Praktikum Digitale Systeme SS Styropor-3D-Drucker. Manuel Borchers Ingo Bressler Tobias Kaufhold Jonas Pfeil

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1 Technische Universität Berlin Fakultät IV (Elektrotechnik und Informatik) Institut für Technische Informatik und Mikroelektronik Einsteinufer Berlin Praktikum Digitale Systeme SS 2006 Styropor-3D-Drucker Manuel Borchers Ingo Bressler Tobias Kaufhold Jonas Pfeil Betreuer: Dr.-Ing. René Straßnick Juli 2006

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 4 2 Grundlagen Styropor Arten Beschaffung Verarbeitung Das STL Dateiformat Ähnliche Technik Klassifizierung Handschneiden Handführung Handführung mit Hilfsmitteln Automatisches Schneiden Analyse Mögliche Objekte Hardwareanforderungen Mechanik Elektronik Softwareanforderungen Konzept 11 6 PC-Software Import STL Algorithmus zur Schnittermittelung Rotation Object StyroCNC Editor StyroCutter Driver Kommunikation zwischen PC und µc Pakete Steuerbefehle PC an Mikrocontroller Mikrocontroller an PC µc-software Die serielle Schnittstelle Eingabe Ausgabe Protokolldekodierung

3 8.2.1 Empfang von Datenpaketen Auslesen der Steuerbefehle Ausführen von Steuerbefehlen Repräsentation der Achsen Allgemeine Einstellungen Parameter einer Achse Ein Schritt Nesten Ein Schnitt Hardware Elektronik Mechanik Gehäuse Achsen Handthermosäge zum Zuschneiden Sicherheit Zusammenfassung, Bewertung, Ausblick Ausblick Literatur 34 A Schrittmotor-Platine 35 A.1 Vollständiger Schaltplan A.2 Platinen-Layout B Bilder und Fotos 38 B.1 Fotos von geschnittenen Objekten B.2 Bilder der Hardware

4 1 Einleitung Nach der weiten Verbreitung von CAD 1 - und CAM 2 -Systemen setzen sich jetzt auch Rapid Prototyping (RP) und Rapid Manufacturing (RM) Systeme am Markt durch. Diese Verfahren der nicht spanenden Fertigung lassen das direkte Aufbauen von Prototypen oder Produkten aus verschiedenen Materialien zu. Wesentlich schnellere Entwicklung sowie individualisierte Produkte werden möglich. Unser Projekt hatte die Entwicklung eines CAM-Systems zum Ziel. Dabei entschieden wir uns für eine spanende Fertigung mit Styropor. RP-Systeme sind zwar sehr flexibel, aber leider auch schwierig zu bauen, da man spezielle Stoffe braucht, aus denen das Werkstück gefertigt wird. Styropor lässt sich leicht mit einem heißen Draht schneiden. Deshalb braucht man im Gegensatz zu CNC-Fräsen keine extrem stabile Mechanik. Außerdem ist Styropor sehr preiswert und ermöglicht das Schneiden relativ großer Objekte. Die interessanten Probleme des Hardwareaufbaus, der Elektronik, der Achsensteuerung und der nötigen Softwaretools zum Erstellen und Importieren von 3D-Objekten stellen sich jedoch auch mit einen Styroporschneideroboter. Die Berechnung der notwendigen Achsenbewegungen ist sogar komplizierter als bei den gängigen RP-Systemen, da dort meist nur schichtenweise mit einem Portalroboter Material aufgetragen wird, während beim Schneiden mit einem heißen Draht zunächst nicht klar ist, wie dieser geführt werden muss. Im nächsten Abschnitt wird auf Styropor und seine Verarbeitung genauer eingegangen und das STL-Format für die Datenübergabe erläutert. Abschnitt 3 stellt ähnliche Techniken vor, die für die Styroporverarbeitung genutzt werden. In den Abschnitten 4 und 5 wird die Analyse der Problemstellung und das daraus resultierende Konzept besprochen, dessen Implementierung in den Abschnitten 6, 7, 8 und 9 dokumentiert ist. Abschnitt 10 fasst den Bericht zusammen und gibt einen Ausblick auf mögliche Erweiterungen. 2 Grundlagen 2.1 Styropor Styropor ist ein anderer Name für aufgeschäumtes Polystyrol, ein amorpher, transparenter Thermoplast. Die Geschichte von Styropor beginnt bereits Ein Berliner Apotheker entdeckte damals ein ätherisches Öl, welches nach einiger Zeit immer zäher wurde. Bis zum Schluss nur eine feste, durchsichtige Masse übrig blieb. Er nannte das Öl Styrol. 1 Computer Aided Design, Systeme zur computergestützten Entwicklung von Bauteilen, Maschinen, Fahrzeugen usw. 2 Computer Aided Manufacturing, computergestützte Fertigung 4

5 Tabelle 1: Styropor Summenformel (C 8 H 8 ) n Aggregatzustand fest Dichte 1050 kg/m 3 elektrische Leitfähigkeit S/m Wärmeleitfähigkeit 0,08 W/m K Durch Polymerisation entwickelten Chemiker später daraus den Kunststoff Polystrol. Styrol gewinnt man aus Erdöl, welches dann zu Polystyrol polymerisiert wird. Der Chemiekonzern BASF entwickelte im Jahr 1951 aus dem Kunststoff Polystyrol eine Hartschaumvariante, das heute bekannte Styropor. Styropor ist also aufgeschäumtes Polystyrol. Da Styropor zu über 98 Prozent aus Luft besteht ist es ein sehr schlechter Wärmeleiter und wir heute besonders als Isolator verwendet. Abbildung 1: Strukturformel von Polystyrol Zum Beispiel kann man Polystyrol zur Herstellung von Folien und Platten sowie für Verpackungszwecke verwenden. In der Elektrotechnik wird es wegen der guten Isolationseigenschaft außer zur Isolation von Kabeln, zur Herstellung von Schaltern, Spulenkörpern und Gehäusen für Elektrogeräte verwendet in unserem Fall zum Ausschneiden von Figuren Arten Polystyrol existiert in zwei Arten, entweder als thermoplastisch verarbeitbarer Werkstoff (aus ihm werden zum Beispiel Kugelschreiber oder Jogurtbecher hergestellt) oder als Schaumstoff. Festes Polystyrol ist glasklar, hart und schlagempfindlich. Geschäumtes 5

