Handmade Rotating Orrery / Käsintehty Pyörivä Planetaario

I made this Orrery as a course project at the University of Turku, Finland. A small motor, together with bearings and rubber bands, rotates eight planets (+the Sun and Pluto). A laser cutter and 3D printer have been used in this project.

Pienoismalliplanetaario on Turun yliopiston "Digitaalinen mallintaminen ja älykkäät tuotteet 2021-2022"-opintojaksolla tekemäni kurssityö, jossa yhdistyy aurinkokunta, älykkäät käsityökoneet (laserleikkuri, 3D-tulostin) pyörimisliike sekä kierrätys.

Planetaariossa olen pyrkinyt havainnollistamaan planeettojen pyörimisnopeuksia toisiinsa nähden, muuttamalla keskiakselin väkipyörien kokoa. Lisäksi planetaarioni antaa osviittaa planeettojen kokoon suhteessa toisiinsa. Planeettojen pyörimissuunnat tai niiden suhteellinen etäisyys auringosta tai toisistaan ei ole realistinen.

Planetaariosta oppilastyö:

Planetaario on mekanismiltaan melko yksinkertainen, mutta osien tekeminen vaatii tietoa ja taitoa käyttää koneita, kuten laserleikkuria ja 3D-tulostinta sekä niihin liittyviä ohjelmointisovelluksia. Lisäksi tarvitaan pylväsporakonetta, sekä juotinasemaa. Täten työ soveltuu parhaimmin 9-luokan, lukion ja harrastelijoiden projektiksi. Planetaarion valmistaminen kaikkine planeettoineen vaatii mahdollisesti liikaa aikaa peruskoulussa tehtäväksi. Planetaariosta saa kuitenkin mainion oppilastyön vähentämällä planeettojen määrää.

Ehdotus oppilastyöstä: Planetaarion voisi toteuttaa oppiaineiden rajat ylittävänä projektina esimerkiksi maantieteen tai yläasteen valinnaisaineen, tähtitieteen, kanssa. Oppilaat tutustuisivat yhteen valitsemaansa planeettaan tarkemmin tähtitieteentunnilla tekemällä planeetasta esimerkiksi posterin tai esitelmän. Käsityöntunnilla he rakentaisivat planetaarion, jossa olisi vain aurinko ja oppilaan valitsema planeetta. Näin työtuntimäärä vähenisi huomattavasti ilman, että työn juju tai tekniikoiden ottaminen haltuun kärsisi. Tällä tavoin voitaisiin myös lisätä digitaalista ohjelmointia työhön esimerkiksi Micro:bitin avulla.

Tekijä: Roosa Holvitie, 20, toisen vuoden käsityönopettajaopiskelija (Rauman OKL)

Supplies

Tarvikkeet:

- Laservaneria/ Laser Plywood (3mm vahvuista)

- Laservaneria/ Laser Plywood (6mm vahvuista)

- Pyöröpuuta / Wood Round Bar (8mm vahvuista, n 190 cm) --> planeettojen akseleihin

- Kupariputkea / Copper Tube (12mm, n 25cm) / Tai vaihtoehtoisesti 12mm pakuista pyöröpuuta --> keskiakseli (auringon akseli)

- Kuminauhoja / Rubber Bands

- Alusta / Wooden Base (tässä työssä käytetty IKEAN pyörivää Snudda-puutarjontinta: https://www.ikea.com/fi/fi/p/snudda-pyoerivae-tar... Voit myös tehdä alustan itse.

- Kuulalaakereita / Bearings : 8kpl 22x8x7mm kuulalaakereita + 1kpl 32x12x10mm (panosta laakereissa laatuun)

- Joulupalloja / Christmas Balls planeettoihin:

• Maa, Mars: halkaisija 3cm
• Merkurius, Venus: halkaisija 4 cm
• Saturnus, Uranus, Neptunus: halkaisija 5 cm
• Jupiter: halkaisija 6 cm
• Aurinko: halkaisija 8 cm

- Maalia / Paint planeettojen ja alustan maalaamiseen (Tässä työssä käytetty Schjerning Acryl Satin maaleja) Alustan maalaamiseen voi käyttää myös spray-maalia. Voit käyttää spray-lakkaa alustan ja planeettojen viimeistelyyn.

