Schülerprojekt Linearachse
Im Rahmen Ihrer Facharbeit zur Erlangung der Fachhochschulreife haben drei Projektteilnehmer der BBS2 in Aurich an der Hochschule Emden/Leer im Labor für Mechatronik das Projekt "Linearachse" bearbeitet. Hierbei ging es darum, die Verfahrgeschwindigkeit einer Linearachse, bestehend aus Schrittmotor, Kupplung, Kugelgewindetrieb und Linearschiene mit Laufwagen, zu maximieren.
Aufbau
Der Aufbau der Versuchsanordnung wurde den Projektteilnehmern vorgegeben. Wichtigster Bestandteil der Projektaufgabe war die Verkettung eines PCs mit Arduino-Entwicklungsumgebung, über einen Arduino und eine Schrittmotorendstufe, mit einem Schrittmotor.
Zur Projektaufgabe zählte das Einarbeiten in und die Entwicklung des technischen Verständnisses für die Komponenten des Versuchsaufbaus sowie das Einarbeiten in die Programmierung des Arduino-Entwicklerboards.
Arduino
Das Steuerungsprogramm läuft auf einem Entwicklerboard vom Typ Arduino UNO Rev. 3 und wird in der Arduino-Entwicklungsumgebung programmiert. Auf dem Entwicklerboard befindet sich ein ATmega328P Microcontroller. Dieser ist in der Lage, kleine Programme mit einer Taktgeschwindigkeit von 8MHz auszuführen.
Taktsignal
Der Arduino hat die Aufgabe, ein Taktsignal zu erzeugen, das als Ansteuerung für die Schrittmotorendstufe genutzt werden kann. Das Taktsignal erzeugt der Arduino, indem ein Digitalausgang ständig ein- und wieder ausgeschaltet wird. Die Dauer des HIGH- bzw. LOW-Zustands wird über Verzögerungszeiten im Microsekundenbereich im Programm realisiert.
Schrittmotorendstufe
Die Schrittmotorendstufe hat die Aufgabe, das Taktsignal am Pulse-Eingang in das Bestromungsmuster für die Spulen des Schrittmotors umzuwandeln. Jeder Impuls am Pulse-Eingang erzeugt einen Schritt des Motors von 1.8° (200 Schritte für volle Drehung).
Darüber hinaus bietet die Endstufe die Möglichkeit, vom Vollschritt zum Mikroschritt zu wechseln. In diesem Fall benötigt der Schrittmotor z.B. 800 Impulse für eine volle Drehung. Dies ermöglicht einen weicheren und leiseren Lauf des Motors, erzeugt aber gleichzeitig einen leichten Drehmomentverlust.
Video 1 - Der Motor verfährt ohne Beschleunigungsrampe
Der Motor verfährt aus dem Stand ohne Beschleunigungsrampe und muss dabei die Trägheiten der Massen von Rotor, Kupplung, Kugelgewindespindel/ Mutter, Laufwagen und die Haft-, Gleit- und Rollreibung überwinden.
Video 2 - Der Motor verfährt mit Beschleunigungsrampe
Der Motor wird zu Beginn mit der maximalen Geschwindigkeit verfahren, die aus dem Stand heraus erreichbar ist. Anschließend wird die Taktfrequenz, mit der die Schrittmotorendstufe angesteuert wird, weiter gesteigert. Die Taktfrequenz kann solange weiter gesteigert werden, bis die fallende Drehmomentenkurve des Schrittmotors bei höheren Geschwindigkeiten keine weitere Steigerung mehr zulässt.
Video 3 - Der Motor wird überlastet
Der Motor kann dem Taktsignal nicht folgen. Die Schrittfrequenz ist zu hoch. Die gesamte zugeführte Energie wird in Hitze und Lärm umgesetzt.
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