Modell 10: Plotter

Ich schreibe und male deine Idee!


Klassenstufe
5 - 7
Zeitaufwand
2 (bis zu 8) Doppelstunden
Schwierigkeitsgrad
Modell: mittel bis schwer, Programmierung: mittel bis schwer
Modellart
mobiles Gerät, individuell positionierbar und einsetzbar
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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren einen Plotter, der Fahrwege aufzeichnen kann und damit das automatisierte Erstellen von Strichzeichnungen ermöglicht. Dazu wird ein zweiachsiger Plotter gebaut, der mittels Schneckenantrieb in x- und y-Richtung gefahren werden kann. Mittels eines Endabschalters pro Achse kann der Plotter seine Start- oder Endposition sicher anfahren. Die Messung der Fahrwege erfolgt über Impulsräder mit 4 Impulsen pro Umdrehung, sodass der Plotter auf ¼ Umdrehungen genau positioniert werden kann. 

ALLTAGSBEZUG

Das automatische Auslösen eines Vorgangs hat einen starken motivationalen Effekt bei SuS. Das automatische Anfertigen von Strichzeichnungen ist schnell und für jedermann erfassbar. Zwei Ergänzungsmöglichkeiten der Grundaufgabe ermöglichen die 
Individualisierung des Themas. Eine Integration der Thematik in die vorberufliche Orientierung könnte im Hinblick auf informationstechnische oder gestalterische Berufsfelder erfolgen. Hier wird das automatisierte Drucken oder Zeichnen (Plotten) in vielen Bereichen genutzt. In besonderer Weise wird das sensorbasierte Erfassen von Bewegungen in vielen Bereichen der Fertigungstechnik, z. B. beim Lasercutten oder 3D-Drucken, zunehmend wichtiger. Der zweiachsige Plotter ist daher eine sehr gute Hinführung zur automatisierten 3-Achs-Fertigung

Leitfragen

  • Wo sind automatisches Zeichnen oder Schneiden im Alltag einsetzbar? (Kommunikation)
  • Welche Funktionen muss die Anlage sinnvollerweise erfüllen? (Kollaboration)
  • Unter welchen Bedingungen soll das System an- bzw. ausschalten? (kritisches Denken)
  • Was ist zu berücksichtigen, damit die Anlage mit verschiedenen Medien (Papier, Folie) genutzt werden kann und das System möglichst robust und zuverlässig funktioniert? (Kreativität)

Fächerbezug
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Informatik
Grundlagen der Programmierung, Zeitschleifen, Speichern von Variablen, Vergleiche, Schleifen, Verfahrwege
Technik
Stabiles Bauen, Konstruktionstechnik, Getriebe, Überführung von Rotation in lineare Bewegung
Physik
Elektromotor, Bewegungsänderung, lineare Bewegung
Mathematik
Koordinatensystem, Koordinatengeometrie, lineare Funktionen

Unterrichtsverlauf
​

Einführungsphase

Unterrichtsgespräch (ohne App)

  • Bekanntgeben des Themas; ggf. mittels "3D-Drucker in Aktion" oder die Rollladen-/ Leinwandsteuerung im Klassenraum zeigen. 
  • Abfragen, was diese Steuerung ausmacht, Automatisierung vs. manuelle Steuerung
  • Szenarien abfragen, in denen linear automatisch bewegende technische Systeme eingesetzt werden (Rollladen, Hoftor, 3D-Drucker, CNC-Fräse, Schneidplotter ...)
  • Einsatzmöglichkeiten der gesammelten Szenarien diskutieren.
  • Anforderungen an einen zweiachsigen Plotter ermitteln.
  • Vor- und Nachteile verschiedener Antriebsarten (Kette/Räder/Schnecke) besprechen.
  • Notwendigkeit eines Endabschalters, einer Weg- oder Zeitsteuerung sowie eines Not-Aus-Schalters begründen.

ggf. Hilfestellung

  • Sensoren, Aktoren und Bauteile aus dem Baukasten zeigen, wenn nötig Präsentationsmedien einsetzen.

