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Documentation

Hector 9000 ist ein Cocktailautomat, der 12 verschiedene Getränke dosieren kann. Entstanden ist Hector 9000 Anfang 2018 als Nachfolger von Onkel Hector, einem reinen Gin-Tonic-Automaten. Bei der Entwicklung wurde versucht, möglichst viele Teile durch 3D-Druck, ohne Support, herzustellen.\

Im Gegensatz zu vielen anderen Barbots werden keine Peristaltikpumpen verwendet, wodurch eine Förderung von kohlensäurehaltigen Getränken möglich ist. Die Flüssigkeiten werden durch einen leichten Überdruck in den Flaschen gefördert, gleichzeitig wird die geförderte Menge durch eine Waage ermittelt. Ist genug von einem Getränk dosiert worden, werden die zum Getränk gehörigen Silikonschläuche abgequetscht. Die Getränke kommen dabei nicht mit beweglichen Teilen in Berührung. Ist ein Cocktail fertiggestellt, betätigt Hector seine Glocke.\

Das Herz von Hector 9000 ist ein Raspberry Pi 3B. Der Pi übernimmt die Ablaufsteuerung und stellt auf einem 7"-Touch-Display das UI dar. Die Software ist in Python 3 geschrieben, zur grafischen Darstellung wird Javascript und HTML genutzt.

1 - Mechanik

Waage

Um die dosierten Mengen zu ermitteln, wird eine Wägezelle in Verbindung mit einem HX711 verwendet. Vor der Montage der gedruckten Kunststoffteile muss der Überlauf in die Waagschale eingeklebt werden. Die Befestigung der Waage erfolgt von oben durch die Tischplatte. Der Abstandshalter und der Überlauf müssen abhängig von der Dicke der Tischplatte angepasst werden, zwischen Tischplatte und Waagschale sollte ein Spalt von 1 mm sichbar sein. Als Anschlusskabel wurde ein CAT5e-Kabel verwendet. Auf der Unterseite des Gehäuses besteht die Möglichkeit, einen Schlauch mit 10 mm Innendurchmesser für den Überlauf anzuschließen. Für die Montage der Waage hat sich folgende Reihenfolge bewährt:

  1. Kabelverschraubung im Gehäuse befestigen,

  2. Gehäuse und Wägezelle unter der Tischplatte positionieren,

  3. Wägezelle von oben anschrauben,

  4. Abstandshalter und Waagschale befestigen,

  5. Kabel verlöten,

  6. Deckel verschrauben.

Waage mit Glas

Waage von unten

Pumpe

Um den Überdruck in den Flaschen zu erzeugen, verwenden wir eine Luftpumpe für Aquarien. Da die komplette Elektronik mit max. 12 VDC laufen soll, haben wir uns für eine 12V-Pumpe von Schego entschieden. Die Auswahl der Pumpe ist relativ unkritisch, da der benötigte Überdruck und die Fördermenge gering sind. Es sollte lediglich darauf geachtet werden, dass die Pumpe ölfrei arbeitet. Da die Pumpe nur über ein einziges Loch zur Befestigung verfügt, wurde eine Halterung konstruiert. Folgende Reihenfolge bei der Montage hat sich bewährt:

  1. Jeweils an einem Ende der Gewindestangen 2 Muttern aufschrauben und kontern. Eine Mutter sollte bündig mit der Gewindestange abschließen, die Schlüsselflächen der Muttern müssen in einer Flucht stehen.

