Hinweis für den Astronomen: Äquatorialer Bergbau

Ursprünglicher Autor: lächerlich
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Vor einigen Jahren machten meine Frau und ich einen wissenschaftlichen Urlaub. Wir haben viel Zeit im schönen amerikanischen Südwesten herumgefahren und viele wunderschöne Naturparks auf dem Colorado Plateau besucht. Nachdem ich hunderte von Kilometern durch verlassene Orte unter klarem Sternenhimmel gefahren war, begann ich von einem Äquatorlager zu träumen - einer Plattform für eine Kamera, die sich drehen würde, um die Rotation des Planeten zu kompensieren. Wenn Sie Sterne mit einem Stativ aufnehmen, werden die Sterne bei einer mehr oder weniger langen Belichtung in helle Striche verwandelt. Dies ist ein merkwürdiger künstlerischer Effekt, aber es ist einem Astrofotografen nicht möglich, die subtilen Details des Sternenhimmels einzufangen. Geistig berechnete ich die Getriebeübersetzung der Getriebe für die Montage, während meine Frau auf dem nächsten Platz schlief. Als ich von der Reise zurückkehrte, fing ich an, die Werkzeuge zu sammeln, um meinen Traum zu erfüllen. Ich entschied mich für eine äquatoriale Montierung aus Acrylglas und schnitt die Zahnräder mit einem Laser ab. Ich habe Autodesk Inventor als Software zum Entwerfen von Mechaniken und zum Erstellen von Zeichnungen verwendet. Verweise auf die Zeichnungen:



Stadium 1. Inspiration


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Dies sind meine Lieblingsfotos von einer Reise ins Monument Valley. Der zweite ist ein Beispiel dafür, wie die Rotation der Erde selbst bei einer kurzen "langen Belichtung" (30 Sekunden) glühende Schwänze in Sternen erzeugt. Blende f / 1,8, Objektiv Canon T1i, Brennweite 50 mm. Sie können sogar den schwachen Schimmer der Milchstraße sehen.


Gehen Sie unbedingt in die Natur, weit weg von der Stadt, an unbekannten Orten und beobachten Sie den Sternenhimmel. Inspiration - die wichtigste Voraussetzung für die Umsetzung eines Projekts.


Stufe 2. Werkzeuge und Materialien


Ich habe die folgenden Werkzeuge und Materialien verwendet (Abmessungen sind in Millimetern und anfänglich in Zoll):


Werkzeuge:


  • Arduino SDK
  • Autodesk Inventor (oder gleichwertiges CAD)
  • Laser-CNC-Maschine
  • Caliper
  • Bügelsäge
  • Schraubendreher / Schraubendreher
  • Verstellbarer Schraubenschlüssel

Materialien:


  • Folie Acrylkunststoff 5 mm (3/16 ") oder 6 mm (1/4")
  • Kugellager mit einem Innendurchmesser von 6 mm (1/4 ") - 12 Stck.
  • M6 × 80 mm Schrauben (1/4 "× 3")
  • Kugellager mit einem Innendurchmesser von 12 mm - 12 Stck.
  • Stehbolzen M12 mm (1/2 ")
  • Sechskantschrauben M6 × 90 mm (1/4 "× 3 1/2") - 6 Stck.
  • Nylondichtungen 6 × 25 mm (1/4 "× 1") - 12 Stck.
  • Scheiben mit einem Innendurchmesser von 6 mm (1/4 ") - ca. 20 Stück
  • Scheiben mit einem Innendurchmesser von 6 mm (1/4 ") und einem Außendurchmesser von 32 mm (1 1/4") - etwa 15 Stck.
  • M6-Muttern (1/4 ") - ca. 30 Stück
  • Scharniere aus Edelstahl
  • Platz mit verstellbarem Winkelarm
  • Ebenen
  • Stativkopf mit Schwenk und Neigung

Steuerung und Elektronik:


