Prof. J. Walter - Informationstechnik, Mikrocomputertechnik, Digitale Medien Vorteile Nachteile Katalog
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Entwicklung eines Seilroboters zur Beschriftung von Oberflächen
Development of a Cable Robot for Plotting on Surfaces
Sommersemester 2019
jato1016

Vorteile - Nachteile - Katalog

Vorteile - Nachteile - Katalog
   
   
(1) Elektronik  
   
   
Teilfunktion 1A: Systemspannung  
   
1A.1 - 12V   
   
Vorteile: Nachteile:
   
viele Peripheriegeräte für 12V TMC-Treiber "pfeifen" teilweilse bei Betrieb mit 12V
3S - Li-Io-Akku weit verbreitet höhere Ströme bei gleicher Leistung als bei 24V
z.B. Langzeitbetrieb über Autobatterie möglich stärkerer Drehmomentabfall bei hohen Drehzahlen
   
1A.2 - 24V   
   
umgekehrt wie bei 12V   
   
   
   
Teilfunktion 1B: Spannungsversorgung  
   
1B.1 - Netzteil  
   
Vorteile: Nachteile:
   
Zeitunabhängiger Betrieb möglich Netzspannung wird für Betrieb benötigt
evtl. weniger Gewicht als Akkus Unsauberkeiten in der Versorgungsspannung können Betrieb beeinflussen
konstante Spannung vorhanden  
günstig  
kein Ladegerät notwendig  
   
1B.2 - Lithium-Akkus (18650) (+ DC/DC)  
   
Vorteile: Nachteile:
   
hohe Zyklenfestigkeit DC/DC-Wandler für konstante Spannung notwendig
kein Memory-Effekt evtl. Sicherheritsrisiko -> LiFePo?
hohe Stromabgabe möglich Notwendigkeit eines Balancers (im Ladegerät oder im Akku)
höhere Leistungsdichte als Bleiakku teuer
  aufwendiges Ladeverfahren (CC/CV) evtl. mit Balancing
   
1B.3 - Bleiakku  
   
Vorteile: Nachteile:
   
hohe Kapazität DC/DC-Wandler für konstante Spannung notwendig
günstiger als Li-Io hohes Gewicht
kein Balancer notwendig große Abmessungen, nicht so gut konfigurierbar wie Einzelzellen
12V- und 24V- Akkus fertig vorhanden  
keine Feuergefahr  
einfaches Ladeverfahren (CV)  
   
1B.4 - Modular (Buchse zur Spannungsversorgung)  
   
Vorteile: Nachteile:
   
"Best of both worlds" Akku / Netzteil nicht gut ins System integrierbar
   
   
Teilfunktion 1C: Microcontroller  
   
1C.1 - Arduino Uno  
   
Vorteile: Nachteile:
   
klein wenig Rechenleistung
günstig Repetier FW V2.0 nicht für UNO vorhanden
UNO-CNC-Shield vorhanden wenige Pins (14 GPIO)
  wenig Speicher (Flash-32 KB, 2kB SRAM, EEPROM-1KB)
  16 MHz clock speed
  8 Bit
   
1C.2 - Arduino Mega  
   
Vorteile: Nachteile:
   
viele Pins (54 GPIO) Repetier FW V2.0 nicht für MEGA vorhanden
256kB Flash, 8kB SRAM und 4kB EEPROM 8 Bit
RAMPS-Shield vorhanden 16 MHz clock speed
   
1C.3 - Arduino Due  
   
Vorteile: Nachteile:
   
32 Bit  kein EEPROM
viele Pins (54 GPIO) (3,3V-basiert)
512 kB Flash, 96kB SRAM  
84 MHz clock speed  
Repetier FW 2.0 vorhanden  
   
1C.4 - ESP32  
   
Vorteile: Nachteile:
   
448kB ROM, 520kB SRAM, Flash-Speicher extern Repetier FW V2.0 nicht für ESP32 vorhanden
34 GPIO (3,3V-basiert)
240 MHz clock speed  
32 Bit  
   