- Liimaa /Glue (pikaliima tai 2-komponentti liima)

- USB-kaapeli/puhelinlaturi / USB-chabel (Phone Charger)

- Moottori / Motor (Tässä työssä oleva moottori soveltuu 2 mm akselille. Käyttöjännite: 3 - 6 VDC Välityssuhde: 200:1 Koko: pituus 64 mm, leveys 22,5 mm, korkeus 19 mm Akseli: kahdelta sivulta viistottu 5,4 mm x 3,65 mm)

- Painokatkaisin /Push Button (10mm On/Off)

https://www.kouluelektroniikka.fi/tuote/elektronii...

Koneet/Machines:

• 3D tulostin(3D cutter) Saturnuksen renkaaseen
• Laserleikkuri (Laser cutter) väkipyörien ja moottorikopan tekemiseen
• Juottoasema johtojen juottamiseen
• Pylväsporakone (column drilling machine) laakereiden upotusten tekemiseen (22mm oksaporanterä ja 32 mm reikäporan terä)
• Akkuporakone (Cordless drill) (2-5mm terä + 8mm terä)

Muut välineet / Other supplies: Harppi(compass) viivain(ruler), pensseleitä(paint brush), viila(wood file), puukko(knife), hiomapaperi (sand paper) (mahdollisesti japaninsaha ja metallisaha)

Step 1: Suunnitelma/Plan

• Planetaarion käsivaraisluonnos

Step 2: Planeettojen Maalaus /Painting the Planets

Maalaa planeetat erikokoisille joulupalloille akryylimaaleilla. (Maalit: Schjerning Acryl Satin)

Kun maalipinta on kuivunut viimeistele planeetat kiiltävällä spray-lakalla (Maston, Hobby-spraymaali). Näin planeetat saavat "lasisen" pinnan.

HUOM! Käytä hengityssuojainta, suojakäsineitä ja suojalaseja sprayatessa, ettei lakkaa mene elimistöön.

Joulupallojen koot:

• Maa, Mars: halkaisija 3cm
• Merkurius, Venus: halkaisija 4 cm
• Saturnus, Uranus, Neptunus: halkaisija 5 cm
• Jupiter: halkaisija 6 cm
• Aurinko: halkaisija 8 cm

Step 3: Akselit/Shafts

• Sahaa pyöröpuusta haluamasi mittaiset akselit planeetoille (Tässä n. 23 cm)
• Ohenna tikkujen päätä puukolla, jotta saat planeetan sopimaan tikun nokkaan
• Maalaa akselit halutessasi
• Keskiakseli: sahaa kupariputkesta/metalliputkesta/puupyörörimasta n. 25 cm

Step 4: Saturnuksen Renkaan Tulostaminen 3D-tulostimella/3D-printing Saturn's Circle

Tulostetaan Saturnukselle rengas 3D-tulostimella.

• Mallinna Tinkercadissa sopivan kokoinen rengas Saturnuksen halkaisijaan nähden. (Tässä halkaisija 70 mm, reiän halkaisija 66mm, paksuus 1mm)
• Vie 3D-tulostimen yhteydessä toimivaan ohjelmaan (Tässä Cura)
• Tulosta rengas
• Maalaa rengas halutessasi
• Kiinnitä rengas Saturnukseen seuraavasti: pistä ohuella neulalla reiät Saturnukseen ja ujuta rautalanka Saturnuksen läpi. Aseta Saturnuksen rengas lepäämään rautalankojen päiden päälle ja liimaa pikaliimalla kiinni.