  • 12 V Schrittmotor
  • Schrittmotorsteuerung
  • Arduino Uno
  • 12 Volt Stromversorgung
  • Grüner Laser 5 mW Klasse IIIA (optional)

äquatoriale Montierung BoM.xlsx


Stufe 3. Berechnung der Zahnräder


Zuerst müssen Sie die Übersetzungsverhältnisse so berechnen, dass die Plattform mit der Kamera pro Tag eine Umdrehung ausführt. Ich habe viel Zeit mit dem Nachdenken über das Design verbracht. Ich kam zu dem Schluss, dass Sie einen Motor mit einer Drehzahl von einer Umdrehung pro Minute verwenden müssen. Dann sollte das Übersetzungsverhältnis des gesamten Getriebes 1: 1440 (1 × 60 Minuten × 24 Stunden = 1440) betragen. Dieser Wert wird sehr bequem faktorisiert. Ich verbreite es auf die Faktoren [3, 4, 4, 5, 6], d. H. Die Zahnräder haben Übersetzungsverhältnisse von 3: 1, 4: 1, 4: 1, 5: 1 und 6: 1. Sie können es bewerten ansonsten Wenn Sie einen Motor mit einer anderen Drehzahl nehmen, müssen Sie Ihre Übersetzungsverhältnisse dafür aufheben.


Jetzt für CAD. AutoDesk Inventor verfügt über einen sehr praktischen Generator für Stirnräder. Er übernimmt die von Ihnen eingegebenen Parameter, berechnet die Konfiguration der Zahnräder und zeigt das Ergebnis an. Mit diesem Tool können jedoch keine virtuellen Zahnräder in ein virtuelles Getriebe eingebaut werden (Stand 2012).


Gehen Sie zum Menü auf der Registerkarte Design. Dort finden Sie einen Abschnitt mit den mechanischen Komponenten "Power Transmission". Eines davon ist für die Konstruktion von Stirnrädern konzipiert. Klicken Sie darauf, es öffnet sich das Dialogfeld "Stirnrad-Komponentengenerator":


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Da wir ein Untersetzungsgetriebe erstellen und die Konturen der Zahnräder zum Schneiden auf einer Lasermaschine verwenden, können wir die Standardeinstellungen in diesem Fenster belassen. Ich habe nur den Wert in "Desired Gear Ratio" geändert. Geben Sie für den ersten Zahnradsatz den Wert 3 ein und klicken Sie auf "Berechnen":


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Am unteren Rand des Dialogfelds werden die Werte für Zahnrad 1 und Zahnrad 2 generiert. Stellen Sie sicher, dass beide Zahnräder als Komponente konfiguriert sind. Wenn Sie auf "OK" klicken, können Sie sie in einer Datei speichern. Danach erscheinen sie im Arbeitsbereich:


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Sie können die Komponente beliebig verschieben. Wiederholen Sie den Vorgang für alle ausgewählten Gänge (in meinem Fall 3: 1, 4: 1, 4: 1, 5: 1, 6: 1) und legen Sie sie in den Arbeitsbereich.


Bearbeiten Sie nun die Dicke der Zahnräder so, dass sie zu Ihrem Kunststoff passt. In meinem Fall - 5 mm (3/16 ").


Stufe 4. Anschließen von Gängen


Machen Sie zuerst in der Mitte jedes Zahnrads Löcher mit dem gewünschten Durchmesser. Dann binden wir die Drehachsen der Zahnräder, die sich auf den gleichen Wellen befinden. Zum Schluss definieren wir die Verschiebung der Ebenen zwischen miteinander verbundenen Zahnradgruppen.


