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Das Kapitel Realisierung enthält in der orginalen Bachelor-Thesis Informationen die vertraulich und kommerziell nutzbar sind. Deshalb wurden diese Punkte hier nicht aufgeführt. Sie betreffen hauptsächlich die Soft- und Hardwaretechnischen Anpassungen der BES-Komponenten an die Anwendung. |
Realisierung |
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Motortreiber
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Um die bei Brems- und Ummagnetisierungsvorgangen entstehenden
Uberspannungen zu verhindern, sind laut Datenblatt des Herstellers
Ladekondensator mit einer Kapazitat von mindestens 4700uF vor den
Schrittmotortreibern in der Spannungsversorgung anzuschliesen. Da diese
noch aus einem vorherigen Projekt vorhanden waren, wurden Kondensatoren
mit einer Kapazitat von 10000uF verwendet. Zur Unterbringung der
Kondensatoren und der spateren Montage im Plotter wurden die
Kondensatoren auf einer Lochrasterplatine eingelotet. Um die Verkabelung zu
vereinfachen, wurden drei Kabelklemmblocke montiert und mit den
Kondensatoren verbunden.
Vgl. SMC-11 Technisches Handbuch V1-5 – Nanotec (2010) Seite 8 |
Abbildung: Schema Zusatzplatine Treiber
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Abbildung: Zusatzplatine Treiber
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| Über den in den beiden Abbildungen unten auf der Platine zu sehenden
Klemmblock wird die Versorgungsspannung eingespeist und an den beiden
oberen jeweils einer der Treiber angeschlossen.
Zunächst wurden die Motortreiber nun zu Testzwecken mittels der beim
Kabelset vormontierten Leitungen mit den Motoren und der
Maschinensteuerung verbunden.
Hierfür wurden an den Leitungen zur Steuerung 9-polige Sub-Stecker angelötet
und die Leitungspaare zu den Schrittmotoren durch Lüsterklemmen mit den
vorhandenen Leitungsenden der Motoren verbunden. Die nötigen Informationen
für die Verkabelung wurden dem Handbuch und dem Datenblatt der Treiber
sowie der Dokumentation zur BES/S4 entnommen.
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Abbildung: Testweiser Anschluss Treiber
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| Nach manuellen Fahrtests mit beiden Achsen, die erfolgreich verliefen und
zwischenzeitlichen Arbeiten an anderen Komponenten, wurden die
Komponenten endgültig fest montiert. Hierfür wurden die Treiber und die
Zusatzplatine für die Kondensatoren mittels Schrauben und Distanzstücken auf
einem Alublech montiert. Das Alublech wurde an vorhandenen
Einschraubbuchsen auf der rechten Seite im Plotterboden befestigt.
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Abbildung: Testweiser Anschluss Treiber
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| Die Leitungen zu der Maschinensteuerung wurden durch geschirmte Leitungen
ersetzt, um die Möglichkeit von einstreuenden Störungen zu verringern. Die
provisorisch mit Lüsterklemmen angeschlossenen Motorleitungen wurden
verdrillt und fest mit den von den Motortreibern kommenden Leitungen verlötet.
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End- und Stiftwechselschalter
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Die bereits beschriebenen End- und Stiftwechselschalter sind nun
mit der Maschinensteuerung zu verbinden. Hierfür wurde zunächst die
Leitungsführung der im vorderen Teil der Gehäuseabdeckung montierten
Stiftwechselschalter und des Endschalters in Y-Richtung geprüft. Diese liefen
von den Stiftwechselpositionen aus über eine Flachbandleitung zu der
Bedienfeldplatine, die hinter den Tastern und LEDs am rechten unteren Rand
des Plotters montiert ist.
Diese Flachleitung wurde dort entfernt und direkt ins Plotterinnere geführt. So
konnte nun an dem montierten Steckkontakt die Belegung der einzelnen Pins
messtechnisch ermittelt werden.
