Version vom 29. Juli 2018, 08:41 Uhr

Teammitglieder: Tobias Brandt, Marc Eidhoff

Dies ist ein Unterartikel von der Legoteil_Zählmaschine, welcher den genauen Aufbau der Sortiereinheit beschreibt.

Die Sortiereinheit der Legosortiermaschine stellt einen der drei wichtigen Bereiche dar. Aufgabe der Sortiereinheit ist die Übernahme eines Legoteils von der Bildverarbeitung und der physikalische Transport in das richtige Fach.

Nach einer ausführlichen Ist-Analyse im letzten Semester wurde beschlossen, die Einheit von Grund auf neu zu konzipieren. Dafür wurde bereits ein umfangreiches CAD-Modell erstellt. Ziel in diesem Semester ist die Überprüfung und Umsetzung des Konzeptes. Außerdem wird die Servoansteuerung getestet und überarbeitet. Weitere Teilaufgaben des Teilteams Sortierung sind die Inbetriebnahme der gesamten Anlage, eine Gefährdungsbeurteilung sowie Komponententests neu erstellter Arduino Software. Die Arbeitsergebnisse sind im Pflichtenheft verlinkt.

Anforderungen und Ziele im Sommersemester 2018

Im Pflichtenheft wurden folgende Aufgaben festgehalten, welche im SS2018 bearbeitet werden sollen:

Spezifikations-ID	Anforderungs-ID	Anforderungstitel	Beschreibung der Spezifikation
161	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	Kontaktaufnahme und Besprechung mit HSHL Hamm
162	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	Kontrolle der SolidWorks Komponenten
163	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	Umwandeln der ".sldprt" Dateien in ".dxf" Format
164	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	Anpassen der ".dxf" Dateien für den LaserCutter (via IncScape)
165	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	Fertigung der Teile mit Hilfe von 3D Drucker und Laserschneidsystem (Hamm)
166.2	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	LaserCutter Teile kontrollieren und gegebenenfalls entgraten
166.3	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	Wellen an die Klappen kleben
166.7	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	PWM-Signal prüfen
166.8	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	Funktionalität der Servomotoren herstellen
166.9	REQ10.2320	Sortierung der Legoteile in die Kästen	Steckverbindung von Sortiereinheit und Schaltschrank
170	REQ10.2321	Beschriftung für die Sortierung der Legoteile in die Kästen	Fächer mit Aufklebern des Inhalts markieren
500.4	REQ10.2380	Komponententests	Für die Entwickelte Software bzw. Steuer- und Regelungsalgorithmen müssen geeignete Komponententests durchgeführt und geeignet dokumentiert werden

Konstruktionsplanung

Zum besseren Verständnis werden die Teilkonzepte der letzten Semester noch einmal aufgegriffen und im folgenden Abschnitt erläutert. Die Konstruktionsplanung ist unter folgendem Unterartikel zu finden:

Konstruktionsplanung Legosortiermaschine

Teilkonzepte der Sortiereinheit für die Legoteilzählmaschine:

Stellerbefestigung
Drehmomentübertragung
Vorsortierung
Rückführung
Abbremsung
Betriebssicherheit

Anfertigung der Sortiereinheit

Die Sortiereinheit besteht aus 3D-Durck Teilen und Acrylglasplatten. Diese sind als CAD-Modelle in SVN abgelegt und müssen vorerst überprüft werden.

Prüfen des Konzepts

Bevor die Einzelteile der Sortieranlage gefertigt werden konnten musste das Gesamtkonzept und die Maßgenauigkeit geprüft werden. Dazu wurde eine Überprüfung jeder einzelnen Komponente im CAD-Modell vorgenommen es wurden die Maße, Passstellen, Verbindungsstücke und Materialstärken kontrolliert.

Ebenfalls wurde die Baugruppe zur Hilfe genommen und damit konnten mögliche Kollisionen ausgeschlossen werden. Das größte zu sortierende Legoteil passt demnach durch alle Schächte und wird an keiner Stelle eingeklemmt. Aus diesem Grund werden die CAD-Modelle ab diesem Zeitpunkt als in Ordnung angenommen und die weiteren Schritte eingeleitet.

