Das Holzuhren Modell
Astronomische Uhr Ulm
Das Holzuhren Modell
Die Funktion der Uhr jemanden zu erklären ist nicht so einfach denn alle Zeiger drehen sich sehr langsam.
Als Uhr mit astronomischen Anzeigen vollendet zum Beispiel der Sonnenzeiger nur einmal pro Tag eine Umdrehung um die Achse.
Auch ist es für Interessierte am Anfang nicht einfach zu erkennen welcher Anzeige wozu gehört.
Mir hat viel geholfen dass es auf der Seite der Stadt Ulm einen Simulator gab. Dort konnte man die Geschwindigkeit der Zeiger erhöhen und Zeiger Ein und Ausschalten.
Mit diesem Simulator habe dann das Zusammenwirken der Zeiger und dem Zifferblatt verstanden. Leider war der Simulator ind er Programmsprache Flash implementiert.
Flash war damals schon sehr alt und zeigte immer mehr Sicherheitsprobleme sodass erst immer mehr Browser die Unterstützung einstellten.
Inzwischen kann ich nicht sagen ob der Simulator noch online ist.
Bei einem Vortrag über die astronomische Uhr im Ulmer Schubart Gymnasium mit vielen sehr interessierten Besuchern wurde mir deutlich,
dass es für das Verstehen der Uhr wichtig ist die einzelnen Zeiger zu trennen. Auf der Seite "Die Astrouhr" habe ich zwar Bilder der einzelnen Zeiger aber durch
die Fülle der Anzeigen war es den Zuhörern doch schwierig, die Funktionen zu verstehen.
Das hat mir keine Ruhe gelassen aber meine erste Idee war ein Model zu machen auf der Grundlage bestehender Bilder der Uhr. Ich habe versucht mit Inkscape und Gimp die Zeiger zu extrahieren.
Aber das Ergebnis hat für mich immer nicht gut ausgesehen und ich fand niemanden im Bekanntenkreis der das annehmbar konnte.
Weiter kam ich dann erst als mir die Idee kam die Uhr zu abstrahieren und sie auf die astronomischen Funktionen zu reduzieren.
Inkscape ist ja ein tolles Tool um Vektor Grafik Dateien zu erzeugen die man dann mit Lasercutter oder CNC Fräsen benutzen kann um Modelle zu erzeugen.
Problem von Inkscape ist allerdings dass der Ursprung des internen Koordinatensystems in einer Ecke des Bildes liegt.
Wenn man irgendwas verschiebt oder skaliert werden die Objekte unterschiedlich behandelt und alles stimmt nicht mehr. Das habe ich nach einigen Versuchen aufgegeben.
Als 3D-Drucker Besitzer erstelle ich meine Modelle schon seit längerer Zeit mit dem freien Programm FreeCAD. Das erschien mir am Anfang zu umständlich um damit das Uhrenmodell zu erzeugen.
Das hat sich aber als falsch erwiesen. FreeCAD ist dafür genau das richtige Tool. Dort kann ich alle Elemente genau angeben und das Ergebnis dann als SVG oder DXF Datei exportieren.
Das sind beides 2D Formate die dann Lasercutter und CNC Fräsen verstehen. Das macht es möglich das Modell einfach zu vervielfältigen um es bei Vorträgen den Interessierten in die Hand zugeben.
Das Koordinatensystem von FreeCAD ist auch viel flexibler, ich kann den X-Y Ursprung genau auf die Zeigerwelle legen und darum alles anordnen. Funktioniert sehr gut und kommt dem Original sehr nahe.
Ich hatte schon von Anfang an im Hinterkopf das Modell zu zu gestalten, dass es von jedem technisch Versierten nachgebaut werden kann.
Die Größe habe ich auf das DIN-A3-Format ausgelegt mit ca 300 × 430 mm. Mit dieser Größe gibt es Sperrholz zu bestellen.
Nachdem ich die erste grobe Version des Holz Modells erstellt hatte, konnte ich erste Versuche mit meiner CNC Fräse machen. Das Ausschneiden des Zifferblatts und der Zeiger hat sofort sehr gut funktioniert.
Schön ist dass ich bei jedem Pfad einstellen kann ob der Fräser auf der Innenseite oder der Außenseite fahren soll.
Dadurch stimmen die Maße immer sehr genau nur in Ecken ist halt der kleinste Radius der Radius des Fräsers.
Ich habe günstiges Pappel Sperrholz aus einem Ulmer Baumarkt verwendet. Das hat aber den Nachteil dass es nicht sonderlich eben und gleichmäßig ist.
