Drehzahlregelung bei motorischem Spindelantrieb

Guten Tag an alle!

Ich bin eigentlich Fotograf, nehme für mich aber durchaus ein gutes technisches Verständnis in Anspruch. Mangels Angebot auf dem Markt möchte ich mir ein Reprostativ selbst bauen (lassen), das sehr geringe Toleranzen hat. Diese engen Toleranzen brauche ich in erster Linie bei den großen Abbildungsmaßstäben (von 1:2 bis etwa 1:1), wenn ich die Bildqualität eines High-End-Scanners erreichen will.
Die Säule ist senkrecht, etwa 1500 mm hoch. Daran soll an einer Profilschiene ein Ausleger von etwa 300 mm laufen, der auf einem Wagen mit Kugelumlaufführung befestigt ist. Auf dem Ausleger ist dann die Kamera montiert.

Zur Funktion:
Der Wagen mit Ausleger und Kamera hat etwa 6 kg Gewicht, ich kalkuliere sicherheitshalber mit 10 kg - man weiß ja nie, was kommt. Diese Last muss - möglichst feinfühlig - auf- und abbewegt werden können. An der Kamera wird nämlich in der Regel zurerst der Abbildungsmaßstab eingestellt. Anschließend wird diese langsam in die Schärfeebene bewegt. Letztlich bin es also ich, der die Endposition vorgibt, nicht ein Eingabewert im Computer.

Feinfühligkeit ist besonders beim Maßstab um 1:1 gefordert, da ich hier nur etwa 0,1 mm Schärfentiefe habe. Gleichzeitig stehe ich aber vor der Herausforderung, die Kamera auch einmal über eine weitere Strecke (500 - 700 mm) in einem akzeptablen Zeitfenster (ca. 1 Minute) und ohne unendliche Kurbelei verstellen zu können.
Um exakt und reproduzierbar im Maßstab 1:1 noch scharfstellen zu können gehe ich davon aus, dass ich eine Höhenverstellung in einem Raster von etwa einem Zehntel von 0,1 mm, also etwa 0,01 mm vornehmen können muss.

Prinzipiell sehe ich zwei Möglichkeiten der Höhenverstellung- Bewegung von Hand, alternativ motorisch:

Bei Handbetrieb ist für den Kameraarm ein Gegengewicht erforderlich, die Höhenverstellung muss nach allem was ich bisher recherchiert habe zweigeteilt erfolgen - grob an der Reprosäule, Feineinstellung entweder über Präzisions-Hubtisch, der am Kameraarm befestigt ist, oder über eine entsprechende Einrichtung, die auf der Grundplatte des Stativs aufliegt. Dazu brauche ich eine Möglichkeit, den Wagen festzuklemmen. Die Höhenverstellung über eine Spindel ist zwar feinfühlig, aber eine unendliche Kurbelei bei großen Verstellwegen, bei der Verstellung über Zahnriemen ist es umgekehrt. Da ist dann wahrscheinlich noch ein Grob-/Feintrieb erforderlich. So etwas habe ich aber als Fertiglösung nocht nicht gefunden.

Die zusätzlichen Komponenten bei der Handverstellung summieren sich zu einem nicht unerheblichen Aufwand. Deshalb überlege ich ernsthaft auch eine motorische Lösung:

Ich möchte die Konstruktion möglichst einfach halten. Als ideal stelle ich mir das so vor: Der Ausleger wird über eine Kugelgewindespindel (Durchmesser 16 mm, Steigung 5 mm) bewegt. An dieser Spindel ist ein Motor angebracht, bei dem ich die Drehzahl stufenlos von 0 bis etwa 200 oder 300 U/min regeln kann. Das soll mittels Joystick oder Fußschalter erfordern, so dass ich auch die Richtung damit ändern kann. Ich denke da an meine Modelleisenbahn früher, bei der die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung der Züge ja auch über einen Trafo gesteuert wurden und an die heutigen Handbohrmaschinen mit Sanftanlauf.

Energiequelle sollte 24 V Gleichstrom sein. Diese habe ich nämlich auch bei der LED-Beleuchtung .
Wenn ich von 10 kg maximaler Last ausgehe, brauche ich - wieder großzügig kalkuliert - etwa 0,1 Nm Haltemoment für den Ausleger (sofern ich richtig gerechnet habe, denn meine letzte Physikstunde hatte ich vor etwa 32 Jahren).
Bei diesen Daten dürfte eine Bremse für den Motor wohl überflüssig sein.

