Technik.Kids: 2018

3D Scan für Kids

Vorwort:

Seit meinem 7. Lebensjahr verwende ich Fischertechnik. Das sieht man an den grauen Bausteinen. Welches „Spielzeug“ kann heute noch nachweisen, 48 Jahre in Gebrauch zu sein und die Beschaffenheit, wie am ersten Tag zu haben.

Fischertechnik hat gegenüber Lego einen großen Vorteil, man kann seine Konstruktionen sehr stabil bauen. Auch in der Antriebstechnik gibt es Vorteile, die Kette kann flexibel angepasst werden und ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen.

Für jedes Alter kann eine passende Steuerung gewählt werden, manuell über Batterie und Schalter, die Ansteuerung über die Fischertechnik Controller oder über einen Arduino (Maker Szene).

Die folgende „Bauanleitung“ ist kein Tutorial sondern gibt eine Idee, wie man sich selber eine 3D Scan Vorrichtung bauen kann. Grob formulierter Haftungsausschluss: In diesem Bauvorschlag sind Links zu Dritte, hierfür übernehme ich keine Haftung.Wer diese Scan Vorrichtung nachbaut, macht dies auf eigene Gefahr. Der Haftungsausschluss ist auf diesem Blog generell geregelt.

Ob ihr Fischertechnik, Lego Technik oder Holz verwendet, das könnt ihr davon abhängig machen, was ihr am meisten da habt. Es werden Tipps und Quellen genannt, die helfen, eine Maschine zu bauen, zu installieren und in Betrieb zu nehmen. Das Nachbauen ist nicht schwer, da aber jeder verschiedene Bauteile von Fischertechnik, Lego und Co. hat, wird er/sie mit Fantasie noch eine bessere Lösung finden.

Ziel ist es, sich selber mit wenig Aufwand einen 3D Scanner zu bauen. Wer zum Beispiel schon eine Fischertechnik Kugelbahn besitzt, der hat eigentlich schon alles was er braucht. Motor, lange Stege, Steine und natürlich eine lange Kette. Somit wartet die Kugelbahn auf eine neue Anwendung.

Der Fischertechnik 3D Scanner hat einen großen „Bruder“ mit dem selben Konstruktionsprinzip. Beim Fischertechnik Modell wird eine Kunststoff Kette verwendet, die für Smartphones völlig ausreicht. Die große 3D Scan- Vorrichtung wird durch einen T5 Zahnriemen (16mm breit) in die verschiedenen Höhen angetrieben. Infos zur großen Scan- Vorrichtung.

3D Scan- Vorrichtung für

Digitale Spiegelreflex Kameras 3D Scan- Vorrichtung für

Smartphone / IOS

Scan Ergebnis

Bauvorschlag / Bauanleitung:

Der Ketten Antrieb:

Konstruktionsprinzip:

Ein Rechteck, Mittig gelagert, wird von der Kette wie eine Wippe hoch und runter geschwenkt. Auf der einen Seite das Smartphone und auf der anderen Seite ein Behälter mit dem Gegengewicht. So hält sich das System in der Waage. Wenn ein Smartphone schwerer oder leichter ist, dann verändert sich die Anzahl der Batterien / Akkus auf der Gegenseite. Somit reicht das Drehmoment vom Motor völlig aus. Die Kettenführung sieht aus wie ein großes W. Ihr kennt es wahrscheinlich noch aus dem Physikunterricht. Hier ist ein „Flaschenzug“ am Werk, der die Kraft am Motor entlastet. Die Vier Umlenkrollen nehmen Kraft auf und der „Hebel“ ist günstig.

So kann man auch mit einem schwachen Drehmoment Lasten tragen. Das schöne an der Fischertechnik Kette ist, dass sie über die Glieder auf die richtige Länge gekürzt oder verlängert werden kann und man genügen Kraft übertragen kann.

Funktion Kettenantrieb:

Dieser Bauvorschlag unterteilt sich in vier verschiedene Fachrichtungen:

a) Mechanik / Kinematik

b) Elektrik

c) Elektronik / Informatik

d) Fotografie und Fotogrammetrie

Keine Panik…. Ihr findet schnell den Einstieg und auch Profis werden noch Ideen und Verbesserungen finden.

Der Rahmen:

Den Rahmen habe ich aus all den Bausteinen zusammengesetzt, die ich noch so hatte (es laufen zur Zeit Projekte parallel) Auch hier sind Bauteile aus den 1970ziger Jahren. Bei der Drehachse wurden zwei lange 4mm Stangen zusammengesteckt. Du kannst aber auch eine M4 Gewindestange (aus dem Baumarkt) nutzen, die du auf 350mm kürzt. Mit dem Gerippe für das Fotozelt versteifst du die Konstruktion. Der Korb für die Gegengewichte ist bereits befestigt.