Um Löcher zu machen, öffnen Sie eine der Komponenten und erstellen Sie eine neue Kontur auf der Zahnradebene. Wählen Sie im Abschnitt "Zeichnen" die Option "Punkt" und platzieren Sie den Punkt in der Mitte des Zahnrads. Schließen Sie die Konturenerstellung ab und wählen Sie im Abschnitt „Ändern“ das Werkzeug „Bohrung“ aus. Wählen Sie den erstellten Punkt und stellen Sie den Durchmesser des Kreises entsprechend Ihrem Bolzen ein (in meinem Fall 6 mm, 1/4 "). Die Art der Bohrung ist einfach gebohrt. Machen Sie dasselbe für alle anderen Zahnräder.


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Lassen Sie uns nun die Zahnradgruppen verbinden, indem Sie deren Drehachsen erstellen und verknüpfen. Wählen Sie im Abschnitt Arbeitsmerkmale das Achsenwerkzeug aus. Wählen Sie eine der erstellten Bohrungen aus und erstellen Sie eine Rotationsachse. Machen Sie dasselbe für die Zahnräder, die mit dem ersten verbunden werden müssen. Nachdem Sie einen Achsensatz erstellt haben, klicken Sie im Abschnitt "Position" auf den Eintrag "Constrain". Binden Sie nun zwei Achsen, indem Sie auf beide klicken und "Constrain" anwenden. Zahnradgruppen können in beliebiger Reihenfolge miteinander verbunden werden. Ich habe mit den größten angefangen und konsequent kleinere angebracht.


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Wenn Sie alle Achsen gefangen haben, müssen Sie die Ebenen der Zahnradgruppen positionieren. Das heißt, sie im Raum zu verbreiten, damit sie sich frei drehen können:


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Jetzt haben wir einen Satz Zahnräder, die richtig miteinander verbunden sind. Sie können mit der Konstruktion des Getriebes beginnen.


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Stufe 5. Zahnraddesign


Nun müssen Sie drei separate Platten erstellen, in denen Kugellager für die Wellen vorhanden sind. Lassen Sie uns zunächst die Anordnung der Zahnräder auswählen. Achten Sie beim Bewegen darauf, dass sie die Wellen anderer Zahnräder nicht berühren. Ich musste einen zweiten Zahnradsatz mit einem Übersetzungsverhältnis von 1: 1 hinzufügen, damit Sie die Aluminiumwelle durch das gesamte Getriebe führen können:


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Wenn Sie mit der Platzierung der Zahnräder fertig sind, erstellen Sie eine neue Arbeitsebene. Dies wird das Getriebegehäuse sein. Sie können einfach ein Rechteck um alle Zahnräder zeichnen, oder Sie können die Form der Ebene so wählen, dass sie der allgemeinen Kontur des Satzes folgt. Ich habe die zweite Option gewählt.


Erstellen Sie eine neue Kontur auf der neu erstellten Oberfläche. Wählen Sie "Projektgeometrie". Klicken Sie auf die Löcher aller Zahnräder, um ihre Form auf die Arbeitsfläche zu projizieren:


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Nach dem Projizieren der Löcher können Sie Kreise erstellen, deren Zentren die Zentren der Projektionen sind.


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Verbinden Sie nun die Kreise mit geraden Linien:


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Wählen Sie im Abschnitt Ändern das Werkzeug Trimmen aus und löschen Sie alle Segmente innerhalb der resultierenden Außenkontur:


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Erstellen Sie nun ein gerades Teil am unteren Ende, an das die Pianoschlaufe angehängt wird, mit dem wir die Rotationsebene des Reittiers mit der Rotationsebene der Erde ausrichten. Sie können auch das gesamte Schema zuerst drehen, damit das Getriebe harmonischer wirkt. Danach zeichnen Sie ein Rechteck, das in die äußersten Punkte des Kurbelgehäuses eingeschrieben wird:


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Entfernen Sie die zusätzlichen Zeilen:


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Nach dem Erstellen der Kurbelgehäusekontur müssen Sie die projizierten Bohrungen so anpassen, dass sie den Außendurchmessern Ihrer Lager entsprechen. Ich habe zwei Größen verwendet: 28 mm (20 mm) und 20 mm (0,75 "):


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Nun müssen Sie aus dieser Kontur ein dreidimensionales Objekt (extrudieren) erstellen - die Kurbelgehäusefläche. Die Stärke sollte zu Ihrem Kunststoff passen (in meinem Fall 5 mm, 3/16 "). Erstellen Sie dann zwei weitere Kopien der Platte - dies sind die Vorder- und Rückseite der Halterung.