Acrylglasplatten

Aufgrund des beschränkten Fertigungsraumes, sowohl des 3D-Druckers als auch des Lasercutters, mussten große Bauteile teils mehrfach getrennt und in sich steckbar sowie stabil, umkonstruiert werden. Alle 37 Bauteile, die aus Acrylglas gefertigt werden sollen, wurden bereits in SolidWorks so angeordnet, dass möglichst wenig Platten zur Herstellung aller Bauteile von Nöten sind. (vgl. 'Abb. 7')

Absprache mit LaserCutter Hamm

Die Fertigung der Acrylglasplatten übernimmt das Prototyping Labor mit einem LaserCutter der Hochschule Hamm-Lippstadt am Standort Hamm. Dazu wurde ein Kontakt mit den zuständigen Betreuer hergestellt und es wurden weitere Informationen zu dem LaserCutter eingeholt. Hierbei wurde in der Stücklistefestgestellt, dass Teile zu groß waren. Nach einer genaueren Kontrolle der CAD-Modelle stellte sich jedoch heraus, dass hier die Maße der zusammengestzen Baugruppen und nicht die der einzelnen Teile eingetragen wurden. Diese Fehler wurden behoben.

Eine weitere Forderung war zudem ein spezielles Dateiformat der CAD-Modelle für den LaserCutter. Die CAD-Modelle wurden von dem ".SLDPRT"-Format in Vektorgrafiken(.dxf) umgewandelt, damit diese an die zuständigen wissenschaftlichen Mitarbeiter (Ansprechpartnerin Herr Björn Schmidt) in Hamm für den Lasercutter geschickt werden konnten.

Diese Umwandlung der SolidWorks Dateien stellte das Programm leider nicht zur Verfügung, weshalb das kostenfrei nutzbare Programm Inkscape zu Hilfe geholt werden musste.

Hierzu wurden die SolidWorks Dateien importiert, Schneidelinien rot(ff0000) und 0,01 mm stark sein, sowie die sämtliche Beschriftungen entfernt. Anschließend wurde die Datei im bereits genannten '.dxf'-Format gespeichert. Damit die Übersicht nicht verloren ging, welche Dateien schon umgewandelt wurden, musste in der Stückliste in der alle Bauteile eingetragen sind eine Spalte ergänzt werden in der abgehakt wurde welche Dateien schon vorhanden sind.

In Abbildung 8 ist eine Bearbeitung eines Teiles mit der Software InkScape zu sehen:

Die IncScape Dateien wurden in SVN abgelegt: IncSkape-Dateien.

Bestellen der Materialien

Eine Anforderung des Labors ist eine maximale Materialgröße von 300mm x 600mm. Daraufhin wurde die Stückliste, in welcher alle Teile mit ihren Maßen beschrieben sind, überprüft. Anschließend wurde die Stückliste auf Anzahl der Lasercutterteile in Hinblick auf der benötigten Stärke durchgeschaut.

Es werden 19 Platten â 3mm Stärke und 30 Platten â 5mm Platten benötigt. Mit diesen Informationen wurde eine Vielzahl von Angeboten verglichen und der günstigste Anbieter ausgewählt. Die Bill of Material wurde an Prof. Dr. Göbel weitegeiletet, sodass die Materialien bestellt wurden. Die Lieferung erfolgte direkt an das Prototyping Labor in Hamm.

Die Bestelliste ist in SVN abgelegt: BOM Plexiglas

Musterfertigung

Es ist wichtig, dass der Laser genau arbeitet und die Schnittlinien eingehalten werden. Die Steckverbindungen dürfen nicht zu locker und nicht zu fest sitzen. Aus diesem Grund wurden nicht direkt alle LaserCutter Teile in Auftrag gegeben, sondern erst einmal nur zwei Teile. Mit diesen wurde ein Probeaufbau realisiert indem die beiden Platten (eine Außenwand des Towers) zusammengesteckt wurden. In Abbildung 9 ist zu erkennen, dass Teil A und Teil B die Passbedingungen erfüllen und wie ein Puzzle zusammengesetzt werden können.

Auffällig hierbei war es, dass ein geringes Spiel vorhanden ist und die deshalb Teile vorraussichtlich, wie geplant, zusätzlich verklebt werden müssen. Dafür ist eine Nacharbeit (z.B. Entgraten) nicht erforderlich.

Aufgrund der Passgenauigkeit wurden die restlichen Teile bei dem Prototyping Labor in Hamm bestellt.

3D-Druckteile

Prüfen und übergeben

Bei dem Prüfen des Konzeptes wurden bereits die CAD-Modelle kontrolliert. Für die Sortiereinheit werden 93 zu druckende 3D-Druckteile benötigt. Diese wurden mit der Stückliste zusammen an den wissenschaftlichen Mitarbeiter Ilya Raza übergeben. Auch hier wurden Probeteile gefertigt, damit ein Testaufbau mit den Acrylglasplatten realisiert werden konnte. Dafür wurden eine Klappe und zwei seitliche Anschläge abgeholt und weiterverarbeitet. Aufgrund des 3D-Drucks sind die gedruckten Teile nachzuarbeiten. Wie in Abbildung 10 zu erkennen, muss das Stützmaterial aus den Hohlräumen sowie die Rafts entfernt werden. Desweiteren ist eine Entgratung notwendig.