Teilfunktion 1D: Shield  
   
abhängig vom uC  
   
Teilfunktion 1E: Schrittmotortreiber  
   
Siehe Tabelle 3  
   
Teilfunktion 1F: kühlung Schrittmotortreiber  
   
1F.1 - passiv  
   
Vorteile: Nachteile:
   
günstig wenig Kühlleistung
leise  
Wartungsfrei  
geringer Platzbedarf  
   
1F.2 - Lüfter  
   
Vorteile: Nachteile:
   
günstig evtl. laut
gute Kühlleistung  
geringer Platzbedarf  
relativ günstig  
   
1F.3 - Flüssigkühlung  
   
Vorteile: Nachteile:
   
leise teuer
sehr gute Kühlleistung komplizierte Implementierung
  Risiko eines Lecks
  hoher Platzbedarf
   
Teilfunktion 1G: Endstops  
   
1G.1 - optisch (Lichtschranke)  
   
Vorteile: Nachteile:
   
kontaktlos "Trigger" notwendig - Schwierige Umsetzung am Riemen
sehr genau  
günstig  
   
1G.2 - Hallsensor  
   
Vorteile: Nachteile:
   
kontaktlos "Trigger" notwendig 
sehr genau anfällig für magnetische Störungen
feintuning über Poti  
   
1G.3 - Taster  
   
Vorteile: Nachteile:
   
günstig nicht kontaktlos
einfache Umsetzung  
   
1G.4 - über Schrittmotortreiber  
   
Vorteile: Nachteile:
   
keine zusätzlichen Kosten implementierung in Software teilweise nicht vorhanden
keine zusätzlichen Bauteile Geometrie muss auf Homing durch Kollision ausgerichtet werden
verschleißfrei spezielle Treiber notwendig
weniger Kabel  
Auslagerung der Mechanik zu Software und Elektronik  
   
   
   
(2) Mechanik  
   
Teilfunktion 2A: Motoren  
   
2A.1 - DC-Motor mit Encoder (Servoantrieb)  
   
Vorteile: Nachteile:
Positions- Geschwindigkeits- und Momentenregelung möglich Regelungselektronik notwendig
hohe Lasten möglich  
   
2A.2 - Schrittmotor  
   
Vorteile: Nachteile:
weit verbreitet  keine Positions- Geschwindigkeits- und Momentenregelung möglich
direkt kompatibel mit Repetier FW  
keine Regelungselektronik notwendig  
einfache Ansteuerung  
Treiber kompatibel mit vorhandener HW  
   
2A.3 -Schrittmotor + Encoder  
   
Vorteile: Nachteile:
"best of both worlds" Preis
  ansteuerung
   
Teilfunktion 2B: Motorgröße  
   
2B.1 - NEMA 14  
   
Vorteile: Nachteile:
sehr leicht wenig Drehmoment
kompakte Bauweise  
   
2B.2 - NEMA 17  
   
Vorteile: Nachteile:
leicht ausreichend (?) Drehmoment
relativ kompakte Bauweise  
   
2B.2 - NEMA 23  
   
Vorteile: Nachteile:
sehr viel Drehmoment hohes Gewicht
  große abmessungen
   
Teilfunktion 2C: Anzahl der Motoren  
   
2C.1 - 2 Stück  
   
Vorteile: Nachteile:
   
einfacher Aufbau Seilspannung über Schwerkraft oder Federsysteme -> Schwingen
niedriger Preis nur in der Vertikale praktikabel
fertige SW-lösungen vorhanden  
   
2C.2 - 3 Stück  
   
Vorteile: Nachteile:
   
kann auch in der schräge/horizontale betrieben werden nicht alle Ecken anfahrbar, kleiner Arbeitsbereich zur Maschinengröße
Seilspannung über Motoren einstellbar hohe Belastung in den Randbereichen der Arbeitsfläche
günstiger als 4-Motor-Lösung  
kein Überbestimmtes System  
   
2C.3 - 4 Stück  
   
Vorteile: Nachteile:
kann auch in der schräge/horizontale betrieben werden überbestimmtes System
Seilspannung über Motoren einstellbar keine SW-Lösung vorhanden
 alle Ecken anfahrbar, großer Arbeitsbereich zur Maschinengröße  
ggfs. Drehung der Gondel möglich  
   
