Forum: Mechanik, Gehäuse, Werkzeug Schneller Antrieb für Filterrad


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von Christoph K. (christoph_k314)


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Hallo zusammen,

aktuell befinde ich mich in der Phase der Ideenfindung für die schnelle 
Positionierung eines Filterrades für einen optischen Aufbau.

Verschiedene optische Filter (auch Durchgang und Geschlossen) müssen in 
einen konvergenten Strahlengang ein- und ausgeschwenkt werden können. 
Dabei muss besonders zwischen zwei  Positionen ein Wechsel in ca. 50-80 
ms erfolgen können. Es gibt leider nur sehr wenig Bauraum, sodass viele 
Varianten bereits von vorne herein ausscheiden.

Ich habe bereits eine Implementierung bei der ein Filterrad sich um eine 
Achse die orthogonal auf dem Strahlengang steht dreht. Dabei muss ca. 
100° zwischen den beiden schnell anzufahrenden Positionen bewegt werden. 
Das Filterrad sitzt direkt auf der Achse des Schrittmotors. Ich erreiche 
die benötigte Verfahrzeit und kann durch Tuning der Motorparameter auch 
nachschwingen fast auf 0 reduzieren. Allderings: Der Einbau ist zum 
K**** das kann so nicht bleiben.

Deshalb folgende Idee:

Großes Kunststofffilterrad mit Achse parallel zur optischen Achse. 
Dadurch ist genaues erreichen der Endposition und Vibration am Fahrtende 
egal,da diese Bewegungen in einer ebene Orthogonal zum Strahlengang 
passieren. Ich müsste ca. 90° zwischen den beiden schnell anzufahrenden 
Positionen verfahren.
Das Kunststoffilterrad würde nicht über die Achse sondern über eine 
Außenverzahnung angetrieben. Z.B. 1:1 oder 2:1 übersetzt.

Ich bin am überlegen ob ein Schrittmotor hier die richtige Lösung ist 
oder ob man damit immer bei der Dynamik im Nachteil ist. Ich hatte 
damals einen Schrittmotor ausgesucht, da die Lebensdauer im Bereich von 
>2 Jahre Dauerbetrieb liegen muss.

Vielleicht hat ja noch jemand eine Idee wie man das elegant mit hoher 
Dynamik lösen könnte.

von MaWin (Gast)


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Christoph K. schrieb:
> Es gibt leider nur sehr wenig Bauraum

Der Ingenieur sagt: Mehr Bauraum schaffen und die optimale Lösung 
wählen. Form follows Function.

Festplatten-Voicecoil-Kopfantriebe sind z.B. schnell.

Man kann natürlich auch miniaturisierte Linearmotoren konstruieren und 
bauen, wenn jemand bereit ist es zu bezahlen, aber da hapert es bei den 
sich alles Wünschenden meistens.

von Udo S. (urschmitt)


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Wenn es 4 Positionen wären könnte man vieleicht ein 
Malteserkreuzgetriebe bauen. Siehe 
https://de.wikipedia.org/wiki/Malteserkreuzgetriebe
Dann müsste man den Antriebsmotor nicht exakt positionieren, sondern nur 
nach ungefähr einer, zwei oder drei Umdrehungen wieder anhalten.

Ansonsten klingt das nach einem Servoantrieb.
Ob der jetzt einen BLDC oder Bürsten-DC Motor hat ist erst mal 
zweitrangig.
Dazu brauchst du eine Positionserfassung der Scheibe (Istwert), eine 
Servoregelung, den Motortreiber und den Motor.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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MaWin schrieb:
> Der Ingenieur sagt: Mehr Bauraum schaffen und die optimale Lösung
> wählen. Form follows Function.

Bei dieser Sichtweise wären Mobiltelefone immer noch so groß wie damals 
die A- und B-Netz-Telefone, d.h. die würden den halben Kofferraum eines 
Autos belegen. Es gäbe hinreichend viele HF-Techniker, die einem 
erklären, warum ein schuhkartongroßes XYZ-Filter wesentlich bessere 
Eigenschaften als die mittlerweile gebräuchlicheren Ausführung hätte und 
man darauf auch nicht verzichten könne.

Es schadet also nicht, wenn die Industriedesigner gelegentlich den 
Ingenieuren etwas Dampf unter dem Hintern machen.

von Klugscheisser (Gast)


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> Bei dieser Sichtweise wären Mobiltelefone immer noch so groß

Mit einem Motorola International 3200 konnte man auch im Wald
noch telefonieren. Mit einem winzig Siemensteil (immerhin mit
ausziehbarer Antenne) tat sich da gar nichts.

von was (Gast)


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Andreas S. schrieb:
> Es schadet also nicht, wenn die Industriedesigner gelegentlich den
> Ingenieuren etwas Dampf unter dem Hintern machen.

