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4.4.10 Kugel auf einer Wippe balancieren

Erstellt ab 04.04.2012

 

Mein Sohn Nico (12) kommt mich in diesen Tagen (Osterferien 2012) immer mal in meinem Bastelkeller besuchen.


Dann schaut er, was ich so mache und setzt sich selber auch mal an den zweiten Bastel-PC, um etwas zu "daddeln". Letztens haben wir ein wenig an der Picaxe herumprogrammiert, aber die richtige Freude wollte dabei nicht aufkommen.


Nico 2012

 

Es ist wohl auch ein etwas trockener Stoff, wenn man so völlig ohne Bastelei an der Picaxe herum programmiert.

 

Ich hatte mir schon länger ein Projekt zurechtgelegt, das ich einmal druchführen wollte:

 

 

--- Projekt "Kugel auf Wippe" ---

 

  • Gegeben ist eine Wippe, die an der Motorachse eines Schrittmotors befestigt ist.
  • Auf dieser Wippe liegt frei beweglich eine Stahlkugel.
  • Außen an der Schaltung (nicht an der Wippe) ist ein Potentiometer angebracht, mit dem man die Position der Stahkugel vorwählen kann.




Jetzt soll eine Picaxe (µ-Controller) den Sollwert des Potis einlesen und die Stahlkugel mittels des Schrittmotors und der Wippe an die richtige (zum Wert des äußeren Potentiometers proportionale) Position bewegen.

Soweit, so gut.

Fangen wir erst einmal mit einer erklärenden Skizze an:



Die beiden blauen Mikroschalter sind als Sicherheit gedacht, denn ich glaube nicht, dass uns das spätere Programm auf Anhieb gelingen wird. Da kann man dann immer diese Mikroschalter abfragen und die Wippe beim Berühren dieser Schalter bremsen.

Wie wir sehen, wird die Picaxe sehr "zu ackern" haben, um die Kugel auf eine bestimmte Position zu bewegen. Dazu habe ich mir überlegt, dass die Picaxe eine Rückmeldung haben muss, wo genau die Kugel denn nun liegt. Am besten wäre es, wenn man einen Analogwert dazu in die Picaxe einlesen könnte.

Deshalb ist die Kugel auch aus Stahl.



Nein, es ist nicht Dracula, der da unterwegs ist ... ;-)

Und ich habe mir folgendes Konzept dazu ausgedacht:

 

  • Die Kugel läuft auf der einen Seite auf einer Gewindestange (etwa M6)
  • Die Kugel läuft auf der anderen Seite auf einer Kohlebahn, die auf ein schmales, langes Brettchen aufgebracht ist.
  • Die Kohlebahn hat an jedem Ende eine elektrische Anzapfung, so dass mit der Gewindestange zusammen ein Potentiometer entsteht.





Die Mittelanzapfung des so entstandenen Potentiometers ist also die Gewindestange, an der später der Analogwert antstehen soll, der zur Kugelposition proportional ist. Dieser Analogwert soll dann als Istwert (Rückmeldung) in die Picaxe eingelesen werden und mit dem äußeren Potentiometer (Sollwert) verglichen werden. Hieraus soll dann ein
geschlossener Regelkreis entstehen.

Aus den zurückgegebenen Werten soll die
Picaxe (µ-Controller) nun die nötige Neigung der Wippe ermitteln, bis die Kugel an der vorgesehenen Stelle zum Stillstand kommt.


Das liest sich jetzt vielleicht ein wenig schwer,
deshalb habe ich hier auch noch einmal eine erläuternde Skizze dazu erstellt:


 

Jetzt stellt sich aber die Frage:
"Wie bringe ich eine geeignete Kohlebahn auf ein Brettchen auf ?"
"Welches Material könnte ich als Kohlebahn benutzen ?"

Dazu werden wir hier ein paar vorbereitende Versuche machen.

Ich habe hier noch eine Dose Graphitspray stehen, die man normalerweise benutzt, um antistatische Überzüge auf Kunststoffteile aufzubringen, oder auch um HF-Abschirmungen selber herzustellen:



Dieses Spray bekommst Du beispielsweise hier:

Conrad-Elektronik-Produktlink

Auf der Dosenrückseite heißt es:

Zitat:

Anwendungsbeispiele:
  • Leitfähige Schichten zur Ableitung statischer Elektrizität von Glas und Kunststoffen und für die Galvanotechnik.
  • Graphit-Gleitschichten auf Holz, Metall und Kunststoffen
  • Hochtemperatur-Trennmittel
Eigenschaften:

GRAPHIT 33 ist ein leitfähiger Lack mit sehr feinem und reinem Kolloid-Graphit. Es haftet gut auf glatten Oberflächen aus Kunststoffen, Glas und Metall.