6 Polystyrol hat im Vergleich zu festem Polystyrol eine geringere mechanische Festigkeit sowie Elastizität und ist undurchsichtig. Beim geschäumten Polystrom kann man erneut zwei Arten unterscheiden, das eher grobporige expandiertes Polystyrol (EPS) das feinporigen extrudiertes Polystyrol (XPS). EPS besitzt 2 bis 3mm große Schaumkugeln, eine weiße Farbe und ist preiswert. XPS besitzt eine hohe Druckfestigkeit und ist feuchtigkeitsbeständig. Es wird meist farbig angeboten Beschaffung Styropor ist in jedem guten Baumarkt als Dämmmaterial erhältlich jedoch oft nur bis bis zu einer Dicke von 50mm. Da wir für unserem Styroporschneider jedoch deutlich dickere Platten (ca. 200mm) benötigen, kann Styropor aus dem Baumarkt nur für Versuchszwecke verwendet werden. Geeignetes Material findet man zum Beispiel bei Modellbaugeschäften [1]. In diesen Läden ist das Styropor zwar etwas teurer, dafür oft aber auch feiner als im Baumarkt. Eine dritte Möglichkeit ist es, das Material in größeren Blöcken direkt vom Hersteller zu beziehen, was sich als Privatperson jedoch schwierig gestalten kann Verarbeitung Das sich Styropor so leicht durch einen heißen Draht schneiden lässt, liegt an der geringen thermischen Stabilität von Polystyrol. Polystyrol ist nur bis ca. 70 C als Werkstoff einsetzbar. Ab 90 C beginnt die Kristallschmelze. Um in einer angenehmen Geschwindigkeit arbeiten zu können benutzt man jedoch einen Draht mit einer deutlich höheren Temperatur. Beim Schneiden entsteht rußender Qualm und ein blumig, süßlicher Geruch nach Benzol. Der Qualm sollte nach Möglichkeit nicht eingeatmet werden, da er möglicherweise gesundheitsschädlich ist. Nach einigen Probeläufen hat sich das Anbringen von auf den Draht gerichteten Lüftern als notwendig erwiesen. Dies hat folgenden Grund: Im Inneren des Werkstückes wird die Wärmeenergie zum Schneiden des Materials benötigt. Außerhalb des Werkstückes gibt es jedoch immer Teile des Schneiddrahtes die frei in der Luft schweben. An diesen Stellen wird der Draht besonders heiß, da die Wärme nicht schnell genug abtransportiert wird. Im Extremfall fängt der Draht sogar an zu glühen und kann daher reißen. Durch die Lüfter wird der Draht außerhalb des Styropors gekühlt und so dessen Lebensdauer wesentlich verlängert. 6

7 Abbildung 2: Lüfter für den Draht 2.2 Das STL Dateiformat STL (STereoLithography) ist der Quasi-Standard zum Import von 3D-Objekten in RP/RM- Systeme. Es existieren eine binäre und eine ASCII-Version, wobei die letztere wegen der größeren Dateien eigentlich nicht verwendet wird. Beschrieben wird die Oberfläche des Objektes durch eine Menge von Dreiecken und deren Normalen. Die Oberfläche eines Objektes muss geschlossen sein, aber es können mehrere separate Objekte in einer Datei beschrieben werden. Wenn man die Normale der Dreiecke aus der Reihenfolge der Eckpunkte ermittelt, muss man damit rechnen, dass diese je nach verwendeter Software variiert. Eine Beschreibung des binären Dateiformates findet sich z. B. hier [2]. 3 Ähnliche Technik 3.1 Klassifizierung Bei der Recherche im Internet stößt man auf viele verschiedene Selbstbauprojekte und einige wenige kommerzielle Produkte, die sich mit dem Schneiden von Styropor befassen. Grundsätzlich kann man die Projekte in zwei Klassen einteilen: Handschneiden und automatisches Schneiden. 7

8 Die Unterscheidung macht deshalb Sinn, weil es in unserem Projekt ausschließlich um das automatische Schneiden geht. Es stellt sich dann nämlich heraus, das es nur wenige Projekte gibt, die sich dem automatischen Schneiden widmen. Auf diesem Gebiet findet man auch keine Selbstbauprojekte mehr. 3.2 Handschneiden Handführung Die einfachste Art Styropor zu schneiden ist es den Schneiddraht von Hand zu führen. Je nach Größe des zu fertigenden Objekts braucht man auch ein entsprechend großes Werkzeug, dass den heißen Draht straff hält. Der Vorteil der Handführung ist es, dass der Kreativität des Benutzers nahezu keine Grenzen gesetzt sind. Allerdings ist es gerade bei großen Werkzeugen schwierig die Schnitte sauber auszuführen, um gerade Schnittflächen zu erzielen. Beispiele solcher Projekte findet man bei Flugmodellbau.de [3] oder beim Bau einer Styroporsäge [4]. Für unser Projekte nutzen wir auch eine solche Handsäge (siehe Abschnitt 9.2), um die gekauften Blöcke auf eine zu unserem Arbeitstisch passende Größe zu schneiden Handführung mit Hilfsmitteln Um Hilfsmittel zum sauberen Schneiden einsetzen zu können, gehen die meisten Projekte einen anderen Weg: Der Draht wird hier in einer festen Position in der Mitte eines Arbeitstisches eingespannt und das Objekt wird geführt. Auf dem Arbeitstisch sind dann oftmals Maße oder Winkel eingetragen, um das Objekt präzise führen zu können. Außerdem lassen sich so sehr einfach Winkel oder Rollen am Arbeitstisch anbringen, so dass eine noch größere Präzision erreicht werden kann. Oft wird zur Steigerung des Arbeitskomforts auch noch ein Fußschalter für die Drahtspannung vorgesehen. Viele Modellbauer scheinen solche Varianten zu bevorzugen, um schnell Einzelteile fertigen und anpassen zu können. Kommerzielle Produkte findet man z.b. als Thermocut [5] oder als Styrocutter [6]. Eine sehr ausführliche Selbstbauanleitung gibt es von Alexander Hofer [7]. 3.3 Automatisches Schneiden Wie bereits angedeutet, gibt es auf dem Markt nur sehr wenige Produkte, die auch ein automatisches Schneiden erlauben. Selbstbauprojekte haben wir bei unserer Recherche nicht finden können. 8

9 Abbildung 3: Erste Idee für die Hardware Die kommerziellen Produkte schneiden Profile in zwei Dimensionen und es können teilweise über Hilfskonstruktionen Rotationstische nachgerüstet werden. Rotationsobjekte können über stabile, individuell gebogene Drähte geschnitten werden. Kommerziell werden solche Anlagen zum Beispiel von der Foam Cutting Systems GmbH [8] angeboten. 4 Analyse 4.1 Mögliche Objekte Es lässt sich nur eine bestimmte Klasse von Objekten mit einem geraden heißem Draht ausschneiden. Der Schnitt des Drahtes durch den Arbeitsraum lässt sich als durchgehendes, verwundenes Band betrachten. Hinterschneidungen lassen sich nur mit diesem Band, nicht aber orthogonal dazu durchführen. Weitere Einschränkungen ergeben sich durch die verwendete Hardware, wenn man nicht gerade einen Industrieroboter mit 6 Freiheitsgraden einsetzt. Ein einfacher Aufbau besteht aus zwei orthogonalen Linearachsen zur Bewegung des Drahtes in x- und y-richtung und einer Rotationsachse um die y-achse (siehe Abb. 3). Bei dieser Anordnung sind die geschnittenen Objekte in den xz-ebenen konvex. Die Hardwareanforderungen dieses Aufbaus werden im nächsten Abschnitt beschrieben. 9