   
Teilfunktion 2D: Einstellung der Seilspannung  
   
2D.1 - Gondelgewicht / Schwerkraft  
   
Vorteile: Nachteile:
einfacher Aufbau Schwerkraftabhängig
kein Überbestimmtes system Gondel kann frei schwingen, nur langsamer Druck möglich
Seilspannung kann über Gewichte einfach eingestellt werden kann nur zum Druck an Wänden benutzt werden
   
2D.2 - 2 Gewichte an Seilen + Umlenkung  
   
Vorteile: Nachteile:
größerer Arbeitsbereich kann nur zum Druck an Wänden benutzt werden
nur 2 aktiv getriebene motoren notwendig größeres Baumaß durch hängende Gewichte
Schwingen der Gondel wird eingeschränkt (vgl. mit 2D.1)  
Seilspannung kann über Gewichte einfach eingestellt werden  
   
   
   
2D.3 - Federseilspanner  
   
Vorteile: Nachteile:
kompakte Bauweise nichtlineare Kennlinie der Federspanner
Schwingen der Gondel wird eingeschränkt (vgl. mit 2D.1)  
Seilspannung kann über Federkraft einfach eingestellt werden  
   
   
   
Teilfunktion 2E: Messung der Seilspannung  
   
2E.1 - Augenmaß  
   
Vorteile: Nachteile:
günstig stark Anwenderabhängig
einfach nicht reproduzierbar
   
   
2E.2 - Wägezelle  
   
Vorteile: Nachteile:
reproduzierbar zusätzliche Bauteile
relativ günstig zusätzliches gewicht
  anbringung Wägezelle?
   
2E.3 - akustisch (Stimmgerät o.ä.)  
   
Vorteile: Nachteile:
kontaktlos gemessene Frequenz abhängig von Riemenspannung und -Länge
keine zusätzlichen Bauteile an der Maschine  
ein Messgerät für alle Riemen nutzbar  
keine Änderung des Messverfahrens bei anderem Aufbau notwendig  
einfach  
genau  
   
   
Teilfunktion 2F: Typ Wägezelle  
   
F.1 -   
   
Vorteile: Nachteile:
   
   
Teilfunktion 2G: Art der Seilförderung  
   
2G.1 - Riemenscheibe   
   
Vorteile: Nachteile:
einfache Kinematik loses Riemenende?
definierte Bewegung des Riemens  
kleine Riemenscheibe verwendbar  
   
2G.2 - Winde  
   
Vorteile: Nachteile:
einfacher Aufbau komplizierte Kinematik
kein loses Riemenende oder nur dünnse Seile
notwendigkeit einer relativ großen Winde  
   
   
2G.3 - Linearaktuator  
   
Vorteile: Nachteile:
ggfs. Sehr schnell hoher Platzbedarf
weglänge gut messbar schlecht skalierbar
  mehr bewegte Masse
   
2G.2 - verdrillung der Seile  
   
Vorteile: Nachteile:
einfach komplexe Kinematik
  nur sehr kleine bewegungen möglich
   
   
Teilfunktion 2H: Typ Seil/Riemen  
   
2H.1 - "Perlenkette" + Riemenscheibe  
   
Vorteile: Nachteile:
günstig Dehnung?
leicht große Riemenscheiben
  Reißfestigkeit?
  Passung Kette/Riemenscheibe?
  evtl "Kabelsalat"
   
2H.2 - GT2-Riemen + Riemenscheibe  
   
Vorteile: Nachteile:
Normteile aufwickeln Riemenende?
viele versch. Riemen erhältlich  
skalierbar  
leicht  
Dehnungssteif  
kaum "Kabelsalat"  
   
2H.3 - Angelschnur+Winde  
   
Vorteile: Nachteile:
sehr leichtes Seil elastisch
sehr kleiner Seilquerschnitt evtl "Kabelsalat"
verschiedene Schnüre erhältlich nur mit Winde verwendbar
   
   
2H.4 - Stoffriemen + Winde  
   
Vorteile: Nachteile:
günstig Dehnung?
im Baumarkt erhältlich Gewicht
  muss "übereinander" gewickelt werden -> komplizierte Kinematik
   