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Schritt 6.
Auslegung der Kraftübertragung Nun müssen Sie die Antriebsscheibe und die Bohrungen für die Installation des Schrittmotors auslegen. In Autodesk Inventor gibt es dafür einen sehr praktischen Assistenten.


Wählen Sie auf der Registerkarte "Design" im Abschnitt "Power Transmission" die Option "Synchronriemen" aus.


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Erstellen Sie nun eine Rolle auf der Oberfläche eines festen Objekts. Um die Drehung des Motors auf das Getriebe zu übertragen, habe ich das Verhältnis 1: 3 verwendet. Sie müssen die Zähnezahl jedes Gangs nach Ihren gewählten Werten auswählen:


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Legen Sie nun den Antriebsstrang in das Getriebe ein. Verbinden Sie den Mittelpunkt der größeren Riemenscheibe mit der Welle des letzten Gangs des Getriebes. Drehen Sie den Antriebsstrang so, dass er richtig in das Getriebe passt:


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Erstellen Sie Löcher, um den Motor entsprechend der Position der Kraftübertragung zu installieren. Die Mitte der kleineren Riemenscheibe ist die Mitte der Motorwelle:


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Stufe 7. Laser geschnitten


Nach Abschluss des Entwurfs müssen Sie die Projektdateien in Vektorbilder konvertieren, die Ihre Laser-CNC-Maschine akzeptiert. Erstellen Sie zuerst das erste Bild und entfernen Sie die Perimeter- und Autorinformationen. Passen Sie die Größe des Bildes an die Größe Ihrer Kunststofffolie an. Fügen Sie Ihre Zahnräder in die Datei ein:


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Erstellen Sie auf dieselbe Weise ein anderes Bild, und importieren Sie die Getriebefelder.


Jetzt exportieren wir diese Bilder in ein mit der Lasermaschinensoftware kompatibles Format. Ich habe Bilder mit Adobe Illustrator erstellt und in DWG-Dateien exportiert.


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Öffnen Sie nun die Datei in Illustrator.


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Wählen Sie zuerst das gesamte Bild aus und geben Sie eine Liniendicke von höchstens 0,001 pt an. Die Maschine, die ich verwendete, erfordert, die Linien sehr dünn zu machen, so dass sie als Schnittkontur interpretiert werden. Wenn dieser Schritt vernachlässigt wird, kann die Maschine die Vektorzeilen als gerasterte Bilder betrachten - sie graviert sie einfach auf der Oberfläche (wenn Sie eine Maschine mit der Funktion der Lasergravur haben). Vergessen Sie beim Einrichten der Maschine nicht, die Laserparameter entsprechend dem Material zu konfigurieren. Senden Sie nun Dateien zum Schneiden.


Stufe 8. Montage des Getriebes und Kraftübertragung


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Inspiriert durch den naiven Glauben, dass ich kurz vor dem Abschluss bin, begann ich mich zu versammeln. In meinen Träumen habe ich diese Nacht schon schöne Fotos vom Himmel gemacht! Die Realität sah anders aus. Die Montage dauerte viele Stunden. Es ist wie ein dreidimensionales Puzzle. Ich kann Ihnen keinen speziellen Rat geben, da die Positionierung der Elemente von den verwendeten Schrauben und Unterlegscheiben abhängt. Aber ich kann den generellen Ansatz beschreiben, den ich gefunden habe, um dieses Rätsel zu lösen.


