LEGO Technic Lochstreifen-Plotter

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LEGO Technic Plotter zum Übertragen von Noten für Lochband-Spieluhren auf die Papierstreifen.

Inhalt

• Transport des Papierstreifens
• Bewegung des Stifts
• Programmierung

Transport des Papierstreifens ▲

Der Transport des Papierstreifens erfolgt über zwei gegenüberliegende Walzen. Die untere Walze ist die Antriebswalze (1), die über eine Welle mit einem großen Zahnrad (2) mit 40 Zähnen verbunden ist. Das zugehörige kleine Ritzel (3) hat 8 Zähne und sitzt direkt am großen Schrittmotor (4). Die Antriebswalze (1) besteht aus vier Hartgummireifen mit einem Außendurchmesser von etwa 43 mm. Damit lässt sich ein Vorschub von 27 mm pro Umdrehung des Motors abschätzen (π × 43 mm × 8 Zähne / 40 Zähne). Da der Schrittmotor 1 bis 3 Grad genau angesteuert werden kann, lässt sich der Vorschub mit einer Genauigkeit von etwa 0,2 mm vorantreiben. Die obere frei drehbare Andruckwalze (5) besteht aus zwei breiten Weichgummireifen. Sie kann zusammen mit einer Umlenkwalze (6) an einem Gestell montiert als eine Art Niederhalter nach unten geklappt werden (in der offenen Stellung lässt sich der Papierstreifen sehr einfach einlegen). Durch Gummibändchen (7) wird das Gestell nach unten gezogen und die Andruckwalze (5) leicht gegen die Antriebswalze (1) gedrückt. Die Umlenkwalze (6) hat für einen möglichst großen Umschlingungswinkel (knapp 40 Grad) des Papierstreifens um die Antriebswalze (1) zu sorgen, da die Reibkraft exponentiell mit dem Umschlingungswinkel steigt und damit der Schlupf minimiert wird.

Papierstreifen für handelsübliche Lochband-Spieluhren sind 70 mm breit. Aufgrund des 8-mm-Rasters von LEGO ergibt sich jedoch eine Führungsbreite von 72 mm bei 9 Noppen Zwischenraum. Für eine exakte Führung also 2 mm zu viel. Aus diesem Grund wurden aus einer alten DVD-Hülle mit einer Schere zwei Führungsplättchen (8) ausgeschnitten. Die Plättchen waren mit 1,2 mm noch etwas zu dick und mussten mit Sandpapier auf etwa 0,95 mm Dicke abgeschliffen werden. So läuft der Papierstreifen nun optimal geführt durch die Maschine.

Bewegung des Stifts ▲

Der Stift muss sich quer zum Vorschub des Papierstreifens bewegen können, um die gewünschten Notenlinien anzufahren. Dies wird mit Hilfe eines Schlittens gelöst, der auf Schienen (1) geführt und durch ein Schneckenrad (2) vorangetrieben wird. Das Schneckenrad (2) ist über eine Welle (3) mit einem mittleren Schrittmotor (4) verbunden. Als Gegenstück zur Schnecke ist am Schlitten unten eine lange Zahnstange (5) befestigt, die gleichzeitig den Schlitten in der Schiene führt. Die Zahnstange ist lang genug, um die notwendigen 60 mm Distanz zwischen der tiefsten und höchsten Notenlinie abzufahren. Zwischen Zahnstange und Schneckenrad existiert so gut wie kein Spiel, wodurch sich die Position des Schlittens mit dem Schrittmotor sehr exakt steuern lässt. Eine Umdrehung des Motors lässt den Schlitten 3,2 mm wandern (entspricht dem üblichen Abstand zweier Zähne bei LEGO-Zahnstangen). Für eine Distanz von 2 mm von Notenlinie zu Notenlinie muss der Motor also 225 Grad gedreht werden.

Der Stift hat einen Durchmesser von etwa 8 mm und passt ideal durch die gebaute Führung, die zuzüglich der LEGO-Toleranzen etwas breiter als 8 mm ist. Angehoben wird der Stift über einen kleinen Schrittmotor (6), der über eine Welle je eine Nocke (7) links und rechts des Stifts bewegt. Am Stift selber ist ein Baumarkt-Kabelhalter (8) aus Plastik angeleimt, der sich auf den Nocken abstützt. Abgesenkt wird der Stift durch sein Eigengewicht (die Schraube dient dabei als Zusatzmasse). Damit der relativ leichte Schlitten nicht aus der Führung springt, wird er durch ein zusätzliches Gewicht (9) stabilisiert.

Programmierung ▲

Programmiert wird der SPIKE-Hub (an dem die Motoren und Sensoren angeschlossen sind) mit der kostenlosen Software LEGO Education SPIKE App, die sowohl grafische Programmierung (über Symbolblöcke oder Textblöcke) als auch textuelle Programmierung über Python anbietet. Für die Steuerung der Motoren wird stets die absolute Motorposition berechnet und zwischengespeichert und für die nächste Bewegung berücksichtigt. So werden mögliche Ungenauigkeiten im Folgeschritt wieder korrigiert. Für das Anfahren der einzelnen Noten einer Position wird ein Algorithmus verwendet, der den Weg minimiert. Das Lied selber wird als Python-Liste einfach aus dem Programm Musicbox heraus generiert und in den Programmcode eingefügt.

Vor dem Start des Programms muss der Stift manuell über die tiefste Notenlinie ausgerichtet werden (die kann je nach Anzahl der Töne des Spieluhr-Modells von der Position her leicht variieren). Dazu kann man einfach den Schlitten herausnehmen und an die richtige Stelle setzen und mit dem Handrad am Motor eine Feinjustierung vornehmen. Die eingestellte Position wird nach Programmstart als absoluter Nullpunkt gespeichert. Eine Justierung in Transportrichtung des Papiers ist eigentlich nicht notwendig, da hier Ungenauigkeiten nur zu kleinen zeitlichen Differenzen führen, die durch das ungenaue Timing beim Kurbeln mit Hand sowieso nicht auffallen. Will man aber mit dem Stift exakt die vorgedruckten Linien auf dem Papier treffen, kann man mit einem der Taster stückweise einen minimalen Vorschub generieren, bis man an der gewünschten Stelle ist. Dabei wird gleichzeitig der Papierstreifen gespannt. Mit dem zweiten Taster wird der Ablauf dann gestartet.

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