Schulranzensortiermaschine

Veröffentlicht am 8. Januar 2021 um 21:46

Patrick hat am Jugend forscht Wettbewerb 2021 teilgenommen und in der Sparte Technik den 1. Platz beim Regionalwettbewerb belegt. Beim Landeswettbewerb hat er den Sonderpreis Südwestmetall bekommen.

Schulranzen-Pack-Maschine

Niemand packt gerne seinen Schulranzen. Hin und wieder vergisst man es auch mal und am Abend hat man dann aufgrund von Hobbys oder dem Lernen keine Zeit dies zu tun. Deshalb kam mir folgender Gedanke: Warum gibt es keine Maschine, die das für mich erledigt? Solch ein Schulranzenpackgerät wäre eine Erleichterung für Schüler der ganzen Welt. Man muss nur auf einen Knopf drücken und voilà: Der Schulranzen ist gepackt! Deshalb habe ich mich entschieden, so ein Gerät zu bauen. Dazu sollen die Hefte und Bücher der verschiedenen Schulfächer anhand der Umschlagfarbe erkannt und dann mit einem durch einen Seilzug angetriebenen Schlitten zum richtigen Fach gefahren und in dieses eingelagert werden. Jedes Schulfach besitzt ein eigenes Fach. Mit Hilfe eines Getriebemotors können die Fächer unten geöffnet werden, sodass die Hefte herausrutschen.
Das Sortiergerät soll einige Prozesse automatisch erledigen. Deshalb wird eine elektronische Steuerung benötigt. Hauptbestandteil ist ein Mikrocontroller. Ein Mikrocontroller ist ein Halbleiterchip, der einen Prozessor und Peripheriefunktionen enthält. Manche der Controller verfügen über programmierbare digitale/ analoge (auch beides ist möglich) Funktionsblöcke. Sie werden in vielen Alltagsgegenständen verwendet, z.B. in Radios, Autos, Tastaturen, etc. Zum Programmieren der Controller gibt es verschiedene Sprachen. Verbreitete Sprachen sind Assembler, C oder C++. Im Hobbybereich gibt es speziell entworfene Sprachen, z.B. JAL uvm. Die Programmiersprache hängt aber größtenteils (also nicht im Hobbybereich) mit der Architektur und dem Anwendungsziel zusammen.

Wir verwenden einen Arduino Uno Mikrocontroller. Die Programmiersprache des Arduino ist C++ . Zuerst gibt man an, aus welchen Pins Stromsignale kommen sollen und wie jeder benutzte Pin heißen soll. Danach wird festgelegt, ob es ein In- oder ein Output ist. Nun wird das richtige Programm geschrieben. Um eine dauerhafte Wiederholung zu erzeugen, benutzt man den Befehl ,,void loop () [“. Dann schreibt man, was getan werden soll, z.B. die LED soll 3 Sekunden an und 3 Sekunden aus sein. Um die LED anzuschalten, schreibt man ,,digitalWrite (LED_01, HIGH);“, um sie abzuschalten ,,digitalWrite (LED_01, LOW);“. Die 3 Sekunden Pause erzeugt man durch den Befehl ,,delay 3000“. Die 3000 steht für Millisekunden. Dies ist das Grundsystem dieser Programmiersprache. Es gibt natürlich noch viele andere Funktionen. Für uns ist wichtig, dass sich die Motoren drehen lassen, die Schaltvorgänge an den Tastern erkannt werden und dass der Farbsensor die richtige Farbe erkennt.

Damit die Maschine sortieren kann, gibt es einen beweglichen „Schlitten“, der über die verschiedenen Schubfächer für die verschiedenen Schulfächer navigieren kann. Damit er weiß, zu welchem Schubfach er muss, haben die Hefte und Bücher eines Schulfachs alle dieselbe Umschlagfarbe.

Das Heft wird von Tages- oder LED-Licht beschienen. Das gestreute Licht wird nun optisch gefiltert und in die drei Teillichte Rot, Grün und Blau unterteilt. Diese werden in Photoempfängern aufgenommen, welche die jeweiligen Farbwerte und Intensitätsanteile liefern. Das erledigt alles unser Farbsensor. Anschließend werden die Werte digital an den Mikrocontroller übermittelt und dort mit anderen vorher gespeicherten Werten verglichen. Diese vorher gespeicherten Werte mussten im Vorfeld durch Messung der verschiedenen Heftumschlagsfarben experimentell bestimmt werden. Je nach den Farbwerten werden die entsprechenden Bewegungsaktionen der Maschine in Gang gesetzt, damit das eingelegte Heft in das ihm zugeordnete Fach gebracht werden kann.

Um die Fächer zu bauen, werden zwei Faserplatten mit den Maßen 35cm* 40cm und vier Platten mit den Maßen 35cm* 25cm benötigt. Als erstes werden Punkte

angezeichnet. Die äußeren Punkte sind 3cm vom Rand entfernt und der innere Punkt liegt bei 17,5cm. Nun wird an den Punkten vorgebohrt. Anschließend werden die Bretter so verschraubt und verleimt, dass sie eine Kiste mit Fächern bildet. Die Kiste hat aber weder Boden noch Deckel, doch das soll so bleiben.

