Diploma Thesis: Volllektrisches mechatronisches Laborsystem PDF

**DIPLOMARBEIT** Gesamtprojekt **Vollelektrisches mechatronisches** **Laborsystem** Betreuer/Betreuerin: **Spezifische Themenstellung** *HTLVB:* Christoph Hörlesberger 5AHME Dipl.-Ing. Schönhuber Klaus **Spezifische Themenstellung** *HTLVB:* Thomas Neumüller 5AHME Dipl.-Ing. Schönhuber Klaus...

**DIPLOMARBEIT** Gesamtprojekt **Vollelektrisches mechatronisches** **Laborsystem** Betreuer/Betreuerin: **Spezifische Themenstellung** *HTLVB:* Christoph Hörlesberger 5AHME Dipl.-Ing. Schönhuber Klaus **Spezifische Themenstellung** *HTLVB:* Thomas Neumüller 5AHME Dipl.-Ing. Schönhuber Klaus **Konstruktion & Inbetriebnahme** *HTLVB:* Michael Wojak 5AHME Dipl.-Ing. Schönhuber Klaus Ausgeführt im Schuljahr 2020/21 von: Christoph Hörlesberger, Thomas Neumüller, Michael Wojak Abgabevermerk: Datum: übernommen von: **DIPLOMARBEIT** -- -- -- -- -- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Aufgrund des bestehenden Engpasses der Laborsysteme der Firma Stiwa erging der Auftrag, ~~wurden wir damit beauftragt~~ ein zusätzliches System zu entwickeln und ein fertiges System zur Verfügung zu stellen. Eine Anforderung dabei war, dass es ~~Dabei waren die Anforderungen, dass es~~ keine pneumatischen Komponenten besitzen soll, ~~denn so kann~~ damit das System auch in Räumen ohne Pneumatik verwendet werden kann. Das System sollte ebenfalls leicht und kompakt sein. Eine einfache Fertigung der Systeme war auch gefordert. ~~Ebenfalls~~ Außerdem sollte noch ein SPS Übungsprojekt ~~Projekt~~ für die Schüler erstellt werden. Im Anschluss sollte alles so aufgearbeitet (aufbereitet) werden, dass die Schüler die Systeme anhand der zur Verfügung gestellten Daten zusammenbauen und bedienen können. -- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Zuerst wurde ~~sich für~~ ein Konzept ~~entschieden~~ gewählt/bestimmt/festgelegt/definiert, welches all diese Anforderungen bestmöglich erfüllt. Anschließend wurde mit der Elektroplanung, Konstruktion und der Ausarbeitung einer Übung begonnen. Mit Abschluss der Elektroplanung und Konstruktion wurde eine Kostenrechnung erstellt. Nach der Freigabe ~~der~~ durch die Schule ~~wurden~~ konnten die Komponenten bestellt werden. Viele ~~der~~ Teile wurden mit dem 3D -- Drucker gefertigt. ~~Nun folgte noch die~~ Bei der folgenden Inbetriebnahme ~~bei dieser~~ wurden kleine Fehler behoben und für einen leichteren Zusammenbau gesorgt. -- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Das System ist nun voll funktionsfähig und kann mit Hilfe einer SPS programmiert werden. Die Daten ~~wurden~~ ~~ebenfalls~~ sind so aufgearbeitet, dass die Schule die Systeme ohne Probleme nachbauen kann. Dafür müssen ~~lediglich~~ die 3D -- Druckteile mit den in der Schule vorhandenen Druckern ~~ausgedruckt~~ gefertigt werden. Die Leiterplatten sind bereits vorhanden und die restlichen Teile müssen lediglich bestellt werden. -- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -- -- -- -- -- ------- Keine -- ------- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- **DIPLOMA THESIS** **Documentation** +-----------------------------------+-----------------------------------+ | | Christoph Hörlesberger | | | | | | Thomas Neumüller | | | | | | Michael Wojak | +===================================+===================================+ | | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | | Fully electric mechatronic | | | laboratory system | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | | HTBLA-Vöcklabruck | +-----------------------------------+-----------------------------------+ -- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Due to the existing bottleneck of laboratory systems, made by Stiwa, we were commissioned to develop an additional system and provide a ready system. The requirements were that it should not have pneumatic components, because this way the system can be used in rooms without pneumatics. The system also had to be lightweight and compact. A simple manufacturing of the systems was also required. In addition, a PLC exercise project was to be created for the students. Subsequently, everything should be documented so that the students can assemble and operate the systems based on the data provided. -- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- First, a concept was decided upon that would best meet all the requirements. Subsequently, electrical planning, construction and the elaboration of an exercise were started. With the completion of the electrical planning and construction, a cost calculation was made. After the school\'s approval, the components were ordered. Many of the parts were manufactured with the 3D - printer. Now followed the commissioning, during which small errors were corrected and a easy assembly was ensured. -- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- The system is now fully functional and can be programmed with the help of a PLC. The data has also been