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Von Julia Auer, 5AUTa

Mein Maturaprojekt ist ein G-Code Rover.
Was ist ein G-Code Rover?

G-Code ist ein Steuerungs-Code für computergesteuerte Fertigungsmaschinen (CNC Maschinen). Diesen habe ich bei der Nutzung von 3D-Druckern kennengelernt und begonnen mich damit auseinander zu setzen, er wird auch in Fräsen oder Drehbänken eingesetzt. Genauer beschreibe ich diesen in der Dokumentation des Projektes. Mein Projekt ist also ein Roboter, der diesen G-Code ausführt. Er kann geometrische Figuren zeichnen und auch schreiben.

Die Idee dieses Projektes entstand bei einer Übung zur Steuerung von Schrittmotoren. Ich habe zwei Schrittmotoren rücklings aneinandergeklebt und sie versucht; wie ein Fahrzeug zu steuern, später habe ich sie mit zwei Spielzeugrädern bestückt. Weil diese Räder aber nicht geeignet waren, habe ich begonnen; erste Entwürfe mit FreeCad zu zeichnen. Die gezeichneten Räder und eine Halterung habe ich dann mit dem 3D-Ducker Ultimaker 2+ in Kunststoff (PLA) gefertigt und mit einer freien drehbaren Rolle ein dreirädriges Fahrzeug erstellt. Nach einigen Fahrten geradeaus begann ich an 90° Kurven zu arbeiten. Ziel war es, das Fahrzeug eine viereckige Bahn fahren zu lassen. Dabei entstand die Idee; das Fahrzeug mit einem Stift auszustatten. Dazu musste das Gehäuse neu gezeichnet werden. Zu diesem Zeitpunkt bin ich auf Autodesk Fusion360 mit einer Schullizenz umgestiegen, da diese Software besser dokumentiert ist als FreeCad.

Bei der Entwicklung des Gehäuses habe ich sehr oft Veränderungen vorgenommen, also habe ich mir überlegt die; Seitenwände mit einem Lochraster zu versehen, um neue Baugruppen an beliebigen Positionen einfügen zu können, ohne die Seitenwände immer wieder neu drucken zu müssen. Dieses Raster habe ich schlussendlich aber nicht nur an den Seitenwänden angewandt, sondern auch an allen anderen Bauteilen. Man kann den Rover ohne Probleme auseinander, und wieder zusammenbauen, so ähnlich wie Legobausteine. Außerdem wiegt das Fahrzeug wegen der Aussparungen weniger und es wird Material gespart. Das Rastersystem ist eine nachhaltige und zeitsparende Lösung denn, man kann die Bauteile auch für andere Projekte wiederverwenden, anstatt neue zu drucken.

Bei der Auswahl des Stiftes gab es ebenfalls eine Entwicklung. Anfangs benutzte ich einen Edding 3000, nur ist der Rover in der Entwicklungsphase öfters stehen geblieben und dieser Filzschreiber hat durch die Blätter auf den Tisch geschrieben. Dann habe ich angefangen verschiedene Kugelschreiber zu testen. Schlussendlich habe ich mich für eine Kugelschreibermine des Typs Pilot entschieden, da sie nicht schmiert und von der Geometrie her mit den Maßen des Rovers kompatibel ist.
Auch zum Aufbau des G-Code Rovers findet man in der Dokumentation genauere Angaben.

Für die Steuerung habe ich einen Prozessor des Typs Espressif D32 verwendet. Die Software dafür habe ich in der Programmiersprache C mit dem Editor Visual Studio Code von Microsoft geschrieben.
Der aufwendigste Teil im Programm ist die Berechnung der Bogenfahrt, die Komplexität liegt aber im mathematischen Bereich. Die Formeln und die genaueren Erklärungen zur Berechnung findet man in der Dokumentation.

Durch händische Eingabe des Codes konnte der Rover jetzt geometrische Figuren zeichnen. Das war nicht genug, er sollte mehr können. Im Internet habe ich nach einer Webseite gesucht, die aus dem eingegebenen Text den G-Code generieren kann. Diesen musste ich über ein Terminal an den Prozessor schicken. Mein Rover konnte nun Buchstaben schreiben. Allerdings war dies keine langfristige Lösung, da ich den Rover mittels Kabel an den Computer anschließen musste. Deshalb habe ich die Umwandlung von Text zu G-Code in mein Programm implementiert, so reicht es den zu schreibenden Text und die gewünschte Schriftgröße einzugeben. Dazu war es allerdings immer noch nötig den Rover über USB mit dem Computer zu verbinden und die Eingabe in ein Terminal ist nicht sehr benutzerfreundlich. Also habe ich begonnen, eine App mit dem App Inventor des MIT Boston zu entwickeln. Da der genutzte Prozessor Bluetooth unterstützt, kann ich den Rover nun kabellos vom Handy oder Tablet aus ansteuern.

In der Entwicklungsphase waren der Prozessor und die Treiber für die Schrittmotoren auf einer Steckplatine angebracht, die ich dann mit einer selbst hergestellten Platine ersetzt habe. Der erste Versuch, die Platine zuhause herzustellen, ist leider missglückt. Einen weiteren Versuch habe ich dann mit einer CNC-Fräse gestartet. Die Platine ist richtig gut geworden und ich habe sie bis jetzt beibehalten. Das Layout der endgültigen Version der Platine ist schon bereit, leider konnte ich es durch die aktuellen Ereignisse (Covid-19) bisher nicht verwirklichen.

Durch die Entwicklung dieses Maturaprojektes habe ich gelernt, was es bedeutet, ein fächerübergreifendes Projekt zu verwirklichen. Ein großer Teil meines gelernten, liegt in der guten Planung, Zeiteinteilung und Problemlösung. Ein Problem ist die aktuelle Situation, mir war es leider nicht möglich, mein Projekt ganz fertig zu stellen. Trotzdem habe ich in der letzten Zeit so gut wie möglich versucht, die Bereiche zu optimieren, bei denen das von zuhause aus möglich ist.

Technische Dokumentation G-Code Rover.pdf