Unsicher bin ich was die genaue Ausführung des motorischen Antriebs betrifft. Hier brauche ich zum einen ein paar Grundsatzinformationen, zum anderen Vorschläge, welche Komponenten und Leistungsklassen dieser im Einzelnen in Frage kommen.

Meine Fragen:

Welche Art von Motor ist dafür geeignet? Kann ich einen Motor überhaupt bei einer niedrigen Drehzahl nahe Null feinfühlig regeln? Auf verschiedenen Herstellerseiten habe ich eine Drehzahlregelung von minimal etwa 100 U/min bis zur maximalen Drehzahl gelesen. Was hat es mit dieser Angabe auf sich?

Welchen Aufwand muss ich für eine Steuerung rechnen (Nur Drehzahl, keine Positionierung)? Kann ich auf eine Bremse wirklich verzichten? Wenn für den Betrieb der Steuerung eine Software notwendig ist, müsste diese auf dem Mac laufen.

Ist ein Getriebe ratsam, um die Antriebs-/Laufeigenschaften zu verbessern? Ich denke dabei besonders an den unteren Drehzahlbereich.

Zum Preisniveau:
Ich habe für Spindel und Motorantrieb etwa 1000 € netto veranschlagt (Linearführung nicht inbegriffen). Ist das realistisch?
Eine Höhenverstellung von Hand (Spindel/Zahnriemenantrieb mit Gewichtsausgleich, Präzisions-Hubtisch u.s.w.)würde nach meinem Informationsstand maximal 2 - 300 € günstiger.
Eine Preisdifferenz von bis zu 500 € zwischen den beiden Lösungsmöglichkeiten ist für mich nicht relevant. Das Gerät läuft ja wahrscheinlich bis in alle Ewigkeit, sollte aber trotzdem erschwinglich bleiben.

Gibt es grundlegende Verbesserungs- oder Änderungsvorschläge?

Vielen Dank im Voraus für Eure Antworten


Viele Grüße


Franz
 
AW: Drehzahlregelung bei motorischem Spindelantrieb

Hallo!

Eine kleine Skizze wäre der Sache sicher dienlich, da man es sich so besser verstehen kann! Auch die ausgerechneten Kräfte lassen sich so besser nachvollziehen.
Soll die Anlage stationär werden, oder mobil?
 
AW: Drehzahlregelung bei motorischem Spindelantrieb

Danke, motmonti, für Deine Antwort.

Hier ist die gewünschte Skizze. Grün habe ich (nur zu Informationszwecken) die Verstellung mittels Zahnriemen eingetragen. Das wäre die mechanische Alternative. Sie hat aber auf die gegenwärtige motorische Lösung keinen Einfluss.
Grundsätzlich ist mir an einer möglichst einfachen Lösung gelegen - mit möglichst wenigen Komponenten und unkomplizierter Bedienung. Deshalb will ich nach Möglichkeit die Grob- und Feinverstellung in der Höhe zusammenfassen. Prinzipiell kann der Motor auch unten angebracht werden, statt wie oben eingezeichnet. Ich habe dafür etwa 200 mm Platz.
Das Stativ ist eine eigentändige Einheit, das im Regelfall stationär betrieben wird, zum Transport aber trotzdem beweglich ist.

Hier sind die Daten im Gesamten:


Höhe der Säule: ca. 1500 mm

Last am Ausleger: max. 10 kg (nach der gegenwärtigen Konstruktion ist es aber deutlich weniger)

Lastschwerpunkt: etwa 300 mm von der Spindel entfernt

Mit dem Reprostativ sollen Abbildungsmaßstäbe von um 1:1 bis 1:10 möglich sein.
Besondere Anforderungen an die Toleranzen sind bei den Maßstäben von 1: 1 bis 1:2.
Der Motor ist in der Skizze oben eingezeichnet. Er kann aber auch unten angebracht werden. Ich habe für den Antrieb etwa eine Höhe von 200 mm zur Verfügung.

Ich habe folgende Überlegungen angestellt:

Eine Schnellverstellung der Aufnahmeeinheit sollte mit einer Geschwindigkeit von 500 bis 1000 mm/Minute möglich sein. Bei einer Spindelsteigung von 5 mm ergibt das eine maximale Drehzahl der Spindel von 100 bis 200 U/min.
Um den Toleranzen bei den großen Abbildungsmaßstäben gerecht zu werden, benötige ich Raster von etwa einem Hundertstel Millimeter bei der Höhenverstellung, damit ich komfortabel, exakt und reproduzierbar scharfstellen kann. Der Schärfentiefebereich beträgt hier ja nur etwa 0,1 mm.