10 4.2 Hardwareanforderungen Mechanik Die Achsen müssen stabil beschaffen sein und ein möglichst geringes Spiel haben, am besten wäre natürlich überhaupt kein Spiel, damit ein gerader Schnitt durch das Material gewährleistet ist. Dabei sollten die Achsen, die beweglich sind, ein besonders geringes Gewicht aufweisen damit die Motoren, welche diese Achsen antreiben, nicht zu groß dimensioniert werden müssen. Die Motoren müssen eine Kraft besitzen die groß genug ist um die Achsen gleichmäßig zu bewegen. Außerdem sollten sie genau sein, damit man die Figuren sauber ausschneiden kann. Da das Gewicht der Achsen nicht besonders hoch ist, eignen sich hier Schrittmotoren am besten. Heizdraht wird zum schneiden von Styropor benötigt. Es gibt dabei verschiedene Arten von Heißdraht. Gebräuchlich dabei sind verschiedene Legierungen von Metall z.b. Manganin oder Isotan welches einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten hat. Wir haben uns für Konstantan entschieden. Diese Legierung besteht aus ungefähr 45 Prozent Nickel und 55 Prozent Kupfer. Ein Mechanismus zur Straffung des Drahtes ist dringend erforderlich da der Draht bei seiner Erwärmung an Spannung verliert. Somit muss das Werkzeug unbedingt einen Mechanismus besitzen um den Draht schon vor der Erwärmung eine bestmögliche Spannung zu geben. Andernfalls würde der äußere Teil des Drahtes weiter vorne durchs Werkstück gleiten, was einen unsauberen Schnitt zur Folge hätte Elektronik Ein Treiber für die Schrittmotoren ist das optimale Mittel um die Motoren anzusteuern. Man könnte eine solche Motorsteuerung zwar auch mit der TPU des µcs realisieren. Eine extra Treiberplatine in unserem Fall mit den Mikrochips L297 und L298 bietet gegenüber der TPU aber viele Vorzüge. So braucht man nur ein clock-, ein direction- und ein modeinput-signal um die Motoren zu Steuern. Es ist also wünschenswert eine Motortreiberplatine zu entwickeln die auf die Ansprüche eines Styropor-Druckers perfekt zugeschnitten ist. Eine richtige Bestromung des Drahtes des Drahtes ist sehr wichtig. So kann man bei einem zu niedrigen Strom nicht schnell genug schneiden und wenn zusätzlich noch die Geschwindigkeit der Achsen zu hoch gewählt ist, kommt der Draht mit dem schneiden nicht hinterher und kann reißen. Eine zu hohe Temperatur kann im Gegensatz dazu führen das der Draht zu weich wird und er sich somit unnötig ausdehnt/verformt. Dies kann dann auch wieder zu einem Riss führen. Versuche haben ergeben, dass ein Strom von ungefähr 2,5A bei einer Spannung von 10V optimal ist. 10

11 Der µc ist dafür zu zuständig die Achsen punktgenau an eine bestimmte Stelle zu fahren. Sowie bei einer Stecke von einem Punkt zu einem anderen eine vernünftige Rampe zu berechnen. In unserem Fall übernimmt dies, im Rahmen des MC-Labors, der MC68332 von Motorola. 4.3 Softwareanforderungen Die Software eines Styropordruckers sollte die Möglichkeit besitzen aus CAD- und 3D-Modellierungssoftware Objekte zu importieren. So kann man ohne großen Aufwand bereits modellierte Objekte drucken. Fast die gesamte Arbeit übernimmt somit die Software. Eine Möglichkeit zum schnellen erzeugen von Rotationsobjekten sollte dennoch vorhanden sein damit man nicht immer komplizierte Software für einfachste Objekte benutzen muss. Da so eine Menge Entwicklungsarbeit entsteht empfiehlt sich die Aufteilung in Module zum besseren Testen und zur Arbeitsteilung. 5 Konzept Abbildung 4: Konzept für das Projekt 11

12 STL Import Modul zum Importieren Dreiecksnetzen im STL-Format. Erzeugt StyroCNC Code. Rotation Object Modul zum komfortablen Erstellen von Rotationskörpern mit der Maus. Erzeugt StyroCNC Code. StyroCNC Skriptsprache ähnlich CNC zur Definition der Bewegung des Schneiddrahtes. StyroCutter Driver Erhält geparstes StyroCNC und schickt die Befehle an den µc. Kommunikation PC und µc kommunizieren über eine serielle Schnittstelle gemäß eines Protokolls. Ansteuerung Der µc steuert die Motoren der Achsen schrittbasierend über die Motortreiberplatine an. Hardware Das Werkstück ist auf einem Drehteller befestigt und kann um seine vertikale Achse rotiert werden. X- und Y-Achse können mit dem Schneiddraht jeden Punkt im Werkstück anfahren (2-dimensional). 6 PC-Software Die Software ist in C++ geschrieben. Wir benutzen Qt [9], eine Klassenbibliothek zur plattformübergreifenden Anwendungsentwicklung. Es ermöglicht uns die gleichzeitige Entwicklung des Programms für Windows und Linux. 6.1 Import STL Das Import STL -Modul lädt STL-Dateien und erzeugt den StyroCNC Code der zum Ausschneiden notwendig ist. Das geladene Objekt kann skaliert, gedreht und verschoben werden. Auf diese Art kann man die gewünschte Größe einstellen und eine Position finden, in der das Objekt möglichst gut angenähert werden kann (siehe Abb. 5). Sind Größe und Position festgelegt, wird die Oberfläche des Objektes gerastert und alle möglichen Schnitte werden berechnet (siehe Abschnitt 6.1.1). Von diesen möglichen Schnitten werden dann die wichtigsten ausgewählt, um mit einer vorgegebenen Anzahl an Schnitten das bestmögliche Ergebnis zu erreichen. 12