Das stört zwar nicht beim Ausschneiden der Teile schränkt aber bei Beschriftungen sehr ein, denn das hat direkte Auswirkungen auf die Linienbreite bei Beschriftungen.
Durch meine Engagement in Schubart Gymnasium kam ich mit einem Lasercutter in Kontakt. Dort schneidet der Physiklehrer für die Kinder deren Modelle mit dem Lasercutter aus Holzplatten aus.
Das hat gegenüber einem 3D-Plotter den Vorteil das es wesentlich schneller geht. 3D-Plotter müssen das Volumen des Modells halt aus lauter dünnen Schichten aufbauen.
Das hat auch viele Vorteile da ich hier sehr komplexe Modelle drucken kann an denen ein Lasercutter scheitert. Wenn ich aber ein flaches Modell habe, dann ist der Laser eindeutig im Vorteil.
Dazu kommt noch dass er Laser beim Beschriften etwas toleranter gegenüber Höhenunterschiede im Holz ist, denn die Strichbreite ist der Durchmesser des Laserstrahls.
Ich habe mich dann erinnert dass es in der Ulmer Zentralbibliothek einen Makerspace gibt. Dort können Ulmer mit Bibliotheksausweis Geräte um sonst benutzen.
Ich hatte mir den Makerspace schon mal angeschaut und konnte mich erinnern dass dort auch ein Lasercutter steht.
Man muss sich dort für die Geräte für eine Einweisung anmelden und kann danach die Geräte benutzen wenn sie frei sind. Inzwischen gibt es dort zwei Laserschneider.
Der modernste und leistungsstärkste ist ein Lasercutter der Firma X-Tool der DIN-A3 schneiden kann.
Mit dem habe ich dann erste Schritte machen, einige Modelle erzeugt und konnte so langsam mein Modell weiter entwickeln.
Mit dem Lasercutter konnte ich auch sehr kleine Beschriftungen aufbringen und alles filigran auslegen.
Wie auch die originale Uhr besteht Holzmodell aus einem Zifferblatt und Zeigern. Für die Astronomischen Funktionen ist allerdings der Handzeiger, der die Bürgerliche Zeit (MEZ MESZ) anzeigt, nicht von Interesse.
Den habe ich weggelassen. Somit habe ich noch die Zeiger Tierkreis, Drachenzeiger, den Sonnenzeiger und den Mondzeiger. Bis auf den Tierkreis sind alles sehr einfache Zeiger.
Einzig der Mondzeiger hat noch eine kleine Holzkugel die zur Hälfte schwarz ist. Mit der Kugel können die Mondphasen erklärt werden.
Alles ist für eine Welle mit 8 mm ausgelegt die im Zifferblatt befestigt ist. Dadurch kann ich alles von Hand drehen und die einzelnen Funktionen erklären.
Bei mir werden die Zeiger von einem kleinen 7 mm O-Ring auf der Welle gehalten. Dadurch ist alles zerlegbar.
Zwischen den einzelnen Zeigern schneide ich aus dem Holz Zwischenscheiben mit einem Innendurchmesser von 8 mm und einem Außendurchmesser von 16 mm.
Dadurch lassen sich die Zeiger besser drehen. Beim Mondzeiger benutze ich zwei Scheiben da sonst die Mondkugel am Sonnenzeiger schleift.
Beim Zifferblatt habe ich die Temporalen Stunden (gleiche Stunden) weggelassen. Der Nachtbereich ist beim Original schwarz und die 24 Stunden Skala (2 mal 12 Stunden) grün.
Dafür sind die einzelnen Linien zur Orientierung beschriftet. Unten am Zifferblatt befindet sich eine Beschriftung mit dem aktuellen Datum der Erstellung.