1/100 mm Höhenverstellung erreiche ich bei einer Spindeldrehung von 0,72°. Da ich kompromissfähig bin, erweitere ich dieses Raster der Einfachheit halber auf ein Raster von 1° Spindeldrehung (ergibt knapp 0,014 mm Höhenverstellung). Wenn ich die Spindel nun per Handschalter (mit Motorunterstützung drehe), habe ich eine gewisse Reaktionszeit. 1° Spindeldrehung sollte daher maximal in einer halben, besser noch in einer Sekunde erfolgen. Das ergibt dann eine minimale Drehzahl an der Spindel von etwa 0,17 bis 0,33 U/Min. Wenn ich auch hier wieder leichter handhabbare Werte nehme, kann ich von 0,2 bis 0,3 U/min als minimaler Spindeldrehzahl ausgehen.

Besonders in diesem niedrigen Bereich muss die Drehzahl beherrschbar sein und sehr feinfühlig auch unter Belastung gesteuert werden können. Das Drehmoment des Antriebs muss außerdem ausreichen, um den Kameraausleger immer, also auch bei Stillstand zuverlässig in Position zu halten.

Schöne Grüße

Franz
 

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AW: Drehzahlregelung bei motorischem Spindelantrieb

Hallo!

Also deine Kamera mit 10kg wird von der Erde angezogen und erfährt somit eine Beschleunigung von rund 9,81 m/s². Zusammen mit der Masse ergibt sich so eine Kraft von rund 100 N.
Dieser Kraft mußt du entgegenwirken um die Kamera 1,5 m nach oben zu befördern.

Nach Arbeit = Kraft * Weg ergibt sich 100 N * 1,5 m = 150Nm

1Nm = 1Ws

Ergibt eine Arbeit von 150 Ws.

Das ganze soll innerhalb von 60 s geschehen.

Nach Leistung = Arbeit / Zeit

ergibt das 150 Ws / 60 s = 2,5W die der Antrieb an Leistung aufbringen muß.

Hier mal ein paar Links zu Fertig und Teillösungen

http://de.rs-online.com/web/p/linearantrieb/0228643/

http://de.rs-online.com/web/p/linearantrieb/5101114/

Als leichtes und stabiles Konstruktionsmaterial biete sich Alu-Rahmenprofil an

http://de.rs-online.com/web/c/?searchTerm=Alu&sra=oss

Ideal um damit eine Liniareinheit zu bauen, wenn es keine Fertiglösung sein soll.
Als Motor würde ich einen Schrittmotor nehmen, der die entsprechende Winkelauflösung bringt, oder einen kleinen Servogetriebemotor. Handverstellung fällt denke ich aus, da bei 5mm Steigung immer 300 Umdrehungen für einen vollen Hub nötig sind.
Der erste Link scheint mir für dich aber ideal. Stabil, leicht und genau. Dazu noch einen passenden Getriebemotor und Positionsanzeige und du bleibst in deinem Kostenrahmen.

Hier noch der Link zum Datenblatt. Demnach könnte die Kamera auch 15 kg wiegen. Die Positionierung auf 0,01 mm sollte damit auch machbar sein. Ich rechne das mal durch.
 
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AW: Drehzahlregelung bei motorischem Spindelantrieb

Laut datenblatt macht eine Wellenumdrehung gleich 70 mm an Weg. Bei 1500 mm macht das dann rund 21,5 U. Um den Weg also in einer Minute zu schaffen, brauchen wir einen Getriebemotor mit 20 - 30 U/min. Bei herkömmlichen Motoren macht das eine Übersetzung von 49 bei 30 U/min am Getriebe. Also ergibt eine Motorumdrehung einen Weg von 70 mm / 49 = 1,43 mm. Setze ich jetzt auf den Motor einen Geber mit 1000 Impulsen/Umdrehung, könnte ich auf 1,5 Tausendstel genau positionieren. Somit wären die 0,01 mm machbar.
Mit diesen Positioniersteuerungen

http://www.elgo.de/produkte/steuerungen.html

http://www.esitron.de/

kann man die Position vorwählen und der Motor fährt die Position selbsständig an, oder man verfährt von Hand.
Für eine ander Antriebsvariante wäre diese Steuerung

http://www.owis.eu/produkte/motoris...euerungssysteme/produkt/151/productview/Main/

möglich.
 

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