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Elektronik Sandwich

Die Stative an der Schiene als auch der Kugelkopf auf dem Schlitten werden mit 3/8 Zoll Gewinden befestigt. Dadurch gab es wieder den Bedarf ein paar Löcher zu bohren ;-). In der Prototypenschiene war es kein Problem, mit 60 cm ist sie ja recht handlich. Spannender war es die 180cm lange “Einsatzschiene” im Bohrständer zu fixieren. Vor allem musste/wollte ich dort gleich fünf Löcher Bohren … Flexibilität ist alles.

Die Montage des Kugelkopf auf dem Schlitten war auch kein Problem. Anfangs hatte ich noch meinen mittlerweile sicherlich 10 Jahre alten Manfrotto-Kopf installiert. Der Kopf ist aber bei weitem nicht die Referenz für Stabilität und Haltekraft, habe den Kopf dann gegen einen Sirui (günstige und gute chinesische Qualität – wirklich super Teil) ersetzt. Der neue Kopf hat den Vorteil, dass er kleiner und stabiler ist (!). Ausserdem hat er eine Arca-Swiss kompatible Aufnahme, dadurch muss ich auch keine extra Schnellwechselplatte mitnehmen, da die Befestigung der Handschlaufe den passenden Schwalbenschwanz hat.

Die ganze Elektronik will ich in ein Plastikgehäuse mit Aludeckel einbauen. Dazu ist es notwendig einen Tripel-Leiterplatten-Sandwich zu bauen. Unten der RasPi, dann die Pegelumsetzung 3,3V <-> 5V für die Ein- und Ausgänge, die Motorsteuerung und die Steuerelektronik für die Endanschläge. Oben dann zum Abschluss noch die Taster und LEDs und als Deckel die Alu-Platte vom Gehäuse.
In der Alu-Platte waren einige Aussparungen notwendig (Kabel für USB, Motor, Strom und Endschalter), ausserdem zwei Taster und 11 LEDs.
Naja, die Ausführungsqualität lässt ein wenig zu wünschen übrig …. gerade ist anders …. aber zumindest passt alles.
Das Zusammenbauen und die Verkabelung der Taster und LED Platine war eine ziemliche Fummelei und ein wenig grösser hätte ich sie auch machen sollen. So steht das IC mit den R/S-Latches (zum Entprellen der Taster) mit einem “Fuss” über und die Stromversorgung musste per Kabel direkt ans IC gelötet werden.

Auf der “Hauptplatine” ist mittlerweile auch die 3,3V Versorgung mit einem Low-Dropout Regler sichergestellt. Könnte zwar die Versorgungsspannung für den Pegelwandler auch vom RasPi nehmen, aber auf seiner 3,3V Schiene will ich nicht rumpfuschen. In dem Zug habe ich auch die bereits verbauten Standardelkos durch Tantalelkos getauscht. Die Standardelkos sollen zwar -40°C abkönnen, aber bevor ich wegen sowas die Krise bekomme …. letztes Jahr hatten wir ja Temperaturen von -34°C …. tagsüber … .
Natürlich gibt es auch genügend andere Bauteile die offiziell “nur” bis -20/-40°C gehen, aber dort ist keine Flüssigkeit enthalten die einfrieren kann. Und wenn ein Elko einfriert, ist der Kurzschluss nicht weit. Die Tantalelkos sind “trocken” und gehen bis -55°C, sollte reichen.

Da steppt der Schlitten

Der Zusammenbau des MKS hat sich gut angelassen. Zuerst habe ich die Endplatten, an denen der Zahnriemen befestigt wird, erstellt. Erstmal wurde mit der Stichsäge das Aluminiumblech passend zugesägt. Danach wurde die Bohrungen für die Zahnriemenhalterung und der Durchlaß für den Zahnriemen gebohrt. Damit die Bohrungen genau spiegelsymmetrisch sind habe ich die beiden Endplatten “gemeinsam” verarbeitet. Also mit Tesa zusammengeklebt und in einem Arbeitsgang die Löcher gebohrt. Der Zahnriemendurchlaß wurde noch mit einer Feile passend gestaltet. Sieht zwar nicht gerade hübsch aus, aber so ist mehr Spielraum für den Riemen.

Um den Zahnriemen nicht zu stark zu biegen und gut befestigen zu können habe ich einen Plastikblock mit einer viertelrunden Kante benötigt. Habe dafür unser, bereits für eine Lampenreperatur geschändetes, Küchenbrett mißbraucht. Zuerst wurde eine Kante rundgefräßt – ja so richtig mit Oberfräse und richtig Drehzahl (ok – für Plastik braucht man nicht soooooviel Drehzahl, schadet aber auch nicht ;-)). Der Rest wurde mit Stichsäge, Bohrer und Feile passend gemacht.

Die Endplatten wurden mit Blindmuttern an der Schiene befestigt und der Zahnriemen mit dem Plastikblock und der Klemmplatte für das Zahnriemenprofil (T 2,5) eingespannt. Soweit so gut.