Für den Schlitten werden eine Rückwand(24cm*35cm) und zwei Seitenwände(24,5cm*20cm) benötigt. Diese Bretter werden nun miteinander verschraubt, sodass die unteren Kanten der Seitenwände und die untere Kante der Rückwand auf der selben Höhe liegen. Die Seitenwände stehen auf der Vorderseite 5cm über. Anschließend werden die Löcher für den Farbsensor und den Taster gebohrt. Als nächstes werden die Rollen an den Seitenwänden befestigt. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Rollen muss so groß sein, dass die Schiene durchpasst aber nicht festsitzt. Zuletzt wird ein Metallstift in die Öse des Hubmotors eingefädelt. Der Motor wird mithilfe eines langen Metallwinkels hinten an dem Schlitten befestigt. Ganz unten, mittig am Schlitten, wird noch ein Loch gebohrt, damit der Metallstift durchpasst. Um später den Seilzug anbringen zu können, werden vorne an den Seitenwänden links und rechts jeweils zwei Schrauben mit Ösen statt Köpfen in das Holz geschraubt. Eine befindet sich auf Höhe der Rückwand und eine 2cm vom Vorderrand entfernt. Der Schlitten bewegt sich auf einem Schienensystem hin und her. Zunächst werden vier Stützlatten mit einer Länge von 22cm benötigt. Als Unterlage werden vier Faserplatten mit den Maßen 8,5cm*8cm ausgesägt. Anschließend werden die Unterlagen oben links und rechts auf beiden Seiten angeschraubt und angeleimt. Die Stützlatten werden so angeschraubt, dass sie alle nach oben hin 13,5cm überstehen. Nun werden zwei Latten (70cm) oben auf die Stützlatten gelegt, sodass sie entlang der Box mit den Fächern liegen. Die Latten stehen außerdem an einer Seite über, während sie auf der anderen Seite anliegen. Auf die Latten werden nun die Schienen montiert, die die selbe Länge wie die jeweiligen Latten hat. Diese hat genau die Dicke, dass die Rollen am Schlitten sie locker umschließen. Am kürzeren Ende wird nun ein Querbalken (37cm) eingefügt, sodass die Schiene von einer Seite geschlossen ist. Am längeren Ende werden unter die Schiene zwei Schrauben als Stopper eingebaut, damit der Schlitten nicht aus der Schiene fällt.

Der Antrieb des schienengestützten Schlittens ist ein motorbetriebener Seilzug. Zunächst werden zwei Latten (14cm) an die zuvor angebaute Querverstrebung geschraubt und anschließend ein großes Loch 2,5cm von der Oberkante entfernt gebohrt. Das Loch soll später eine Sechskantmutter aufnehmen, die uns als einfaches Lager für die Achse des Seilzugs dient und befindet sich in beiden etwas entfernt von einander liegenden Latten auf der gleichen Höhe. Nun werden an fünf Muttern die Gewinde ausgebohrt. Zwei davon werden in die großen Löcher in den Latten gehämmert und fest geklebt. In die anderen Muttern werden von außen her M3 Gewinde gedreht, sodass man Maschinenschrauben bis zur Mitte der Mutter eindrehen kann. Damit kann man eine feste, sich mitdrehende Rolle an der Metallstange befestigen. Um die Rolle zu bauen, werden von einer Holzstange ein 6mm langes Stück abgesägt und aus einem Brett mithilfe einer Lochsäge zwei runde Scheiben ausgesägt. Das kleine Stangen-Stück wird nun mittig zwischen den Holzscheiben platziert und fest geleimt. Sobald der Leim trocken ist, wird ein Loch mit dem Durchmesser der Metallstange in der Mitte der Scheiben durch die ganze Rolle gebohrt. Rechts und links werden nun noch die Muttern mit den Maschinenschrauben angeklebt. Die Metallstange wird an einem der Enden viereckig angefeilt, damit sie in die Aufnahme im Getriebe des Motors passt. Der Motor wird nun auf einem 15cm*12cm Massivholzbrett mit Maschinenschrauben fixiert. Nun wird die Stange durch eine der Muttern in den Latten gefädelt. Die Rolle und die Mutter mit der Schraube werden auf die Stange gesteckt, sodass sich beides zwischen den zwei Latten mit den Muttern befindet. Danach wird die Stange in die andere Latte mit der Mutter geschoben. Die Aufnahme des Motors wird jetzt in den Teil der Stange gesteckt, der viereckig angeschliffen ist. Das Massivholzbrett wird nun noch an der Latte befestigt, auf der die Schiene fixiert ist. Zuletzt werden die Schrauben in den Muttern angezogen, damit die Rolle hält und das Seil wird an den Ösen am Schlitten eingefädelt und an der Rolle festgemacht.

Um die Maschine schräg zu stellen, benötigen wir Standbeine in verschiedenen Längen: 91,5cm, 87cm, 82,5cm und 77cm. Für jedes dieser Beine wird eine Unterlage mit den Maßen 18,5cm*7cm ausgesägt. Die Beine werden mit jeweils drei Schrauben auf die Unterlagen geschraubt. Das längste Bein wird an der Seite befestigt, an der der Motor für den Seilzug sitzt (das ist die „Vorderseite“). Es wird rechts gerade nach unten hin montiert, das 87cm lange Bein wird an der Vorderseite schräg nach links angeschraubt, das 82,5cm lange Bein wird hinten rechts schräg montiert und das kürzeste Bein wird hinten links ebenfalls schräg montiert. Die meisten Beine müssen merkwürdig schräg montiert werden, damit trotz gewollter Schieflage der Schubfächer der Schwerpunkt nicht außerhalb der Standfläche landet.

Meine Sortiermaschine ist momentan noch ein Prototyp, mit dem man die Funktion veranschaulichen kann. Für eine richtige Inbetriebnahme müssten deutlich mehr Fächer angebaut werden. Das Funktionsprinzip wäre dennoch das Gleiche.


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