Step 5: Laserilla Osat Keskusväkipyörään/Cutting Pulleys With Laser

• Keskusväkipyörä koostuu laserilla leikatuista kiekoista, jotka liimataan päällekkäin ja pujotetaan keskiakseliin (Auringon tolppaan)

• Piirrä CorelDrawilla tai Inkscapella kuvan mittojen mukaiset ympyrät. (Kokoamisvaiheessa kaikkia kuvien ympyröitä ei tarvittu, silti on hyvä olla muutama ylimääräinen)

• Ympyröiden keskireiän halkaisija määräytyy laakerin ja auringon tolpan (keskiakselin) mukaan, eli 12mm. Ohuemmasta laservanerista (3mm) leikatut ympyrät ovat "väliseiniä" väkipyörien välissä, estäen kuminauhojen luisumisen pois paikaltaan.

Step 6: Laserilla Osat Planeettojen Väkipyöriin/Cutting Pulleys With Laser

Keskusakselista lähtevät kuminauhat tarvitsevat pyöriäkseen vastaväkipyörät, jotka kiinnitetään planeettojen akseleihin (pyöröpuutikut) Myös nämä väkipyörät leikataan laservanerista.

• Piirrä Inscapella tai Coreldrawilla 16 kpl halkaisijaltaan 20 mm kokoisia ympyröitä, joiden keskireiän halkaisija on 8mm (pyöröpuun paksuus) Leikkaa nämä ympyrät 3mm vahvuisesta laservanerista.
• Piirrä Inscapella tai Coreldrawilla 8 kpl halkaisijaltaan 15 mm kokoisia ympyröitä, joiden keskireiän halkaisija on 8mm (pyöröpuun paksuus) Leikkaa nämä ympyrät 6 mm vahvuisesta laservanerista.

HUOM! Suosittelen tekemään aina muutaman ylimääräisen kappaleen, sillä nämä pienet osat menevät helposti hukkaan.

Step 7: Moottorikopan Valmistaminen Laserilla/ Box for the Motor

Moottoria ei haluta näkyviin tässä työssä, joten sille tehdään suojakotelo laserilla. Tein kopan 3mm vahvuisesta laservanerista.

• Etsi netistä laserilla työstettävän laatikon ohjelmointisivu. Esimerkiksi MakerCase on hyvä ja yksinkertainen. (
• https://www.makercase.com/#/basicbox)
• Syötä sopivat mitat moottoriin nähden (tässä 80x35x50mm)
• Tallenna tiedosto DFX-muodossa

HUOM! Kun viet laatikon RDWorksiin tai Lightburniin muokataksesi tehot ja nopeudet sopivaksi, POISTA laatikon osissa olevat tekstit "bottom", "top" jne. mikäli et halua laserin leikkaavan tai skannaavan niitä laatikkoosi.

Jos tiedät, mistä kohdasta haluat kaapelin tulemaan ulos (tässä: päätysivun alaosa), voit leikata laserilla kolon kaapelia varten. Myös katkaisijaa ja moottorin akselia varten voit tehdä aukot jo tässä vaiheessa. Reiät voidaan tehdä myös myöhemmin porakoneella.

Step 8: Johtojen Juottaminen Moottoriin/Soldering

Tässä planetaariossa moottori saa virtaa USB-kaapelia pitkin, joka on kytketty puhelimen laturin muuntajaan.

• Kuori USB, johdosta näkyviin sisäjohdot. Käytä punaista ja mustaa. Kuori myös näistä johdoista suojamuovia pois n. 5 mm, niin että metalliset johdonpäät näkyvät.
• Voit pujottaa johtoihin kutistesukat, jotka vedät mahdollisimman lähelle juottokohtaa, kun johdot on juotettu. Kutistemuovit suojaavat johtoja osumasta toisiinsa estäen näin oikosulun.
• Juota johdot kiinni moottorin kuparinapoihin (Johtojen järjestys napoihin vaikuttaa pyörimissuuntaan. Voin kokeilla pyörimissuunnan jännitemittarin ja johtojen avulla. Anna jännitemittarista virtaa max. 5 volttia. Tämä moottori ei kestä enempää)

(Juottamisjärjestys muuttui työn edetessä hieman, kun halusin liittää katkaisijan virtapiiriin. Irrotin siis punaisen johdon moottorista ja liitin sen katkaisijaan sokeripalakiristyksellä. Katkaisijasta jatkoin johtoa edelleen moottoriin. Katkaisijan liittäminen ei ole välttämätöntä)

• Teippaa tai liimaa johdot kiinni moottoriin vetosuojaksi, jotta juotetut päät eivät irtoa, vaikka johdosta vedettäisiin

HUOM! Ole varovainen kuuman juottokolvin kanssa. Käytä suojalaseja.