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Abbildung: Schema Belegung Schalter in Front
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Die Schalter verfügen jeweils über einen einzeln auf den Steckkontakt geführten
Anschluss. Die anderen Kontakte der jeweiligen Schalter sind miteinander
verbunden und dann zusammen auf den Stecker geführt.
Für den Anschluss an die Steuerung wurde nun eine kleine
Lochrasteradapterplatine angefertigt, auf der ein IC-Sockel eingelötet wurde.
Die Sockelkontakte passen zu denen des Steckers an der Flachbandleitung.
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Abbildung: Verbindungsplatine End- und Stiftschalter
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Stiftsenker
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Um den Stift beim Zeichenvorgang zu senken, wird der Stiftsenker mit einer Spannung von 12V versorgt. Da die
Ausgänge der Maschinensteuerung BES/S4 aber lediglich 24V zu Verfügung
stellen, wird der Stiftsenker über einen Vorwiderstand betrieben. Hierfür wird der
Widerstand in Reihe mit dem Stiftsenker angeschlossen.
Dieser auf einer Zusatzplatine gemeinsam mit einem Anschlussblock montierte
Widerstand setzt sich aus vier 10Ohm Widerstanden in Reihenschaltung
zusammen. Der so entstehende Gesamtwiderstand entspricht in etwa dem
ohmschen Widerstand der Stiftsenkerspule, welcher vorher messtechnisch
ermittelt wurde. So wird die Spannung uber den Stiftsenkeranschlussen auf
etwa die Halfte reduziert.
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Abbildung: Zusatzplatine Stiftsenkervorwiderstand
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| Die bestückte Zusatzplatine wurde nun auf einem Kunststoffstreifen mit
Schrauben und Distanzstücken befestigt und an vorhandene Gewinde
angeschraubt.
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Netzteil
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Für erste Tests und während der Lieferzeit des georderten Netzteils wurde
zunächst ein vorhandenes Labornetzteil genutzt, welches direkt mit den
anzuschließenden Komponenten verbunden wurde. Nach dem Eintreffen des
ausgewählten Netzteils mit kompakten Ausmaßen wurde dies zunächst
zwischen der Maschinensteuerung und dem Alublech mit Schrittmotortreibern
und deren Spannungsversorgungsplatine, am Plotterboden montiert. Hierfür wurden Löcher in den Boden des Plotters gebohrt und
das Netzteils mittels der erwähnten Gewinde befestigt.
Um die Funktion der Komponenten mit dem neuen Netzteil zu testen, wurden
diese provisorisch angeschlossen. Hierbei stellte sich heraus, dass das Netzteil
nicht anlief. Die Spannung an den Anschlussklemmen stieg pulsartig bis etwa
15V an und brach dann zusammen. Zunächst wurde vermutet, dass die
Ursache hierfür in der hohen Stromaufnahme der Kondensatoren vor den
Motortreibern im Einschaltmoment lag. Bei weiteren Tests stellte sich aber
heraus, dass es sich um eine Kombination von Problemstellungen handelte. Die
Stromaufnahme der Maschinensteuerung mit angeschlossener
Maschinentastatur ist bis zum erreichen der Versorgungsspannung von 24V
deutlich höher. Die Kondensatoren verzögerten aber durch ihre Ladung das
erreichen dieser Schwelle, sodass es über einen längeren Zeitraum zu dieser
erhöhten Stromaufnahme kam. Diese führte beim Netzteil in Kombination mit
der Stromaufnahme der Kondensatoren vermutlich zu einem Auslösen der
Kurzschluss- beziehungsweise Überstromschutzschaltung. Daraus resultierte
das pulsartige Ab- und Anschalten der Versorgungsspannung. Wurden zunächst
lediglich die Kondensatoren und die mit ihnen verbundenen Schrittmotortreiber
an die Versorgungsspannung angeschlossen und erst nach deren Aufladung
die Maschinensteuerung und der Lüfter, so traten keine Fehler auf.
