Nüsse-Separierer und -knacker
für Walnüsse und Haselnüsse
Studiengang
Elektrotechnik (B.Eng.)Projektbeschreibung
Entwicklung eines Nussknackers für das Fritz-Felsenstein-Haus für Körperbehinderte. Er ist als Küchengerät konzipiert und soll Spaß und Unterstützung bieten.
Es wird bei einmaliger Betätigung des Tasters ein automatischer, sowie bei dreimaliger Betätigung ein schrittweiser Knackprozess gestartet werden. Ein sehr großer Taster, wie er schon bei vielen Projekten in diesem Bereich erfolgreich Anwendung gefunden hat, wird flexibel über ein langes Kabel an den Knax-o-mat angeschlossen.
Die große Herausforderungen lagen an der Separierung verschiedener Nusssorten und besonders im Knackprozess. Die Nüsse sind unterschiedlich groß und hart und sie dürfen auch nicht zerquetscht werden.
Der spannende Prozess kann in allen Phasen, gut von außen einzusehen, verfolgt werden.
Beteiligte Personen
VeranstaltungSystems Engineering 1 (IK) LaufzeitSS 2022 Labore | |||||
Anforderungen
Die Entwicklung erfolgte auf Basis folgender Anforderungen, die zusammen mit dem Fritz-Felsenstein-Haus erarbeitet wurden.
- Effizienz → wie viele Nüsse können in welcher Zeit geknackt werden?
- Effektivität → wie gut wird die Nuss von der Schale getrennt?
- Stabilität → der Nussknacker soll über eine lange Zeit problemlos arbeiten
- Simple Reinigung
- Spaßfaktor → Hauptaspekt für die Klienten
- Leichte Bedienung → motorisch einfache Bedienbarkeit
- Sicherheitsaspekte → ab wann kann der Knackvorgang starten?
- Material → leicht und trotzdem stabil
- Nusssorten → nicht nur eine Nusssorte soll geknackt werden können
Umsetzung
- Wichtige Komponenten:
- LEDs zur Statusanzeige
- Wahlschalter für Modus und Nusssorte
- Lichttaster zur Nusserkennung
- Servo-Motoren zur Förderung einer Nuss
- Linear Aktor zum Knacken der Nüsse
- Weitere Elektronik
- PCB
- Arduino
- Strommessung, Vollbrücke
- Mechanik
- Nussbehälter
- Ausgabeschublade
- Edelstahlgehäuse
Eine große Herausforderung war es, die mechatronisch erfolgversprechende Lösungsweg zu finden. Änderungen des Konzepts, der Mechanik, sowie der Optik des Nussknackers, waren zu meistern und umzusetzen.
Anlässlich langer Produktions- und Lieferzeiten sind eine genaue Planung, Organisation und regelmäßige Besprechungen erforderlich.
Umsetzung / Komponenten:
- Die Status LEDs geben Auskunft über den Zustand der Maschine.
- Um zu erkennen, ob sich eine Nuss in der Knackkammer befindet, wurde ein
Reflexionslichttaster benutzt. Dieser sendet Infrarotlicht aus, welches von dem Gegenstand vor der Lichtschranke reflektiert wird. - Zur Steuerung der elektrischen Komponenten wird ein Arduino Nano Mikrocontroller benutzt, der über digitale und analoge Ein- & Ausgabepins mit den Sensoren und Aktoren auf der Platine verbunden ist.
- Für den Einwurf der Hasel- und Walnuss, sowie für die Ausgabe der geknackten Nuss werden drei MG996R Servomotoren benutzt, welche sich durch ein hohes Drehmoment auszeichnen.
- Zum Knacken der Nuss wird ein starker linear Aktor Motor benutzt. Dieser kann bei 12 Volt Betriebsspannung bis zu 1500N Kraft aufbringen. Da die Nüsse bei schon geringeren Kräften brechen (ca.400N) wird eine geringere Spannung verwendet, da sich dadurch auch die Leistungsmessung des Motos einfacher gestaltet
- Um zu erkennen, wann eine Nuss geknackt ist, wird die Leistungsaufnahme des Linear Aktors durch Strommessung überwacht. Wird ein Ansteigen der Leistung (Druckaufbau auf Nuss) und ein anschließender abrupter Einbruch dieses Verlaufs (Knacken der Nussschale) detektiert, so kann davon ausgegangen werden, dass die Nuss geknackt wurde. Diese Strommessung erfolgt durch eine Shunt-Widerstands-Strommessung, welcher über einen Current-Sense-Verstärker
verschaltet ist. Die Ansteuerung des Linear Aktors erfolgt über einen Vollbrückentreiber
Verwendung
Automatischer Modus:
Vorbedingungen ist es, dass der Wahlschalter auf Automatik steht. Nun kann der Bedientaster einmalig betätigt werden, sodass der komplette Nussknackvorgang automatisch abläuft. Je nach Nussauswahl wird die Nuss in die Knackkammer befördert, vom Linear Aktor geknackt und über die Ausgabeklappe in die Schublade befördert.
Manueller Modus:
Vorbedingung ist es, dass der Wahlschalter auf Manuell steht. Nun wird der Bedientaster das erste Mal betätigt und je nach Nussauswahl wird die Nuss in die Knackkammer befördert. Sobald dies geschehen ist, wartet der Nussknacker auf den zweiten Tasterdruck und die Nuss wird geknackt. Mit dem dritten und letzten Betätigen des Buzzers wird die geknackte Nuss ausgegeben.