Step 9: Moottorilaatikon Kokoaminen/Assembling the Box

• Tee laatikkoon reiät johdolle, moottorin akselille ja katkaisijalle, jos et tehnyt niitä laserilla.
• Aseta moottori laatikon sisälle ja kiinnitä se laatikkoon esimerkiksi ruuvaamalla tai liimaamalla. HUOM! Moottori tulee olla tukevasti kiinni laatikossa, se ei saa päästä liikkumaan.
• Liimaa laatikon sivut kiinni pohjaan. Kannen voit jättää liimaamatta mahdollisia huoltotarpeita varten.
• Moottorin akseliin kiinnitin ompelukoneen alalankapuolan, joka toimii oikein hyvänä ja kestävänä väkipyöränä.

Step 10: Kiertoratojen Ja Komponenttien Merkitseminen Alustaan/ Marking the Places for the Components

• Piirrä harpilla planeetoille kiertoradat, sekä merkitse planeetoille sopivat paikat piirtämällä ympyrät planeettojen laakereita apuna käyttäen. Ota tässä huomioon tulevien kuminauhojen vapaa liikkumatila. Aseta planeetat siis tarpeeksi kauas toisistaan. Vältä niiden laittamista "jonoon" suhteessa keskiakseliin.
• Merkitse myös moottorin paikka

Step 11: Upotukset Laakereille/Drilling Holes for the Bearings

Halusin laakerit mahdollisimman näkymättömäksi osaksi työtäni. Siksi upotin laakerit alustan alle.

• Poraa akkuporakoneella pienet läpireiät merkitsemiesi planeettojen kohtien keskipisteistä. Näiden reikien avulla pystyt kohdistamaan upotuskohdat alustan alapuolelle poratessa. (Näistä rei'istä porataan lopuksi läpireikä 8 mm poranterällä)
• Siirry pylväsporakoneelle. Tee planeettojen laakereiden upotukset 22mm oksaporalla. Nämä reiät porataan alustan alapuolelle, eivätkä ne tule läpi, jotta laakerit jäävät piiloon.
• Säädä poran syvyys sopivaksi 7-9 mm syvyys riittää. Kokeile porata ensin koepalaan.
• Kiinnitä alusta hyvin koneeseen, jonka jälkeen voit porata upotukset.
• Tee upotus myös keskiakselille käyttämällä 32 mm oksaporaa tai reikäporaa.
• Kun kaikki upotukset on tehty, poraa vielä akkuporakoneella tai pylväsporakoneella 8 mm läpireiät planeettojen upotuksiin. (Jos teit oksaporalla keskiakselin upotuksen, poraa 12-13 mm läpireikä myös siihen) HUOM! Poraa nyt alustan päällyspuolelta alapuolelle. Näin alustan päällyspuoli säilyy siistimpänä)

Step 12: Kiertoratojen Jäljentäminen Veitsellä/ Marking the Orbits With Knife

• Ennen alustan maalausta, jäljennä kiertoradat kevyesti puukolla, jotta voit nähdä ja maalata ne pohjavärin jälkeen.

Step 13: Alustan Maalaaminen/Painting the Base

• Maalaa alusta haluamasi näköiseksi ja väriseksi.

Step 14: Planetaarion Kokoaminen/Assembling the Orrery

Keskiakselin kokoamisessa tulee ottaa huomioon moottorin pyörittämä väkipyörä. Planetaario halutaan saada pyörimään rauhallisesti, joten keskiakselin suurimman väkipyörän tulee osua moottorin korkeudelle. Muuten järjestystä ei rajoita muutakuin sopivien välikappaleiden (3mm paksuisten renkaiden) riittävyys.