prepared in such a way that the school can reproduce the systems without any problems. For this, only the 3D - printed parts have to be printed out with the printers available in the school. The circuit boards are already available and the remaining parts only need to be ordered. -- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -- -- -- -- -- -- -- -- +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Accessibility of | | | | | | Diploma Thesis | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ -- -- -- -- -- -- **EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG** Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die den benutzten Quellen wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche erkenntlich gemacht habe. Vöcklabruck, am TT.MM.JJJJ Verfasser / innen: Inhaltsverzeichnis {#inhaltsverzeichnis.Inhaltsverzeichnisberschrift} ================== 1 Allgemeines 1 1.1 Vorstellung des Projektteams 1 1.2 Aufgabenstellung der Diplomarbeit 2 1.3 Individuelle Zielsetzungen 2 1.3.1 Zielsetzung und Aufgaben Michael Wojak 2 1.3.2 Zielsetzung und Aufgaben Thomas Neumüller 2 1.3.3 Zielsetzung und Aufgaben Christoph Hörlesberger 3 2 Konstruktion & Inbetriebnahme 4 2.1 Abklärung grundlegender Fragen 4 2.1.1 Welches Konzept ist am besten geeignet? 4 2.1.2 Welche Bauteile sollen verwendet werden? 4 2.1.3 Welche Fertigungsmethoden sind am praktikabelsten? 5 2.2 Realisierung in Creo 5 2.3 Stücklisten 5 2.3.1 3D-Druckteile 5 2.3.2 Zukaufteile 6 2.3.3 Eigenfertigung 7 2.3.4 Zubehör 7 2.3.5 Nachbearbeitung der 3D-Druckteile 8 2.4 Anleitung für den Zusammenbau 8 2.4.1 Gestell 8 2.4.2 Vertikalachse 9 2.4.3 Greifer 11 2.4.4 Verkabelung 11 3 Entwicklung der Elektronik für das Laborsystem 14 3.1 Allgemeines zu Elektronik und Teilaufgabengebiete 14 3.2 Antriebsauslegung 14 3.2.1 Auswahl des Antriebstyps 14 3.2.2 Berechnung der Antriebe und Auslegung der Versorgung 16 3.3 Steuereinheit 21 3.3.1 Aufgaben der Steuereinheit 21 3.3.2 Ansteuerung der Schrittmotoren und Auswahl eines Treiberbausteins 21 3.3.3 Eigenschaften des TMC2226 und deren Nutzen für das System 22 3.3.4 Elektrische Auslegung der Steuereinheit 26 3.3.5 Microcontroller -- Das übergeordnete Steuerelement 26 3.4 Erweiterungsboard -- Schnittstelle zwischen SPS und Steuereinheit 26 3.4.1 Aufgaben und Anforderungen an das Erweiterungsboard 26 3.4.2 MCP23017 als I/O-Erweiterung 26 3.4.3 I2C als Kommunikationsmittel zwischen Erweiterungsboard und Steuereinheit 26 3.4.4 Eingangsschutzbeschaltung 26 3.4.5 LED-Indikatoren und physikalischer Aufbau des Boards 26 3.5 Fertigung und Bestückung der Leiterplatten 26 4 Programmierung 27 4.1 Wahl der SPS 27 4.2 Programm 27 4.2.1 Konzepte 27 4.2.2 Programm Aufgabenstellung 27 4.2.3 Dokumentation 30 5 Zusammenfassung 49 6 Literatur- und Quellverzeichnis 50 7 Abbildungsverzeichnis 50 ANHANG A - Begleitprotokolle 52 ANHANG B - Tätigkeitsprotokolle 53 ANHANG C - Dokumentationen 56 Allgemeines =========== Vorstellung des Projektteams ---------------------------- **Name:** Michael Wojak **Geburtsdatum:** 18.10.2002 **Wohnort:** Straß im Attergau **E-Mail:** **Schule - Zweig:** HTBLA Vöcklabruck--Mechatronik **Klasse:** 5AHME **Name:** Thomas Neumüller **Geburtsdatum:** 07.09.2001 **Wohnort:** Ungenach **E-Mail:** [neumueller.thomas.tn\@gmail.](mailto:[email protected])com **Schule - Zweig:** HTBLA Vöcklabruck--Mechatronik **Klasse:** 5AHME **Name:** Christoph Hörlesberger **Geburtsdatum:** 15.01.2002 **Wohnort:** Timelkam **E-Mail:** [chris.hoerlesb\@gmail.com](file:///D:%5CHTLVB%5CDiplomarbeit%[email protected]) **Schule - Zweig:** HTBLA Vöcklabruck--Mechatronik **Klasse:** 5AHME Aufgabenstellung der Diplomarbeit --------------------------------- Diese Diplomarbeit dient dem Erstellen eines Systems für den Laborbetrieb an der HTBLA Vöcklabruck. Die Schüler sollen in der Lage sein, anhand dieser Arbeit weitere Laborsysteme selbstständig zu fertigen und in Betrieb zu nehmen. Die Idee für dieses Projekt entstand aufgrund ~~einer~~ der aktuellen Problemsituation, dass die derzeitige Anzahl der ~~jetzigen~~ Übungssysteme ~~ist~~ für die Anzahl der Mechatronik-Klassen zu gering ist. ~~Weitere Wünsche des Betreuungslehrers an uns waren, die Vermeidung von Pneumatik-Komponenten, die Reduzierung des Gewichts und des Platzbedarfs, da die aktuellen Systeme der Firma Stiwa eher unhandlich und schwer sind.