Rechts ist ein koloriertes Bild mit den folgenden Farben, damit die Zuordnung der Linien besser erkannt werden kann. (Tipp, Rechte Maustaste, dann Grafik in neuem Tab öffnen)
| Rot | Horizont | Sonnenaufgang / Sonnenuntergang wenn der Sonnenzeiger zwischen der Nachtseite und der Tagseite wechselt |
| Blau | Längster Tag | Der kleinere Ring repräsentiert den längsten Tag |
| Blau gepunktet | Längster Tag Sonnenstellungen | Die blaue gepunktete Linie zeigt den Sonnenstand am längsten Tag. Die Sonne geht ca. um 4 Uhr auf und um 20 Uhr unter. |
| Gelb | Tag und Nachtgleiche | Der mittlere Ring repräsentiert den die Tag und Nachtgleiche. |
| Gelb gepunktet | Tag und Nachtgleiche Sonnenstellungen | Die gelbe gepunktete Linie zeigt den Sonnenstand zur Nachtgleiche. Die Sonne geht ca. um 6 Uhr auf und um 18 Uhr unter. |
| Grün | Kürzester Tag | Der äußere Ring repräsentiert den kürzesten Tag |
| Grün gepunktet | Kürzester Tag Sonnenstellungen | Die grün gepunktete Linie zeigt den Sonnenstand am kürzesten Tag. Die Sonne geht ca. um 8 Uhr auf und um 16 Uhr unter. |
| Rosa | Meridian am Rathaus | Der Meridian ist eine gedachte Linie die vom Nordpol über das Rathaus zum Südpol führt und damit der Ort an dem die Sonne genau um 12 Uhr lokale Zeit steht. |
| Schwarz | Himmelsrichtungen | Angabe der Himmelsrichtungen N, S, O, W mit Süden oben am Zifferblatt. |
Es sind noch 6 zusätzlichen Löcher außerhalb der 24 Stunden Skala. Sie sind später hinter dem Tierkreis. Mit diesen kann das Modell aufgehängt oder mit einem Aufsteller ins Regal wandern.
Der Tierkreis Zeiger ist auch stark vereinfacht. Für die Tierkreiszeichen habe ich nicht die Figuren des Originals verwendet sondern die International gültigen Abkürzungen der astronomischen Sternbilder.
Da diese nicht jedem geläufig sind steht unter jeder Abkürzung der Name des Tierkreiszeichens in deutscher Sprache.
Für mich war es einfacher die Grenzen der jeweiligen Tierkreis Zeichen auf den Datumsring zu übertragen. Es wäre auch nicht möglich den Datumsring mit der originalen Datums-Beschriftung zu designen.
Dafür ist die Schrift auf dem Original zu fein. Alternativ habe ich das Start Datum des jeweiligen Tierkreiszeichens auf den Datumsring geschrieben.
Zur Übersicht befindet sich außen am Zeiger der jeweilige Monat. Da der Wechsel der Tierkreiszeichen nicht mit dem Start des jeweiligen Monats übereinstimmt,
ist der Monat auf der linken Seite der Tierkreiszeichen angeordnet.
Rechts ist ein koloriertes Bild mit den folgenden Farben, damit die Zuordnung der Linien besser erkannt werden kann. (Tipp, Rechte Maustaste, dann Grafik in neuem Tab öffnen)
| Blau | Tierkreiszeichen | Die Tierkreiszeichen sind durch die International gültigen Abkürzungen und Namen der astronomischen Sternbilderdargestellt. |
| Orange | Monate | Außen sind die Monate angeordnet. Die Grenzen der Monate stimmen nicht mit den Grenzen der Tierkreiszeichen überein. Daher sind sie vereinfacht auf der linken Seite der Tierkreiszeichen angeordnet. |
| Rot | Frühlingspunkt Herbst | Wenn der Sonnenzeiger über der Frühlingspunkt Strebe oder der Herbst Strebe steht ist Tagundnachtgleiche. |
| Rot | Sonnenwenden | Wenn der Sonnenzeiger über der Sommer Strebe oder der Winter Strebe steht haben wir den längsten bzw den kürzesten Tag. (Solstitium) |
| Grün | Start Datum | Start Datum der Tierkreiszeichen auf dem Datumsring. Im Original sind auf dem Datumsring alle Monat mit allen Tage aufgetragen. Das ist bei dem Modell nicht möglich. |
Der Drachenzeiger hat mich doch einige Nerven gekostet. Die Umrisse in FreeCAD zu erzeugen ist alles andere als einfach. Ich habe dann irgend wann mal aufgegeben.
Der Schwanz ging ja noch recht gut aber der Körper hat nie gut ausgesehen. Jetzt hat der Drachenzeiger halt einen schönen Schwanz aber der Körper ist ein schlichter Zeiger.
Tut ja der Funktion keinen Abbruch.
Der Drachenzeiger ist von den Abmessungen her fast original. Nur die Länge ist länger als beim Original.
Der Sonnenzeiger ist von den Abmessungen her fast original. Nur die Länge ist länger als beim Original. Dadurch befindet sich die Sonne fast vollständig über dem Tierkreis. Dadurch können die Funktionen besser abgelesen werden.
Der Mondzeiger ist von den Abmessungen her fast original. Nur die Länge ist länger als beim Original. Dadurch befindet sich Der Mond fast vollständig über dem Tierkreis.
In das Loch des Mondzeigers kann eine Mondphasen Kugel eingebaut werden. Das Loch ist für eine Holzkugel bis 15 mm Durchmesser ausgelegt. Ich benutze 10 mm und 15 mm Holzkugeln.