Jetzt musste nur noch der Motor und die Führungsrollen auf dem Schlitten bzw. unter dem Schlitten befestigt werden.
Dazu war die 8mm Aluplatte des Schlittens des öfteren zu durchbohren. Jetzt weiss ich auch warum Alu als “langspanend” bezeichnet wird. Aluspäne mit 10cm Länge waren keine Seltenheit und diese ergeben aufgrund der Fliehkraft ganz nette Figuren. Mutig, oder naiv, wie ich war habe ich die Löcher für die Motorbefestigung (M3) mit einem 3mm Bohrer erstellt. Naja, ganz so perfekt habe ich die vier Löcher dann doch nicht gesetzt, so dass ich zwei Löcher noch auf 4mm aufbohren musste, um genügend Spiel zu haben.

Für die Umlenkrollen habe ich in (nicht zu ergründender) unendlicher Weisheit Gewinde in die Grundplatte geschnitten. Wollte so Platz auf der Oberseite des Schlittens freihalten. Motor, Zahnriemenrad und Führungsrollen zu montieren war ein Kinderspiel. Jetzt musste nur noch die Grundplatte wieder auf die Gleitlager montiert werden.

Hups, ohhhh, aarrrrghhhhhhhh!!!!!
Das Teil passt nicht! Das Zahnriemenrad und eine Führungswelle sind sich im Weg.
Wer hat den diesen §!?%!* geplant! So ein Anfänger.

Naja, zum Glück hatte ich die Führungsrollen (in weiser Voraussicht, hatte ich ja bereits erwähnt) über Gewinde in der Platte befestigt. Somit konnte ich den Motor “problemlos” auf der Platte verschieben, so dass alles kollisionsfrei montiert werden kann.
Das “Verschieben” bestand natürlich darin fünf neue Löcher zu bohren. Mittlerweile wusste ich ja was ich da mache, daher ging es auch ganz fix von der Hand (gerade mal zwei Dragonforce Lieder – Through the fire an flames …., also ca. 15 Minuten).

So, jetzt passt alles. Erst die Platte auf die Gleitlager montiert und danach den Zahnriemen ordentlich gespannt.
Den Motor an die Elektronik angeschlossen und den RasPI gestartet. Schnell noch die Parameter für den ersten Versuchslauf angepasst (wieviel Schritte kann ich denn fahren? Mit welchem Takt/Frequenz?).

Und tatsächlich – er bewegt sich. Takt erhöhen ….. und es geht schon ein wenig schneller. Takt noch mehr erhöhen und der Schlitten bewegt sich schon richtig fix hin und her. Klar, die Richtung lässt sich auch steuern. Gleich den Schlitten 100mal hin und her fahren lassen. Die Geschwindigkeitssteigerung hatte allerdings dann recht bald seine Grenze erreicht, da ich noch keine Beschleunigungs- und Bremsrampen programmiert hatte. Der Motor beschleunigt also von “0 auf 100″ schon beim zweiten Schritt und aufgrund der realen Masse geht das nicht lange gut. Um die Maximalgeschwindigkeit zu fahren muss ich erst noch die Beschleunigung in den Griff kriegen. Für meine primäre Anwendung, Zeitrafferaufnahmen, ist das allerdings nicht notwendig. Dafür wird der Schlitten ja nur millimeterweise bewegt und das geht auch ohne riesige Beschleunigung.
Der Motor ist noch recht laut. Allerdings fahre ich ihn auch “nur” mit Halbschrittansteuerung. Werde wohl demnächst auf 1/16 Microschritt umstellen, dazu muss ich aber erst noch ein wenig löten, um eine andere/bessere Motorsteuerung an den RasPI anzuschliessen.

So jetzt steht noch ein wenig Dauertest an.

Zwischenstand

Habe in den letzten zwei Wochen verschiedenste Dinge unternommen, um mit dem Projekt MKS (motorisierter Kameraschlitten) voranzukommen. Die einfachste Übung war die ganzen Einzelteile zu bestellen.

Den Kameraschlitten habe ich bei igus bestellt. Habe das System mit 60mm Breite und 16mm Wellendurchmesser genommen. Dort sind in den Wellen 8mm Löcher, diese will ich mit Blindmuttern zum Befestigen der Zahnriemenhalterung verwenden. Die “Einsatzschiene” ist 180cm lang, da dies zum Basteln ein wenig unpraktisch ist habe ich mir noch eine 60cm Schiene dazubestellt. Der Kameraschlitten ist 20cm lang und gut 10cm Breit. Frage mich mittlerweile ob ich da auch die ganze Elektronik, den Motor usw. drauf bekomme. Naja ansonsten wird angebaut.
Die Qualität der Schiene und des Kameraschlittens ist Klasse, läuft absolut spielfrei und dennoch leicht. Wie sich das Ganze mit Schnee und Matsch verträgt werde ich dann irgendwann in Zukunft berichten.
Neben dem Schlitten habe ich mir auch noch zwei Schrittmotoren und die ganzen Teile für den Zahnriemenantrieb besorgt. Ich habe einen nur 6mm breiten Riemen genommen, da ich den Riemen im Schienenbett unterhalb vom Schlitten entlang führen will.