~~ Die gegenwärtigen Systeme der Firma Stiwa sind eher unhandlich und schwer. Daher war eine wichtige Anforderung an das neue System, dass pneumatische Komponenten vermieden werden und Gewicht und Platzbedarf reduziert sind. Ein ~~klarer~~ weiterer Vorteil ~~unserer~~ dieser Laborsysteme ist die Flexibilität des Anwendungsbereiches in der HTBLA, da sie in jedem Raum mit Stromversorgung verwendet werden können. Individuelle Zielsetzungen -------------------------- ### Zielsetzung und Aufgaben Michael Wojak Ziel war es, ein mechanisches System zu entwerfen und zu fertigen, welches den genannten Anforderungen gerecht wird. Wichtig war eine einfache und kostengünstige Fertigung, die in der HTBLA Werkstätte durchgeführt werden kann. ~~Ebenfalls wurde das Erstellen~~ Die Erstellung von Terminplänen und die Organisation des Projekts wurden ebenfalls übernommen. ### Zielsetzung und Aufgaben Thomas Neumüller Ziel war es, die Achsen der Mechanik über eine externe Steuerung wie einer SPS oder einem Microcontroller anzusteuern. Dafür mussten die Antriebe ausgelegt, eine Steuerung dieser entworfen und eine Schnittstelle zur externen Steuerung erstellt werden. ### Zielsetzung und Aufgaben Christoph Hörlesberger Es sollte ein SPS -- Programm erstellt werden, welches leicht umsetzbar ist. Dafür musste nun noch eine Dokumentation erstellt werden, anhand welcher die Schüler das Programm selbständig programmieren können. Konstruktion & Inbetriebnahme ============================= Abklärung grundlegender Fragen ------------------------------ ### Welches Konzept ist am besten geeignet? Das Laborsystem soll die Aufgabenstellungen der HTBLA Vöcklabruck erfüllen, ~~somit~~ das heißt, ~~musste~~ dass ein System mit einer geringen Standfläche und einem geringen Gewicht entwickelt werden musste. Nach einigen Entwürfen ~~wurde sich~~ fiel die Entscheidung auf ~~für~~ folgendes Konzept ~~entschieden~~: Ein Greifer soll linear zwischen 3 verschiedenen Ebenen wechseln ~~können~~ und sich durch eine rotatorische Achse zu 4 Positionen pro Ebene drehen können. ~~Anschließend musste der grobe Entwurf mit dem übrigen Diplomarbeitsteam besprochen und verfeinert werden.~~ Der grobe Entwurf wird im Diplomarbeitsteam besprochen und verfeinert Da das gesamte System ohne Endschalter referenziert werden soll, wurden Anschläge für die beiden Achsen definiert. Ein Vorteil einer Maschine ohne Endschalter ist der deutlich kleiner Verkabelungsaufwand und eine klare Erleichterung im Kabelmanagement. Die Anschläge werden beim Einschalten des Laborsystems angefahren, um die Position des Greifers und die Orientierung feststellen zu können. Die Verkabelung und Positionierung der Platine wurden im Laufe der Diplomarbeit häufig verändert und verbessert. Denn nur durch diese Veränderungen ist ein baugruppenunabhängiger Zusammenbau möglich. ### Welche Bauteile sollen verwendet werden? Um die Kosten des Laborsystem zu senken, wurden Teile der Partnerfirma ~~Firma~~ Igus verbaut. Bei früheren ~~da bereits bei vorherigen~~ Projekten konnten mit den Produkten der Fima Igus sehr gute Erfahrungen gemacht werden. ~~mit den Produkten der Firma gesammelt wurden.~~ ~~Für~~ Bei den sonstigen Materialien wurde darauf geachtet, die Beschaffungskosten niedrig zu halten und die Verfügbarkeit in der Werkstätte zu gewährleisten. ### Welche Fertigungsmethoden sind am praktikabelsten? Ein geringes Gewicht ist ~~Um~~ eine der grundlegenden Aufgabenstellungen. ~~, also ein geringes Gewicht,~~ Um diese zu erfüllen, wurde der 3D-Druck zur Fertigung des Großteils der Komponenten ~~aus~~gewählt. ~~da~~ ~~die~~ Die Füllung ~~bei meinen~~ der 3D-Druckteilen liegt meist bei circa 20% ~~liegt~~ und garantiert somit ein geringes Gewicht ~~garantiert wird~~. Die ~~Schule~~ HTBLA ~~ist ebenfalls zurzeit in Besitz von~~ besitzt derzeit drei Evotech-3D-Drucker ~~mit ausreichend Druckfilament~~. Um für die Schüler den Zusammenbau zu vereinfachen, wurden die Bohrungen und Positionierlöcher ~~auf den~~ für die verschiedenen Ebenen auf 10mm dicke Plexiglasplatten ~~durch~~ ~~unseren~~ mit dem Trotec-Laser in der Werkstätte gefertigt. Realisierung in Creo -------------------- BILD einfügen Stücklisten ----------- Dieser Abschnitt dient der Beschaffung und Fertigung aller Komponenten der Konstruktion. In die 3D-gedruckten Teile müssen teilweise noch Gewinde der Größe M3 und M4 geschnitten werden. Die dxf.-files der Plexiglasplatten für das Gestell befinden sich im Public-Ordner der ~~Schule~~ HTBLA. Die dxf.-files müssen nur noch in einen Trotec-Job konvertiert werden und können gefertigt werden. In die unterste Platte müssen noch M4 Gewinde geschnitten werden, um die Platine befestigen zu können. Die Schrauben, Scheiben und Muttern wurden aus dem Magazin der HTBLA Vöcklabruck verwendet. Die Bestellliste bei der Partnerfirma Igus ist in den Zukaufteilen sichtbar. Weitere Komponenten, wie das Rohr (Ø10x1), wurden in einem nahegelegenen Baumarkt gekauft. Die Kupplungen können von vielen verschiedenen Anbietern bezogen werden, es wurde ~~sich für~~ die kostengünstigste Variante ~~entschieden~~ gewählt. ### 3D-Druckteile Die G-Codes für die folgenden Teile befinden sich auf dem Public-Ordner der HTBLA Vöcklabruck. Vor dem Starten der Drucke muss beachtet werden, dass die Drucker kalibriert sind, da es sonst ~~ansonsten kommt es~~ an den Gleitflächen zu Problemen beim Zusammenbau kommt. Folgende Teile müssen 3D-gedruckt werden: Gestell: 12x Distanzbuchsen\_1 4x Distanzbuchsen\_2 10x Zylinderhalter 4x Standfüße 5x Platinenhalter 1x Kupplungsglocke 2x Motorhalterung Vertikalachse: 1x Führungsplatte\_unten 1x