Ich bohre seitlich ein Loch mit einem 1 mm Bohrer in den Zeiger und benutzen eine 0,8 mm Draht als Achse. Nach dem Auffädeln der halb schwarzen Kugel fixiere ich die Achse mit etwas Kleber.
Weiter unten können alle erforderlichen Dateien heruntergeladen werden die notwendig sein das Model zu erzeugen.
Das Model wurde mit FreeCAD 1.x erstellt. FreeCAD ist eine Comunity Software die kostenlos ist und annähernd jedem Betriebssystem zu installieren ist.
Es gibt auch im Internet sehr viele Hilfedateien, Anleitungen und Lernvideos. Tolles Programm das mehr kann als ich! :-)
FreeCAD hat keine eigenen Schriftdateien sondern benutzt externe Fonts oder die Fonts des jeweiligen Betriebssystems.
Um Probleme mit verschiedenen Schriftarten zu vermeiden befindet sich im Verzeichnis der Open Font File FreeSansBold.otf.
Dieses wird wie die TTF Fonts von allen Betriebssystemen akzeptiert.
Wenn man zwischen verschiedenen Betriebssystemen oder PCs wechselt sollte der Font im Verzeichnis der FreeCAD Zeichnung sein sonst hatte ich Probleme mit Pfaden.
Um die Ausgabe Vektordateien für Fräser und Lasercutter zu erzeugen muss die Zeichnung (Sketch) zusammen mit den Schriften (ShapeString) selektiert werden.
Danach kann im Menü unter Datei | Exportieren... eine CSV oder DXF Datei erzeugt werden.
ich bevorzuge das DXF Format da dort auch die Maßeinheit (mm) enthalten ist.
Aktuell sind die Zeichnungen auf einen Lasercutter ausgelegt. Der Unterschied zu Dateien für eine Fräse sind gering.
Bei einem Loch von 8 mm erzeugt der Laser ein Loch von ca. 8,3 mm da hier die halbe Strahlbreite dazu kommt.
Der Laser folgt dem Pfad mittig. Das umgehe ich indem ich das Loch in FreeCAD mit 7,7 mm definiere.
Die Beschriftungen sind auch beim Laser viel einfacher, da dürften Fräsen und 3D-Drucker Schwierigkeiten bekommen.
| FreeCAD CAD Dateien | |
|---|---|
| 1_Astrouhr_Ulm_Zifferblatt.FCStd | CAD Datei für das Zifferblatt |
| 2_Astrouhr_Ulm_Tierkreis_Lasern.FCStd | CAD Datei für den Tierkreis Zeiger |
| 3_Astrouhr_Ulm_Drachenzeiger.FCStd | CAD Datei für den Drachen Zeiger |
| 4_Astrouhr_Ulm_Sonnenzeiger.FCStd | CAD Datei für den Sonnen Zeiger |
| 5_Astrouhr_Ulm_Mondzeiger.FCStd | CAD Datei für den Sonnen Zeiger |
| 6_Astrouhr_Ulm_Abstandsscheibe.FCStd | CAD Datei für die Zwischenscheiben zwischen den Zeigern |
| 7_Stütze.FCStd | CAD Datei für FreeCAD für eine Stütze, ausgelegt für einen 3D-Drucker |
| FreeSansBold.otf | Font Datei für FreeCAD um unabhängig vom Betriebssystem zu sein |
Aus freeCAD können Vektor Dateien erzeugt werden als Dateien die in CAM Geräten wie Lasercutter oder CNC Fräsen zur Bearbeitung eingelesen werden können
| FreeCAD erzeugte Vektor Dateien | |
|---|---|
| 1_Astrouhr_Ulm_Zifferblatt_Lasern.dxf | Vektor Datei für das Zifferblatt |
| 2_Astrouhr_Ulm_Tierkreis_Lasern.dxf | Vektor Datei für den Tierkreis Zeiger |
| 3_Astrouhr_Ulm_Drachenzeiger_Lasern.dxf | Vektor Datei für den Drachen Zeiger |
| 4_Astrouhr_Ulm_Sonnenzeiger_Lasern.dxf | Vektor Datei für den Sonnen Zeiger |
| 5_Astrouhr_Ulm_Mondzeiger_Lasern.dxf | Vektor Datei für den Sonnen Zeiger |
| 6_Astrouhr_Ulm_Abstandsscheibe_Lasern.dxf | Vektor Datei für die Zwischenscheiben zwischen den Zeigern |
| 7_Stütze.3mf | 3D Volumenmodell für die Stütze, Kann direkt in den 3D-Drucker Slicer geladen werden |
Ich schneide die Modelle mit dem Lasercutter X-Tool S1. Als Software benutze ich die frei herunterladbare Software xTool Studio für Windows.
xTool Studio habe ich auch meinem Laptop installiert. So kann ich alles daheim vorbereiten.
