Hallo zusammen,
ich möchte ein Projekt mit 3 Linearachsen umsetzen und da ich keine
Erfahrung in der Auslegung von Achsen und Motoren habe, möchte ich das
allwissende Forum um Rat fragen.
Der prinzipielle Aufbau des Systems entspricht dem eines Portalroboters
wie in dem angehängten Bild zu sehen ist. Der einzige Unterschied ist,
dass die Z-Achse "nach oben" und nicht "nach unten" ausfahren soll
(siehe Bild). Die zu handhabende Masse am Ende der Z-Achse beträgt etwa
1Kg und auf der gesamten Länge der Z-Achse "hängen" zusätzliche 2Kg
Masse. In X-/Y- und Z-Richtung betragen die nötigen Verfahrwege etwa
50-70cm. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass die X-Y-Ebene vertikal
(z.B. an einer Wand) angebracht werden soll. Das System soll prinzipiell
auch draußen zum Einsatz kommen und deswegen sind Schmutz und
Regenbeständigkeit auch zu berücksichtigende Punkte. Die nötige
Positionspräzision der X-Y-Achsen liegt bei +-0,5mm.
Die Anforderungen, die die Anwendung die ich vor Augen habe an das
Portalsystem stellt, sind deutlich niedriger als die typischer
Einsatzszenarien solcher Systeme. Ein typischer Durchlauf sieht etwa wie
folgt aus:
1. Anzufahrende X-Y-Koordinaten werden gemessen
2. Die beiden X-Y-Achsen fahren die Koordinaten in etwa 5-10 Sekunden an
und legen dabei bis zu 50-70cm zurück
3. Dann fährt die Z-Achse gemächlich aus und darf auch etwa 5-10
Sekunden für 50-70cm benötigen um die Endposition zu erreichen
4. Die Achsen sollen über Minuten/Stunden die Endposition halten
5. Rückfahrt in die Ausgangsposition mit denselben Geschwindigkeiten wie
auf der Hinfahrt
Daraus ergeben sich für mich verschiedene Fragen.
Bzgl. der Achsen: Ich habe bei meinen Recherchen sehr viele
unterschiedliche Bauweisen von Linearachsen gefunden die aber häufig
beworben wurden für "maximale Geschwindigkeiten und Beschleunigungen".
Sowas brauche ich aber nicht, da die Geschwindigkeiten und
Beschleunigungen ziemlich gering sind. Wichtig ist, dass sie sich
vertikal an der Wand installieren lassen ohne sich beim Ausfahren der
3Kg+Achsengewicht schweren Z-Achse zu verziehen. Ich hoffe auf Grundlage
meiner Angaben kann man schon eine Empfehlung für einen Linearachsentyp
angeben (bzw. zwei Linearachstypen, da die Z-Achse ja vermutlich einen
anderen Aufbau haben wird als die anderen beiden). Auch bin ich sehr an
einem Shop/Hersteller interessiert der möglichst günstige Achsen
anbietet die die Anforderungen erfüllen.
Bzgl. der Motoren: Hier besteht laut meinen Recherchen erstmal
grundlegend die Entscheidung zwischen Schritt- und Servomotoren.
Außerdem frage ich mich, ob es Bremsen für solche Motoren gibt. Da die
X-Y-Achsen die Z-Achse unter Umständen für Stunden in der Endposition
halten müssen, wäre es nicht sehr energiesparend wenn die Motoren die
gesamte Zeit unter Strom stehen müssten. Eine Feststellbremse stelle ich
mir ganz nützlich vor, weiß allerdings nicht ob es sowas gibt. Für
Schrittmotoren wird ja auch ein Haltemoment angegeben, allerdings weiß
ich nicht ob das zuverlässig solche Lasten halten kann. Eine weitere
Frage bezieht sich auf den Schlitten bestehend aus 2 Linearführungen
(siehe Bild) auf dem die Y- und die Z-Achse laufen: Müssen beide Achsen
jeweils mit einem Motor bestückt werden, oder kann man evtl. insgesamt
nur einen verwenden.
Sooo...ich glaube das reicht jetzt erstmal an Fragen. Ich würde mich
sehr freuen wenn mir wer weiterhelfen könnte.
Viele Grüße und besten Dank!
Hallo!