Als Ergebnis verwendete ich die folgenden Komponenten:


  • M6-Schrauben (1/4 ")
  • M6-Schrauben mit Vierkantkopf (1/4 ") zur Montage von drei Platten
  • Sechskantschrauben M6 (1/4 ")
  • Sechskantschrauben M12 (1/2 ")
  • Scheiben mit einem Innendurchmesser von 6 mm (1/4 ") und einem Außendurchmesser von 16 mm (5/8")
  • Scheiben mit einem Innendurchmesser von 6 mm (1/4 ") und einem Außendurchmesser von 32 mm (1 1/4")
  • Scheiben mit einem Innendurchmesser von 12 mm (1/2 ") und einem Außendurchmesser von 38 mm (1 1/2")
  • Kugellager mit einem Innendurchmesser von 6 mm (1/4 ")
  • Kugellager mit einem Innendurchmesser von 12 mm (1/2 ")
  • M12-Stift (1/2 ") (drehbare Plattform für die Kamera)
  • Übergangskupplung von M12 (1/2 ") nach M6 (1/4") (zur Befestigung des Stativkopfes am Bolzen)
  • 6 × 25 mm Nylon-Dichtungen (1/4 "× 1"), um die Platten relativ zueinander auszurichten

Gehen Sie die Baugruppe systematisch an


Ingenieure haben eine schreckliche Angewohnheit, ihren Kopf in den Pool zu werfen, ohne die Tiefe zu prüfen. Machen Sie einen Plan, um einen Stapel von Teilen zu einem vollständig zusammengebauten Gerät zu machen. Ich begann mit der Montage von Zahnrädern und Wellen auf derselben Platte, an der die Kraftübertragung angebracht war. Dann sammelte er nacheinander die nächsten Schichten des Getriebes und überprüfte dabei ständig das 3D-Modell.


Seien Sie bereit, Ihre Handlungen zu wiederholen.


Beim Zusammenbau kann es erforderlich sein, die Abstände zwischen den Komponenten weiter anzupassen. Das heißt, Sie müssen einen Teil der Struktur zerlegen, Unterlegscheiben hinzufügen / entfernen. Seien Sie nicht versucht, jede Mutter und Schraube sofort festzuziehen, da dies nur die Rückkehr zur Einstellung erschwert.


Halten Sie die Reihenfolge im Layout der Komponenten und Werkzeuge


Sie müssen scharfstellen und sich nicht von der Suche nach den gewünschten Teilen oder Werkzeugen ablenken lassen. Wie gesagt, von Zeit zu Zeit müssen Sie zerlegen und wieder zusammenbauen. Ohne ein klares Verständnis des Montageprozesses ist es für Sie sehr schwierig, sich vorwärts zu bewegen. Und wenn Sie am Arbeitsplatz Unordnung haben, wird der Fokus nicht auf die Montage gelegt.


Planen Sie Ihre Zeit und Ihren Ort


Sie werden viel Zeit benötigen, mindestens einige Stunden. Vielleicht schaffen Sie es nicht alles auf einmal, aber es ist besser, den Build-Prozess nicht in eine große Anzahl von Sitzungen aufzuteilen, sonst wird es weiter verzögert.


Schritt 9. Programmierung der Motorsteuerung


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Nachdem Sie einen mechanischen Teil des Projekts abgeschlossen haben, müssen Sie Arduino Uno programmieren und anschließen sowie den Controller an den Motor anschließen. Da meine Kraftübertragung ein Verhältnis von 3: 1 hat, muss der Motor mit drei Umdrehungen pro Minute drehen, damit die Kamera an einem Tag eine volle Umdrehung vollenden kann.