Im Makerspace wechsle ich das USB Kabel zu meinem Laptop und steuere den Lasercutter dann mit meinem PC.
Die Dateien für xTool Studio haben die Endung XCS und enthalten alles um das Model zu schneiden.
| xTool Studio Dateien | |
|---|---|
| 11_Zifferblatt_Lasern_X-Tool.xcs | xTool Studio Datei für das Zifferblatt |
| 12_Tierkreis_Lasern_X-Tool.xcs | xTool Studio Datei für den Tierkreis |
Lasercutter benutzen starke Laser und damit gefährliche Laser deshalb ist es erforderlich sich vor der Benutzung einzuarbeiten
| X-Tool Laser Bearbeitung | |
|---|---|
| Holz | Pappel Sperrholz Bauhaus |
| X-Tool Holzauswahl | Walnuss Sperrholz 3mm |
| Liniengravur | 30 %, 50 mm/s |
| Schnitt | 100 % 10 mm/s |
| Gravieren | 30 %, 200 mm/s |
Download der Dateien des Holz Models der Ulmer Astronomischen Uhr am Rathaus
| Benötigte Teile für das Modell | |
|---|---|
| Holz Zifferblatt | 1 x A3 oder 300mm x 300 mm Sperrholzplatte. Ich verwende 3mm Sperrholz wenn ich die Stütze anschraube und das Modell hinstelle. Eine Dicke von mindestens 8 mm würde ich bei Wandmontage verwenden um die Achse sicher einkleben zu können. Die Löcher im Zifferblatt hinter dem Tierkreis sind 111 mm von der Achse und oben 30 mm aus der Mitte. |
| Holz Tierkreis | 1 x A3 Sperrholzplatte. Die Qualität je nach belieben und Festigkeit. Billiges Pappelholz, Birke oder teureres Flugzeugsperrholz. Eventuell müssen die Laserschnitt Daten angepasst werden |
| Achse | 8 mm Dübelstange oder Rundstange für die Achse mit 55 mm Länge |
| Schrauben | 2 Holzschrauben 3 mm x 12 mm Senkkopf zum Befestigen des Zifferblatts an der Stütze. Eventuell vor dem Einschrauben in die Stütze warm machen und nicht allzu stark anziehen. Eventuell Schraubenlöcher im Zifferblatt etwas ansenken. |
| Gummiring | O-Ring mit 7 mm Innendurchmesser um die Zeiger zusammen zu halten. Der O-Ring wird als letztes auf die Achse geschoben |
| Mondkugel Bohrer | Bohrer 1 mm um von der Seite her ein Loch in den Mondzeiger zu bohren um danach dort die Achse zu installieren. |
| Mondkugel Achse | Draht mit ca 0,8 mm. Findet man in Blumenläden, Baumärkten, .. Draht einschieben und danach mit Kleber fixieren. Eventuell leicht verbiegen um die Achse zu klemmen. |
| Mondkugel | Holzkugel mit 10 mm oder 15 mm Loch. Die Holzkugel halbseitig schwärzen (Edding). |
Beim Zusammenbau einfach nach dem Zifferblatt jeweils immer eine Zwischenscheibe zwishen die Zeiger auf die Achse schieben. bei einer 10 mm Mondkugel reicht eine Zwischenscheibe, bei einer 15 mm Mondkugel sind zwei Scheiben besser.
Ich würde mich freuen wenn Leute die das Uhrenmodell nachbauen, mich auf dem Laufenden halten und hinweisen was man an dieser Seite verbessern kann.
Sonst machen andere Nachbauer eventuell die selben Fehler.
Meine Mail Adresse finden Sie auf der Kontakt Seite unter Ersteller.
Falls Sie Material von dieser Seite in Ihren Arbeiten verwenden, senden Sie mir doch bitte eine Kopie.
Die Dateien für die Reproduktion des Holzuhrenmodels sind für Privatpersonen erwünscht und frei.
Bei monetarisierenden Vervielfältigung die über den Materialwert hinausgeht möchte ich gerne am Umsatz oder Gewinn beteiligt werden. Ausnahmen bitte genehmigen lassen.
Einige Definitionen sind aus Wikipedia entnommen. Dies Stellen sind gekennzeichnet und dafür gilt die entsprechende Lizenz von Wikipedia.