Planungsphase

Unterrichtsgespräch

  • Die Vorgehensweise zum Bau des Modells und die zu erzielende Funktion werden gemeinsam erarbeitet.
  • Abfolgeschritte der App werden vorgegeben bzw. besprochen

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

  • Die SuS machen sich mit der App bekannt und laden die entsprechende Aufgabe.
  • Die SuS erkennen sinnvolle Funktionen eines Plotters.
  • Die SuS erstellen die Anforderungsliste für das Gerät.  

Optionale Partner- oder Gruppenarbeit (ohne App)

  • Optional skizzieren die SuS die mögliche zweiachsige Plotter.
  • Die SuS diskutieren ihre Ergebnisse in der Gruppe und legen sich auf ein Design fest.
Konstruktionsphase

Partner- oder Einzelarbeit

  • Die SuS nutzen die App zum Bau des Plotters. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
Programmierphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Die SuS schreiben das Programm für den zweiachsigen Plotter (2 Motoren / 4 Taster). Die App führt hier kleinschrittig durchs Programm.
  • Hilfe wird in der App angeboten.
  • Das vollständige Programm wird auf den RX Controller übertragen.
Experimentier- und Testphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Der Plotter wird in Betrieb genommen und getestet.
  • Das Programm wird durch einen Druck auf den On/Off Taster am Controller gestartet bzw. beendet.
  • Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und eliminiert werden.
  • Eventuelle Fehlersuche mittels Vorschlägen in der App. 
  • Eventuelle Optimierungen bei der Hardware (z. B. zweite Linearführung, zweiter Endabschalter, Optimierung der Stifthalterung) und der Programmierung.
Abschlussphase

Optional: Vorstellung ein Zuteilung der Differenzierungen

  • Die Möglichkeit zur Differenzierung für schnelle SuS wird in der App angeboten.
  • Die Lehrkraft spricht infrage kommende SuS an. Die weitere Vorgehensweise wird mittels der App realisiert.

Diskussion im Plenum

  • Nachbesprechung des Projekts im Klassenverbund.
  • Klärung von zukünftigen Einsatzmöglichkeiten im Alltag (Übertragung der Thematik auf den Alltag), z.B. Plotter, Drucker, CNC-Fräse, automatisierte Fertigung.

 

 

Informationen und Hinweise
​

Methodisch-didaktische Hinweise
​

Differenzierungsmöglichkeiten

Schnelleren SuS kann die Aufgabe zur Verlängerung oder Verkürzung der Spielzeit gestellt werden.

Motivationale Aspekte

Greifautomaten kennen die SuS aus dem Alltag von verschiedenen Standorten. Vielleicht haben sie einen solchen Greifautomaten auch schon bedient. Nun auf der „Produktionsseite“ statt auf der „Bedienerseite“ zu stehen, mag sie mit Stolz erfüllen.

Zusatzmaterialien

  • Wenn vorhanden, können für die Einführung in das Thema Bilder  von Freiautomaten präsentiert werden.
  • Ggf. Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche).

Bauanleitung

Stromlaufplan

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen
​

Funktion der Sensoren/Aktoren

 

Technische Lösung

 

Ausführen einer Bewegung in x-Richtung

 

 

Ansteuern des x-Achsen Motors

 

Ausführen einer Bewegung in y-Richtung

 

 

Ansteuern des y-Achsen Motors

 

Stoppen der Bewegung in x-Richtung

 

 

Auswerten der Signale am Endabschalter

 

Stoppen der Bewegung in y-Richtung

 

 

Auswerten der Signale am Endabschalter

 

Steuern der Bewegung in x-Richtung

 

 

Auswerten der Signale am Rotationszähler/Taster

 

Steuern der Bewegung in y-Richtung

 

Auswerten der Signale am Rotationszähler/Taster

 

 

Start einer Zeichnung

 

 

Eingabe eines Signals am On/Off Taster des Controllers

 

Ende/Not-Stopp

 

Eingabe eines Signals am On/Off Taster des Controllers

Materialliste
​

 

Sensoren

 

 

Funktion

 

1 On/Off Taster am Controller

 

 

  1. Einschalten des Plotters
  2. Not-Stopp des Plotters

 

 

2 Taster

 

Endabschalter x- und y-Achse

 

 

2 Taster

 

 

Rotationszähler pro Achse in 90°-Schritten

 




​

 

 

Aktoren

 

 

Funktion

 

 

2 Motoren

 

 

Bewegung

 

1 LED

 

Statusanzeige Stifthalterung















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