13 Abbildung 5: Geladenes STL-Objekt Zur Darstellung des Objektes und zur Kontrolle der Schnittberechnung werden die 3D- Daten mittels OpenGL angezeigt ([10] erklärt einen häufig gemachten Anfängerfehler). Zur Speicherung der Dreiecke und zur Rasterung des Objektes (erfordert die Bestimmung des Schnittpunktes eines Strahls mit einem Dreieck [11]) wird die Graphics Math Template Library (GMTL) des Generic Graphics Toolkit [12] verwendet Algorithmus zur Schnittermittelung Bis auf wenige Spezialfälle lässt sich die Frage der Schnitte darauf reduzieren, welchen Abstand der Draht für einen bestimmten Rotationswinkel und eine bestimmte Höhe zur Rotationsachse haben muss. Bedingt durch den mechanischen Aufbau mit einer Rotationsachse, der die Klasse der möglichen Objekte einschränkt, können so für die meisten Objekte die Schnitte bestmöglich ermittelt werden. Um die Abstände von der Rotationsachse bis zur Oberfläche des Objektes zu erhalten, wird von der Achse aus ein Strahl senkrecht zu dieser ausgesandt und der Schnittpunkt mit dem Objekt ermittelt. Da sich die Rotationsachse nicht unbedingt im Objekt befinden muss, beginnt der Strahl bereits am Rand des Arbeitsbereiches und geht durch die Achse. Als Schnittpunkt gilt der Austrittspunkt aus dem Objekt. Die Abtastung 13

14 erfolgt mit einer einstellbaren Auflösung. Man erhält ein zweidimensionales Array mit Abständen zur Rotationsachse. Um das Objekt korrekt auszuschneiden, reicht es aber nicht aus, einfach die Abstände zur Oberfläche des Objektes für die Position des Drahtes zu verwenden man muss dafür sorgen, dass dabei keine anderen Teile des Objektes abgeschnitten werden. Da es sich beim Schneiddraht um eine Gerade und keinen Punkt handelt, muss man diese Gerade für jeden Rotationswinkel an die gesamte Punktwolke für die aktuelle Höhe anlegen (siehe Abb. 6). Dazu werden die Punkte um den aktuellen Winkel um die Achse rotiert und dann der größte x-wert aller Punkte verwendet. Man erhält für jeden Rotationswinkel ein eindimensionales Array mit Abständen in x-richtung. Diese Daten können direkt in StyroCNC umgewandelt werden. Abbildung 6: Prinzip der Schnittberechnung Bei einer hohen Anzahl von Rotationsschritten würde das Schneiden jedoch sehr lange dauern. Auch ist bei einer zu hohen Anzahl von Stützpunkten in y-richtung kein sauberes Schneiden mit der verwendeten Ansteuerung der Schrittmotoren möglich. Deshalb erfolgt noch eine Reduktion der möglichen Rotationswinkel und Stützpunkte (siehe Abb. 7). 14

15 Abbildung 7: Berechnete Schnittpunkte und Schnitte 6.2 Rotation Object Durch den gewählten Aufbau der Hardware mit einem Drehteller (siehe Abschnitt 9.2) war es naheliegend ein Modul zum Erstellen von Rotationsobjekten zu entwerfen (siehe Abb. 8). Durch intuitive Mausbedienung ist nun ein kreatives Arbeiten möglich. Zusätzlich kann die Anzahl der Rotationsschritte eingestellt werden (um so beispielsweise auch keine direkten Rotationskörper schneiden zu können). Bei Änderung der Objektdimensionen werden die vorhandenen Punkte relativ mit verschoben, so dass die Form des Objektes erhalten bleibt. Da es keine fertigen Softwarelösungen für eine solche Problemstellung gab, musste für eine Benutzerschnittstelle ein eigenes Widget erstellt werden. Dieses Widget stellt dann die Arbeitsfläche dar, auf der Eckpunkte des Objektes mit der Maus verändert werden können. Durch Bewegung bei gedrückter linker Maustaste, wird ein Punkt auf der Arbeitsfläche verschoben. Per Rechtsklick wird an der Mausposition ein neuer Punkt hinzugefügt. Mit einem Klick der mittleren Maustaste wird der sich unterhalb der Maus befindliche Punkt entfernt. 15

16 Um auch präzise Schnitte eingeben zu können, erwies es sich als hilfreich, eine sog. Grid- Snap-Funktion zu implementieren, die per Mausklick ein- und ausgeschaltet werden kann. Kommt man beim Verschieben eines Punktes in den Umkreis eines Rasterpunktes, so wird der Punkt auf den Rasterpunkt ausgerichtet. Der Rasterabstand kann vom Benutzer beliebig angepasst werden. Um Objekte auch nach Neustart der Software beliebig reproduzieren zu können, wurde eine Speicherfunktion (natürlich mit komplementärer Ladefunktion) umgesetzt. Die entstehenden Styro Rotation Object -Dateien (Dateiendung sro), enthalten alle eingegeben Punkte des Arbeitsbereiches, sowie die Objektdimensionen und Anzahl der Rotationsschritte. Abbildung 8: Das Rotation Object -Modul 6.3 StyroCNC Editor Nachdem die Schnittpunkte vom Import STL -Modul oder vom Rotation Object - Modul in StyroCNC-Code (siehe Listing 1) konvertiert wurden, wird dieser Code dem StyroCNC Editor übergeben. Dieser stellt den Code mit Hilfe von Syntax-Highlighting 16

17 übersichtlich dar und erlaubt es, den Code zu überprüfen, zu editieren oder Zeilen hinzuzufügen. Natürlich kann eigener Code auch ohne Vorgabe durch die anderen Module hier direkt eingegeben werden (siehe Abb. 9). Ist man mit dem Code zufrieden, wird er nach einem Druck auf den Knopf Convert kompiliert und es werden ggf. aufgetretene Syntax-Fehler angezeigt. War die Konvertierung fehlerfrei, wird die generierte StyroCommandList (siehe styrocommandlist.cpp) an den StyroCutter Driver übergeben. Listing 1: StyroCNC in erweiterter Backus-Naur-Form CNCLanguage= { Line } ; Line= (Comment? EmptyLine? ModeCommand GoCommand)? LineEnd? ; Comment= #? A l l V i s i b l e C h a r a c t e r s? ; ModeCommand= mode ( move cut ) ; GoCommand= go [ xpos ] [ ypos ] [ bpos ] ; xpos= x= Number ; ypos= y= Number ; bpos= b= Number ; Number= WholeNumber [. WholeNumber ] ; WholeNumber=? Z i f f e r? {? Z i f f e r? } ; Abbildung 9: Der StyroCNC Editor 17