  2. Gewindestangen in die dafür vorgesehenen Löcher stecken,

  3. Halterung im Gehäuse festschrauben,

  4. Pumpe einsetzen und mit den U-Profilen festklemmen (optional mit Moosgummistreifen unter den U-Profilen),

  5. Muttern an den U-Profilen kontern oder mit Loctite verkleben.

Luftpumpe

Ventile

Um die Dosierung der Flüssigkeiten zu realisieren, wurden für unseren Cocktailautomaten Quetschventile konstruiert, welche immer beide Schläuche (Luft und Flüssigkeit) einer Zutat gleichzeitig öffnen bzw. schließen.
Die benötigten Kunststoffteile für die Ventile können ohne Support gedruckt werden. Die (optionale) Abdeckung wurde für unseren Automaten mit einem CO~2~-Laser aus transparentem PMMA geschnitten. Es ist darauf zu achten, dass die Servos originale TowerPro MG996R sind. Es gibt Servos mit gleicher Bezeichnung von No-Name-Anbietern, aber diese Servos können sich in den Außenabmessungen teilweise erheblich von den originalen Servos unterscheiden. Die bei den Servos mitgelieferten runden Servoarme müssen auf den Innendurchmesser der Nocken angepasst werden. Hierbei ist besondere Sorgfalt notwendig: Sitzen die Servoarme exzentrisch im Nocken, wird das Ventil nicht richtig absperren. Unsere Servoarme wurden auf einer CNC-Fräse mit einem sehr scharfen Holzfräser bearbeitet. Die Befestigungslöcher für die Servoarme werden am besten gebohrt, indem der Nocken als Schablone genutzt wird. Die Schrauben zur Verbindung von Nocken und Servoarm werden mit Loctite gesichert. Bei den Zungen ist darauf zu achten, dass sie aus einem Material mit guten Gleiteigenschaften gefertigt werden. Unsere Zungen wurden aus Iglidur I150 gedruckt. Die Zungen in den Ventilen von Onkel Hector haben schon einige hundert Zyklen hinter sich und funktionieren immer noch einwandfrei. Alternativ könnten die Zungen aus PET gedruckt werden, dies wurde allerdings noch nicht getestet. Damit die Ventile bündig mit der Rückwand sitzen, müssen Auschnitte für die Servos hergestellt werden (Abb. 4). Zur Befestigung der Ventile haben sich Einschlagmuttern bewährt.

Ventile

Ventile von hinten

Arm

Um den Füllvorgang komfortabler zu gestalten, ist der Arm mit dem Dosierkopf im Normalzustand eingefahren (Abb. [arm_front_in]). Wird der Dosiervorgang gestartet, fährt der Arm nach vorne. Alle benötigten Kunststoffteile lassen sich ohne Support drucken. Der Gleiteinsatz sollte aus einem Material mit guten Gleiteigenschaften gefertigt werden. Unser Gleiteinsatz wurde aus Iglidur I150 gedruckt. Alternativ könnte der Gleiteinsatz aus PET gedruckt werden, dies wurde allerdings noch nicht getestet. Der Ausleger besteht aus einem Aluminiumprofil mit 15.5 mm Kantenlänge. Solche Profile sind in fast jedem deutschen Baumarkt zu finden. Das Ritzel wird auf die Welle des Motors gepresst und braucht keine weitere Sicherung. Um die Zahnstange an dem Ausleger zu befestigen, wurden M3-Blindnietmuttern in das Profil eingesetzt. Der Dosierkopf wird mit einer selbstschneidenden Schraube im Profil gesichert. Der Auslöser wird mit dem Ausleger verklebt. Der Auslöser weist ein Loch auf. Durch dieses Loch wurde ein Kabel geführt, um ein optionales Rundumlicht auf dem Arm mit Strom zu versorgen.
Bei der Montage des Arms ist darauf zu achten, dass die untere Schraube von hinten durch die Bohrung geführt und mit einer regulären Mutter festgeschraubt wird. Die oberen Schrauben werden von vorne durch die Rückwand gesteckt und verschraubt. Auf der unteren Schraube kann nun mit einer Rändelmutter der Tropfenfänger montiert werden (Abb. [drip]).

Arm Rückseite

image image

Glocke

Bei dem Nachbau der Mechanik für die Glocke ist darauf zu achten, dass der Mittelpunkt der Glocke 100 mm von der Drehachse des Arms entfernt ist. Zur Befestigung der Glocke ist eine Halterung vorgesehen (Abb. 6{reference-type=“ref” reference=“bell_mount”}). Um die notwendigen Löcher in die Glocke zu bohren, wird die Halterung als Bohrlehre benutzt. Die Montage des Fingers an der Rückwand ist eigentlich selbsterklärend. Zur Befestigung der Motorhalterung (Bell_servo-bracket.stl) an der Rückwand ist es ratsam, Einschlagmuttern oder Gewindeeinsätze zu verwenden, so kann der Finger später leicht justiert werden (Abb. 8).

