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Forum: Mechanik, Gehäuse, Werkzeug Servomotor: Was muss ich bei Auswahl beachten


Autor: Paul (Gast)
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Hi,
ich benötige einen Servo, der möglichst schnell UND stark ist und so 
langlebig wie möglich. Konkret geht es um eine Maschine, in der der 
Servo ca. im Sekundentakt ein 1kg-Gewicht möglichst schnell heben und 
gleich wieder senken soll. (Anhebung um 1mm innerhalb von 0.2 Sek.) Mir 
ist schon klar, dass Kraft und Geschwindigkeit in einem gewissen 
Abhängigkeitsverhältnis stehen. Ich habe hier auch teilweise Einfluss, 
weil ich einen Hebel anlegen kann. Ich habe keine Servo-Erfahrungen und 
mich würden u.a. folgende Punkte besonders interessieren:

1. Wie lange hält ein Servo im Schnitt bzw. wie groß sind die 
Haltbarkeitsunterschiede zw. einem Servo um 20 und einem um 100 EUR?

2. Sind für solche Leistungs-Ansprüche generell 7.4V-Servos oder 6V. 
besser, oder gibt es bei beiden Varianten welche, die das schaffen?

3. Digital, analog, oder in diesem Zusammenhang egal?

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Autor: hinz (Gast)
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Autor: Paul (Gast)
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Vielen Dank für den Tipp, hinz.

Ich habe in meiner Maschine bisher genau mit einem Hubmagnet gearbeitet, 
weil der natürlich im Prinzip genau das macht, was ich brauche. Auf 
Dauer hat sich aber ein Nachteil bemerkbar gemacht, nämlich dass er zu 
schnell schaltet, was in Kombination mit der relativ starken Hubkraft zu 
einem lauten Klacken bzw. Vibrationen führt. Ich habe auch mit 
mechanischer Dämpfung experimentiert, aber mir ist nichts gelungen, was 
einerseits effizient dämpft und andererseits sich nicht relativ schnell 
wieder abnützt. Ich habe auch versucht, dem Magneten mittels pwm eine 
gewisse Weichheit im Schaltvorgang "beizubringen", das problem ist aber, 
dass er zur Überwindung der mechanischen Trägheit einfach die volle 
Leistung braucht. Ich konnte lediglich nach erfolgreicher Anhebung des 
Gewichts mittels pwm die Leistung drosseln, das Klacken selbst muss aber 
so hart bleiben.
Der Servo ist zwar wieder fast auf der langsamen Kante, dafür deutlich 
"smoother". Wenn ich mal davon ausgehe, dass er gerade noch schnell 
genug ist, spricht sonst etwas gegen den Servo?

hinz schrieb:
> https://www.red-magnetics.com/de/

Beitrag #5694965 wurde vom Autor gelöscht.
Autor: Gerhard O. (gerhard_)
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Hast Du schon mal an einen exzentrischen Scheiben Antrieb mit 
Abtasthebel mit einem Geschwindigkeitsprofil wie 0-90 Grad eines Sinus 
gedacht? Das hätte den Vorteil, daß der Anfahrdrehmoment fast gleich 
Null ist und der Drehmoment nur langsam bis zum Maximum bei 45 Grad 
ansteigt und dann am oberen Totpunkt wieder ein Minimum erreicht. Da 
dürfte sogar ein kleinerer (Schritt) Motor ausreichen.

Dieses Prinzip habe ich für die Z-Achsen Bewegung meiner CNC 
Graviermaschine angewendet und bringe bis zu 2kg an Kraftübertragung 
über ungefähr 8mm Hub. Ein NEMA23 Schrittmotor treibt die Anordnung an. 
Optische End Sensoren bestimmen den erlaubten Hub. Ich entwarf eine 
spezielle Steuerelektronik, die am Eingang nur ein L/H bekommt. Die 
Steuerlogik steuert ein L297/298 Schrittmotor Chipset an. Die 
Drehrichtung ändert sich beim runterfahren um den Hub einstellbar zu 
machen. Das Exzenter Rad hat einen Durchmesser von rund 22mm und die 
Distanz vom Zentrum ist so gewählt, daß der notwendige Hub erreicht 
wird. Die Kraft wird über ein 5cm langes Hebelgestänge übertragen. Der 
Hebel hat für lange Lebensdauer ein kräftiges Kugellager am Abtastende.

In der Praxis läuft diese Anordnung etrem leise und zuverläßig. Im 
Bohrbetrieb kann ich bis zu über 150 komplette Hübe in der Minute 
erreichen. Allerdings haben sich im praktischen Bohrbetrieb zwischen 
50-80 Hübe pro Minute bewährt um zu vermeiden, daß die Bohrer gestoßen 
werden. Man hört außer dem leichten Summen des Schrittmotors keine 
Klackgeräusche.