   
   
2H.5 - Drahtseil + Winde  
   
Vorteile: Nachteile:
Normseile Gewicht Drahtseil
dehnungssteif muss "übereinander" gewickelt werden -> komplizierte Kinematik
Skalierbar kleine Biegeradien evtl schwierig
evtl. Dehnungsmessung über el. Widerstand  
   
   
Teilfunktion 2I: Anzahl Riemen pro Motor  
   
2I.1 - einer  
   
Vorteile: Nachteile:
einfacher aufbau Schwingen/durchhängen in Z-Richtung?
ausreichende Denungssteifigkeit  
   
2I.2 - zwei  
   
Vorteile: Nachteile:
umgekehrt wie bei (1)  
   
Teilfunktion 2J: Breite GT2-Riemen  
   
experimentelle Ermittlung der notwendigen Breite  
   
   
   
Teilfunktion 2K: Befestigung Motormodule  
   
anwendungsbezogen, idealerweise modular  
   
   
Teilfunktion 2L: loses Riemenende  
   
2L.1 - Federspanner (aufwickeln)  
   
Vorteile: Nachteile:
kompakt keine fertige Lösung vorhanden
kein Kabelsalat, auch bei Versatuung der Maschine feste max. Riemenlänge
  teurer
   
2L.2 - Gewicht dran hängen  
   
Vorteile: Nachteile:
einfach platzintensiv
konstante Kraft evtl Kabelsalat, vor Allem bei Verstauung der Maschine
günstig Gewicht muss nach unten hängen können
   
   
   
2L.3 - Kettensack  
   
Vorteile: Nachteile:
günstig hohes Risiko auf Kabelsalat
einfach  
kompakt  
   
   
   
(3) Gondel  
   
Teilfunktion 3A: Absenkung Stift  
   
3A.1 - Servo  
   
Vorteile: Nachteile:
günstig ansteuerung, implementierung
leicht  
position regelbar  
viele Bauformen und größen erhältlich  
drehgeschwindigkeit regelbar  
kompakt  
   
   
   
3A.2 - Schrittmotor  
   
Vorteile: Nachteile:
günstig Gewicht
position regelbar Größe
viele Bauformen und größen erhältlich Ansteuerung, externer Treiber
drehgeschwindigkeit regelbar teuer
Anpressdruck theoretisch messbar  
   
3A.3 - Magnetaktuator  
   
Vorteile: Nachteile:
einfache Ansteuerung Ruck
günstig nicht positionsregelbar
  nicht Geschwindigkeitsregelbar
   
   
   
   
Teilfunktion 3B: Material der Gondel  
   
3B.1 - Carbon  
   
Vorteile: Nachteile:
biegesteif komplizierte Bearbeitung
leicht teuer 
Aussehen Plattenmaterial
   
   
   
3B.2 - Acryl  
   
Vorteile: Nachteile:
relativ leicht Plattenmaterial
relativ biegesteif  
relativ günstig  
einfache Bearbeitung  
Aussehen  
   
3B.3 - 3D-Druck  
   
Vorteile: Nachteile:
einfache Herstellung aussehen (?)
güntig  
freie Geometrie  
relativ leicht  
je nach Material sehr biegesteif  
   
Teilfunktion 3C: Anzahl der Stifte  
   
Mehrere Stifte   
   
Vorteile: Nachteile:
mehrfarbiger Druck höherer Konstruktionsaufwand
verschiedene Linienbreiten möglich -> schneller Druck kalibrierung notwendig
  höheres Gewicht der Gondel
  höhere Kosten
   
   
   
Teilfunktion 3D: Modularität  
   
3D.1 - Gondel Wechselbar  
   
Vorteile: Nachteile:
wahrscheinlich leichter längere Rüstzeit
stark unterschiedliche Gondeln einfacher umsetzbar  
   
   
   
(4) Software  
   
   
Teilfunktion 4A: Datenübertragung (GCODE -> uC)  
   