Befestigung der Glocke

Glocke

Finger mit Halterung

Schläuche

Um Flüssigkeiten und Luft zu transportieren, werden Silikonschläuche mit 6 mm Außendurchmesser und 4 mm Innendurchmesser verwendet. Es muss auf jeden Fall darauf geachtet werden, dass die Schläuche für den Einsatz mit Lebensmitteln vorgesehen sind. Um die Schläuche durch das Gehäuse, die Ventile und den Dosierkopf zu führen, hat es sich bewährt, ein Ende schräg abzuschneiden. Pro Zutat werden zwei Schläuche durch ein Ventil geführt. Ein Schlauch leitet die Flüssigkeiten von der Flasche zum Dosierkopf, der andere Schlauch verbindet Luftpumpe und Flasche. Bei der Verlegung der Schläuche im Gehäuse muss darauf geachtet werden, dass sich die Schläuche nicht mit dem Arm verheddern. Wir haben dafür einfach Kabelbinder benutzt (Abb. 9).

Führung der Schläuche

Stopfen

Die Stopfen bestehen aus einem 3D-gedruckten Kern und einer konischen Dichtung. Die Dichtung ermöglicht es, mit einer Art von Stopfen verschiedene Getränkeflaschen anzuschließen. Die Dichtungen können aus dem Gastronomiebedarf bezogen werden. Beim Druck der Kerne sollte lebensmittelechtes Filament verwendet werden. Auf einer Seite des Stopfen werden die Schläuche angeschlossen, die zu den Ventilen führen (Wichtig: Luft- und Getränkeschläuche nicht verwechseln!). Auf der anderen Seite des Stopfens wird ein Stück Silikonschlauch angeschlossen, das bis zum Boden der Flasche reicht.

Stopfen

Spültrichter

Da zum Spülen der Schläuche eine Menge Wasser und Zeit notwendig ist, macht es wenig Spaß, während des Spülprogramms die ganze Zeit neben Hector zu stehen und volle Gläser auszuleeren. Wir haben deswegen einen Spültrichter konstruiert, der anstelle eines Glases auf die Waage aufgesetzt wird und das Abwasser direkt in einen Eimer oder Ausguss befördert. Der Spültrichter kann ohne Support gedruckt werden. Die Schlauchtülle ist für einen Silikonschlauch mit 10 mm Innendurchmesser konzipiert.

Spültrichter

Gehäuse

Das Gehäuse besteht aus 25 mm-Aluminiumprofilen, die mit Aluminiumblechen und PMMA-Platten beplankt wurden. Das Blech, an dem die Waage befestigt wurde, sowie das Blech, welches die Ventile trägt, wurden zusätzlich mit einer MDF-Platte verklebt. Vor dem Verkleben wurden auf der Vorderseite der MDF-Platten Einschlagmuttern eingesetzt, um später die Hutschienen und die Pumpe zu befestigen. Die PMMA-Platten und ein Großteil der Bleche wurden mit 4 mm-Blindnieten befestigt. Die Befestigung der Rückwand erfolgt durch M4-Schrauben. Als Gegenstück zu den Schrauben wurden in die Profile Blindnietmuttern eingesetzt. Es wird dringend empfohlen, zur Bearbeitung der Bleche und Profile spezielle Blechbohrer zu verwenden, ansonsten kann es zu Problemen beim Einsetzen der Nieten kommen. Das Gehäuse ist in der Stückliste nicht berücksichtigt, hier soll jeder seiner Kreativität freien Lauf lassen.[^1]

Hector 9000

Display

Zur Auswahl der Drinks haben wir uns für ein 7"-Display mit Touch-Funktion über USB entschieden. Die USB-Variante ist notwendig, da die GPIOs für andere Funktionen genutzt werden. Das Display ist an einer Querstrebe des Gehäuses befestigt. Für den Transport kann das Display in das Gehäuse gedreht werden (Abb. [display_half_in]). In dem gedruckten Gehäuse für das Display sind 3 Löcher für die Montage an dem Rahmen. Für die Befestigung werden nur zwei Löcher benötigt: das mittlere Loch und ein äußeres. Das Display wird mittels Blindnietmuttern und Rändelschrauben mit dem Rahmen verschraubt. Um das Display zu drehen, wird die äußere Schraube entfernt und die mittlere Schraube gelöst.