Ota huomioon planeettojen pyörimisnopeus päättäessäsi keskiakselin väkipyörien järjestystä planeettoihin nähden. Koska planeettojen väkipyörät ovat kaikki samankokoisia, keskiakselin väkipyörät määrittävät planeettojen pyörimisnopeuksia. --> Mitä suurempi väkipyörä keskiakselissa, sitä nopeampaa planeetta pyörii. Vastaavasti mitä pienempi väkipyörä keskiakselilla, sitä hitaampaa siihen yhteydessä oleva planeetta pyörii.

Kokoa väkipyöriä pala palalta. Aina kun saat yhden kerroksen valmiiksi keskiakselilla, voit jo määrittää planeetan akselin väkipyörän korkeuden. Tätä varten liimaa planeetan akseli laakeriin ja laakeri akseleineen alustaan. HUOM! VARO LIIMAA JOUTUMASTA LAAKERIN SISÄLLE) Kun planeetan akseli on paikallaan, aseta kuminauha keskiakselin väkipyörästä planeetan akselille, niin, että kuminauha on täysin vaakatasossa. Merkitse merkki planeetan akselille, jonka jälkeen liimaa planeetan väkipyörä oikealle paikalleen. Jatka näin, kunnes jokainen akseli ja väkipyörä on paikallaan.

Liimaa lopuksi planeetat.

Step 15: Valmis Planetaario!/Finished Orrery!

Kaikki osat ovat nyt paikallaan! Planetaario on VALMIS. Laita johto seinään ja napsuata planeetat pyörimään:)

Kiitos mielenkiinnosta!

Step 16: Micro:bit (Vapaaehtoinen/Optional)

You can also use a Micro:bit, a motor driving board, and a battery to make the motor spin.

Planetaario voi saada virtaa myös ohjelmoidun Micro:bitin, Motor:bitin (motor driving board) ja pariston/virtalähteen avulla. Tällöin Micro:bitti ohjelmoidaan antamaan käskyjä Motor.bitille, joka puolestaan kuljettaa virtaa moottorille käskyjen mukaan ja saa sen pyörimään.

Micro:bitin ohjelmoiminen:

• Avaa micro:bitin ohjelmointialusta (MakeCode for Micro:bit) netistä.
• Luo uusi projekti
• Valitse "Syöte" --> "Kun painiketta A painetaan"
• Valitse "Edistyneet" --> "Laajennukset" ja kirjoita hakukenttään "motor".
• Valitse "Motorbit"
• Valitse "Motorbit" --> "Move forward with speed 0" --> Vaihda nopeudeksi 100
• Valitse "Yleiset" --> "Show Leds" --> Piirrä haluamasi kuvio, joka palaa, kun moottori on päällä
• Valitse "Syöte" --> "Kun painiketta A painetaan" --> Vaihda A:n paikalle B
• Valitse "Motorbit" --> "Brake"
• Valitse "Syöte" --> "Show Leds" --> Piirrä haluamasi kuva, kun moottori on pois päältä
• Lataa koodaus microbittiin USB-johdon avulla.

• Kiinnittä Micro:bit Motor:bit alustaan.
• Liitä myös paristo ja moottori johdoilla kiinni Motor:bit alustaan
• Moottorin pitäisi pyöriä, kun painat nappia A ja pysähtyä painaessasi nappia B. Led-valo kuvio tulisi myös vaihtua sen mukaan onko moottori pysähdyksissä vai liikkeessä.

Step 17: Opettajan Muistilista

• Hyödynnä netistä löytyviä ilmaisohjelmia laserilla tehtävään laatikkoon
• Panosta laakerien laatuun
• Pilko työ osakokonaisuuksiin: Suunnittelutunti, maalaustunnit, laser-tunnit, 3D-tunnit, juottamistunnit, kokoamistunnit
• Eriyttäminen on mahdollista --> nopeammat oppilaat voivat tehdä useampia planeettoja tai panostaa maalaamiseen sekä ohjelmointiin enemmän. Micro:bittiä on mahdollista ohjelmoida pidemmälle. Hitaammat oppilaat voivat keskittyä yhteen planeettaan.
• Työhön tulee varata vähintään 20h