Die Geschwindigkeit läßt sich mit einem Poti einstellen. Heutzutage 
könnte ein uC die Steuerung erledigen. Ich baute das um 1995 herum und 
hatte noch keine Erfahrung und Zugang mit uC. Jedenfalls hat die 
Vorrichtung schon mindest eine Million Operationen hinter sich. Die 
Lebensdauer dürfte eine hundert Millionen Zyklen betragen. Das 
Bohrgeschwindigkeitsprofil ist so sanft, daß mindesten bis 0.13mm 
Bohrdurchmesser ohne Schaden verwendet werden können. Der Bohrer trifft 
auf die LP im 30-60 Grad Bereich des Profils. In zwanzig Jahren ist mir 
kein einziger Hartmetall Bohrer gebrochen.

Denke es mal für Deine Anwendung durch. Es könnte durchaus eine 
geeignete Lösung für Deine Anwendung darstellen. Für mich war das eine 
optimale Lösung.

Autor: Paul (Gast)
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Hallo Gerhard,

Danke für deine ausführliche Schilderung deines Setups -ich finds 
genial, v.a., weil es sich bei dir in der Praxis bewährt hat! Ich hab 
mir das mit dem Schrittmotor auch schon mal überlegt. Es wäre auf diese 
Weise natürlich billiger und vielleicht auch robuster, bei mir spricht 
aber ein Platz- und Gewichtproblem dagegen. Wenn ich die Daten von 
Schrittmotor und Servo vergleiche, bin ich eigentlich beim Servo näher 
an dem, was ich suche:

               Gewicht      Haltemoment       Geschwindigkeit 60°

Stepper         390g            59Ncm              0,016s *)
Servo            60g           360Ncm              0,16s


bei 600U/Min.


Eventuell könnte ich einen NEMA 14 nehmen, aber der ist natürlich vom 
Drehmoment her schwächer.

Der Servo in dieser Preisklasse ist zwar langsamer, für mich aber immer 
noch schnell genug (und über einen Hebel bin ich schnell unter einer 
1/10s und immer noch wesentlich stärker).

Von der Anwendung her wäre der Servo vermutlich passender, aber wie 
schätzt du die Haltbarkeit ein? Natürlich ist der Stepper unverwüstlich 
im Vergleich, aber ich hätte gerne gewusst, wo ungefähr so ein Servo 
steht. Ist das jetzt komplettes Spielzeug, oder kann man schon von einer 
gewissen Haltbarkeit ausgehen?

Ich habe folgende Modelle für den Vergleich verwendet:

Stepper NEMA17 2A:
https://www.omc-stepperonline.com/nema-17-bipolar-59ncm-84ozin-2a-42x48mm-4wires-w-1m-cable-and-connector-17hs19-2004s1.html

Digital-Servo 6V:
https://www.conrad.at/de/savoex-standard-servo-sa-1230sg-digital-servo-getriebe-material-metall-stecksystem-jr-453683.html

Autor: hinz (Gast)
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Paul schrieb:
> Spielzeug

Ja, weder der Motor noch das Getriebe sind auf lange Lebensdauer gebaut.

Autor: Paul (Gast)
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Danke, hinz. Auch nicht in einer etwas besseren Ausführung, wie z.B. dem 
hier? Sind "Brushless", "doppeltes Kugellager" und Metallgetriebe nur 
Schlagworte und er hat trotzdem keine ernsthafte Haltbarkeit?

https://www.conrad.at/de/savoex-spezial-servo-brushless-servo-sb-2272mg-doppelt-kugelgelagert-getriebe-metall-jr-369318.html


hinz schrieb:
> Ja, weder der Motor noch das Getriebe sind auf lange Lebensdauer gebaut.

Autor: Gerhard O. (gerhard_)
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Paul schrieb:
> Von der Anwendung her wäre der Servo vermutlich passender, aber wie
> schätzt du die Haltbarkeit ein? Natürlich ist der Stepper unverwüstlich
> im Vergleich, aber ich hätte gerne gewusst, wo ungefähr so ein Servo
> steht. Ist das jetzt komplettes Spielzeug, oder kann man schon von einer
> gewissen Haltbarkeit ausgehen?