18 6.4 StyroCutter Driver Der Hardware-Treiber sorgt für die Ausführung der Befehle und regelt somit die vollständige Kommunikation (PC-seitig) zwischen µc und PC-Software. Der Benutzer kann hier außerdem die Schnitt- und Bewegungsgeschwindigkeit in Prozent einstellen. Der Treiber bekommt vom StyroCNC Editor eine StyroCommandList (siehe styrocommandlist.cpp) mit allen Schnittbefehlen übergeben, die er letztendlich in Paketform laut Kommunikationsprotokoll (siehe Abschnitt 7) umsetzt und über die serielle Schnittstelle an den µc sendet. Dies geschieht mit Druck auf den Start-Knopf, worauf die Maschine in Grundposition gefahren wird (Nesten) und dann mit dem Anfahren der übergebenen Positionen begonnen wird. Der Druckvorgang kann jederzeit mit einem Druck auf den Stop-Knopf unterbrochen werden. Wurden die Schnittbefehle abgearbeitet, wird die Maschine wieder zurück in Grundposition gefahren. Während der Ausführung und Übertragung der Befehle wird der Benutzer über die aktuell anzufahrende Position, den Status und die Geschwindigkeit der Maschine informiert. Gegebenenfalls eintreffende Informations- oder Debug-Meldungen vom µc werden im Log vermerkt. 7 Kommunikation zwischen PC und µc Zur Kommunikation wird die serielle Schnittstelle verwendet. Die PC-Software Styro3D nutzt dazu die Qt-Zusatzbibliothek QextSerialPort [13]. Auf dem Mikrocontroller M68332 wird die serielle Schnittstelle genutzt, die der Prozessor durch das Submodul serial communication interface (SCI) im queued serial module (QSM) [14] anbietet. Zum Senden und Empfangen von Daten und Steuerbefehlen wurde ein genau definierter Befehlssatz implementiert, dessen Nachrichten ( messages ) zum Versand in Pakete ( packets ) verpackt werden (siehe docs/communication-protocol.txt). Abbildung 10: Paketstruktur 18

19 7.1 Pakete Es gibt zwei verschiedene Arten von Paketen. Sie dürfen von beiden Kommunikationsteilnehmern versendet werden. DATA PACKET Ein Datenpaket. Es beginnt mit dem Byte 0xAA und einem Byte, dass die Länge der Nachricht in Bytes angibt. Danach folgt die eigentliche Nachricht. ACK PACKET Ein Paket das zur Empfangsbestätigung von Datenpaketen versendet wird. Es besteht aus dem Byte 0xFF. Ein ACK PACKET wird versandt, wenn das zuvor erhaltene DATA PACKET erfolgreich bearbeitet wurde. Ein neues DATA PACKET darf nur versandt werden, wenn das letzte Datenpaket von der Gegenseite bestätigt wurde. Dies dient der Synchronisation des PCs mit dem Mikrocontroller. Während der Entwicklung hat es sich jedoch als praktikabler herausgestellt, den Mikrocontroller nicht auf die Bestätigung des PCs warten zu lassen. Die einzigen Nachricht die der Mikrocontroller an den PC senden kann ist MSG ERROR (siehe unten) und dient dem Debuggen. Solche Nachrichten werden während der Bearbeitung eines Datenpakets vom µc erzeugt. Also genau zwischen dem Empfang eines Datenpakets und dem Versenden des zugehörigen Bestätigungspakets. Somit fände eine Schachtelung statt, die im Protokoll nicht vorgesehen ist. 7.2 Steuerbefehle Die Steuerbefehle werden als Nachrichten in den Paketen versendet. Sie bestehen aus einem Byte zur Identifikation und je nach Art weiteren Nutzdaten PC an Mikrocontroller MSG NEST (0xF0) Veranlasst den Mikrocontroller den Schneidedraht in die Startposition bei x = 170mm und y = 195mm zu fahren (obere linke Ecke des Arbeitsbereichs). (siehe Abschnitt 8.3.4) MSG SET SPEED (0xF1) Stellt die Fahrgeschwindigkeit des Schneidedrahtes prozentual von der maximal möglichen Geschwindigkeit ein. Eine Geschwindigkeit von 100% setzt die Geschwindigkeitsbegrenzung für den Draht außer Kraft. Daten: Ein Byte für die Geschwindigkeit in Prozent (0-100). (siehe Abschnitt 8.3.1) 19

20 Abbildung 11: Paketfluss 20

21 MSG GO (0xFA) Veranlasst den Mikrocontroller die Achsen auf eine neue Position zu fahren. Daten: 2 Byte für die X-Achse, 2 Byte für die Y-Achse und 2 Byte für die B-Achse. Die Einheit ist 10 5 m bzw rad. Es handelt sich um 16-Bit 2-Komplement Werte. Das höherwertige Byte wird zuerst übertragen. (siehe Abschnitt 8.3.5) Mikrocontroller an PC MSG ERROR (0xEE) Sendet eine Zeichenkette, bzw. Textnachricht an den PC. Daten: Die einzelnen Zeichen der Nachricht. Da die Länge jeder Nachricht im Datenpaket übertragen wird, können variable viele Zeichen verwendet werden. 8 µc-software 8.1 Die serielle Schnittstelle Auf dem M68332 nennt sie sich SCI (serial communication interface) und ist Teil des QSM (queued serial module) [14]. Direkt nach Initialisierung der Interruptvektortabelle wird die serielle Schnittstelle konfiguriert und deren Interrupt für den Datenempfang eingestellt (init.c: initvbasis(), serial io.c: initserial()) Eingabe Die serielle Eingabe ist mit einem Eingabepuffer realisiert (serial.h: tinbuffer). Er hat eine voreingestellten Kapazität von 30 Zeichen. Jedes empfangene Byte wird durch einen Interrupt an die erste freie Stelle im Eingabepuffer kopiert (serial io.c: serialinthandler()). Ist der Eingabepuffer voll, werden die ältesten Bytes überschrieben (da Ringpuffer). Zum Lesen aus dem Eingabepuffer, verwenden wir meist die Funktion readbuf() (serial io.c). Ist der Puffer leer, wartet readbuf() bis ein Zeichen vorhanden ist Ausgabe Zur Ausgabe werden die Daten in das Register SCDR geschrieben, sobald der Prozessor dazu bereit ist. Dies zeigt das Statusregister SCSR H an (serial io.c: writechar()). 21

22 8.2 Protokolldekodierung Die Hauptaufgaben der Software (main.c) sind die einmalige Initialisierung aller Module und danach der Empfang der Datenpakete in einer Endlosschleife. In der aktuellen Version ist nicht vorgesehen, die Software regulär zu beenden Empfang von Datenpaketen Datenpakete empfängt die Funktion receivepacket(). Mit jedem Aufruf aus der main()- Funktion wird ein Byte gelesen. Dabei kann es sich nur um die Signatur eines Datenpakets (0xAA) oder eines Bestätigungspakets (0xFF ) handeln. Andernfalls wird eine Fehlernachricht an den PC gesendet (MSG ERROR, Abschnitt 7.2.2). Würde der Mikrocontroller auf Bestätigungspakete warten, geschähe dies am Ende der Funktion senderror() (serial protocol.c). Denn Nachrichten sind die einzigen Daten, die er senden darf Auslesen der Steuerbefehle Aus den Datenpaketen liest die Funktion receivecmd() die Steuerbefehle aus (serial protocol.c). Sie füllt für jeden Befehl eine tcommand-datenstruktur aus (serial protocol.h). Darin enthalten sind der Name des Befehls und seine Argumente. Die korrekte Länge des Datenpakets wird bei jedem Befehl überprüft. Beim Befehl MSG SET SPEED (Abschnitt 7.2.1) wird sichergestellt, dass 100 Prozent nicht überschritten werden. Beim Befehl MSG GO (Abschnitt 7.2.1) werden für jede Koordinate die höher- und niederwertigen Bytes zusammengesetzt (types.h) Ausführen von Steuerbefehlen Ausgeführt werden die fertig eingelesenen Befehle von der Funktion execcmd() (serial protocol.c). Eine von drei möglichen Funktionen (nest(), setspeed() oder go() in motor.c) wird ausgewählt und auf die installierten Motoren angewendet. 8.3 Repräsentation der Achsen Auf dem Mikrocontroller wird jede anzusteuernde Achse durch ihren Motor repräsentiert und erfordert individuelle Parameter. 22