Der Drehteller (Achse X)

Der Nema 17 Schrittmotor ist auf einer „Bühne“ aufgebaut. Mit den roten Befestigungsplatten kann man mit wenig Steinen Höhe gewinnen. Der Runde Korkteller (IKEA) bietet eine rutschfeste Unterlage. Mit Stecknadeln lässt sich das Objekt auch fixieren oder vorne der Nullpunkt markieren.

Dies ist bei der Programmierung später ein Vorteil. Der Schrittmotor wird einfach mit den Fischertechnik Bausteinen fixiert. Das Eigengewicht vom Nema 17 reicht vollkommen aus (Kraft und Gegenkraft).

Wichtig ist, dass ihr eine gute Verbindung zwischen Motorwelle und Kork Teller hinbekommt. Ich habe dafür eine große Riemenscheibe von Fischertechnik genommen. Die Rad Flügel Schrauben wieder auf 5mm aufgebohrt und dann mit einer Heiß Klebe Pistole zentrisch verklebt. Hält bombenfest.

Die Höhe vom Drehteller sollte so gewählt werden, dass euer Objekt im Smartphone 100% zu sehen ist.

Das große W – die Y Achse:

Die Auf- und Ab Bewegung der Kamera erfolgt durch eine Art „Wippe“. Jedes Kind kennt vom Spielplatz den Effekt, wenn zwei unterschiedlich schwere Kinder auf der Wippe sitzen, dann sitzt das eine Kind in der Höhe und das andere Kind unten. Durch Gewichtsverlagerung kann man die Auf und Ab Bewegung steuern. Dieses Prinzip machen wir uns mit einem Ausgleichsgewicht zu nutze. Das Rechteck (der Rahmen) wird im Gleichgewicht gehalten und über den Schrittmotor erfolgt die Gewichtsverlagerung. So fährt die Kamera (Smartphone) Auf und Ab.

Die Elektrik und Elektronik:

Wenn ihr über Fischertechnik Computing / Robotics Bausätze verfügt, dann könnt Ihr natürlich die Fischertechnik Controller verwenden und die 3D Scan- Vorrichtung über die grafische Programmieroberfläche von Fischertechnik programmieren.

Robo TX Fischertechnik Computing Starter

ca. 218 ,- € ca, 199,- €

ca. 25,- €

Adafruit

Die wesentlich kostengünstigere Alternative ist, deine Fischertechnik Modelle mit einem Arduino Controller zu steuern. Damit kannst du Stepper Motoren gut ansteuern. Mit wenig Programmzeilen erreichst tolle Ergebnisse. Es gibt auch Programm Oberflächen „Sc r atch“ ...“Pocket Code“ uvm. die für Kids einfach zu erlernen sind und ein Verständnis für die Programmierung bekommen. Für den Arduino gibt es einige grafische Programm Oberflächen. Doch wenn du deine „Maschine“ direkt anprechen willst, dann ist die Programmoberfläche IDE von Arduino klasse und es gibt so viele Tutorials, die dir zeigen, wie es geht. Die „Maker“ und Open Source Gemeinschaft ist groß. Die „Macher“ veröffentlichen im Internet ihre Konstruktionen, Software und Tutorials und stellen sie kostenlos zur Verfügung. Du kannst dir die Unterlagen herunterladen und alles nachbauen. Dann verbesserst du die Anwendung und optimierst sie. Du nennst den Ideengeber und veröffentlichst deinen Entwurf. Dann bist du selber ein Maker.

Die Verdrahtung ist recht simpel, aber da ich ja nicht wissen kann welchen Schrittmotor (Stepper) du einsetzen wirst, müssen wir herausfinden welche Motorspule wo angeschlossen wird. Wenn du das schon einmal gemacht hast überfliege dieses Kapitel. Das Steckbrett (Breadboard) und die Schalter brauchst du nicht unbedingt für den 3D Scanner. Aber wenn du noch nicht geübt bist, dann kannst du mit den Schalter die Drehrichtung austesten und Später auch deinen Code (Programm) testen.

Schaltplan: von Fritzing.org

Aderpaare bei Bipolare Schrittmotoren herausfinden

Dieses Tutorial hilft dir, die richtigen Aderpaare mit einem Multimeter herauszufinden.

Wenn du keinen Multimeter besitzt, dann kannst du auch zwei Adern aneinander halten und an der Motorwelle drehen. Dreht sich die Motorwelle schwer, dann hast du das richtige Aderpaar gefunden. Wiederhole den Vorgang solange, bist du alle Aderpaare gefunden hast. Auf der Hersteller Seite TT Motor findest du wertvolle Informationen über die verschiedenen Arten von Motoren DC / Stepper (bipolar / unipolar…) und wie du sie anschließen kannst.

Bei meinem Modell habe ich für den Drehteller einen Unipolar Stepper verwendet, den ich aus einem alten Flachbrett Scanner ausgebaut habe. Ich habe dort nur 4 Adern an das Adafruit Motor Shield angeschlossen. Also AC und BC habe ich nicht angeschlossen.

Wenn du mehr über Schrittmotoren erfahren möchtest, schaue bei Wikipedia nach.