Zitat Ende

Aha, also glatte Oberflächen.

Da könnte ich ja sicherlich ein paar Versuche auf einfachem Papier machen, denn meine ersten Versuche, das Holz direkt zu besprühen, waren fehlgeschlagen, weil das Holz zu porig ist.

Ich habe mir daher überlegt, die benötigte "Kohlebahn" einfach auf einen Bogen selbstklebendes Etikettenpapier aufzusprühen.

Dazu möchte ich einen Streifen sprühen und diesen dann schön sauber mit der Schere ausschneiden und auf das Holzbrettchen aufkleben. Es gibt von Zweckform selbstklebende Etiketten im DIN A 4 Format, die sich gewiss hervorrgand dazu eignen würden.






Ich benutze hier folgende Folien zur Probe:
  • Zweckform Nr. 3487 --- 210 x 297 mm (Papier-Etiketten für Laser und Inkjet Drucker)   --- Conrad-Link
  • Zweckform Nr. 4723 --- 210 x 297 mm (Polyester-Etiketten für Inkjet Drucker) --- Conrad-Link
Also alles wahrhaft keine billigen Zutaten, mit denen man etwas sparsam umgehen sollte.

Deshalb beginne ich zunächst mit ganz normalem Druckerpapier, um die ersten Versuche zu machen.

Benötigte Teile:
  • Graphit 33 Spray
  • Druckerpapier
  • OpenOffice-Suite
  • Drucker
  • Schere
  • Messgrät (mit RS232-Anschluss) und Mess-Strippen mit Abgreifklemmen
  • Spannungsquelle (Labornetzgerät)
  • PC, um die Messwerte auszuwerten


Vorbereitung des Versuchs:
  1. Zuerst zeichne ich ein Rechteck mit OpenOfficeDraw und durcke es auf das Papier.
  2. Dann drehe ich den Ausdruck um (mit dem Ausdruck nach unten) und sprühe von hinten das Rechteck ein. (Das Rechteck sollte eigentlich durch das Papier hindurchschimmern, so dass man mit der Spraydose auch gut trifft.)
  3. Jetzt lasse ich das Spray trocknen.
  4. Zuletzt drehe ich das Blatt um und schneide den Streifen am ausgedruckten Rechteck aus.

1

Hier ist der Screenshot von dem Rechteck (OpenOffice /  LibreOffice):




2
Blatt Papier einsprühen ...



3

Spray trocknen lassen ...




4

Ergebnis am Kasten auf der Rückseite ausschneiden ...



Fertig.

So, jetzt habe ich mir eine wunderbare Widerstandsbahn gebaut. Die Frage ist nur, ob diese Anfertigung auch für den Wippenversuch tauglich ist. Daher versuche ich nun, den Gesamtwiderstand des Streifens zu ermitteln:


Zu meiner großen Freude kam ich auf einen Ohmwert von etwa 20kOhm bei einer Streifenlänge von ca. 23 cm :



Das spätere Poti hätte also einen Wert von etwa 20kOhm. Das ist ja super, denn mit diesem Wert kann man den Potiwert direkt in eine Picaxe einlesen.

Jetzt werde ich mutiger und baue dieses Poti einmal gleich auf die spätere Trägerfolie. Ich wiederhole also noch einmal die Schritte 1 bis 4 (siehe oben), jedoch auf diesem Material (DIN A4 Polyester-Inkjetfolie, selbstklebend).

Ich bedrucke die Polyesterfolie also von hinten mit dem Layout:


Ich drucke auch gleich zwei Streifen auf, denn man weiß ja nie, ob beim späteren Aufkleben nicht doch noch etwas schief geht.

Gedruckt, umgedreht, gesprüht ...

Der Lack "Graphit 33" und das Polyester vertragen sich gut und das Polyester bleibt nach dem Lackauftrag schön glatt. Es hätte ja immerhion auch sein können, dass der Lack das Polyester irgendwie angreift und es irgendwie auflöst. Aber das ist offenbar nicht der Fall. Jetzt muss das gut durchtrocknen ...

... ach du Schreck !!!

Als Ergebnis mit der Polyesterfolie zeigen sich Risse im getrockneten Lack. Also entweder man lackiert das sehr dünn in unzähligen Schichten und unzähligen Durchgängen, oder man greift auf DIN A4 Etiketten aus Papier zurück.

Hier einmal der "Unfall" mit der Polyesterfolie:





Tja, lackieren will gelernt sein, nicht umsonst ist dies ein eigenständiger Beruf ...