23 8.3.1 Allgemeine Einstellungen Alle genutzten Motoren (motor.h: tmotor) sind in einer Datenstruktur zusammengefasst (motor.h: tmotors). Außerdem sind in dieser Datenstruktur Einstellungen für alle Motoren abgespeichert: Die maximale Geschwindigkeit des Schneidedrahtes durch den Raum in m s Sie ist identisch mit der maximalen Geschwindigkeit der langsamsten Achse um eine konstante Schnittgeschwindigkeit zu garantieren. Die aktuelle Geschwindigkeit des Schneidedrahtes relativ zur maximalen. Dieser Wert wird durch den Protokoll-Befehl MSG SET SPEED (Abschnitt 7.2.1) vom PC eingestellt. Mit genau 100% wird die langsamste Achse nicht mehr berücksichtigt. Dies dient zur Positionierung des Schneiddrahts außerhalb des Werkstücks. Für jeden Fahrweg kann der Schneidedraht dabei eine andere Geschwindigkeit annehmen. Sie wird von der Achse mit den meisten zu fahrenden Schritten vorgegeben (das Führungsgelenk ). Dies variiert für verschiedene Wege und zusätzlich hat jede Achse eine andere Höchstgeschwindigkeit. Die Registeradresse des Ausgabepins dient zum Ein- und Ausschalten aller Motoren durch die Treiberplatine Parameter einer Achse Manuell ausgemessen Die Wegstrecke und Schrittanzahl jeweils im positiven und negativen Arbeitsbereich Eingestellt Schrittanzahl während Beschleunigung und Bremsen Fahrtrichtung in den positiven und negativen Arbeitsbereich Registeradressen für Motor und Endabschalter Experimentell ermittelt Maximale Beschleunigung: 1 2a 23

24 Zur Initialisierung berechnet Verzögerungszeiten zwischen Schritten beim Beschleunigen: 1 v(t) = 1 a q 2 s(t) a Verhältnis aus Schritten und Wegstrecke Maximale Geschwindigkeit Im Betrieb berechnet Aktuelle Position in Weglänge und Schritten Ein Schritt Voraussetzungen damit der Motor einer Achse einen Schritt ausführen kann: Der Endabschalter ist nicht betätigt, wenn er in seine Richtung fährt. Die aktuelle Position ist im noch Arbeitsbereich, wenn er in die Richtung ohne Endabschalter fährt. Trifft dies zu, wird für 100µs ein High-Pegel an den Taktpin eines Motors gelegt und abhängig von der Fahrtrichtung die aktuelle Schrittposition erhöht oder verringert Nesten Die Funktion nest() (motor.c) fährt zuerst die X-Achse in die Position bei x = 170mm und im folgenden die Y-Achse in Position y = 195mm (linke obere Ecke des Arbeitsbereichs). Die jeweilige Achse beschleunigt dabei auf maximale Geschwindigkeit und fährt bis zum Kontakt ihres Endabschalters. Die Drehachse wird nicht in Position gefahren. Ihre momentane Position wird als Null definiert Ein Schnitt Die Funktion go() (motor.c) erhält die nächste Position in Weg-, bzw. Winkeleinheiten. Damit, sowie den Parametern jeder Achse wird die nötige Anzahl von Schritten für jeden Motor berechnet. Der Führungsmotor hat die größte Anzahl von Schritten zu fahren. Dies wird genutzt, um die anderen Motoren zu synchronisieren, damit der Weg zur Zielposition eine Gerade ist: 24

25 Für jeden Motor gibt es ein Schrittverhältnis aus seiner Anzahl von Schritten und der des Führungsmotors. Damit werden die einzelnen Schritte der übrigen Motoren gleichmäßig auf die Schritte des Führungsmotors verteilt. Abbildung 12: Synchronisation von Schrittfolgen Weiterhin soll das Material immer mit derselben Geschwindigkeit geschnitten werden: Aus dem Weg des Schneidedrahtes im Raum und der Schrittanzahl lässt sich die benötigte (Ist-) Zeit bestimmen. Durch die eingestellte Geschwindigkeit und die maximale Gesamtgeschwindigkeit ist eine Soll-Zeit vorgegeben. Mit dem Verhältnis von Soll- und Ist-Zeit wird nun die Wartezeit nach jedem Schritt auf das nötige Maß verlängert. 25

26 Abbildung 13: Konstante Schnittgeschwindigkeit Um durch abruptes Anfahren keine Schritte zu verlieren, wird zu Beginn beschleunigt und am Ende abgebremst. Die dafür nötigen Wartezeiten wurden während des Initialisierung berechnet und in einem Array gespeichert. Reicht der Weg zum beschleunigen nicht, wird nur bis zur Hälfte des Wegs beschleunigt und direkt danach wieder gebremst. Abbildung 14: Rampe fahren 26

