Weizen Eingießanlage
Autor: Philipp Sander, Dennis Fleer
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel
Einleitung
Dieser Artikel beschreibt den Aufbau und die Funktion einer Weizenglas-Eingießanlage. Hierbei gibt es eine Halterung für die Flasche und eine für ein Glas. Beide sind jeweils an einer rotierenden Holzplatte montiert. Diese Holzplatte wird mittels Elektromotor rotiert. Über einem Drucksensor wird der Füllstand des Weizenglases ermittelt und eine optimale Einfüllung des Glases erreicht.
Anforderungen
| Nr. | Beschreibung | Bereich | Zuständig |
|---|---|---|---|
| 1 | Die Halterungen müssen an der Holzplatte befestigt werden. | Hardware | Dennis Fleer, Philipp Sander |
| 2 | Der Motor muss die Holzplatte drehen können. | Hardware | Dennis Fleer, Philipp Sander |
| 3 | Die Elektrik muss eingebaut und verkabelt werden. | Hardware | Dennis Fleer, Philipp Sander |
| 4 | Die Regelung muss durch den Kraftsensor erfolgen. | Software | Dennis Fleer, Philipp Sander |
| 5 | Der Motor muss mittels Regler angesteuert werden. | Software | Dennis Fleer, Philipp Sander |
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Im folgenden Systementwurf wird das Projekt in Systemkomponenten unterteilt:
- Arduino: In Matlab Simulink programmierte Ansteuerung des Motors und Regelung.
- Motor: Drehbewegung der Holzplattform
- Drucksensor: Kraftmessung für die Füllstandserkennung
- Regler: Füllstandsregelung des Weizenglases
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Weizen Eingießanlage Schematisch - Skizze
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Technischer Systementwurf
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Weizen Eingießanlage Regelkreis
Komponentenspezifikation
| Nr. | Bauteil | Beschreibung |
|---|---|---|
| 1 | Arduino MEGA 2560 |
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| 2 | ADM442 Motortreiber |
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| 3 | HX711 Wägezelle |
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| 4.1 | Schrittmotor ... |
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Umsetzung (HW/SW)
Hardware
Projektübersicht:
In unserem Projekt liegen die Anforderung vorrangig darin eine motorbetriebene drehbare Holzplatte zu konstruieren und dieses System mit einer geeigneten Motoransteuerung zu betreiben. In bezug auf Kosten und Gewicht haben wir uns daher für eine Holzkonstruktion entschieden. Die Holzplatte, an welcher die Halterungen für die Bierflasche und Weizenflasche sowie der Sensor befestigt ist, wird von einer Massivholzwelle getragen. Diese Welle wird mittels Lageraufständen auf einer Holzgrundplatte befestigt. Die Welle wird durch eine Riemenübersetzung mit dem Schrittmotor angetrieben.
3D Ansicht:
Baugruppen Model
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Eingießanlage - SolidWorks - Datei:MaschineBaugrp.sldasm
Motor:
Wir wollten zunächst den Motor des Arduino-Mega-Sets verwenden. Allerdings ist uns nach einer kleinen Testfahrt aufgefallen dass dieser zu wenig Haltedrehmoment aufwies. Daher haben wir auf einen ausgedienten Motor aus unsere Partnerfirma "Diebold-Nixdorf Inc." gesetzt. Dieser wird verwendet um die Treibrollenwelle des Shuttermoduls innerhalb eines Geldautomaten zu betreiben. Dieser Motor war nun auch in der Lage unsere Anforderungen zu erfüllen. Um diesen Motor zu betreieben wählten wir einen Motortreiber welchen wir ebenfalls in einem ausgediehnten Geldautomaten-System fanden.
Konstruktion:
Die Konstruktion der Halterung ist auf den ersten Blick sehr simpel. Dennoch galt es für uns die Kosten sowie das Gewicht niedrig zu halten. Daher belaufen sich fast alle Komponenten auf Holz und Kunststoff. Für die meisten Komponenten konnten wir auf unser Betriebsinternes Lager zurückgreifen lediglich die Holzplatte und die Halterungen für Flasche und Glas waren noch nicht vorhanden. Die Halterungen für Glas und Flasche wurden durch einen 3D-Kunststoffdruck gefertigt.
Wägezelle HX711:
Da die Wägezelle über die physikalische Kraft der Gewichtskraft funktioniert, war es eine Herausforderung in unserem drehenden System die korrekten Werte für den Füllstand zu erhalten. Dies war deshalb so schwierig weil sich die Wägezelle immer in einem anderen Winkel zur Gewichtskraft des Füllstandes befindet. Aus diesem Grund mussten wir die Messwerte noch einmal mit dem cos des Winkels multiplizierten um die korrekte Gewichtskraft zu erhalten. Wir verwenden außerdem einen Look-up-Table um uns die Verarbeitung der Messdaten zu vereinfachen. Konkret subtrahieren wir unseren gemessenen wert mit dem Wert aus dem Look-up-Table an der gleichen Winkelstellung. Somit Erhalten wir die korrekte Gewichtskraft des Pegelstandes des Glases. Dies ist dann dementsprechend unser IST-Wert.
PI-Regler:
Der IST-Wert wird nun mit dem SOLL-Wert von 500 subtrahiert. Somit erhalten wir unsere Regelabweichung welche wir weiterhin mit dem PI-Regler verarbeiten. Aufgrund dessen, dass 1-Motorschritt in etwa 0,4 Grad am äußeren Umfang der Holzplatte entspricht benötigen wir eine sehr schnelle Regulierung der Motorschritte, sobald Flüssgkeit in das Glas läuft. Für unser System haben sich die Werte Kp=0,0135 und Ki=1 als praktikabel erwiesen.
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Weizenglas Eingießanlage - Regler - Simulink
Komponententest
| Nr. | Beschreibung | Testmethode | Zuständigkeit | Testergebnis |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Die Halterungen müssen an der Holzplatte befestigt werden. | Die Halterungen wurden korrekt befestigt und halten dem Gewicht und der Rotation stand. | Fleer, Sander | Bestanden |
| 2 | Der Motor muss die Holzplatte drehen können. | Der Motor kann sowohl beide Gewichte als auch nur die Flasche ohne Probleme heben und halten. | Fleer, Sander | Bestanden |
| 3 | Die Elektrik muss eingebaut und verkabelt werden. | Die Verdrahtung der Bauteile wurde korrekt durchgeführt und nochmals mittels Durchgangsprüfung geprüft. | Fleer, Sander | Bestanden |
| 4 | Die Regelung muss durch den Kraftsensor erfolgen. | Die Wägezelle misst jede Sekunde die Gewichtskraft des Inhalts. Dieser Ist-Wert wird mit dem Soll-Wert subtrahiert und geht als Regelfehler in unseren Regler. | Fleer, Sander | Bestanden |
| 5 | Der Motor muss mittels Regler angesteuert werden | Die Ansteuerung erfolgt softwareseitig durch die Stellgröße unseres Reglers. | Fleer, Sander | Bestanden |
Ergebnis
Das Projekt zur Füllstandsregelung eines Bierglases an der HSHL im Fachgebiet der Mechatronik führte zu einem positiven Ergebnis. Die Anlage ist in der Lage auf Knopfdruck ein 0,5Liter Bierglas einzuschenken. Zu Beginn des Einfüllvorgangs werden die maximalen Motorschritte gefahren. Sobald der Füllstand erkannt wird, werden, je nach Füllstand, weniger Schritte gefahren.
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
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Projektplan
Projektdurchführung
YouTube Video
Weblinks
Literatur
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