Natürlich gibt es Motoren mit integrierten Haltebremsen. Bei (teuren)
EC-Servos für Betrieb an mehreren hundert Volt ist das eine gängige
Option. Bei Niederspannungsservos (BLDC) und Schrittmotoren gibt es das
auch, aber eher selten.
Da du offensichlich keine hohen Geschwindigkeiten benötigst kann man
versuchen, dass auf die Selbsthemmung der Achsen zu setzen. Das bedeutet
niedrige Spindelsteigungen, auf keinen Fall Zahnriemen. Ggf. wären sogar
Trapezgewindespindeln eine Option, obwohl ich davon sonst eher abrate.
Oder eine zusätzliche Untersetzungsstufe (Antrieb der Spindel über
Zahnriemen).
Das Haltemoment eines Schrittmotors steht bei Nennstrom an. Wenn längere
Zeit eine Position gehalten werden muss, reduziert man üblicherweise den
Haltestrom. Bei 50% des Stroms stehen dann nur noch ~50% des
Haltemoments zur Verfügung, es fällt aber auch nur 25% der
Verlustleistungs an. Bei unbestromtem Motor steht nur noch das
Rastmoment zur Verfügung (Größenordnung einige Prozent des
Haltemoments). Ob das speziell bei der Z-Achse ausreicht, um ein
Absinken der Achse zu verhindern hängt von der Last und dem Aufbau der
Achse ab.
Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann
Vielen Dank schonmal für die Informationen! Dass das Haltemoment nur bei
Nennstrom ansteht habe ich bisher immer überlesen.
Ich informiere mich jetzt erstmal bezüglich der empfohlenen Bauteile.
Ich würde mich über weiteren Input freuen!
Grüße
ganz entscheidend ist auch die Budgetfrage. Wenn das auch was Kosten
darf, fällt auch die Auswahl entsprechender professioneller Lieferanten
leichter. Oder soll es eine Bastellösung werden?
Dein Hauptproblem werden die benötigten 0.5mm maximales "Durchhängen"
der bis 3kg schweren Z-Achse sein die auf 50cm ausfährt und damit Kraft
auf dem einen winzigen Lager der Y-Achse ausübt. Statt zwei weit
entfernten Lagern bekommst du ein Kippmoment von knapp 20Nm. Und dabei
darf sich der Winkel nicht mal um 0.5 Grad verändern. Die Konstruktion
ist also maximal blöd.
Wenn man das Durchhängen wegkalibriert und nur noch die Unterschiede im
Durchhängen zählen (an den beiden Seiten wird es weniger sein als in der
Mitte) wird das Problem zwar entschärft, aber draussen könnte Wind
herrschen der wieder alles zunichte mach.
Bau einfach mal so ein 70 x 70 x 50 cm Gestell und Lege am Ende ein
Gewicht von 2kg drauf. Wie dick meinst du muss die Konstruktion sein,
damit es nicht mal 0.5mm durchbiegt ?
Deine Linearachsen sind also noch das kleinste Problem, auf Kippmomente
sind die meisten aber nicht ausgelegt.
Metheus schrieb:> Hallo zusammen,>> ich möchte ein Projekt mit 3 Linearachsen umsetzen und da ich keine> Erfahrung in der Auslegung von Achsen und Motoren habe, möchte ich das> allwissende Forum um Rat fragen
Großer Fehler. Hier gibt es leider nur Leute die GLAUBEN alles zu
wissen. Wie Mawin. Seine Elektronikkentnisse in allen Ehren, von
Mechanik hat er keine Ahnung. Such Dir ein CNC-Fräsen-Forum. Da gibt es
Leute vom Fach UND mit Erfahrung, die können die wirklich weiter helfen.
> Da gibt es Leute vom Fach
Du meinst so rotzige wie dich, die aus geistiger Beschränktheit zwar
nichts zum Problem beitragen können, aber ein grosses Maul haben.
Auf die kann er wohl verzichten. Aber er wird dort auf dasselbe Problem
hingewiesen werden.
Das mit dem Kippmoment habe ich mich auch schon gefragt. Da ich die Lage
der anzufahrenden Stelle allerdings kontinuierlich messen kann, könnte
ich solche Fehler ausregeln.
Weiß jemand zufällig welche Achskonstruktion die Kippmomente am besten
wegsteckt?
Zum Thema Budget: Eine Bastellösung soll es nicht zwangsläufig werden
und Budget ist auch vorhanden. Zu teuer darf es allerdings auch nicht
sein. Ich würde prinzipiell professionelle Achsen kaufen wollen,
allerdings nicht die überdimensionierten Dinger die für ganz andere
Einsatzzwecke ausgelegt sind.