Führungsplatte\_oben 1x Greiferplattform Greifer: 1x Greifer\_Grundkörper 1x Greiferarm\_fest 1x Greiferarm\_beweglich 1x Greifer\_Verbinder ### Zukaufteile Igus: 1x PTGSG\_10x2\_01\_R\_210\_ES 1x JFRM\_2525TR10x2 2x EFSM\_06 2x GFM\_1011\_10 Baumarkt: 2x Rohr (Ø10x1 l=195mm) 4x Gewindestange M10x1,5 l=300mm Online-Anbieter: 1x Kupplung 8mm-5mm 1x Kupplung 6mm-5mm 2x Nema17 Motoren 1x SG90-Set (inkl. Verkabelung und Schrauben + 2 extra Schrauben) ### Eigenfertigung 5x Plexiglasscheiben -unterste Platte 5xM4 Gewinde schneiden 1x PTGSG\_10x2\_01\_R\_210\_ES (Wellenabsätze drehen) 2x Führungsrohr (Ø10x1 l=195mm) 1x Rohr\_1 (mit Kabelführungsschlitz) 1x Rohr\_2 Im Anhang D befinden sich die Ableitungszeichnungen für die Wellenabsätze und die beiden Rohre. ### Zubehör Muttern: 8x ISO4033-M10-8 10x ISO4033-M4-8 2x ISO4033-M3-8 Scheiben: 8x ISO7090-10-200HV 16x ISO7092-4-200HV-A2 Zylinderschrauben: 2x ISO4762-M5-45-8.8 6x ISO4762-M4x20-8.8 5x ISO4762-M4x12-8.8 (Platinenbefestigung) 12x ISO4762-M3x8-8.8 2x ISO4762-M3x10-8.8 ### Nachbearbeitung der 3D-Druckteile In folgende Teile muss ein Innen- oder Außengewinde geschnitten werden: Führungsplatte\_oben 4xM3 Innengewinde Führungsplatte\_unten 4xM3 Innengewinde Motorhalterung 1xM5 Innengewinde Standfüße 1xM10 Innengewinde Zylinderhalterung 1xM4 Außengewinde Anleitung für den Zusammenbau ----------------------------- ### Gestell Die benötigten Bauteile für das Gestell der Konstruktion sollen wie am Prototypen und wie in Abbildung zusammengebaut werden. Die Kupplungsglocke wird mit ISO4762-M5-45-8.8-Schrauben mit den beiden Motorhaltern verschraubt, ~~hierbei~~ wobei ~~muss~~ der Anschlag wie in der nachfolgenden Abbildung platziert sein muss. Beim Einsetzen der Zylinderhalter muss die Orientierung der Zentrierfunktion beachtet werden.  []{#_Toc66635920.anchor}Abbildung 1: Finalisiertes Gestell ### Vertikalachse Zu Beginn müssen die beiden Gleitlagerbuchsen GFM\_1011\_10 in die Greiferplattform geklebt werden. Vor dem Festkleben wird empfohlen, die Leichtgängigkeit der Führungsrohre zu überprüfen. Falls diese nicht gegeben ist, muss die Bohrung mit einer Feile nachbearbeitet werden. Anschließend sollen die Teile wie in den folgenden Bildern zusammengebaut werden. Beim Einpressen der Führungsrohre muss auf die exakte Positionierung des Kabelführungsrohr geachtet werden. Das Führungsrohr der Kabelführung muss mit der Bohrung in der oberen Führungsplatte übereinstimmen. []{#_Toc66635921.anchor}Abbildung 2: Greiferplattform und Gewindemutter verbunden durch M4x20-Schrauben, M4-Scheiben und M4-Muttern  []{#_Toc66635922.anchor}Abbildung 3: Obere Vertikalachse zusammengebaut, 8x M3\*8-Schrauben verwendet []{#_Toc66635923.anchor}Abbildung 4: Untere Vertikalachse zusammengebaut (Führungsrohre eingepresst), 4x M3\*8-Schrauben verwendet  []{#_Toc66635924.anchor}Abbildung 5: Beide Teile der Vertikalachse verbunden, vorher Greiferplattform auf Gewindespindel aufgedreht ### Greifer Beim Zusammenbau des Greifers muss unbedingt die Zylinderführung des beweglichen Greiferarms überprüft und eventuell nachbearbeitet werden. Der Greiferarm muss ohne jeglichen Widerstand in der Führung verschiebbar sein (siehe Prototyp). Den Zusammenbau und die Verschraubungen sind in den folgenden Abbildungen zu sehen. Um den Greifer mit der Greiferplattform verschrauben zu können, müssen die beide M3 Muttern in den Grundkörper an der vorgesehenen Stellen eingepresst werden.  []{#_Toc66635925.anchor}Abbildung 6: Vorderansicht Greifer Abbildung 7: Rückansicht Greifer ### Verkabelung Bevor mit der Verkabelung begonnen wird, wird empfohlen die Verkabelungsstruktur am Prototypen zu beachten und sich an diesem, bzw. an den folgenden Bilder zu ~~betrachten~~ orientieren. []{#_Toc66635926.anchor}Abbildung 8: Greifer mit 2x M3x10-Schrauben befestigt, Kabel am Motor montiert und mit SG90-Kabel nach unten geführt, davor Stecker am SG90 demontiert  []{#_Toc66635927.anchor}Abbildung 9: Kabel an vorgesehener Öffnung ausführen []{#_Toc66635928.anchor}Abbildung 10: Positionierung der SG-90 Kabel mit neuer Orientierung und befestigen im Stecker  []{#_Toc66635929.anchor}Abbildung 11: neue Anordnung der SG90-Kabel Bild wenn Fertig Die Platine auf der unteren Führungsplatte soll wie am Prototypen verkabelt und verlötet werden. ~~Zu beachten ist, dass keine Kurzschlüsse entstehen, um dies zu gewährlisten werden Schrumpfschläuche zum Überdecken von abisolierten Kabelstellen empfohlen~~. Um eventuelle Kurzschlüsse zu vermeiden, ist darauf zu achten, dass zum Überdecken von abisolierten Kabelstellen Schrumpfschläuche verwendet werden. BLABLA Entwicklung der Elektronik für das Laborsystem ============================================== Allgemeines zu Elektronik und Teilaufgabengebiete ------------------------------------------------- Antriebsauslegung ----------------- ### Auswahl des Antriebstyps Da keine pneumatischen Antriebe verwendet werden durften, wurde auf elektrische Antriebe zurückgegriffen, hier standen