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WinchBot

Das Video zum Kapitel


Teileliste

Entstanden ist der WinchBot aus einer Kooperation mit RS-Components, daher sind in der Tabelle die Links zu deren Online-Shop gelistet.


Bauteil Stückzahl RS Components Bemerkung
Arduino Uno 1 715-4081  
Standard Servos 5 781-3058  
Gleichstrom Getriebemotoren 5 321-3158 Antriebe Seilwinden
H-Brücken 3 636-384 Ich habe die ICs gekauft und daraus die H-Brücken gelötet.
Wer wenig Erfahrung im Aufbauen elektronischer Schaltungen hat, sollte fertig bestückte Platinen mit L298N-Chipsatz kaufen.
Dioden 12 781-5616 Werden nur für den Eigenbau der H-Brücken benötigt (siehe vorherigen Punkt).
Gabellichtschranken 6 919-0165  
Raspberry Pi 1 832-6274 Optional, der WinchBot kann mit jedem Linux-Computer angesteuert werden.
Touchscreen für
Raspberry Pi
1 899-7466 Optional, der WinchBot kann mit jedem Linux-Computer angesteuert werden.
Polycarbonatplatten
625x305x5mm
1 769-8749 Wenn keine CNC-Maschine zur Bearbeitung vorhanden ist, alternativ 5mm Sperrholz.
Kugellager 10x9x30mm 3 618-9985  
Zahnrad 80 Zähne, Modul 1 3 521-7691 Wird benötigt, wenn der Winchbot ohne CNC-Fräse gebaut wird.
Zahnrad 12 Zähne, Modul 1 3 521-6193 Wird benötigt, wenn der Winchbot ohne CNC-Fräse gebaut wird.
Gewindestange M6 1 530-321  
Sechskantmuttern M6 1 Packung 525-919  
Schrauben + Muttern M3 Einige    
Aluminiumprofil
Abmessungen:
15x15x1000mm
1   Zentrales Rohr
Aluminium- oder Stahlprofil
Abmessungen:
20x20x1000mm
5   Dreieck Rahmen
Schnur oder Stahlseile 10m   Ich verwende dünnen Schmuck-Stahldraht.
Kleinteile wie Kabel, Unterlegscheiben usw.      

Mechanik

Mechanik WinchBot
Abbildung 1:
Die Teile des WinchBot habe ich mit meiner CNC v3.2 aus 5mm Polycarbonat-Platten gefräst. Da sich dieser Kunststoff manuell nur sehr schwer bearbeiten lässt, ist 5mm Sperrholz zu empfehlen, wenn die Teile per Hand ausgesägt werden sollen.
Mechanik WinchBot
Abbildung 2:
Die Trommel besitzt Kugellager der Abmessungen 10x9x30mm
Nicht vergessen, eine 1.5mm Bohrung für die Befestigung des Stahlseiles zu setzen (links unten im Bild).
Mechanik WinchBot
Abbildung 3:
Einige Bohrungen müssen mit M6er Gewinde versehen werden. Die Gewindeschnitte gelingen senkrecht, wenn der Gewindebohrer in einer Ständerbohrmaschine eingespannt wird und das Bohrfutter per Hand gedreht wird.
Mechanik WinchBot
Abbildung 4:

Mechanik WinchBot
Abbildung 5:

Mechanik WinchBot
Abbildung 6:

Mechanik WinchBot
Abbildung 7:

Mechanik WinchBot
Abbildung 8:

Mechanik WinchBot
Abbildung 9:
Die Sensorscheibe habe ich im Verlauf der Erprobung gegen eine Version mit 12 Zähnen und 7mm Zahnbreite ausgetauscht. Der Abstand der Gabellichtschranken muss 10 bis 11mm (von den Mittellinien der Sensoren gemessen) betragen.
Auf der Abtriebswelle befindet sich ein Zahnrad mit 8 Zähnen.
Anstelle der selbstgefrästen Zahnräder an Abtriebswelle und Windentrommel können Exemplare mit z.B. 80 und 12 Zähnen Modul 1 gekauft werden (siehe Teileliste).
Mechanik WinchBot
Abbildung 10:
Den Rahmen habe ich aus 20x20x1000mm Eisen-Vierkantrohren aufgebaut, da ich diese vorrätig hatte. Aluminium-Vierkantrohre der gleichen Abmessungen ergeben einen leichteren Rahmen.
Mechanik WinchBot
Abbildung 11:
Aufgehängt ist der WinchBot an drei Seilen an der Zimmerdecke.

Mathematik

Mathematik
Abbildung 12:
Zur Ansteuerung der Seilwinden müssen die X/Y/Z Koordinaten in Seillängen umgerechnet werden. Ferner müssen die Winkel des zentralen Vierkantrohres in der X/Z und Y/Z Ebene bekannt sein, um die Plattform mit dem Servoarm parallel zur Tischoberfläche ausrichten zu können.
In Abbildung 12 ist die Y/Z Ebene gezeigt.
Um den Winkel des Vierkantrohres mit dieser Ebene errechnen zu können, muss der Abstand der Seilaufhängung zum Drehpunkt des Vierkantrohres im Nullpunkt bekannt sein (BarLength). Im Nullpunkt ist der Winkel Alpha 0 Grad. Bewegt sich der Winchbot längs der Y oder Z-Achse, so ändert sich dieser Winkel und es gilt:
alpha = atan(Y1 / (BarLength - Z))
Servo1 muss sich um diesen Winkel drehen, um die Grundplatte des Servoarmes weiterhin parallel zur Tischoberfläche auszurichten.

Mathematik
Abbildung 13:
Der Rahmen des WinchBot besteht aus einem gleichseitigen Dreieck. Benötigt wird der Abstand von Motor 1 zum Mittelpunkt des Dreiecks, durch den das Vierkantrohr verläuft. In einem gleichseitigen Dreieck betragen alle Winkel 60°.
In dem hellgrau gezeichneten Dreieck ist der obere Winkel 30°, womit für den Abstand gilt:
YM1 = cos(30°) * (BaseLength/2)
ZM1 entspricht der Länge des Vierkantrohres im Nullpunkt (BarLength). Benötigt wird nun die Abweichung DY und DZ, welche sich daraus ergibt, dass die Seile nicht in einem Punkt zusammenlaufen, sondern an einem Ring mit dem Radius "CordMount" (siehe Abbildung 12) befestigt sind. Für diese Abweichungen erhalten wir:
DY = cos(alpha) * CordMount
und
DZ = sin(alpha) * CordMount

Schließlich erhalten wir mit dem Satz von Pythagoras die Seillänge im Punkt XL1/YL1/ZL1:
L1 = √ ( (YM1 - Y1 - DY)2 + (ZM1 - Z1 - DZ)2 )

Elektronik

Elektronik WinchBot
Abbildung 14:
5 Servos, 3 Getriebemotoren, 3H-Brücken, 6 Gabellichtschranken und ein Arduino Uno werden für die Elektronik benötigt.
Die Servos sind über geschirmte Leitungen verbunden. Die Abschirmung wird an einem Ende mit Masse des Arduino verbunden.

Software / Downloads

Die Software gibt's in der Rubrik Download und diese läuft unter Linux von der Kommandozeile. Bestandteil des Paketes ist die Installationsanleitung und der Plan für die Bauteile.


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