27 9 Hardware 9.1 Elektronik Anfänglich haben wir die Schrittmotoren über eine Motortreiberplatine, die speziell für die CPU32-Prozessoren und das Entwicklungsboard entwickelt wurden, gesteuert. Sie war allerdings nur für zwei Motoren ausgelegt und wurde über spezielle Funktionen der TPU gesteuert. Da wir die TPU nicht nutzen wollten, um die Beschleunigungsvorgänge selbst steuern zu können, entwickelten wir eine universelle Schrittmotor-Platine mit 3 Kanälen. Pro Kanal kann mit den verwendeten Treibern ein Strom von maximal 4A geführt werden, was ebenfalls eine deutliche Verbesserung gegenüber der vorhandenen Platine von nur 1A darstellt. Wir entschieden uns für eine Lösung auf Basis der Kombination L298 und L297 von STMicroelectronics [15]. Der L298 stellt den Leistungstreiber dar. Er stellt einen Doppel- Vollbrücken-Treiber mit bis zu 4A bereit. Seine Signal-Eingänge sind TTL-kompatibel. Der L297 wurde als Ergänzung zu diesem Treiber entwickelt und beherrscht den Halb-, Vollschritt und Wave-Mode. Ein weiteres Highlight die ihn von anderen Lösungen abheben ist die Stromregelung im Gegensatz zur sonst üblichen Spannungsregelung. Durch die Stromregelung wird immer versucht einen einstellbaren Strom durch die aktiven Windungen der Motoren zu treiben (einstellbar über Potis auf der Platine; siehe unten). Außerdem optimiert er bei inaktiven Spulen aktiv den Feldabbau. Dadurch werden schnellere Ansprechzeiten erreicht und die Motoren können so schneller gefahren werden. Ein weiterer Vorteil ist die wesentlich einfachere Ansteuerung der Treiber mit nur drei Steuerleitungen pro Kanal: eine Leitung zum Aktivieren des Treibers (Enable), eine Leitung um die Richtung vorzugeben (Dir) und eine Leitung um einen Schritt bzw. Halbschritt auszuführen (Clock). Eine kurze Erläuterung bedarf noch der Jumper 4 (bzw. ebenso 8 und 12) für die Einstellung des Verhaltens des Controllers: Im Vollschrittbetrieb wird hierüber eingestellt, ob der Leistungstreiber über die Signalleitungen INH1 und INH2 oder aber über die Leitungen A, B, C und D gesteuert wird. Im Halbschrittbetrieb und Wave-Mode werden alle Leitungen entsprechend vom Controller verwendet. Auf der Platine sind deshalb alle Leitungen auch mit dem Leistungstreiber verbunden (siehe Abb. 16). Für die Einstellung der Stromregelung werden die Potis auf der Platine verwendet. Über die drei Potis ist das für alle drei Kanäle separat möglich. Der Controller vergleicht den Spannungsabfall über einem Sense-Widerstand mit dem am Eingang V ref anliegenden Wert. Dadurch ergibt sich bei einem Wert für den Sense-Widerstand von 0,5 Ω folgender Zusammenhang: V ref = 0, 5Ω I peak 27

28 Abbildung 15: Übersicht über die Schrittmotor-Platine Über die Sync-Leitung sind alle drei Controller-Bausteine miteinander synchronisiert. Dies wird im Datenblatt empfohlen, um so Störungen durch die Controller und Leistungstreiber auf den Versorgungsleitungen zu minimieren. Der vollständige Schaltplan und das Platinen-Layout sind im Anhang A zu finden. 9.2 Mechanik Gehäuse Als Gehäuse für den Styropor-3D-Drucker dient ein leeres 19 Rack mit einer Höhe von 1,98m. Das Rack ist mobil durch vier Rollen, welche sogar bremsbar sind. So kann man es leicht von A nach B transportieren und vor Ort fixieren. Im inneren des Racks ist genug Platz, um sämtliche Geräte, die man zum Betreiben des Druckers braucht, verstauen zu können. Enthalten ist ein Netzteil um die Motor-Treiber-Platine und die Motoren mit Energie zu versorgen. Ein weiteres stärkeres Netzteil ist im unteren Teil des Racks fest verschraubt. Es ist für die Erwärmung des Drahtes zuständig. Weiter ist im unteren Drittel des Racks ein Aluminiumtisch fest verschraubt, auf ihm ist die Drehachse befestigt. An der Seite des Racks ist die Motortreiberplatine befestigt und oben der DIN A3 Drucker, welcher die X-Achse darstellt. 28

29 Tabelle 2: Beschreibung der Anschlüsse der Motortreiberplatine Anschluss Funktion 1 Anschlussklemme für die Versorgungsspannung der Platine (+5V) 2 Anschlussklemme für die Versorgungspannung der Schrittmotoren 3 Jumper für Voll-/Halbschrittbetrieb. Standard (ohne Jumper) ist Halbschrittbetrieb 4 Jumper definiert das Verhalten des Controllers. Entweder INH1 / INH2 oder ABCD. Standard (ohne Jumper) ist ABCD. Relevant nur für den Vollschrittbetrieb 5 Anschlussklemme für erste Motorwicklung 6 Anschlussklemme für zweite Motorwicklung 7-10 identisch 3-6 für zweiten Kanal identisch 3-6 für dritten Kanal 15 Stiftleiste der Motortreiberplatine (siehe Tabelle 3) Tabelle 3: Belegung der Stiftleiste der Motortreiberplatine Pin Bezeichnung Beschreibung CPU32-Signal 1 Clk 1 Taktsignal Treiber 1 /DSACK1 (PortE.1) 2 Dir 1 Richtung Treiber 1 /AVEC (PortE.2) 5 Clk 2 Taktsignal Treiber 2 /RMC (PortE.) 6 Dir 2 Richtung Treiber 2 /DS (PortE.4) 9 Clk 3 Taktsignal Treiber 3 /AS (PortE.5) 10 Dir 4 Richtung Treiber 3 SIZ0 (PortE.6) 3,7,11 Enable Enable SIZ1 (PortE.) GND Signal-Masse Tabelle 4: Belegung der Stiftleiste der Interfaceplatine Pin Bezeichnung Beschreibung CPU32-Signal 1 EAS1 Endabschalter 1 (x-achse) PCS1 (PortQS.4) 2 EAS2 Endabschalter 2 (y-achse) PCS2 (PortQS.5) 3 EAS3 Endabschalter 3 (b-achse) PCS3 (PortQS.6) 7 +12V Lüfterversorgung V Versorgung - 10 GND Masse - 29

30 Abbildung 16: Schaltplan eines einzelnen Kanals Achsen Die X-Achse (horizontal) ist realisiert durch einen gebrauchten DIN A3 Nadeldrucker. Die Deckplatte des Druckers ist abmontiert und die Achse ist freigelegt. Störende überstehende Teile wurden mittels einer Laubsäge entfernt. Außerdem ist der Endabschalter für diese Achse an der negativen Position des Arbeitsbereiches angebracht. Die Y-Achse (vertikal) ist aus Fischertechnik selbst gebaut. Durch eine ALU-Vierkant- Konstruktion ist sie auf Platz und Steifigkeit optimiert. Ein Schrittmotor oben an der Konstruktion treibt die Schnecke an, welche dafür verantwortlich ist, dass die Achse auf und ab fährt. Verbunden sind Motor und Schnecke über eine eigens dafür vorgesehene Kupplung. Der Endabschalter befindet sich an der höchsten Position des Arbeitsbereiches. Die Drehachse ist ebenfalls aus Fischertechnik selbst gebaut. Ein Schrittmotor treibt den Drehteller über ein Kettengetriebe an welches ein geringes Spiel gewährleistet. Oben auf dem Drehteller sind Dornen aus Reißzwecken angeklebt, die zum Befestigen des 30

