1. Basketball-Spiel mit Linearachse

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Betreuer Prof. Dr. M. Wibbeke & Marc Ebmeyer

Wintersemester 25/26

Autor: Tim Hane, Marius Hoffknecht, Philipp Wahl

Einleitung

Im Rahmen des Praktikums „Produktionstechnik“ im Studiengang Mechatronik mit dem Schwerpunkt „Produktionstechnik- und Management“ soll ein Projekt der praktischen Automatisierungstechnik mit Hilfe einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)-Anlage realisiert werden. Konkret befasst sich dieses Projekt mit einer Schrittmotorachse, welche von einer Siemens Simatic SPS in Kombination eines HMI angesteuert wird. Dies ist die Hardware für das Spiel "Basketball mit Linearachse". An die Linearachse wird ein Basketballkorb angebracht. Die Linearachse soll dann von der SPS-Steuerung bewegt werden und der Spieler muss versuchen, einen kleinen Ball mit einem Ballwurfgerät so abzuschießen, dass der Ball durch den Basketballkorb fällt.

Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Das System besteht aus einer Linearachse mit einem daran befestigten Basketballkorb. Der Schrittmotor bewegt die Linearachse und das System wird über eine SPS gesteuert. Die Hauptfunktionen umfassen die Bewegungssteuerung mit definierten Fahrprofilen (Positionierung und Geschwindigkeitssteuerung) und die Spiel-Logik mit Start/Stop und verschiedenen Schwierigkeitsgraden. Das HMI ermöglicht eine benutzerfreundliche Bedieunung des Systems.

Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf gibt Aufschluss über die Daten und Signale, welche die Systemkomponenten benötigen bzw. genieren, empfangen oder aussenden. Die SPS verarbeitet digitale und analoge Signale und übermittelt dem GeckoDrive ein Step- (Schrittanzahl) und Directionsignal (Drehrichtung). Diese Signale dienen zur Ansteuerung des Motors. Die Drehsignale des Encoders werden im RS422-Protokoll ausgegeben.

Komponentenspezifikation

Die Schnittstellen, Aufgaben und Spezifikationen der ausgewählten Bauteile werden in der Komponentenspezifikation beschrieben. In diesem Projekt wurden folgende Komponenten verbaut und genutzt (Auszug aus den Datenblättern):

Hardware:

Komponenten der SPS

SPS-Aufbau

Netzteil (6)	SIMATIC ET 200SP (T.Nr. 6EP7133-6AE00-0BN0)
Steuerung (1+2)	SIMATIC CPU 1515SP PC2 (T.Nr. 6ES7677-2DB40-0AA0)
Mensch-Maschinen Schnittstelle	SIMATIC HMI Comfort Panel (T.Nr. 6AV2-124-0GC01-0AX0)
Analoges Eingangsmodul (3)	T.Nr. 6ES7134-6HB00-0DA1
Analoges Ausgangsmodul (4)	T.Nr. 6ES7135-6HB00-0DA1
Digitales Eingangsmodul (5)	T.Nr. 6ES7131-6BF00-0CA0
Digitales Ausgangsmodul (6)	T.Nr. 6ES7132-6BF00-0CA0

• SIEMENS Hutschiene
• Widerstände 1,2 kOhm um die Eingänge des GeckoDrive mit den Ausgängen der SPS beschalten zu können

Schrittmotortreiber: GeckoDrive G201X

Eingangsspannung	18-80 VDC
maximale Stromaufnahme des angeschl. Motors	7 A
Induktivität des Motors	1-50 mH
Eingangsfrequenz des Step-Input	0-200 kHz
Spannung der Inputs	3,3-5 VDC
Inputs	Spannungsversorgung, Disable, Direction, Step, Common, Current Set
Outputs	Winding A+B (1 Schrittmotor)

• Netzteil für den GeckDrive: Tisch- und Wand-Festspannungsgeräte Serie PS-500 (PS 524-05 R)

Schrittmotor: Igus NEMA 23 MOT-AN-S-060-020-056-L-D-AAAD

Nennspannung	24-48 V DC
max. Eingangsspannung	60 V DC
Nennstrom	4,2 A
Haltemoment	2,0 Nm
Schrittwinkel	1,8°
Widerstand pro Phase	0,5 Ω ± 10%
Induktivität pro Phase	1,9 mH ± 20%
Pin 1	Signal A/ (braun)
Pin 2	Signal A (weiß)
Pin 3	Signal B/ (blau)
Pin 4	Signal B (schwarz)
Pin 5	PE

Encoder

M12 8-polig	5 V DC
Impulse/Umdrehung [1/min]	500
Index	Ja
Line Treiber	RS422 Protokoll
Pin 1	Signal A (weiß)
Pin 2	Signal A/ (braun)
Pin 3	Signal B (grün)
Pin 4	Signal B/ (gelb)
Pin 5	0V (grau)
Pin 6	Signal N/ (rosa)
Pin 7	Signal N (blau)
Pin 8	5V DC (rot)

• Netzteil für den Encoder: Mean Well DR-15-5 Hutschienen-Netzteil (DIN-Rail) 5 V/DC 2.4 A 12 W 1

Bremse

M8 3-polig	24 V DC
Leistung	8 - 11 W
Haltemoment	0,4 - 2,0 Nm
Massenträgheitsmoment	0,01 - 0,07 kgcm²
Pin 1	Signal Bremse (24V) (braun)
Pin 2	Signal 0V (blau)
Pin 3	Signal - (schwarz)

Software:

• SIEMENS Totally Integrated Automation Portal (TIA-Portal) Version 15.1
• Simatic Software Pack: PLC F+HMI

GeckoDrive am 24V Ausgang der SPS betreiben

Um die Eingänge des GeckoDrives nicht zu beschädigen, mussten Widerstände an den Ausgängen des digitalen Ausgangsmoduls benutzt werden. Der Wert der Widerstände wurde mit der Formel $\frac{V_{\text{PLC}}-5}{0,016}$ berechnet, was einen Widerstandswert von 1,2kOhm ergab.

Umsetzung

Hardware

Der Basketballkorb wurde per SolidWorks konstruiert und anschließend im 3D-Drucker gefertigt. Das Netz wurde gehäkelt und dann am Korb befestigt. Der Korb wurde an der Linearachse befestigt und kann somit über den Motor horizontal verschoben werden. Die Verkabelung ist von unserer Vorgängergruppe übernommen, die die Linearachse erstmals angesteuert hat. Dieser Artikel baut auf den Artikel "Ansteuerung einer Schrittmotorachse mit SPS und HMI" auf. Dort sind alle relevanten Einzelheiten zum Aufbau zu entnehmen.