Zurück zum Menü 4 4.0.15 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:
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Projekt "Kugel auf Wippe" ---
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 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:
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:
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:
Vorbereitung des Versuchs:
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:
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.
oder gleich den Einsatz für die M5
Gewindestange bestellen: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,
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. 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. Man dann aber auch,
dass die Wippe nicht mehr ganz so
unruhig "wabbelt".
So geht es also nicht ... 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. 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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