Das Problem mit dem Servo ist hauptsächlich der DC-Motor. Da ist 
Verschleiß nach langer Gebrauchsdauer unvermeidlich. Auf der anderen 
Seite sind die Servos billig und man kann sich ja Ersatz planen und 
rechtzeitig besorgen oder gleich lagern. Ausreichenden Drehmoment hat 
der besagte Servo. Da nur 1mm gehoben werden muss, genügt ein dünnes 
aufgewickeltes Stahlseil, dass sich auf einer getrennten Achse 
aufwickelt. Dadurch werden die Servolager trotz hochqualitativer Lager 
geschont.

Mechanisch am besten wäre eine getrennte Lagerung für das Gewicht und 
der Servo nur für die Drehmoment Bereitstellung. (Auch die Servo 
Kugellager können unter permanenter plastischer Verformung leiden 
(Brinelling) und deshalb nicht für direkte Gewichtslast geeignet sein, 
speziell wenn sie sehr klein für eine gegebene radiale Last sind). Dann 
verbleibt eigentlich nur noch die Bürstenlebensdauer des DC Motors. Je 
geringer die Motor Last ist, desto länger wird der Motor überleben.

Für ein nicht-professionelles bzw. kommerzielles Produkt möglicherweise 
durchaus akzeptabel. Andrerseits würde ich auf alle Fälle mit einem BLDC 
oder Schrittmotor geeigneter Qualität und Daten arbeiten.

Bei mir nahm ich einen NEMA23 SM mit doppelten Kugellagern was sich in 
der Praxis für mich bewährt hat. In Deiner Anwendung hilft Dir die 
Hebelübersetzung den Motor zu schonen und die radiale Last geringer zu 
halten.

: Bearbeitet durch User
Autor: Gerhard O. (gerhard_)
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Paul schrieb:
> Danke, hinz. Auch nicht in einer etwas besseren Ausführung, wie
> z.B. dem
> hier? Sind "Brushless", "doppeltes Kugellager" und Metallgetriebe nur
> Schlagworte und er hat trotzdem keine ernsthafte Haltbarkeit?
>
> 
https://www.conrad.at/de/savoex-spezial-servo-brushless-servo-sb-2272mg-doppelt-kugelgelagert-getriebe-metall-jr-369318.html
>
> hinz schrieb:
>> Ja, weder der Motor noch das Getriebe sind auf lange Lebensdauer gebaut.

Hier sind noch ein paar Hinweise über Kugellagerverschleiß:

https://en.wikipedia.org/wiki/Brinelling

https://www.linearmotiontips.com/how-bearings-fail-a-closer-look-at-brinelling/

Es ist ohne Berechnungen unmoeglich vorauszusagen wie lange die 
Kugellager halten werden und ob der Servo für Deine radiale Last direkt 
geeignet ist. An sich sind die Servo Lager billig und zumeist 
austauschbar.

Dann fragt sich ob die internen Servo Zahnräder der andauernden 
Belastung gewachsen sind und das Ausgangszahnrad bei dem geringen 
Drehwinkel nur teilweise stark abgenutzt wird.

Pragmatisch gesehen, dreht es sich letztlich darum ob ein Service alle 
paar Jahre akzeptabel ist.

: Bearbeitet durch User
Autor: Paul (Gast)
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Danke Gerhard für deine Einschätzung. Das klingt für mich eher nach 
Ausschluss der Servo-Variante, denn die Maschine sollte über viele Jahre 
wartungsfrei laufen und mindestens dreihunderttausend Schaltzyklen 
überstehen - das schafft der Servo dann wohl eher nicht...

Angenommen, ich kriege den Stepper in mein Gehäuse, welche Möglichkeiten 
für die Übersetzung sind empfehlenswert/robust/spielfrei?

Zahnriemen? Zahnräder? Seilzug? Hebel?

Autor: Gerhard O. (gerhard_)
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Paul schrieb:
> Danke Gerhard für deine Einschätzung. Das klingt für mich eher
> nach
> Ausschluss der Servo-Variante, denn die Maschine sollte über viele Jahre
> wartungsfrei laufen und mindestens dreihunderttausend Schaltzyklen
> überstehen - das schafft der Servo dann wohl eher nicht...
>
> Angenommen, ich kriege den Stepper in mein Gehäuse, welche Möglichkeiten
> für die Übersetzung sind empfehlenswert/robust/spielfrei?
>
> Zahnriemen? Zahnräder? Seilzug? Hebel?

Hallo Paul,

könntest Du eine Skizze machen über die Anordnung der Hauptteil oder ein 
paar Bilder von der betreffenden existierenden Anordnung?

Vielleicht fallen dann noch andere Lösungen ein.