Ich benutze also jetzt als Alternative die DIN A4 Papier Etiketten und lackiere noch einmal.
Inzwischen ist mein großer Sohn (17) in die Werkstatt gekommen und interessierte sich für den lackierten Papierstreifen. Er macht noch einmal ein paar genauere Messungen mit dem Probestreifen:



Ich erinnere mich daran, dass wir vor etlichen Jahren schon einmal eine Messreihe aufgenommen hatten. Natürlich bin ich neugierig, wie genau unser selbstgebasteltes Potentiometer funktionieren wird. Also nehmen wir sogleich ein Messreihe auf. Dazu legen wir ein Lineal neben den Streifen und machen an jedem Zentimeter eine Widerstandsmessung:


Die Einzelwerte tragen wir in eine Tabellenkalkulation ein:



Die Werte in der ersten Spalte geben die Zentimeter an und die Werte in der zweiten Spalte geben den jeweiligen Widerstand in Ohm an. Jetzt können wir diese Werte mit der Tabellenkalkulation visualisieren. Zum Beispiel können wir daraus einen Graphen machen.


Ich benutze hier einmal Gnumeric (Linux):



Legende:
  • X-Achse = cm
  • Y-Achse = Ohm
Wie wir also sehen, haben wir uns einen herrlich linearen Potentiometerstreifen gebastelt. Damit lässt sich gewiss etwas anfangen.

Hier das Ergebnis, mit LibreOffice (Linux) aufbereitet:



Hier gibt es eine Legende und Gitternetzlinien, die ich bei Gnumeric nicht gefunden habe. Möglicherweise kann das auch alles Gnumeric leisten, aber ich will auch nicht zu lange suchen. Beide Graphen sind mit der Spline-Funktion geglättet, damit das schön aussieht. Es gibt sehr viele mathematische Glättungsfunktionen, aber das ist dann doch eher etwas für Mathematik-Profis.

Mein goßer Sohn meinte noch:

"Willst Du nicht noch die Korrelationsgerade berechnen ?"

Ich meinte:

"Ööööh, äähh...", und schaute ins Internet und meinte dann: "Ooooch, nööö, ääähhh, lass' mal gut sein ..."



Doch nun zurück zu unserer Wippenkonstruktion:






Ich habe also mein LibreOffice-Draw "angeworfen" und diese kleine Skizze 1:1 aufgezeichnet. Da es sich dabei um ein Vektorgrafikprogramm handelt, kann ich jetzt jederzeit das orangefarbene Teil allein 1:1 ausdrucken und erhalte eine Schablone, die ich zum Aussägen der Halteböcke ("Holzklötzchen") benutzen kann. Das hell orangene Rechteck ist dann das Laufbrettchen, auf das das Papierpotentiometer aufgebracht wird. Das Laufbrettchen und die Halteböcke werden mit etwas Holzleim aufeinandergeklebt. Die Gewindestange wird durch je eine Bohrung gesteckt und dann verschraubt.

Aber das alles soll eigentlich nur einmal darstellen, dass man mit LibreOffice und Linux schon recht ansprechende Grafiken zu Papier bringen kann.

Ich krame gerade viel in meiner Bastel-Ecke und finde einfach keine geeigneten Zutaten.

Ich finde nur einen Aluminiumwinkel und eine Kiefernleiste.

Ok, da muss ich also umdisponieren:



Der Aufbau der Kugelführung war sehr schnell erledigt:


Somit ist unser selbstgebautes Potentiometer schon fertig. Klar, dass wir hieran nun noch einmal eine Spannungsmessung durchführen werden. Dazu klemmen wir das Poti wie folgt an:

 

Ach, du Schreck und große Not !

Voller Freude nehme ich das gebastelte Potentiometer in Betrieb und wollte schon die neue Messreihe aufnehmen, da sah ich, dass das Aluminiumprofil gar nicht leitet !!

Es handelt sich um Eloxal-Aluminium und das Aluminiumoxid leitet offenbar keinen Strom.

Also baute ich das Poti noch einmal um und verwendete nun doch eine Gewindestange:



Jetzt konnten wir das Poti wie oben beschrieben in Betrieb nehmen und folgende Messreihe entstand dabei:


Auch dieser Graph ist nun sehr schön linear und die mit der Kugel abgegriffene Spannung geht von etwa 0.4 Volt bis ca. 4,2 Volt hinauf. Das sind absolut spitzenmäßige Werte für die Verwendeung in einer Picaxe.