Wenn Lebensdauer praktisch egal ist, dann mag das sein.
Welches moderne Smartphone inkl. beweglicher Bauteile hält 2 Jahre 
Dauerbetrieb durch?
Keines.

von Christoph K. (christoph_k314)


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MaWin schrieb:
> Der Ingenieur sagt: Mehr Bauraum schaffen und die optimale Lösung
> wählen. Form follows Function.

Das ist nur die halbe Wahrheit und sagt sich immer so leicht daher. In 
der Realität gibt es eben noch mehr Randbedingungen die den zur 
Verfügung stehenden Bauraum diktieren. In diesem Fall sind es 
Brennweiten und Streulichtunterdrückung.

Udo S. schrieb:
> Ansonsten klingt das nach einem Servoantrieb.
> Ob der jetzt einen BLDC oder Bürsten-DC Motor hat ist erst mal
> zweitrangig.
> Dazu brauchst du eine Positionserfassung der Scheibe (Istwert), eine
> Servoregelung, den Motortreiber und den Motor.

Durch die Änderung der Anordnung ist eine Positionierung nur auf ca. 5° 
genau erforderlich. Man könnte also die Position mit dem Schrittmotor 
locker durch zählen und mit anderen Motortechnologien durch 
Gabellichtschranken oder einen Hallsensor erreichen. Ich denke ich 
brauche hier kein Closed-Loop.

Ich glaube das wichtige wäre, und da bräuchte ich eure Hilfe, einen 
Antrieb zu haben der das Rad schnell beschleunigt und wieder abbremst, 
sodass ich die 90° in 50...80ms schaffe. Mit der Randbedingung großer 
Lebensdauer, sodass ein Bürstenmotor vermutlich ausscheidet? Eigentlich 
war ich der Meinung, dass 90°/50ms -> 5U/s = 300 U/min für einen Stepper 
noch zu schaffen sein sollten. Weiters hätte ich dann geschaut, dass das 
Drehmoment bei V=0 Groß genug ist um das Trägheitsmoment zu 
beschleunigen, dann könnte ich auf eine Rampe verzichten. Wobei auch 
diese Denkbar wäre. Was mir schwer fällt ist den Wirkungsgrad der 
Übersetzung zu schätzen.

von Michael H. (mueckerich)


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was schrieb:
> Welches moderne Smartphone inkl. beweglicher Bauteile hält 2 Jahre
> Dauerbetrieb durch?
> Keines.

Die Behauptung ist schlichtweg Quatsch. Ich hab mein Xperia nach 6 
Jahren in der Ruhestand geschickt. Die Dinger halten schon wenn man sie 
nicht gerade jeden Tag durch die Gegend schmeißt oder sich drauf setzt 
weil man das Ding in der A...tasche trägt. Im übrigen hatte ich das 
Xperia täglich in Gebrauch.

von ZF (Gast)


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Hallo Christoph,

wie groß ist denn der Strahl? Eventuell ein Hubmagnet? Mit so 
angetriebenen Shuttern (Verschlussvorhangprinzip) hatte ich schon zu 
tun, der war schnell (und ist ordentlich gegen den Anschlag geklonkt), 
aber ich weiß nicht wie schnell, das war kein Kriterium bei uns. Auf 
jeden Fall sollte die bewegte Masse so gering wie Möglich sein. 
Vielleicht kann man den Verschluss aus einer SLR Kamera recyceln, die 
sollen angeblich so 100000 Öffnungsvorgänge halten.

Gibt es ein festes Strahl an-aus Tastverhältnis? Dann würde ich über ein 
ständig rotierendes Chopperrad mit entsprechender Geometrie nachdenken, 
Antrieb mit Servo- oder Steppermotor, erspart das Anfahren und Bremsen.

von Christian B. (luckyfu)


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Christoph K. schrieb:
> Eigentlich
> war ich der Meinung, dass 90°/50ms -> 5U/s = 300 U/min für einen Stepper
> noch zu schaffen sein sollten. Weiters hätte ich dann geschaut, dass das
> Drehmoment bei V=0 Groß genug ist um das Trägheitsmoment zu
> beschleunigen, dann könnte ich auf eine Rampe verzichten.