Diese Herangehensweise wurde dann auch als Lösungsansatz verfolgt, indem
eine Schaltung entwickelt wurde, die genau dieses Verhalten erzeugt. Schon
die ersten Überlegungen befassten sich mit dem zeitverzögerten Einschalten
der Maschinensteuerung und des Lüfters über einen Relaiskontakt. Die
benötigte Verzögerung sollte über das Aufladen eines Kondensators mit einen
Vorwiderstand generiert werden.
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Abbildung: Schema Einschaltverzögerung
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Um den Kondensator zu laden, wurde ein Spannungsteiler aus zwei
Widerständen vorgesehen. Hierfür wurden relativ hohe Werte gewählt, um den
Stromfluss über diesen während des Betriebes niedrig zu halten. Die Kapazität
des Kondensators wurde über eine Zeitmessung mit verschiedenen
Kondensatoren ermittelt. Überschreitet die Spannung am Kondensator, also die
Basisspannung von dem NPN Transistor BC337, die 0,6V Schwellspannung, so
wird die Spule des Relais von Strom durchflossen und die verzögerte
Versorgungsspannung eingeschaltet.
Diese Zusatzschaltung wurde auf einer Lochrasterplatine mit vorhanden
Komponenten aus dem Lager der BES GmbH aufgebaut. Zum vereinfachten
Anschluss der Komponenten und der Spannungsversorgung wurden noch zwei
Anschlussblöcke auf der Platine eingelötet.
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Abbildung: Einschaltverzögerung
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| Die anschließenden Tests zeigten ein positives Ergebnis und so wurde mit der
Montage der Platine im Plotter begonnen. Hierfür wurde zunächst das Alublech
mit den montierten Motortreibern und der Kondensatorplatine entfernt.
Im Anschluss wurde die angefertigte Platine mit Löchern versehen und mit
Schrauben und Distanzbolzen auf dem Alublech angeschraubt. Die
Spannungsversorgungsleitungen wurden verlegt und angeschlossen.
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Abbildung: Einschaltverzögerung montiert
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Kamera
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| Die ausgewählte Kamera sollte so montiert werden, dass sie
zusammen mit dem Stifthalter mitfährt. Hierfür stand aufgrund der Möglichkeit
des Einfahrens in den Werkzeugwechsler und des Unterfahrens der obigen
Gehäuseabdeckung nur wenig Montagefläche zur Verfügung.
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Abbildung: Montageplatz Kamera
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Anfertigung Kamerahalterung
Lediglich die Montage über eine Halterung an dem in der Abbildung markierten
Bereich ermöglichte das problemlose Befestigen und Mitfahren der Kamera.
Es befindet sich nach der Demontage der Klammer ein
Steg mit einer Kugel am Ende des Kameramodells. So wurde ein Halter
konstruiert, dessen Grundfläche den markierten Bereich nicht überschreitet und
die Möglichkeit bietet, die Kamera über Klemmung der Kugel zu fixieren.
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Abbildung: 3D-Modell Halterung
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| Hierfür wurde zunächst ein 3D-Modell entworfen, um dort die vorgebenen
Abstände bezüglich Montagehöhe und Verschraubungen und der Klemmung
eingeben und auswerten zu können. Dabei stellte sich heraus, dass sich nach
einigen Anpassungen alle gestellten Anforderungen erfüllen ließen. So wurden
die gewonnenen Daten für die Fertigung der Halterung in BESgrav
übernommen.
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Abbildung: Kamerahalterung in BESgrav
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| Die verschiedenen Farben stehen für verschiedene Ebenen, die in
aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten in einer Anweisungsliste ausgeführt
werden. Die jeweiligen Werkzeuge, Arten der Bearbeitung und
Bearbeitungstiefen werden ebenfalls darin eingegeben.
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Abbildung: Anweisungsliste BESgrav
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| Die ersten drei Ebenen werden hierbei durch „Räumen konturparallel“ bis zur
eingestellten Frästiefe im Inneren komplett ausgefräst. Im Anschluss wird
mittels „2D-Umfahren" der zu bearbeitende Teil des Werkstücks ausgeschnitten.