Jetzt können wir also die Wippe an einen Schrittmotor anbauen, der später die Kugel balancieren soll. Dazu haben wir ein paar Holzböcke gebastelt und einen 45 Grad Montagewinkel angebaut, der irgendwo herum lag:



Ich verwende diesen Motor:

Schrittmotor 42 mm Voelkner

Da ich die Misere mit festen Wellenkupplungen schon kenne, spendierte ich der Motorachse eine Kardan-Wellenkupplung.

Diese Wellenkuppungen sind bei Conrad nicht leicht zu finden, inbesondere findet man die passenden Wellenanschlüsse im Katalog sehr schlecht. Deshalb habe ich hier einmal den Produktlink für Euch rausgesucht:

Universalkupplung Conrad

Im vorliegenden Fall benutzte ich 2 mal den 5 mm Einsatz. Einmal für die Motorachse und einmal für die M5 Gewindestange, die als Wippenachse dient. Ich habe jetzt bei der Recherche aber gesehen, dass es den 5 mm Einsatz nicht mehr gibt. Daher müsste man einen 4 mm Einsatz benutzen und diesen dann auf 5 mm aufbohren,

oder gleich den Einsatz für die M5 Gewindestange bestellen:

5 mm Gewindeeinsatz Conrad

Wir schreiben heute Ostermontag, den 09.04.2012. Es regnet den ganzen Tag. Also habe ich Zeit, die kleine Versuchsanordnung aufzubauen:

Ihr seht hier zwei strolch'sche Platinen, die 9.1.1 (Schrittmotortreiber) und die 9.2.2 (Picaxe-Lernboard).

Dann ist da noch die gute alte Brettschaltungstechnik mit den Reißbrettstiften zu sehen. Rechts und links unterhalb der Wippe befindet sich jeweils ein Endschalter. Rechts unten im Bild ist ein kleines Bedienpanel, mit einem Schalter für die Betriebsspannung, einem Taster für "Start" oder ähnliches und einem Potentiometer.

Der Schaltplan ist denkbar einfach aufgebaut:


Jetzt kann ich daran gehen und die Picaxe programmieren.

Gesagt, getan, hier ist das erste Ergebins meiner "Porgrammierkünste":
 
 

 

Man sieht hier leider sehr deutlich, wie die Achse hin und her "wabbelt". Ich habe das einmal genau beobachtet und festgestellt, dass das verwendete Kardangelenk zu schwach für die schwere Wippe ist. Es biegt sich etwas durch, weshalb die Wippe sehr "wabbelig" wird.

Ich habe daraufhin noch einmal einen zweiten Programmierversuch gestartet, bei dem die Picaxe die Wippe etwas vorsichtige dreht. Aber sobald die Kugel über den Mittelpunkt der Wippe kommt, biegt sich das Kardangelenk etwas durch und die Kugel bekommt dann "übergewicht" und rast zu der jeweils gegenüberliegenden Seite:
 
 

Da muss ich also nochmal Hand anlegen und das Ganze umbauen ...

Im Forum kam Karlsson auf die Idee, eine Excenterscheibe für den Wippenantrieb zu benutzen. Die folgende Grafik hat er dazu angefertigt:


Diese Lösung gefiel mir so gut, dass ich die Excenterscheibe aus einer alten Rolle für Paket-Schleifen aufbaute. Als Probe habe ich den Schrittmotor einfach immer in eine Richtung drehen lassen.

Wie man sieht, läuft die Wippe jetzt schön ruhig hin und her. Ich habe dann einmal den "Debug-Befehl" der Picaxe verwendet, um die ADC-Messergebnisse zu begutachten. Dabei fiel mir auf, dass diese ADC-Messungen sehr "flackern", also nicht den wirklichen Widerstand der Widerstandsbahn widerspiegeln. Ich drückte eine wenig auf die Kugeln und dann waren auch die Ergebnisse besser.

Also ist eine 20mm Stahlkugel für diese Anordnung zu leicht.


Ich orderte daraufhin 35mm Stahlkugeln und erhoffe mir durch das höhere Gewicht bessere ADC-Messwerte.


Abschließende Erläuterung:

Ich habe auch mit den 35mm-Kugeln das Phänomen gehabt, dass der Anpressdruck der Kugel enormen Einfluss auf den erzeugten Widerstand hat. Auch die weitere Verwendung eines Carbonstabes ergab keine Besserung. Wer also diese Kugelwippe nachbauen möchte, der sollte vielleicht auf Widerstandsdraht ausweichen.

Ich finde es aber trotzdem ganz interessant, wie gut das selbstgebastelte Poti gelungen ist. Zuminsdest für die Aufnahme von Messreihen eignet es sich hervorragend. 


Das Wippenprojekt wurde am 29.04.2012 beendet.
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Immer frohe Stunden wünscht 



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