DC-Motoren, Bürstenlose DC-Motoren und Schrittmotoren zur Auswahl. Man entschied sich für die Verwendung von Schrittmotoren, da deren Eigenschaften die Anforderungen erfüllten. Diese Eigenschaften sind unter anderem: - Die Unterteilung des Rotors in 200 Schritte, dies führt zu einem Schrittwinkel von 1,8°. Da Schrittmotoren eben mit diesen Schritten angesteuert werden, ist eine genaue Positionierung in 1,8° möglich. Einige Schrittmotor -- Treiber besitzen sogenanntes „Microstepping", d.h. zwischen zwei Schritten werden weitere Schritte hineininterpoliert, ~~dadurch ist noch~~ wodurch eine wesentlich genauere Positionierung möglich ist. Für das Laborsystem bedeutet dies, dass nach der Referenzierung keine Endschalter oder Initiatoren zur Positionsbestimmung nötig sind, da zu jeder Zeit die Position mithilfe der vollendeten Schritte berechnetet werden. ~~Hierdurch wurde zum einen Geld gespart und zum anderen ersparte man sich einen großen Verkabelungsaufwand~~. Mit dieser kostengünstigen Variante wird auch der Verkabelungsaufwand kleiner gehalten. Bei drei Ebenen mit jeweils zwei Positionen und vier Positionen des Drehturms ~~wurden somit~~ konnten so 10 Endschalter pro Maschine ~~gespart!~~ eingespart werden. - Da Schrittmotoren keine Verschleißteile, wie Kohlebürsten, besitzen und darüber hinaus wartungsfrei sind, ~~sind Schrittmotoren~~ gelten diese als langlebig. ~~In Hinsicht~~ Im Hinblick darauf, dass das Laborsystem für die nächsten Jahre von den Schülern genutzt wird, ist die Langlebigkeit der Motoren eine wichtige Qualitätssicherung des Systems. - Schrittmotoren besitzen auch bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment. Speziell für den Drehturm, der sich mit nur 15 min^-1^ dreht, ist diese Fähigkeit ein wichtiger Aspekt. ### Berechnung der Antriebe und Auslegung der Versorgung    Steuereinheit ------------- ### Aufgaben der Steuereinheit Die Steuereinheit hat die Aufgabe, die Motoren des Laborsystems gemäß der Vorgabe der externen Steuerung anzusteuern und dieser Rückmeldung über die Position des Systems zu liefern. Zum Ansteuern der Schrittmotoren musste ein Schrittmotortreiber ausgewählt und dimensioniert werden. Ein Microcontroller, der auf dem Board verbaut ist, übernimmt die Kommunikation mit den Treibern sowie der externen Steuerung. ### Ansteuerung der Schrittmotoren und Auswahl eines Treiberbausteins Da die Kommutierung der Phasen eines Schrittmotors kompliziert ist, musste ein Treiber ausgewählt werden, der diese Beschaltung der Phasen und die damit verbundenen Ansteuerungslogik übernimmt. Zuerst musste man sich zwischen bereits fertigen Modulen (IC mit allen benötigten passiven Elementen auf einer Leiterplatte) und IC (nur der Treiber Chip) entscheiden. Aufgrund der mangelnden Transparenz und Qualitätssicherung/Kontrolle ~~entschied man sich für~~ fiel die Entscheidung auf den „standalone" Chip, ~~um so~~ der mehr Kontrolle über die Qualität der verbauten passiven Komponenten ~~zu erlangen~~ erlaubt. Der Treiber-IC muss folgende Anforderungen erfüllen: - **Microstepping:** Der Treiber soll Microstepping unterstützen, so dass durch die extra interpolierten Schritte der Geräuschpegel und die Vibrationen gesenkt werden. Dies ist wichtig, da das System in den Schullaboren verwendet wird und ~~somit würden die~~ Systeme ohne Microstepping einen Geräuschpegel erzeugen würden, der den Unterricht stört. Weiters ist die Verminderung der Vibrationen von Bedeutung, da die vielen 3D-gedruckten Komponenten anfällig auf Vibrationen sind. Idealerweise sollte der Treiber fähig sein, mindestens 128 Microschritte zu erzeugen. **\ ** - **Integrierte Leistungsstufe:** Ein vollintegrierter Treiber (Leistungsstufe miteingeschlossen) sorgt für eine Minimalanzahl an externen Komponenten, da in diesem Fall acht externe Transistoren sowie deren Zusatzbeschaltung wegfallen. Dies ~~führt~~ spart Kosten und Platz auf der Leiterplatte. - **5V Leistungsstufe:** Die Leistungsstufe soll mit mindestens 5V betrieben werden können. So kann die gesamte Steuereinheit über ein externes 5V-Netzgerät betrieben werden und es ist kein ~~extra~~ zusätzlicher Spannungswandler nötig, um das Board zu versorgen. Damit werden Kosten und Entwicklungszeit ~~gespart~~ verringert. Aufgrund dieser Anforderungen ~~wurde~~ entschied man sich für den Treiber **TMC2226** von Trinamic Motion Control ~~entschieden~~. Dieser ist in der Lage 256 Microschritte zu erzeugen, besitzt eine integrierte Leistungsstufe, die mit 5V versorgt werden kann. ~~Des weiteren~~ Überdies besitzt der TMC2226 noch weitere nützliche Funktionen, die im Anschluss ~~in~~ unter Punkt 3.3.3 beschrieben werden. ### Eigenschaften des TMC2226 und deren Nutzen für das System Der TMC2226 verfügt über einige Eigenschaften, die ihn von anderen Treibern ~~absetzt~~ abhebt. Diese werden in der Folge hier aufgelistet und deren Nutzen für das Laborsystem aufgezeigt. #### Komplette Ansteuerung und Parametrierung über UART-Bus Über den UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) Bus kann der komplette Treiber parametriert und darüber hinaus auch angesteuert werden. Dadurch ist die Parametrierung flexibel und äußert anpassungsfähig ~~an die~~ in der Anwendung. So können auch wesentlich mehr Parameter beschrieben werden als z.B. mit einer Parametrierung durch Widerstände. Weiters gestaltet sich die Ansteuerung (Geschwindigkeit und Richtung) über den Bus deutlich einfacher als mit der üblichen Ansteuerung über die Hardware-pins „step" und „direction", da die Erzeugung des nötigen PWM Signals mit variabler Frequenz und Anfahrrampen einen großen programmiertechnischen Aufwand darstellen. In Abbildung 12 ist eine Ansteuerung von zwei Treibern über den Bus dargestellt. []{#_Toc66635930.anchor}Abbildung : Ansteuerung von mehreren Treibern über den singel-wire UART #### Stealth-chop und Microstepping -- 256 Teilschritte pro Schritt Wie schon in ~~vorherigen~~ vorhergehenden Kapiteln beschrieben, bietet Microstepping große Vorteile in Bezug auf Geräuscherzeugung und Vibrationsminderung. Der TMC2226 besitzt ein Microstepping von 256, dem am Markt ~~größten~~ höchsten Wert. Zudem bietet der Treiber einen speziellen Chopper-Modus (Art, wie die Leistungsstufe angesteuert wird), den sogenannten Stealth-chop. Dieser ermöglicht eine weitere Geräusch- und Vibrationsminderung bis zu dem Punkt, dass bei niedriger Drehzahl (\< 60 min^-1^) nichts mehr zu hören ist. Weiters ermöglicht dieser Modus die Verwendung von Stallguard und Coolstep. Abbildung 2 zeigt den gemessenen Motorstrom im Stealth-chop Modus. Dieser ist sinusförmig und ohne Störungen.  #### Stallguard -- Erkennung von Kollisionen Im Stealth-chop Modus kann der Treiber die Belastung des Motors messen und gibt diese im SG-Result wieder. ~~Umso~~ Je niedriger der Wert ist, desto stärker ist die Belastung. Der Benutzer kann einen Threshold setzen, bei Unterschreitung wird der Stall Output geschalten (Kollision erkannt), siehe Abbildung 3. Nach Justierung des Thresholds kann der Microcontroller nach Erhalt des Stall Outputs den Schrittmotor stoppen, ohne dass Schritte übersprungen werden. Dadurch kann durch Anfahren eines mechanischen Anschlags das System gehomt bzw. referenziert werden und somit sind keine Endschalter für das Referenzieren nötig! []{#_Toc66635932.anchor}Abbildung : Funktionsschema von Stallguard; Zusammenspiel von SG\_Result, SGTHRS und dem Stall Output #### Coolstep -- Lastabhängiger Betrieb Coolstep betreibt den Schrittmotor lastabhängig, d.h. es regelt den Strangstrom so, dass sich der Lastwinkel bei +90° befindet. In anderen Worten, der Strom wird so weit verringert, bis der Motor knapp vor einem Stall (Stillstand) steht. Dies ist hinsichtlich der Effizienz eine wichtige Funktion (Abbildung 4), da die Halbierung des Stromes zu nur ein Viertel der verbrauchten Energie führt.  []{#_Toc66635933.anchor}Abbildung : Vergleich der Effizienz zwischen herkömmlicher Ansteuerung und Coolstep #### Ausgabe der Microschritte über den „Index -- Pin" Über den Index Pin gibt der Treiber bei jedem vollendeten Microschritt einen Puls aus. Der Microcontroller zählt diese über eine Hardware-Interrupt. ### Elektrische Auslegung der Steuereinheit ### Microcontroller -- Das übergeordnete Steuerelement #### Erweiterungsboard -- Schnittstelle zwischen SPS und Steuereinheit ----------------------------------------------------------------- ### Aufgaben und Anforderungen an das Erweiterungsboard ### MCP23017 als I/O-Erweiterung #### 16 24V Eingänge #### 16 24V Ausgänge ### I2C als Kommunikationsmittel zwischen Erweiterungsboard und Steuereinheit ### Eingangsschutzbeschaltung #### Umgekehrter Polaritäts-Schutz #### Schutz vor ESD und Spannungsspitzen ### LED-Indikatoren und physikalischer Aufbau des Boards Fertigung und Bestückung der Leiterplatten ------------------------------------------ Programmierung ============== Wahl der SPS ------------ An der Schule standen 3 verschiedene SPS -- Systeme zur Auswahl. Diese waren Siemens, B&R und Beckhoff. Da das Siemens System zum Zeitpunkt dieser Entscheidung, im Unterricht noch nicht verwendet wurde, wurde es als unpassend erachtet. Das B&R System sowie das Beckhoff System wurden bereits im Unterricht behandelt, dabei fiel vor allem die einfachere und übersichtlichere Programmierumgebung des Beckhoff Systems auf. Ebenfalls gestaltete sich die Fehlersuche im Beckhoff System einfacher. Weiters waren bereits fertige SPS -- Boards, welche nur noch mit unserem System verbunden werden mussten, im MECHA-LAB vorhanden. Programm -------- ### Konzepte Es wurde sich für ein Lagersystem mit 10 Ablagepositionen entschieden. Dafür wurde nun ein Programm erstellt mit welchem Teile von A nach B transportiert werden. Zu beginn stand noch die Überlegung im Raum, ob nicht noch ein Farbsensor mit eingebunden werden soll. Diese Überlegung wurde dann jedoch aufgrund des zusätzlichen elektrischen Aufwandes wieder verworfen. Am Ende wurden 2 verschiedene Bewegungen erstellt. Die erste