Testaufbau

Nachdem nun Probeteile der Acrylglasplatten und 3D-Teile gerfertigt und nachbearbeitet wurden, wird ein Testaufbau eines Teiles der Sortiereinheit realisiert. Eine Klappe besteht dabei aus zwei zusammengesetzten 3D-Druckteilen. Die Steckverbinding dieser Teile erwies sich als schwierig. Eine sehr genaue und zeitintensive Nacharbeit der 3D-Druckteile ist deshalb erforderlich.

Der gesamte Testaufbau besteht aus einer Verbindung einer Klappe mit zwei Anschlägen (3D-Druckteile) mit einer zusammengesteckten Außenwand (Acrylglas). In Abbildung 11 ist dieser Testaufbau zu sehen.

Ergebnisse aus dem Testaufbau sind:

sehr genaue Nachbearbeitung der 3D-Druckteile erforderlich
kleben der segmentierten 3D-Druckteile und Acrylglasplatten notwendig
keine Nachbearbeitung der Acrylglasplatten nötig
Steckverbindungen sind passgenau

Die restlichen 3D-Druckteile befinden sich in der Fertigung und werden voraussichltich im September 2018 zur Verfügung stehen.

Servomotoren

Die Servomotoren sind für die Bewegung der Klappen vorgesehen. Im der gesamten Sortiereinheit werden 11 Servomotoren verwendet. Angesteuert werden diese über die PWM-Anschlüsse des Arduinos und einer Steuerleitung. Die Servos müssen nach einem vorher definierten Winkel verstellt werden können. Als Endergebnis soll die automatische Sortierung der Legoteile in die Sortierkisten über die Klappen erfolgen. Aufgrund von Zeitmangel aus dem letzten Semester konnten die Motoren allerdings nicht richtig angesteuert werden. Dieses zeigte sich durch "zucken" oder Stillstand einiger Motoren.

Ausgangszustand:

10 Meter Signalkabel
"Lötkugel" für die Spannungsversorgung
Lötverbindungen an den Steckern können sich leicht berühren (Kurzschlussgefahr)

Aufbau einer Testplatine

Um Störeinflüsse der Leitungen zu den Servomotoren zu untersuchen wurde eine Platine, wie in Abbildung 12 zu sehen, mit passenden Steckern angefertigt und direkt über ca. 30cm lange Leitungen an den Arduino angeschlossen. Durch die Platine können sich die einzelnen Steckerkontakte nicht mehr berühren. Die Steckverbindungen zu den Servos können so erleichtert verwendet werden ohne Kurzschlüsse zu verursachen. Seitlich von den Steckkontakten sind auf der Platine die Signalleitungen herausgeführt, die an die Steuerelektronik verbunden werden können.

Um das 10m Signalkabel als Fehlerquelle auszuschließen wurde die Testplatine direkt an den Arduino im Schaltschrank angeschlossen. Nach dem Erstellen und anschließen der Platine an den Arduino wurde das PWM-Signal am Ausgangspin direkt gemessen und mit dem Signal an der Platine verglichen. Da das Signal an beiden Messstellen identisch war und einen ausgeprägten Rechteckimpuls darstellte ist der Grund für die Störungen und des nicht Funktionierens in der Programmierung zu suchen.

Ansteuerung der Servos

Eine Recherche hat ergeben, dass der Befehl Servo.write eine falsche Pulsweite ausgibt. Diese Pulsweite kann über die Bibliothek Servo.h verändert werden. Die Winkelstellung der Servos erfolgt anschließend über eine Pulslänge.

Einige Servos (z.B. wie das verwendete Modell „MC-410“) benötigen zur Ansteuerung eine andere Pulslänge als die Standardeinstellung in Arduino. Im folgendem Beispielprogramm (Abbildung 13) ist der Test eines Servos mit angepasster Pulsweitenbreite implementiert worden. Dieses Programm dient zum Test eines einzigen Servomotoren und ist unter folgendem Link zu finden: Servotest

Die Erklärung wie die Pulsweite angepasst werden kann ist unter folgendem Link zu finden: Pulsweitenanpassung

Unter Verwendung der Pulsweitenänderung wurde das PWM- Signal mit Hilfe eines Oszilloskops wie in folgender Abbildung zu erkennen überprüft. Hier ist zu erkennen, dass beide Kanäle (in diesem Fall Servomotor 1 und 2) über einen eindeutigen Rechteckimpuls angesteuert werden. Somit ist die Ansteuerung fehlerfrei und funktionsfähig.