4A.1 - SD-Karte  
   
Vorteile: Nachteile:
stand-alone-Betrieb Controller mit SD-Reader notwendig
einfach RADDS nur microSD
günstig keine Fernsteuerung
fertige Lösungen vorhanden keine Netzanbindung
   
  keine erweiterte Diagnose / Eingriff in Druck
4A.2 - Seriell (USB-Kabel an Host-PC) Bspw. Repetier Host oder R.Server  
   
Vorteile: Nachteile:
erweiterte Diagnose / Eingriff in Druck kein stand-alone-Betrieb
einfach PC muss während des Drucks laufen
günstig PC muss für Kommunikation konfiguriert werden
Fernsteuerung möglich  
fertige Lösungen vorhanden  
   
   
   
4A.3 - Server auf RasPi o.ä.  
   
Vorteile: Nachteile:
erweiterte Diagnose / Eingriff in Druck teurer 
stand-alone-Betrieb Netzwerk zum Betrieb notwendig
Fernsteuerung möglich  
fertige Lösungen vorhanden  
Server in Maschine integrierbar  
kommunikation mit Apps möglich  
einfacher Zugriff über Browser  
unabhängig von Betriebssystem  
   
4A.4 - APP  
   
Vorteile: Nachteile:
Handy-Kamera kann für AR werwendet werden keine fertige Lösung vorhanden (?)
intuitive Einstellung der Maschine Server / BT-Modul notwendig
positionierung des Druckobjektes intuitiv  
   
   
   
   
Teilfunktion 4B: Firmware  
   
4B.1 - Polargraph  
   
Vorteile: Nachteile:
funktionierende Lösung "Bastellösung"
eigener Controller (Arduino) + Host (PC, Processing) nur 2 Motoren ansteuerbar
offen auf Github PC zum betrieb notwendig
  Host hat Probleme mit Win10
  kein support für 32Bit Controller
   
   
4B.2 - McConney PenPlotter  
   
Vorteile: Nachteile:
Repetier-Basis alte repetier-version
kompatibel mit Server kein support für 32Bit Controller
kann evtl. auf 4 motoren erweitert werden aktuell nur 2 Motoren ansteuerbar
offen auf Github  
mehrere uCs verwendbar (aktuell: UNO, MEGA)  
   
   
4B.3 - customised Repetier FW 2.0  
   
Vorteile: Nachteile:
support für 32Bit Controller muss für Seilplotter erweitert werden
aktuelles Repetier  
offen auf Github  
bald mehrere uCs verwendbar (aktuell: DUE)  
verwendung von bis zu 7 Motoren  
ausgefeilte Beschleunigungsrampen etc.  
   
4B.4 - selbst geschrieben  
   
Vorteile: Nachteile:
perfekt anpassbar Zeitaufwendig
  nicht das Hauptziel der BA-Arbeit
   
   
Teilfunktion 4C: Server  
   
4C.1 - Octoprint  
   
Vorteile: Nachteile:
Open Source evtl Probleme mit nichtlinearer Kinematik
gratis eigentlich auf Betrieb von 3D-Druckern ausgelegt
   
4C.2 - Repetier Server  
   
Vorteile: Nachteile:
sehr stabiler Betrieb auf vielen Betriebssystemen Vollversion kostet 60€
Testversion gratis und brauchbar eigentlich auf Betrieb von 3D-Druckern ausgelegt
   
   
Teilfunktion 4D: Einmessen der Maschinendimensionen  
   
4D.1 - manuell  
   
Vorteile: Nachteile:
günstig Zeitaufwendig
einfache Umsetzung Fehleranfällig
   
   
4D.2 - über Endstops, automatisch  
   
Vorteile: Nachteile:
schnell nicht Kontaktlos 
genau Routine muss implementiert werden
   
   
   
4D.3 - über Foto/App, automatisch  
   
Vorteile: Nachteile:
schnell ungenau
intuitiv aufwendige Umsetzung
   
   
4D.4 - über Wegsensor (GameTrak)  
   
Vorteile: Nachteile:
relativ genau zusätzliche Komponente
unabhängig von Verfahrsystem muss implementiert werden
  begrenzt Aktionsradius

  Mit Unterstützung von Prof. J. Walter Sommersemester 2019