Interessanter war dann der Aufbau einer Experimentierplatine für den Anschluss an die externen Ein- und Ausgänge des Raspberry Pi. Ach so, zur Steuerung des Motors und der Kamera habe ich mich für einen kleinen Linux-Rechner entschieden, den Raspberry Pi (RPi). Der Rechner ist gerade mal so gross wie eine Kreditkarte und hat alle notwendigen Anschlüsse (HDMI, USB, GPIO). Als Stromversorgung reicht der Anschluss an einen USB-Hub. Ich verwende mittlerweile aber keine Tastatur, Maus und Monitor direkt am RPi, sondern nutze den Zugang über ssh und kann so an meinem normalen PC mit X-Windows direkt auf dem RPi arbeiten (über WLAN!).

Über die GPIO-Schnittstelle will ich den Motor ansteuern und die Schienenendeüberwachung abfragen. Dazu habe ich mir eine kleine Experimentierschaltung aufgebaut. Einerseits kann ich damit die GPIO Pins als Ein- oder Ausgänge nutzen und den Status der Ein-/Ausgänge über LED anzeigen. Nachdem ich aber festgestellt hatte das die Motoransteuerung mit 3,3V nicht zurecht kommt (zumindest nicht bei höherem Takt), habe ich noch eine Pegelanpassung auf 5V dazugelötet.

Beim ersten Zusammenbauversuch habe ich natürlich gleich mal den Kardinalfehler der Elektronikbastelei begangen und mich auf eine dubiose Skizze aus dem WWW verlassen. Dadurch habe ich den IC spiegelverkehrt eingebaut (Oben-/Untenproblem). War nicht sehr hilfreich. Seitdem schaue ich immer in das offizielle Datenblatt der Bausteine, um die korrekte Pinbelegung zu überprüfen. Seitdem hat alles auf Anhieb funktioniert, hat mich auch gewundert.

Den Motor kann ich so rudimentär ansteuern. Jetzt fehlt noch, dass die Beschleunigung und das Abbremsen des Motors/Schlittens nicht schlagartig erfolgt, d.h. es muss in Software eine Anfahr- und Bremsrampe berechnet werden. Ganz perfekt kann die reine Softwarelösung zwar nicht werden, da das eingesetzte Linux nicht echtzeitfähig ist, aber für den ersten Wurf muss es reichen.

Neben der Motorsteuerung funktioniert auch schon die Kameraansteuerung. Dazu gibt es ein geniales Programm (gphoto2). Die Kamera wird dabei über USB angesteuert und neben dem reinen Auslösen können noch (fast) alle anderen Kamerafunktionen gesteuert werden. Wenn man will kann sogar das Bild direkt nach der Aufnahme auf den Rechner übertragen und weiterverarbeitet werden. Genial.

Soweit so gut, nun muss ich “nur” noch das Ganze zusammenbauen und ein “bischen” Software schreiben.

Ein neues Projekt für das Jahr 2013

Für das Jahr 2013 habe ich mir vorgenommen einen motorisierten Kameraschlitten zu bauen.
Das ganze soll dafür da sein, um Zeitrafferaunahmen mit einer Kamerafahrt zu kombinieren. Ist nicht kompliziert (hahaha), dazu sind nur die folgenden Dinge notwendig:

  1. Ein lineares Schlittensystem mit dem die Kamerafahrt durchgeführt werden kann, soll so ca. 180cm lang sein, ca. 6kg bewegen können und muss noch in den Skisack passen ;-)
  2. Da ich nicht alle Minute den Schlitten selber um 1mm vorwärtsbewegen will, benötige ich noch einen motorisierten Antrieb für den Schlitten.
  3. Der Motor muss ziemlich präzise gesteuert werden können.
  4. Neben dem motorisierten Schlitten muss auch noch die Kamera angesteuert werden. Für diese beiden Steueraufgaben benötige ich einen kleinen Rechner der dies erledigen kann.
  5. An den Rechner muss sowohl die Motorsteuerung als auch die Kamera angeschlossen werden. Also so mit Kabeln und ein wenig Elektronik (Pegelanpassung) usw.
  6. Um die Motorsteuerung und die Kameraauslösung korrekt und synchronisiert durchzuführen ist ein wenig Software nötig.
  7. Am Ende muss das Ganze auch noch irgendwie zusammengeschraubt werden.

Habe jetzt angefangen die ersten Elektronikexperimente zu machen. Habe mir dafür ein paar(!) Kleinteile (Widerstände, LEDs, Transistoren, Logik-ICs) besorgt und fange damit an auf einem Experimentierbrett mit dem Zeugs rumzubasteln.

 

Fortsetzung folgt ……