Hiernach musste der Rückbau stattfinden, sodass die Servosmotoren nicht mehr direkt im Schaltschrank angeschlossen sind, sondern an der Position der späteren Sortiereinheit Verwendung finden können. Dafür wurde das 10m lange Signal und das 10m lange Spannungsversorgungskabel auf ca.3m gekürzt.

Da die Platine nur zu Testzwecken diente und ein beliebiges Vertauschen der Motoren möglich ist wurde am Ende des Signalkabels ein Sub-D Stecker anglötet. Hierdurch wird eine fester Anschluss der Motoren gewährleistet. In Abbildung 15 ist der Stecker zu sehen. Auf der rechten Seite ist das Signal- und Spannungsversorgungskabel zu erkennen. Auf der linken Seite führen die Steuerleitung zu den Servos (hier noch auf die Testplatine), da die Leitungslängen zu den Servos noch nicht feststehen.

Die Pinbelegung ist unter folgender Adresse hinterlegt: Pinbelegung

Abschließend wurde ein Funktionstest der einzelnen Motoren durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass 4 von den 11 Motoren nicht funktionstüchtig waren und somit nachbestellt werden mussten.

Das Vorgehen der Prüfung und der Fehlerbehebung wurde in einem Komponententest festgehalten und ist unter folgendem Link zu finden: Komponententest

Einsortierung

Fächer mit Aufklebern des Inhalts markieren

Für die Einsortierung der Legoteile in die entsprechenden Kisten wurden diese mit Aufklebern versehen (siehe Abbildung 15). Dadurch ist ein besserer Überblick garantiert und händisch kann nachverfolgt werden, ob die Maschine die Legoteile richtig einsortiert hat.

Außerdem wurde eine Liste erstellt, welche die Anzahl der Teile beinhaltet. Die Liste wurde ausgedruckt, zur Sortiermaschine gelegt und zudem an folgendem Speicherort abgelegt: Teileliste

Abb. 15: Aufkleber in den Fächern der Kiste
Abb. 16: Liste der Legoteile

Zusammenfassung

In dem SS18 wurde die Umsetzung des Konzeptes der Sortiereinheit gestartet. Nach einer Machbarkeitsprüfung im CAD-Modell wurde sichergestellt, dass auch die größten Legoteile durch die Klappen in die Kästen gelangen können. Ebenfalls wurde überprüft, ob die Bauteilliste vollständig ist und es wurden die Passmaße an den Schnittstellen untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Aufbau realisierbar ist.

Die CAD-Modelle der einzelnen Komponenten wurden bearbeitet und in einen anderen Datentyp exportiert. Nach der Erstellung einer "Bill of Material" für die Arylglasplatten wurden diese bestellt. Dem Prototyping Labor in Hamm wurden ein paar Dateien zur Produktion zugesendet und es konnte festgestellt werden, dass der LaserCutter sehr gut und maßgenau arbeitet. Erste Prototypen der Klappen wurden erfolgreich getestet. Deshalb wurden sowohl alle benötigten 3D-Druckteile als auch Lasercutter-Teile in Auftrag gegeben. Diese befinden sich zurzeit noch in der Herstellung.

Außerdem wurde die Ansteuerung der Servomotoren überarbeitet und sowohl Hardware als auch Software optimiert.

Hardware:

Kürzung der Kabellänge
Neue Steckverbindung Sub-D Stecker
Herstellung einer Testplatine

Software:

Ansteuerung eines Servos über Arduino
Änderung der Pulsweitenlänge
Ansteuerung der gesamten Servos

Es wurde festgestellt, dass lediglich 7 der 11 Servomotoren funktionsfähig sind. Die fehlenden Teile wurden bestellt. Momentan sind die restlichen 3D-Druck- und LaserCutter Teile noch in Fertigung.

Ausblick

Zum WS 18/19 beginnt der Zusammenbau der Anlage. Dieser beinhaltet folgende wesentliche Punkte:

Entgraten und Nachbearbeiten aller Teile
Verkleben der 3D-Druckteile und Acrylglasplatten
Wellen an die Klappen kleben
Servomotoren anbringen
Softwareimplementierung in das Gesamtsystem
Winkeleinstellung Servomotoren (Kalibrierung)
Schaltschrank verdrahten