Mit der Bearbeitung des Materials wurde im Anschluss mit dem Einspannen des
Werkstücks an der BES-eigenen Fräsmaschine begonnen. Die Position des
Werkstücks wurde in BESgrav übernommen und der Fräsvorgang gestartet.
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Abbildung: Bearbeitung Kamerahalterung
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| Der letzte Arbeitsschritt der Anweisungsliste wurde dann mit zwei zusätzlichen
Bohrungen von unten wiederholt. Die Anfertigung des Deckels erfolgte auf
dieselbe Art, wie die des Unterteils, allerdings aus dünneren Material. Zwecks
der späteren Montage wurden die ausgefrästen Bohrlöcher mittels eines
Gewindeschneiders per Hand mit Gewinden versehen, die Kamera eingesetzt,
Deckel und Unterteil verschraubt und mit zwei Schrauben an der
Stiftsenkerabdeckung befestigt.
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Abbildung: Montierte Kamera
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Anfertigung Leitungsführung
Für die Datenverbindung und Spannungsversorgung der Kamera über USB
wird die bereits an der Kamera montierte Leitung genutzt. Um während des
Betriebs des Plotters sicherzustellen, dass es zu keinen Einklemmungen und
Verknotungen der Leitung kommt, wird die Leitung über eine Leitungshalterung
über dem Plotter geführt. Diese ist zusätzlich zu der ausreichend
dimensionierten Leitungslänge flexibel gestaltet.
Ein im Lager der BES GmbH gefundener flexibler Arm mit Magnetfuß erwies
sich hierfür als passende Basis. Der Magnetfuß wurde entfernt und über eine
Befestigungsmöglichkeit an der oberen Gehäuseabdeckung des Plotters
nachgedacht. Ein flacher Block, in den der flexible Arm eingesteckt werden
konnte, wurde als Lösungsansatz ausgewählt und mit der Konstruktion
begonnen. Ein hierfür von den Ausmaßen passendes Stück Material wurde
ausgewählt und ähnlich der Fertigung des Kamerahalters in BESgrav
gezeichnet.
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Abbildung: Halter Kabelführung in BESgrav
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| Im Anschluss wurde das Werkstück in die Maschine eingespannt und mit der
Bearbeitung begonnen. Mit einer Standbohrmaschine wurde das Loch für die
flexible Führung der Leitung nachträglich hinzugefügt.
Nachdem die Löcher mit Gewinden versehen worden waren, wurde der Halter
an dem Hewlett Packard Plotter befestigt und die Kabelführung eingesteckt.
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Abbildung: Montierte Kabelführung
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| Auf das provisorische Befestigen der Leitung folgte ein langer Fahrtest, mit dem
die Praxistauglichkeit nachgewiesen werden konnte.
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Anschlussfelder
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| Um den Plotter mit dem Rechner der Maschinentastatur und der
Spannungsversorgung zu verbinden, wurden also nun die Anschlussfelder
konstruiert, in die die Anschlussverbinder eingeschraubt
werden.
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Abbildung: Anschlussfelder in BESgrav
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| Hierfür wurden zunächst die Montagemaße aus den Datenblättern und per
Messungen ermittelt und in BESgrav übernommen. Dort wurden diese in die
Außenmasse der Anschlussfelder, die vorher vom Plotter abgenommen wurden,
positioniert. Passendens Kunststoffmaterial wurde ausgewählt, dieses
eingespannt und nach Übername der Werkstückgröße mit der Fräsmaschine
bearbeitet.
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Abbildung: Anschlussfeld Datenverbindungen
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| Nach dem Abschluss der Fertigung wurden die Anschlussfelder mit den
Anschlussverbindern bestückt, in die Rückseite des Plotters montiert und an die
Komponenten im Inneren angeschlossen.
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