2 - Elektronik

Allgemeine Hinweise

Wir haben uns entschieden, die Spannungsversorgung von Hector 9000 durch ein PC-Netzteil zu realisieren. Es ist empfehlenswert, die Spannungsausgänge des Netzteils auf Reihenklemmen zu legen und die Kabelführung in Verdrahtungskanälen vorzunehmen. Die Versorgungsspannung der LED-Streifen haben wir, ebenfalls auf Reihenklemmen, abgesichert. Außerdem lohnt es sich, die Verbindungen zwischen den Modulen durch aufgecrimpte Stecker herzustellen.

Spannungsversorgung

Geöffnete Rückseite

Schaltung

Die Verschaltung der einzelnen Komponenten (Abb. 15) ist relativ simpel. Wir empfehlen, das HX711-Board möglichst nah am Raspberry Pi zu platzieren, um die I^2^C Leitungen kurz halten zu könnnen. Für die Beleuchtung wurden zwei LED-Streifen (WS2812B) parallel an einen GPIO des RPi gehängt. Pro Strang sind 15 LEDs im unteren Bereich (Getränke) und 30 LEDs im oberen Bereich des Gehäuses angeordnet. Die Pinbelegung des Raspberry Pi kann Abb. 16 entnommen werden. Das optionale Rundumlicht muss über einen Transistor geschaltet werden (Abb. 17).

Übersicht der Schaltung

GPIO-Verbindungen

Anschluss des Rundumlichts

3 - Teile

In der Teileliste sind nur Komponenten aufgeführt, die zur Fertigung der einzelnen Baugruppen notwendig sind. Kabel, Stecker, Hutschienen, Verdrahtungskanäle, [Material zur Befestigung der Baugruppen im Gehäuse]{.underline}, etc. müssen je nach Gehäuse individuell zusammengestellt werden. In der Spalte Quelle ist aufgeführt, wo wir die Teile bezogen haben. Diese Quellen sind keine Werbung für bestimmte Verkäufer oder Plattformen, sondern sollen lediglich Hinweise darauf geben, wo das Material grundsätzlich zu beziehen ist.

Teileliste Waage

Anzahl Bezeichnung Kommentar Quelle
1 Überlaufgitter Scale_overflow_grid.stl 3D-gedruckt
1 Überlaufrohr Scale_overflow_pipe.stl 3D-gedruckt
1 Waagschale Scale_pan.stl 3D-gedruckt
1 Abstandshalter Scale_spacer.stl 3D-gedruckt
1 Gehäuse Scale_cover.stl 3D-gedruckt
1 Deckel Scale_lid.stl 3D-gedruckt
1 Kabelverschraubung M10 eBay
4 Schraube für Thermoplaste 3x10 Wegertseder
1 Wägezelle 1 kg mit HX711-Board Amazon

Teileliste Pumpe

Anzahl Bezeichnung Kommentar Quelle
1 Sockel Schego_830_mount.stl 3D-gedruckt
1 Membranpumpe Schego 830 Amazon
2 Streifen aus Moosgummi 13 mm $\times$ 70 mm Bastelladen
2 U-Profil Aluminium 13 mm $\times$ 8 mm $\times$ 105 mm Baumarkt
4 Gewindestange M3x65 Baumarkt
12 DIN 934 Sechskantmutter M3 Wegertseder