welche einen Teil von A nach B bewegt. Die Zweite holte einen Teil von der Aufnahmeposition und bringt es ins Lager. Bis dieses voll ist, ist dieses nun gefüllt so werden die Teile wieder der Reihe nach das dem Lager zur Aufnahmeposition gebracht. ### Programm Aufgabenstellung Das System besteht aus 3 Ebenen, auf jeder dieser Ebenen befinden sich wieder 3 Ablagepositionen. Jede dieser Positionen muss angefahren werden können. Der Greifer kann keine komplette Umdrehung erreichen. Dabei kann sich Greifer von der Nullposition aus nur die Position 1 erreichen. Durch Betätigen des Startes soll das System ein Teil aufnahmen und angegebene Positionen legen. **Vertikal- und Horizontalbausteine:** Beginnen sie zuerst mit den einzelnen Bausteinen für die vertikale und horizontale Bewegung. Das Greifen kann in die Vertikalbewegung eingebaut werden. Sollte eine der Stall -- Detection ausgelöst werden so soll das System sofort in die gegengesetzte Richtung fahren bis es eine Position erreicht. **Motion Baustein** Nun kann man mit der Hilfe eines Funktionsbausteines, in welchem die Bewegung programmiert wird, „Motion" Baustein eine komplexe Bewegung leichter realisiert werden. **Komplexe Bewegungen:** **Komplexe Bewegung 1:** **Komplexe Bewegung 2:** **Visualisierung:** Es soll eine Visualisierung erstellt werden, bei der man die verschiedenen Aktoren durch Lampen sieht. In Ebenfalls soll das System allein über die Visualisierung bedient werden können. Die Start Parameter und Ziel Parameter sollen mit Hilfe von Dropdown Menus eingestellt werden. Ein Handbetrieb mit welchem man die Motoren einzeln über die Visualisierung ansteuern kann soll ebenfalls noch eingebaut werden. ### Dokumentation Die SPS führt das Programm, welches eingespielt, wurde standardmäßig alle 10ms Sekunden aus. Deshalb dürfen **KEINE** Schleifen verwendet werden. Denn dies führt zum Abstürzen des Programmes oder des Gerätes. Simuliert man das System im Online -- Modus so wird sich das Programm sofort aufhängen und der Computer wird nach einigen Sekunden abstürzen. **Programm erstellen:** Datei/Neu/Projekt -\> Danach wählen sie das TwinCat Programm aus. []{#_Toc66635934.anchor}Abbildung SPS/Neues Element/ -\> Standard PLC Projekt auswählen  []{#_Toc66635935.anchor}Abbildung **GVL & POUs hinzufügen** GVL/Hinzufügen/Globale Variablenliste []{#_Toc66635936.anchor}Abbildung POUs/ Hinzufügen/POU  []{#_Toc66635937.anchor}Abbildung Das Programm wird in den Funktionsbausteinen geschrieben, welch anschließend im Main aufgerufen werden. Dadurch bleibt das ganze deutlich übersichtlicher. **Anlegen der SPS** Gerät/Scannen OK auswählen  []{#_Toc66635939.anchor}Abbildung Installiertes Gerät auswählen Bestätigen, um den Scann zu starten  **Globale Variablenliste:** []{#_Toc66635942.anchor}Abbildung In der GVL werden die Variablen angelegt, welche mit der Hardware zusammenarbeiten. Z.b. die Endschalter für die Positionen. **Globale Variablenliste für die Visualisierung**  []{#_Toc66635943.anchor}Abbildung **Stall -- Detection:** Dies muss unbedingt vor dem Start der eigentlichen Programmierung der Funktionsbausteine erledigt werden. Sollte eine der beiden Stall -- Detection ausgelöst werden soll das System in die entgegengesetzte Richtung fahren. Dies kann mit IF umgesetzt werden. []{#_Toc66635944.anchor}Abbildung Für die Stall -- Detection wurde der TON Baustein verwendet, welcher im TwinCat bereits vorhanden ist. Dabei Handelt es sich um eine einfache Verzögerung, nach welcher mit dem Programm vortgefahren wird. Für die genau Syntax sieh den Link zur Beckhoff Information System. **Vertikalbaustein:**  []{#_Toc66635945.anchor}Abbildung Diese Variablen wurden zur Programmierung des Vertikalbausteines verwendet. Mit der „place" Variable wird gesteuert, ob man ein Teil aufnimmt/ablegt oder eine Normale Vertikalbewegung ausführt. []{#_Toc66635946.anchor}Abbildung Dies ist eine normale Vertikalbewegung zur Ebene 1.  []{#_Toc66635947.anchor}Abbildung Hier sieht man die erste Ablageposition. Die zwei weiteren sollen nun selbst programmiert werden. Zum Ablegen und Aufnehmen des Teiles muss eine kleine Verzögerung eingebaut werden. Da wir hier erst nach 100 Wiederholungen mit dem Programm fortfahren entsteht eine kleine Verzögerung von 100 \* 10ms -\> 1s. Dies ist außer dem TON noch eine weitere Möglichkeit eine Verzögerung zu schaffen. **Horizontalbaustein:** []{#_Toc66635948.anchor}Abbildung  []{#_Toc66635949.anchor}Abbildung Mit diesem einfachen Code kann die Position 0 erreicht werden. **Komplexe Bewegungen 1** []{#_Toc66635950.anchor}Abbildung Das Ziel dieser Bewegung ist es, dass ein Teil, aus einer der 10 Positionen entnommen werden kann und in eine andere Position abgelegt werden kann. In der Variable „step" stehen die einzelnen Schritte welche der Reihe nach ausgeführt werden. **Komplexe Bewegung 2**  []{#_Toc66635951.anchor}Abbildung Das Ziel dieser Bewegung ist es, dass ein Teil, von der Annahmeposition in das Lager gebracht wird, dabei soll das Lager der Reihe nach aufgefüllt werden. Ist das Lager voll, so soll es wieder entleert werden. In der Variable „position" wurden die einzelnen Positionen mit ihren Startpositionen und Zielpositionen hinterlegt. Die beiden Funktionsbausteine müssen nun in unserem Motion Baustein aufgerufen werden. Dies soll am Ende des Codes passieren. Mit F2 kann man nun den Baustein auswählen. []{#_Toc66635952.anchor}Abbildung Nun muss man noch die Variablen welche man im Motion Baustein verwendet den Variablen der anderen Bausteine zuweisen.  []{#_Toc66635953.anchor}Abbildung **Visualisierung** []{#_Toc66635954.anchor}Abbildung Mit dem Manuel Schalter kann auf Handbetrieb umgeschaltet werden. Wird dieser umgelegt so kann man die einzelnen Motoren mit den Knöpfen ansteuern. Dabei müssen die Knöpfe mit den Variablen der GVL Visu verbunden werden. Mit welchen dann eine einfache IF Anweisung angesteuert werden kann.  Mit dem Drop -- Down Menüs soll die Startposition und die Zielposition ausgewählt werden. Für das Drop -- Down Menü müssen noch Listen angelegt werden. Visu/Hinzufügen/Textliste []{#_Toc66635955.anchor}Abbildung Name eingeben und Öffnen  []{#_Toc66635956.anchor}Abbildung Die ID stellt den Wert dar, welcher in die Variable geschrieben wird. Die man bei der TextBox festlegt. Im Standard Tab wird festgelegt welcher Wert später in der TextBox angezeigt wird. []{#_Toc66635957.anchor}Abbildung Zusammenfassung =============== TEXT TEXT Literatur- und Quellverzeichnis =============================== Bundesministerium für Bildung. (Jänner 2016). *Leitfaden für die Durchführung von Diplomarbeiten.* (Bundesministerium für Bildung, Hrsg.) Wien: Eigendruck.Abbildungsverzeichnis ================================================================================================================================================================================ [Abbildung 1: Finalisiertes Gestell 8](#_Toc66635920) [Abbildung 2: Greiferplattform und Gewindemutter verbunden durch M4x20-Schrauben, M4-Scheiben und M4-Muttern 9](#_Toc66635921) [Abbildung 3: Obere Vertikalachse zusammengebaut, 8x M3\*8-Schrauben verwendet 9](#_Toc66635922) [Abbildung 4: Untere Vertikalachse zusammengebaut (Führungsrohre eingepresst), 4x M3\*8-Schrauben verwendet 9](#_Toc66635923) [Abbildung 5: Beide Teile der Vertikalachse verbunden, vorher Greiferplattform auf Gewindespindel aufgedreht 9](#_Toc66635924) [Abbildung 6: Vorderansicht Greifer Abbildung 7: Rückansicht Greifer 10](#_Toc66635925) [Abbildung 8: Greifer mit 2x M3x10-Schrauben befestigt, Kabel am Motor montiert und mit SG90-Kabel nach unten geführt, davor Stecker am SG90 demontiert 11](#_Toc66635926) [Abbildung 9: Kabel an vorgesehener Öffnung ausführen 11](#_Toc66635927) [Abbildung 10: Positionierung der SG-90 Kabel mit neuer Orientierung und befestigen im Stecker 12](#_Toc66635928) [Abbildung 11: neue Anordnung der SG90-Kabel 12](#_Toc66635929) [Abbildung 12: Ansteuerung von mehreren Treibern über den singel-wire UART 22](#_Toc66635930) [Abbildung 13: Motorstrom im Stealth-chop Modus 22](file:///D:%5CHTLVB%5CDiplomarbeit%5CDA_vollelektrisches%20mechatronisches%20Laborsystem.docx#_Toc66635931) [Abbildung 14: Funktionsschema von Stallguard; Zusammenspiel von SG\_Result, SGTHRS und dem Stall Output 23](#_Toc66635932) [Abbildung 15: Vergleich der Effizient zwischen herkömmlicher Ansteuerung und Coolstep 24](#_Toc66635933) [Abbildung 16 30](#_Toc66635934) [Abbildung 17 30](#_Toc66635935) [Abbildung 18 31](#_Toc66635936) [Abbildung 19 32](#_Toc66635937) [Abbildung 20 33](file:///D:%5CHTLVB%5CDiplomarbeit%5CDA_vollelektrisches%20mechatronisches%20Laborsystem.docx#_Toc66635938) [Abbildung 21 33](#_Toc66635939) [Abbildung 22 33](file:///D:%5CHTLVB%5CDiplomarbeit%5CDA_vollelektrisches%20mechatronisches%20Laborsystem.docx#_Toc66635940) [Abbildung 23 34](file:///D:%5CHTLVB%5CDiplomarbeit%5CDA_vollelektrisches%20mechatronisches%20Laborsystem.docx#_Toc66635941) [Abbildung 24 34](#_Toc66635942) [Abbildung 25 35](#_Toc66635943) [Abbildung 26 35](#_Toc66635944) [Abbildung 27 37](#_Toc66635945) [Abbildung 28 38](#_Toc66635946) [Abbildung 29 38](#_Toc66635947) [Abbildung 30 39](#_Toc66635948) [Abbildung 31 39](#_Toc66635949) [Abbildung 32 40](#_Toc66635950) [Abbildung 33 42](#_Toc66635951) [Abbildung 34 43](#_Toc66635952) [Abbildung 35 44](#_Toc66635953) [Abbildung 36 45](#_Toc66635954) [Abbildung 37 46](#_Toc66635955) [Abbildung 38 47](#_Toc66635956) [Abbildung 39 47](#_Toc66635957) [Abbildung 40 Screenshot Formatvorlage ändern 56](#_Toc66635958) [Abbildung 41 Screenshot Quelle erstellen 57](#_Toc66635959) [Abbildung 14 Screenshot Beschriftung einfügen 58](file:///D:%5CHTLVB%5CDiplomarbeit%5CDA_vollelektrisches%20mechatronisches%20Laborsystem.docx#_Toc66635960) **\ ** ###### - Begleitprotokolle ###### - Tätigkeitsprotokolle  ###### - Dokumentationen An dieser Stelle sollen gegebenenfalls weitere wichtige Dokumente, wie Berechnungen, Kalkulationen, technische Dokumentationen, Zeichnungen, etc. eingefügt werden.