31 Abbildung 17: Übersicht über das Rack Werkstückes (Styropor) dienen. Es ist ebenfalls ein Endabschalter angebracht, dieser definiert aber nur die Null-Position des Tellers Handthermosäge zum Zuschneiden Im Verlauf der Entwicklungsphase hat es sich als notwendig herausgestellt ein extra Werkzeug zu bauen mit dem man autark Styropor schneiden kann. Man benutzt diese Handthermosäge zum Zuschneiden der großen Styroporplatten in kleinere Werkstücke, welche dann ohne Probleme im Styroporschneider weiterverarbeitet werden können. Realisiert ist diese Säge hauptsächlich aus Fischertechnik, außerdem natürlich Kabel, um die Säge an das Netzteil anzuschließen. 31

32 9.2.4 Sicherheit Das Arbeiten mit Elektrizität und hohen Temperaturen birgt leider auch immer Gefahren für den Benutzer. Deshalb besitzt der Styropor-3D-Drucker natürlich auch Sicherheitsvorkehrungen. So kann der Drucker durch die langen Zuleitungen zwischen Drucker und Controller- Platine aus sicherer Entfernung betrieben werden. Ein zwei Meter langes Kabel ermöglicht es somit sogar aus einem benachbarten Raum Objekte zu schneiden. Sollte man dennoch einmal näher an den Drucker herantreten wird man zumindest von einer Lampe gewarnt sobald der Schneiddraht mit Spannung versorgt wird. Diese Warnlampe befindet sich am oberen Teil des Druckers und leuchtet dann rot, wenn der Draht heiß ist. Sollte es dennoch Probleme geben, besitzt der Drucker auch einen Notausschalter. Der Schalter ist in einer kleinen Aluminiumbox montiert. Er hat gummierte Füße, so dass er nicht wegrutschen kann. Er trennt im Notfall die Stromversorgung der Motortreiberplatine und die Drahtspannung. Dadurch ist ein sicheres Arbeiten gewährleistet. 10 Zusammenfassung, Bewertung, Ausblick Im Rahmen des Styropor-3D-Drucker-Projektes ist ein System entstanden, mit dem eine Vielzahl von Formen aus Styropor geschnitten werden kann. Es können sowohl Objekte aus 3D-Modellierungsprogrammen im STL-Format importiert als auch Rotationsobjekte selbst erstellt werden. Es wurde eine Skriptsprache für die Befehle an den Schneideroboter definiert. Damit kann der von den Modulen produzierte Code überprüft und der Roboter auch per Hand programmiert werden. Zwischen PC und µc wurde ein paketbasiertes Kommunikationsprotokoll für die Übertragung der Befehle implementiert. Es mussten ein Reihe von Problemen gelöst werden. So wurde z. B. eine geeignete Mechanik benötigt, die (mit Unterstützung der Werkstatt) aus preiswerten Komponenten aufgebaut werden konnte. Als erstaunlich stabil erwies sich die von uns konstruierte Linearachse aus Fischertechnik. Auch benötigten wir einen leistungsfähigen Schrittmotortreiber, der dreistufig aufgebaut und dessen Platine in der Werkstatt gefertigt wurde. Außerdem musste die Ansteuerung der Achsen vom µc so synchronisiert werden, dass sich der Draht immer mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Die Entwicklung des Algorithmusses zum Import von STL-Objekten stellte eine weitere Herausforderung dar. In der Software wurden verschiedene Bibliotheken eingesetzt. Die GMTL stellt verschiedene Funktionen für den Umgang mit 3D-Daten zur Verfügung. OpenGL ermöglicht die Darstellung der importierten Daten und QT bietet ein elegantes Framework für die Anwendungsentwicklung. 32

33 Als Ergebnis wurden einige sehr interessante 3D-Objekte gefertigt und es werden sicher noch einige folgen Ausblick Es ist uns gelungen die ursprüngliche Zeitplanung einzuhalten und das Projekt im Rahmen der Lehrveranstaltung abzuschließen. Trotzdem bleiben einige Ansatzpunkte für zukünftige Verbesserungen und Erweiterungen. Um genauer schneiden zu können, wäre ein stabilerer Aufbau wünschenswert. Mit diesem könnte man dann auch die von uns ursprünglich angedachte Messung der auf den Draht wirkenden Kraft realisieren. Auch die Berechnung der Schnitte kann noch weiter optimiert werden, um wirklich alle mit der Hardware möglichen Objektformen schneiden zu können und bei rundlichen Objekten und geringer Schnittanzahl bestmögliche Ergebnisse zu erreichen. 33

34 Literatur [1] Modulor. URL [2] John Burkardt. STLB Files Stereolithography (binary). URL fsu.edu/~burkardt/data/stlb/stlb.html. [3] Hajo Giegerich. Flugmodellbau.de: Styrosäge, URL flugmodellbau.de/04_saege.html. [4] Michael Möller. Bau einer Styroporsäge, URL mmoeller/mmm/seite13.html. [5] Herrmann, Papenfuß, and Ziebold. Architekturbedarf.de: Thermocut - Hartschaumsäge, URL Werkzeuge/Styrocut/styrocut.html. [6] Johannes Scherffig. Styrocut.de: Styrocut 3, URL de/styrocut/index.htm. [7] Alexander Hofer. Alexanderhofer.de: Bauanleitung für einen Styroporschneider, URL Styroporschneider.htm. [8] Foamcutter.de: Sondermaschinen, URL Deutsch/Maschinen/sondermaschinen.htm. [9] Trolltech. Qt. URL [10] Steve Baker. Help stamp out GL PROJECTION abuse. URL sjbaker.org/steve/omniv/projection_abuse.html. [11] Thomas A. Funkhouser. Ray-Triangle Intersection, URL http: //www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall00/cs426/lectures/ raycast/sld016.htm. [12] Generic Graphics Toolkit. URL [13] QextSerialPort. URL [14] Freescale Semiconductor. MC68332: QSM Reference Manual (QSMRM), URL QSMRM.pdf. [15] STMicroelectronics, URL 34

35 A Schrittmotor-Platine A.1 Vollständiger Schaltplan 35

36 36

37 A.2 Platinen-Layout (Skalierungsfaktor 1.2) 37

38 B Bilder und Fotos B.1 Fotos von geschnittenen Objekten Abbildung 18: Ein Baum wird geschnitten Abbildung 19: Was verbirgt sich dahinter? 38

39 Abbildung 20: Ein Turm! Abbildung 21: Ein Fußball ist entstanden 39

40 Abbildung 22: Verschiedene Objekte B.2 Bilder der Hardware Abbildung 23: Bild der X-Achse 40

41 Abbildung 24: Bild der Y-Achse Abbildung 25: Bild der Drehachse 41

42 Abbildung 26: Bild der Handthermosäge 42

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