Ich würde auf alle Fälle versuchen den Motor radial zu entlasten damit 
die Kugellager geschont werden und eine eigene Welle für das Gewicht 
vorsehen. Ob direkter Antrieb möglich ist, müsste rechnerisch ermittelt 
werden. Allerdings musst Du beim Schrittmotor beachten, dass der 
Drehmoment mit steigender Drehzahl immer niedriger wird. Dann kommt noch 
dazu, dass sich die Rolle wahrscheinlich bei fehlender Ansteuerung oder 
Abschalten durch das Gewicht der Last alleine dreht und das Gewicht dann 
aufliegt was möglicherweise nicht gewünscht ist. Die Hebel und Exzenter 
Anordnung hat das Problem nicht weil die Last den Motor nicht bewegen 
kann. Allerdings könnte man alternativ einen selbst blockierenden 
Schneckenantrieb erwägen.

Ein Schneckenantrieb mit niedrigen Übersetzungsverhältnis (wegen der 
Drehzahl), mit einer Kurbelwelle versehen(Exzentrischer Stift 
eingelassen) könnte ohne Hebel die Last heben wenn der Durchmesser des 
Exzenter Umfangs kein Problem ist. Diese Anordnung ist auch selbst 
blockierend. Vielleicht ist Dir das nicht wichtig.

Eine Lösung Deines Problems lässt sich pauschal nicht so leicht 
definieren. Vielleicht sollen sich mal die Mechanik Ingenieure im Forum 
melden und ihrerseits Vorschläge machen. Bin ja nur ein "Farmboy" und 
kein mechanischer Entwickler:-)

Autor: Paul (Gast)
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Das 1kg-Gewicht bewegt sich auf einem Linearlager hin und her und soll 
gleichzeitig sehr schnell um die besagte Höhe von 1mm angehoben werden 
können. Bisher habe ich es mit einem Magnetheber gemacht, der parallel 
zur Linearbewegung des Gewichts angeordnet war gemacht (siehe 2. Skizze)

Autor: Gerhard O. (gerhard_)
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Paul schrieb:
> Das 1kg-Gewicht bewegt sich auf einem Linearlager hin und her und
> soll
> gleichzeitig sehr schnell um die besagte Höhe von 1mm angehoben werden
> können. Bisher habe ich es mit einem Magnetheber gemacht, der parallel
> zur Linearbewegung des Gewichts angeordnet war gemacht (siehe 2. Skizze)

Paul schrieb:
> Das 1kg-Gewicht bewegt sich auf einem Linearlager hin und her und
> soll
> gleichzeitig sehr schnell um die besagte Höhe von 1mm angehoben werden
> können. Bisher habe ich es mit einem Magnetheber gemacht, der parallel
> zur Linearbewegung des Gewichts angeordnet war gemacht (siehe 2. Skizze)

Wenn ich es mir noch einmal überlege würde ich die Hebelanordnung 
beibehalten und den Magneten mit dem Schrittmotor und Exzenter 
auswechseln. Eine auf dem Exzenter aufgebrachte Blendscheibe und zwei 
Opto-Interrupter dienen zur Wegbegrenzung. Ein uC kann alles erledigen.

http://ocw.metu.edu.tr/pluginfile.php/6886/mod_resource/content/1/ch8/8-3.htm

http://www.technologystudent.com/cams/cam10.htm

Wenn das Hebelverhältnis gross ist, dann brauchen die Motorlager auch 
nicht viel radiale Last aushalten.

Feder wird kaum notwendig sein wenn der Winkel einigermassen stimmt.

Bei der Hebelachse genügt eine gesintertes Bronzelager.

Ich sehe einen großen Vorteil im Exzenter durch den niedrigen 
Anfahrdrehmoment und an- und absteigende Kraftübertragung. In beiden 
Totpunkten ist der Drehmoment minimal. Da brauchst Du nicht einmal ein 
trapezförmiges Schrittmotor Geschwindigkeitsprofil.

Ein Mikroschalter mit Rollen-Fuehlhebel Taster für die Rastposition 
könnte die Blendscheibe und die Optos ersetzen. Der uC weiss ja wieviel 
Schritte gefahren werden müssen. Dieser Mikroschalter reagiert dann auf 
die Minimalposition am Exzenter.

Da brauchst Du nicht einmal viel Neues dazu bauen. Einen Motorwinkel auf 
die Unterplatte schrauben. Kleine Proto-boards für die Optos, mit einer 
Schere fertigst Du eine Kartonblendscheibe an - Fertig. Etwas uC 
programmieren und die Sache sollte testfaehig sein.

