idee: Gabelkontakte und Nadeln

Das Uhrwerk braucht natürlich irgendwas, woran es befestigt werden kann. Wir haben uns da für eine “halbrunde” Grundplatte entschieden. Diese ist wiederum in der Herstellung recht einfach

Natürlich blieb es nicht bei den drei Motoren, welche gemütlich drehen. Die Uhr hat nach und nach mehr Funktionen erhalten und bisher sind das folgende:

  • Anzeige von Minuten und Stunden
  • Drehen des Rades an der Front
  • Ausgabe von Sprache mittels MP3-Player
  • Verstärkerschaltung, damit man auch etwas hört
  • RTC-Modul für die Anzeige der Zeit
  • DCF77 Funkmodul zum Abgleich des RTC-Moduls
  • Ultraschall-Sensor, damit die Uhr merkt, wenn jemand oder etwas davor steht und darauf reagieren kann
  • 4 Treiber, da noch ein Schrittmotor dazugekommen ist für die Show-Räder auf der Front
  • Funkfernbedienung (12 Kanäle) zum Stellen der Uhr und 11 Show-Programmen
  • RGB-Licht mit 12 RGB-Leuchtdioden
  • Möglichkeit der Temperatur-Anzeige (nur Intern ab RTC-Modul)

So sieht das Uhrwerk unterdessen aus


Bis zu diesem Zeitpunkt kann die Uhr

  • Die Position der Zeiger und des Rades auf Null stellen (Referenz anhand der Gabelkontakte)
  • Die Zeit aus dem RTC-Modul auslesen und den Stunden- und Minutenzeiger korrekt positionieren
  • Die fortlaufende Zeit anzeigen
  • Eine Korrektur des Minutenzeigers durchführen, falls dieser zu schnell oder zu langsam läuft (Passiert jede Stunde)
  • Sprachsequenzen ausgeben

Probleme gibt es zurzeit bei:

  • Dem DCF77-Empfänger. Ich habe bei mir einen solchen schlechten Empfang, dass dieses Modul nur funktioniert, wenn ich es aus dem Fenster hänge (Kein Witz)
  • Der Verstärkerschaltung. Diese neigt zu einem Rauschen, wenn gerade kein Sound ausgegeben wird
  • Dem Betrieb der Uhr, wenn der Arduino über USB angeschlossen ist. Die Störungen verstärken sich sogar, wenn eine Debug-Ausgabe über den seriellen Monitor erfolgt

Folgend nun noch ein wirklich ganz kurzes Video, welches den Einstellvorgang der Uhr zeigt

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