Der Motortreiber:

YouTube bietet eine Menge „Lernportale / Kanäle“ um euch in das Thema „Schrittmotoren“ einzuarbeiten. MaxTechTV ist einer der wenigen die auf „deutsch“ senden. Nutz diese Videos, schneller kann man sich nicht in ein neues Thema einarbeiten.

Über das Adafruit Motor Shield lassen sich DC „Gleichstrom Motoren“, Schrittmotoren (Stepper) und Servo Motoren ansteuern. Das Lernportal vom Hersteller Adafruit ist sehr gut und wird auch bei „China“ Ware zu Grunde gelegt.

Für unsere Verdrahtung sind folgende Parameter wichtig:

https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-shield/overview

Vergleiche bitte diese Daten mit dem Motor Shield deines Lieferanten, den in der Stromversorgung können andere Werte aufgezeigt sein. Ich habe bei meiner Maschine ein Netzteil mit Ausgangs Spannung 6V und 300 mA gewählt. Ein 1 A Netzteil war zu stark. Nachdem ihr nun die Grundlagen zur Hardware „studiert“ habt können wir den Fischertechnik 3D Scanner anschließen und in Betrieb nehmen.

Bei dieser Maschine verwende ich einen Arduino Mega 2560 R3, weil ich damit mehr Analoge und Digitale Anschlüsse habe, die nicht von dem Motor Shield verdeckt werden. Es kann ja sein, dass ich die Maschine (über Bluetooth oder über Wlan) mit meinem Smartphone steuern möchte. Beispiele gibt es im Internet genug.

Inbetriebnahme:

Wer noch nie einen Arduino eingerichtet hat, der schaut sich am besten folgendes Tutorial an.

https://www.youtube.com/watch?v=0wAY3DYihyg

von
MaxTechTV
auf Youtube

Nun steckt ihr das Motor Shield auf den Arduino Mega oder auf einen Arduino Uno. Wie auf den Arduino gesteckt wird, könnt ihr ebenfalls einem Tutorial von MaxTechTV entnehmen.

https://www.youtube.com/watch?v=k_xajGwr5Tw&t=1s

Bevor ihr euren 3D Scanner in Betrieb nehmt, testet die Motoren, ob sie in die richtige Richtung drehen. Am besten ihr besucht das Lernportal von der Firma Adafruit:

Für das V1 Shield, was ich benutze

https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-shield/af-stepper-class

Für das neue V2 Shield (siehe MaxTechTV)

https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-shield-v2-for-arduino/using-stepper-motors

Wenn ihr die Bibliotheken auf den Arduino geladen habt, findet ihr Standardmäßig unter dem Verzeichnis Dokumente das Unterverzeichnis Arduino. Dort findet ihr unter dem Verzeichnis „libraries“ Ein Programm zum testen der Schrittmotoren (siehe „examples“)

Du entscheidest dich für den „StepperTest“.

Wie du aus den Tutorials gelernt hast, kannst du dieses Programm nun auf den Arduino hochladen.

Sollten Fehlermeldungen erscheinen, überprüfe den eingestellten PORT und ob du das Richtige Board eingestellt hast.

// Adafruit Motor shield library

// copyright Adafruit Industries LLC, 2009

// this code is public domain, enjoy!

#include <AFMotor.h>

// Connect a stepper motor with 48 steps per revolution (7.5 degree)

// to motor port #2 (M3 and M4)

AF_Stepper motor(48, 2);

void setup() {

Serial.begin(9600); // set up Serial library at 9600 bps

Serial.println("Stepper test!");

motor.setSpeed(10); // 10 rpm

}

void loop() {

Serial.println("Single coil steps");

motor.step(100, FORWARD, SINGLE);

motor.step(100, BACKWARD, SINGLE);

Serial.println("Double coil steps");

motor.step(100, FORWARD, DOUBLE);

motor.step(100, BACKWARD, DOUBLE);

Serial.println("Interleave coil steps");

motor.step(100, FORWARD, INTERLEAVE);

motor.step(100, BACKWARD, INTERLEAVE);

Serial.println("Micrsostep steps");

motor.step(100, FORWARD, MICROSTEP);

motor.step(100, BACKWARD, MICROSTEP);

}

Du kannst den Code (Programm) in einem Text Editor (Notepad++) kopieren oder direkt in der Arduino IDE Programmoberfläche ändern. Bitte Umbenennen (Speichern unter) nicht vergessen.

Wenn du genug ausprobiert hast, kannst du dein eigenes Programm schreiben.

Programmierung / Inbetriebnahme:

// Einfacher Code für den Fischertechnik 3D Scanner, wegen der Übersicht sind nicht alle Zeilen dargestellt.

#include <AFMotor.h>

AF_Stepper Stepper1(250, 1); // X Achse

AF_Stepper Stepper2(200, 2); // Y Achse

void setup() {

Stepper1.setSpeed(15);

Stepper2.setSpeed(25);

}

void loop() {