Ich entschied mich auch dazu, einen Kalibrierstift herzustellen, um gegebenenfalls die Drehzahl fein einzustellen. Der Quellcode für das Arduino ist sehr einfach:


===================================================================
int val = 0;    // Хранит значение ручки-потенциометра для калибровкиint trim_enable = 0;    // Хранит значения включателя калибровки вкл/выкл voidsetup() {               
    pinMode(8, OUTPUT);    
    pinMode(9, OUTPUT);
    digitalWrite(8, HIGH);
    digitalWrite(9, LOW);
}
voidloop() {
    digitalWrite(9, HIGH);   // Начинает отправлять на контроллер импульс запроса следующего шага 
    delayMicroseconds(6250 + val);    // Ждёт 6,25 мс + значение калибровки, если она включена 
    digitalWrite(9, LOW);    // Прекращает отправлять на контроллер импульс
    delayMicroseconds(6250 + val);   // Ждёт 6,25 мс + значение калибровки, если она включена 
    trim_enable = analogRead(1);    // Считывает значение включателя калибровки вкл/выклif (trim_enable > 10)    // Если калибровка включена...
    {
        val = analogRead(0) - 512;    // Настраивает длительность задержки с помощью значения, генерируемого потенциометром
    }
else
    {
        val = 0;    // Не меняйте длительность задержки по умолчанию в 12,5 мс
    }
}
===================================================================

Stufe 10. Elektronik


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Ich benutzte eine kostengünstige Schrittmotorsteuerung ist die Easy Driver . Um die Motordrehzahl zu kalibrieren, werden Potentiometer und Schalter hinzugefügt. Die Spannung wird als analoge Daten vom Potentiometerschieber abgelesen und in einen numerischen Wert (0-1023) der Kalibrierungskorrektur umgewandelt. Der Schalter ist dafür verantwortlich, ob die Änderung die Drehzahl des Motors beeinflusst.


Stufe 11. Endprodukt


Jetzt müssen Sie die Halterung auf einem stabilen Standfuß installieren, um mögliche Vibrationen zu minimieren. Ich nahm eine runde Sperrholzplatte mit einem Durchmesser von 50 cm und befestigte eine Halterung mit einem Pianoscharnier daran. Wenn der Ständer nicht ausreichend stabil ist, kann sich die Halterung bei einer langen Belichtung leicht bewegen, was sich notwendigerweise auf die Qualität der Fotos auswirkt.


Ich empfehle, mindestens eine Wasserwaage am Standfuß anzubringen, um die Rotationsebene relativ zur Rotationsebene der Erde genauer ausrichten zu können. Wenn Sie jedoch einen grünen Laser verwenden, werden die Pegel nicht benötigt. Sie können den Laser auf die Polaris richten und sich nicht um Winkelmessungen kümmern.


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Um den Stativkopf zu montieren, schneide ich etwa 12 mm von einer der M6-Schrauben. Dann wurde der resultierende Stift in die Adapterhülse geschraubt und der Abschnitt des Stiftes M12 wurde hineingeschraubt. Nun konnte der Stativkopf an den entstandenen Adapter angeschlossen werden.


Optional können Sie den grünen Laser mit einem Koppler am Adapter befestigen und auf eine der Schrauben schrauben.


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Stadium 12. Astrofotografie mit Langzeitbelichtung


Zuerst habe ich die Montierung mit Hilfe eines grünen Lasers grob auf den Nordstern ausgerichtet. Dann habe ich die Software für meine Kamera verwendet und sie genauer ausgerichtet und zwei Testaufnahmen gemacht. Verschlusszeit 60 Sekunden, ISO 400, Canon 100MM L Makroobjektiv.


Ohne Montierung:


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Mit Montierung:


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Stufe 13. Wie geht es weiter?


Hier sind Ihre Ideen zur weiteren Verbesserung des Designs der äquatorialen Montierung:


  • Auto Align Mount mit GPS Modul für Arduino.
  • Lenkmotorsteuerung mit Neigungswinkel und Azimut für die Kameramontage.
  • Sucher für Himmelskörper.
  • Mond-Tracker
  • Kompakteres Design.
  • Zuverlässigeres Getriebematerial.

3D-Modell der äquatorialen Montierung


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