Durch verschieben des Opto-H kannst Du die Weglänge genau einstellen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Paul (Gast)
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Danke, Gerhard, geniale Idee, den Hebel über Exzenter zu betätigen. Ich 
hatte immer an eine Lösung über Keilriemen oder Zahnräder gedacht, die 
Exzenter-Variante ist aber noch viel eleganter:-). Bezüglich Optos und 
Schrittmotorsteuerungen habe ich alle Möglichkeiten, auch eine Rampe 
kann ich fahren, falls notwendig:-)
Ich werde mich ans Werk machen und berichten...

Autor: Gerhard O. (gerhard_)
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Paul schrieb:
> Danke, Gerhard, geniale Idee, den Hebel über Exzenter zu
> betätigen. Ich
> hatte immer an eine Lösung über Keilriemen oder Zahnräder gedacht, die
> Exzenter-Variante ist aber noch viel eleganter:-). Bezüglich Optos und
> Schrittmotorsteuerungen habe ich alle Möglichkeiten, auch eine Rampe
> kann ich fahren, falls notwendig:-)
> Ich werde mich ans Werk machen und berichten...

Noch auf?

Bitte berichte. Dein Projekt hält mich neugierig.

Darfst Du Näheres über die Anwendung berichten? Oder ist das ein Demo 
irgendeiner Art?

Jedenfalls, gut Geling!

Autor: Gerhard O. (gerhard_)
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Paul schrieb:
> Danke, Gerhard, geniale Idee, den Hebel über Exzenter zu
> betätigen. Ich
> hatte immer an eine Lösung über Keilriemen oder Zahnräder gedacht, die
> Exzenter-Variante ist aber noch viel eleganter:-). Bezüglich Optos und
> Schrittmotorsteuerungen habe ich alle Möglichkeiten, auch eine Rampe
> kann ich fahren, falls notwendig:-)
> Ich werde mich ans Werk machen und berichten...

Eine Rampe sollte überhaupt nicht notwendig sein weil der Motor beim 
Anfahren wegen der sanft ansteigenden Drehmomentkurve kaum Kraft 
aufwenden muß. Bei mir war es überhaupt nicht notwendig und der Motor 
läuft mit herunter geregelten Strom.

Autor: Matze (Gast)
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Mal ein paar Zahlenspiele:

Paul:
denn die Maschine sollte über viele Jahre
wartungsfrei laufen und mindestens dreihunderttausend Schaltzyklen
überstehen

300.000 Zyklen x 0,2s ~ <20h Laufzeit
Das auf viele Jahre verteilt bekommst eher Standschäden als 
runtergerockte Bürsten oder fressende Lager. Beim Modellbauservo erst 
recht.

1mm in 0,2s entspricht einer Beschleunigung von durchschnittlich 2g. 
Soll das Gewicht genauso schnell wieder herunterkommen? Dann wäre fallen 
lassen zu langsam und braucht etwas Nachdruck.

Maximales Drehmoment bei 1mm Hebel übrigens 0,02Nm, mit mechanischen 
Verlusten gerne das 3fache. Da braucht es keine Übersetzung mit Hebeln, 
das kann auch ein Winzmotörchen direkt mit Exzenter. Schrittmotor, nun 
wenn es lageregelbar sein soll, warum nicht. Wenn es vom Gewicht nicht 
reicht, Faulhaber DC-Motoren mit angeflanschtem Getriebe sind an 
Zuverlässigkeit eine Hausnummer (und im Preis).

Wichtig für geringe Mechanikbelastung ist auch eine möglichst geringe 
Änderung der Beschleunigung (aka "Ruck"). Da sind v.a. die 
Exzenterlösungen klar im Vorteil.

Beste Grüße,
Matze

Autor: Hermann W. (hermannw)
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Paul schrieb:
> Zahnriemen? Zahnräder? Seilzug? Hebel?

Alles möglich, aber es fehlt noch die Spindel.
Für die Luftklappe meines Feststoffkessels habe ich einen Nema17 aus 
einem alten Floppy-Laufwerk genommen. Die Klappe wiegt ca. 1kg. Mit 
geeigneter Ansteuerung schafft er meine Anforderungen gut. Etwas schwer 
erkennbar ist unten ein zusätzliches Lager eingebaut, da der Motor nicht 
für eine axiale Belastung gebaut ist. In einem primitiven Testaufbau 
(Bild2) habe ich Elektronik, Geschwindigkeit und Hubkraft gemessen. Das 
ganze wird über einen AVR gesteuert. Er fährt beim Einschalten mit 
geringem Strom gegen den unteren Anschlag und startet so mit der 
Nullposition ohne zusätzliche Wegmarkierungen. Die Sollposition bekommt 
er über I2C.

Dies nur zur Ergänzung der Lösungsmöglichkeiten.

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