Teileliste Ventile

Anzahl Bezeichnung Kommentar Quelle
12 Ventilgehäuse Valve_body.stl 3D-gedruckt
12 Nocken Valve_cam.stl 3D-gedruckt
24 Zunge Valve_tongue.stl 3D-gedruckt
12 Deckel PMMA Valve_cover.stl CNC/Laser
12 TowerPro MG996R Servo nur die originalen Hobbyking
24 DIN 965 Schraube M3x8 Wegertseder
48 ISO 7380 Schraube M3x10 Wegertseder
24 DIN 933 Schraube M3x35 Wegertseder
72 DIN 934 Sechskantmutter M3 Wegertseder
24 DIN 466 Rändelmutter M3 Wegertseder

Teileliste Arm

Anzahl Bezeichnung Kommentar Quelle
1 Halterung Arm_mount.stl 3D-gedruckt
1 Gleiteinsatz Arm_sliding_element.stl 3D-gedruckt
1 Zahnstange Arm_rack.stl 3D-gedruckt
1 Ritzel Arm_pinion.stl 3D-gedruckt
1 Auslöser Arm_trigger.stl 3D-gedruckt
1 Dosierkopf Arm_pourer.stl 3D-gedruckt
1 Tropfenfänger Arm_drip_pan.stl 3D-gedruckt
1 Gabellichtschranke Amazon
1 Pololu A4988 Amazon
1 NEMA 17 Schrittmotor Amazon
1 Alu-Vierkantprofil 15.5x15.5 Länge ist v. Gehäuse abhängig Baumarkt
1 DIN 7981 Blechschraube 2.9x6.5 Wegertseder
4 ISO 7380 Schraube M3x6 Wegertseder
4 ISO 7380 Schraube M3x10 Wegertseder
6 DIN 125 Unterlegscheibe 3.2 Wegertseder
2 DIN 934 Sechskantmutter M3 Wegertseder
3 DIN 934 Sechskantmutter M4 Wegertseder
1 DIN 466 Rändelmutter M4 Wegertseder
6 DIN 125 Unterlegscheibe 3.2 Wegertseder
2 Blindnietmutter M3x10 flach Wegertseder

Teileliste Glocke

Anzahl Bezeichnung Kommentar Quelle
1 Glockenhalterung Bell_base.stl 3D-gedruckt
1 Motorhalterung Bell_servo-bracket.stl 3D-gedruckt
1 Finger Bell_finger.stl 3D-gedruckt
1 Servo TowerPro MG996R nur die originalen HobbyKing
1 Tischglocke Amazon
7 ISO 7380 Schraube M3x10 Wegertseder
7 ISO 7380 Schraube M3x12 Wegertseder
11 DIN 934 Sechskantmutter M3 Wegertseder

Teileliste Stopfen

Anzahl Bezeichnung Kommentar Quelle
12 Stopfen Rubberplug_core.stl 3D-gedruckt
12 Long-Life Corky 0.7 l-1.0 l METRO

Teileliste Display

Anzahl Bezeichnung Kommentar Quelle
1 Oberteil Display_lid.stl 3D-gedruckt
1 Unterteil Display_base.stl 3D-gedruckt
1 Klemme Display_clamp.stl 3D-gedruckt
1 Touch-Display 7" Touch-Funktion über USB! Amazon
4 Distanzbolzen M3 x 10 männlich-weiblich Amazon
2 Schraube für Thermoplaste 3x10 Wegertseder
4 ISO 7380 Schraube M3x16 Wegertseder
4 DIN 934 Sechskantmutter M3 Wegertseder

Sonstiges Teile

Anzahl Bezeichnung Kommentar Quelle
1 Adafruit PCA9685 Servo Driver Amazon
1 Raspberry Pi 3B Amazon
1 PC-Netzteil Reichelt
ca. 1.5 m LED-Streifen WS2812B 12VDC-Variante! Amazon
ca. 30 m Silikonschlauch 6 mm x 4 mm lebensmittelecht; Amazon
nicht die billigsten kaufen!
1 Spültrichter Variante A oder B Flush-funnel-XY.stl 3D-gedruckt

4 - Software

Die aktuelle Dokmentation der Software ist auf https://github.com/H3c702/Hector9000 zu finden.