TBM – Tennisballmaschine

Diplomarbeit der HTL Mössingerstraße Klagenfurt · Abteilung Elektrotechnik · Jahrgang 5AHET

Kurzbeschreibung

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde für den Tennisverein Glanegg eine Tennisballmaschine entwickelt. Ziel war es, eine Maschine zu entwickeln, damit die Vereinsteilnehmer ihre Schlagtechniken verbessern konnten. Der Ball sollte außerdem mit einem Spin-Effekt ausspielbar sein.

Die Maschine wird über eine Siemens-SPS gesteuert und ermöglicht neben der Einstellung von Auswurfgeschwindigkeit und -winkel auch die gezielte Erzeugung von Topspin und Backspin. Bedient werden kann sie sowohl über ein lokales Bedienfeld als auch per Funkfernsteuerung. Ideal für den Einsatz im täglichen Vereinstraining des Tennisvereins Glanegg.

Unser Projekt wird bearbeitet und erstellt an der HTL Mössingerstraße

Details

Mechanik

Konstruktion & Mechanischer Aufbau

Die Maschine basiert auf einem stabilen Rahmen aus V-Slot-Aluminiumprofilen, der als robuste Grundstruktur für alle weiteren Komponenten dient. Insgesamt kommen fünf Motoren zum Einsatz: zwei 24-V-Motoren treiben die Auswurfrollen an, die den Ball durch Reibung herausschleudern. Drei weitere 12-V-Motoren übernehmen die Ballzuführung über eine Drehscheibe, die stufenlose Höhenwinkelverstellung sowie die Links-/Rechts-Richtungsverstellung der gesamten Auswurfeinheit.

Selbst konstruierte Bauteile wie Riemenscheiben, Halterungen und Abdeckungen wurden mittels FDM-3D-Druck (PLA) auf einem Ender 3 V2 sowie Prusa-Druckern der Schule gefertigt. Flache Bauteile wie Seitenwände der Balllagerung und die Plexiglasplatte der Ballzufuhr entstanden durch Laserschneiden von Acrylglas. Die gesamte Konstruktion erfolgte in Autodesk Fusion 360, ergänzt durch AutoCAD für 2D-Laserschnitt-Konturen.

Physik & Berechnung

Funktionsprinzip & Wurfparabel

Das Kernprinzip der Maschine basiert auf zwei rotierenden Holzrollen, zwischen denen der Tennisball hindurchgeführt und durch Reibung auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Im oberen Bereich der Maschine befindet sich die Balllagerung. Dort werden die Bälle gelagert und durch eine Drehscheibe separiert. Der einzelne Ball fällt anschließend in den Schlauch zu dem Holzrahmen, wo sich die zwei Auswurfrollen befinden.

Mithilfe einer in Excel erstellten Wurfparabel wurde die Flugbahn des Balles berechnet. Bei einer Betriebsspannung von 15 V an den Motoren der Abwurfrollen soll der Ball die Begrenzungslinie des gegenüberliegenden Feldes erreichen. Dazu musste der Abschusswinkel von max. 20° auf max. 30° erhöht werden. Die Abbildung zeigt die unterschiedlichen Flugbahnen des Balles im Vorher-/Nachher-Vergleich.

Steuerung

Bedienung: Bedienfeld & Funksteuerung

Die Maschine kann auf zwei Arten bedient werden. Über das lokale Bedienfeld stehen Drehschalter für Auswurfgeschwindigkeit (Distanz) und Spin sowie ein Wippschalter zur Höhenwinkelverstellung zur Verfügung. Der Hauptschalter mit Zugangssicherung aktiviert die gesamte Anlage.

Ergänzend dazu ermöglicht eine Funkfernsteuerung die drahtlose Bedienung der Drehscheibe (Ballzuführung) und der Richtungsverstellung vom Spielfeld aus. Das Funksignal wird über ein Funkrelais empfangen und als 24-V-Signal direkt an die digitalen Eingänge der SPS weitergeleitet. Dies entspricht derselben Schnittstelle wie beim kabelgebundenen Bedienfeld, wodurch beide Bedienvarianten vollständig parallel nutzbar sind.

Die Stromversorgung erfolgt mobil über zwei in Serie geschaltete 12-V-Bleiakkumulatoren, die gleichzeitig 24 V für Rollen und SPS sowie 12 V für Kleinmotoren bereitstellen.

Programmierung

SPS-Programmierung im TIA Portal

Das Steuerungsprogramm wurde vollständig mit einer Siemens SIMATIC S7-1200 SPS im TIA Portal entwickelt. Die SPS verarbeitet alle digitalen Eingangssignale von Bedienfeld und Funksteuerung und gibt präzise analoge Stellgrößen an die Motortreiber aus.

Da die eingesetzten Motortreiber ein nichtlineares Verhalten aufweisen, wurde im Programm eine mathematische Kennlinienkorrektur (Linearisierung) implementiert. Zusätzlich sorgen Rampenfunktionen für einen sanften Hoch- und Auslauf der Auswurfrollen und schützen so die Mechanik vor abrupten Drehzahlsprüngen.

Sicherheitskritische Abschaltungen wie ein Not-Aus-Taster und Schmelzsicherungen sind hardwareseitig direkt in den Motorstromkreis integriert und wirken unabhängig vom Softwarezustand der SPS.