3-4k€ dürfte das schon kosten wenn es gute Begründungen gibt das es
nicht billiger geht.
Schonmal vielen Dank an alle!
Das Kippmoment sollte sich eigentlich schon mit halbwegs vernünftigen
Aluminiumprofilen für den Prototypenbau in den Griff kriegen lassen. Da
die Konstruktion ja immer gleich aufgehängt wird, kannst Du auch recht
einfach die entsprechenden belasteten Profile auswählen, also einen
möglichst großen Querschnitt in der Belastungsrichtung wählen.
Solche Profile finden sich z.B. hier: www.smt-montagetechnik.de
Als Führungen selbst würde ich Schienen und Schlitten mit
Kugelumlaufführungen wählen. Diese lassen sich auf den Standardprofilen
einfach verschrauben und sind mittlerweile wirklich preiswert
erhältlich.
Als Antriebe reichen mMn Schrittmotren, da es ja nicht sehr dynamisch
sein muss. Dafür wird es aber viel einfacher und preiswerter als mit
Servos.
Wie Thorsten schon schrieb, kann man die Motoren bei Stillstand deutlich
niedriger bestromen. Das machen viele Endstufen schon von sich aus
vollautomatisch. Und/oder man nimmt hier tatsächlich Trapezgewinde.
Als Wetter-/Regenschutz würde ich mir eine passende Haube z.B. aus
Plexiglas kleben (das geht sehr sauber) und diese dann zusammen mit dem
Gestell aufschrauben. Eventuell noch so etwas wie Gummilippen oben und
seitlich, um halbwegs Abdichtung zu haben. Wenn man dann das ganze
gestell noch etwas von der Wand abhebt, sollte da nichts drankommen.
Unten kannst Du das Gehäuse ja offen lassen, um immer Zugriff zu haben.
a) Ich würde ich erst mal fragen, wohin denn die Z-Achse verschwindet,
wenn sie eingefahren wird. In die Wand ?
b) Dann würde ich fragen, ob es unbedingt so schmale Profile sein
müssen, könnte man nicht 30cm lange Schlitten auf 1m langen X-Achsen und
Y-Achsen verschieben, das entschärft die Kippbelastung schon mal.
c) Dann gäbe es komplett andere Konstruktionen, die viel einfacher sind,
um einen Punkt im Raum anzusteuern wenn die Spitze nicht waagerecht sein
muss, beispielsweise 3 an verschiedenen Punkten an der Wand montierte
und an der Spitze zusammengefasste in der Länge veränderbare Spindeln
(deren eingefahrenes Ende dann IN die Wand ragt, siehe Problem a) oder
ein "Roboterarm" der nur Drehgelenke hat.
Die Anforderungen an die Genauigkeit sind also gering und es sind keine
großen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten nötig. Außerdem ist ein
realistisches Budget vorhanden (und du machst die Gedanken über all
diese Dinge). Das ist schonmal gut.
Einzig eine auf 50-70cm ausfahrende z-Achse mit 1kg Masse daran bei
vertikaler Aufhängung würde mir Sorgen machen. Die wiegt ja auch selbst
schon einiges. Und MaWins Anmerkungen, ob die z-Achse eingefahren in der
Wand verschwindet, und die Frage nach alternativen Konzepten sind auch
wichtig...
Wenn du bei dem kartesischen Konzept bleibst, würde ich auch auf
Trapezgewindespindeln setzen. Guck mal bei Igus. Da gibt es einige
unterschiedliche Linearachsen die zu deinen Anforderungen passen.
Außerdem gibt es auf der Website Berechnungstools zur Auslegung.
Montieren würde ich das auf Alu-Profilen. Als Antrieb reichen
Schrittmotoren. Ich würde welche ohne Bremse nehmen und das eingesparte
Geld für ein paar hundert mA Haltestrom ausgeben ;-). Falls das
überhaupt nötig ist.
nochetwas: Ein Vorteil der Igus-Führungen ist, dass es sie in
korrosionsbeständig gibt. Die kann man dann sogar unter Wasser
betreiben. Sie sind viel ungenauer als Kugelumlaufführungen, aber
billiger, und die Genauigkeit benötigst du ja sowieso nicht.