Ich denke, mit einem Schrittmotor passt das schon. Da du aber nur 
geringen Bauraum hast muss der möglichst klein sein. Das wiederum 
impliziert, dass du auf die Rampen eher nicht verzichten kannst. (weil 
sonst das Drehmoment nicht ausreicht) Es gibt aber mittlerweile 
verschiedene Treiber, die auch mehr als nur eine Lineare Rampe bauen. 
Bei fixen Positionen kann man sicher auch mit einem Controller und 
entsprechender Lookup table arbeiten. Ich hab das hier in der Firma bei 
einem Galvo mal gemacht. Die Originalschaltung schaltete hart zwischen 3 
Spannungswerten (+, 0 -) um. Wir brauchten aber 4 Positionen bei höherer 
Geschwindigkeit und gleichzeitig weniger Wärmeentwicklung. Ich hab das 
Biest dann mittels Sinusförmiger Änderung der Werte angesteuert. Effekt: 
alle 3 Vorgaben wurden erfüllt. Da die harten Start und Bremsmanöver 
wegfielen wurde die Erwärmung stark reduziert und gleichzeitig wurde das 
Teil deutlich schneller (mehr als 3 mal so schnell). Die Anzahl der 
anzufahrenden Positionen ist nun nahezu beliebig Skalierbar. Man brauch 
halt dann nur eine Lookup table im Excel berechnen, die dem Controller 
gegeben wird. Der fährt die dann Punkt für Punkt ab. Du brauchst also 
nur einen Timer dafür und je nachdem, wieviele Stützstellen du brauchst 
entsprechend viel (oder wenig) Speicher. Ich hab den Speicherbedarf noch 
reduziert, da ich nur einen Quadranten gespeichert habe. Der Rest wird 
durch Drehen und Spiegeln dieses Quadranten erreicht. Multipliziert mit 
dem jeweiligen Offset der Positionen geht das sehr schnell und doch 
Platzsparend mit relativ hoher Auflösung.

p.s.: orange ist der Vorgabewert, welchen der Controller über DAC 
ausgibt und grün ist die Position, die der Galvo hat. man sieht, dass 
dieser zwar zeitlich mit einem Offset, aber ohne Überschwingen folgt 
(wichtig, damit das schnell wird).

: Bearbeitet durch User
von Udo S. (urschmitt)


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Christoph K. schrieb:
> Durch die Änderung der Anordnung ist eine Positionierung nur auf ca. 5°
> genau erforderlich. Man könnte also die Position mit dem Schrittmotor
> locker durch zählen und mit anderen Motortechnologien durch
> Gabellichtschranken oder einen Hallsensor erreichen. Ich denke ich
> brauche hier kein Closed-Loop.

Das klingt für mich irgendwie nach: "Ich will das mit einem Schrittmotor 
machen und warte darauf, bis jemand sagt mach das so".

Wenn du es so machen willst dann mach es.

Mit einem Schrittmotor kannst du Schritte zählen wenn du dir sicher bist 
dass keine verloren gehen.
Warum haben Servoantriebe keine Schrittmotoren? Richtig, weil ein DC, 
BLDC oder Drehstrommotor bei gleicher Größe mehr Leistung hat also eine 
gegebene Last schneller positionieren kann.
Und warum haben die dann eine Regelung? Richtig, weil ohne Schritte 
zählen man den Istwert erfassen und regeln muss. Und man damit genau 
positionieren kann, bis hin zur Leistungsgrenze.

Dass ein DC Motor nicht lange hält ist eine Mär. Wie oft soll denn der 
Motor am Tag stellen? Wir hatten früher DC-Motore in Kartenlesern von 
Geldautomaten. Die haben Jahre gehalten und die Automaten standen an 
Flughäfen und Bahnhöfen, waren also stark frequentiert. Man sollte halt 
mal bei Herstellern wie Maxon oder Faulhaber schauen. Die können dir 
auch was über die Lebensdauer sagen.
Ausserdem hatte ich oben geschrieben, dass du auch einen BLDC Motor samt 
passendem Motortreiber nehmen könntest.

Aber ich bin nur Laie und habe selber nicht viel mit Motoren gemacht, 
vieleicht kommen boch bessere Tipps von den Profis.

von Christoph K. (christoph_k314)


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Danke für deinen Beitrag Christian.

Ich habe anbei mal ein Bild meiner Lösung. Das ist allerdings eben die 
Variante mit dem Direktantrieb die ich nicht verwenden möchte. Da ist 
das Filterrad quasi mit der Achse orthogonal zum Strahl was einige 
Nachteile optischer Natur und beim Einbau hat.

Rot: Current Waveform

Blau: Gesamtfahrweg mit Lasertriangulation gemessen
Grün: Ende des Fahrwegs, Lasertriangulation mit sehr hoher Auflösung 
(selbes Signal wie blau, andere Skalierung)

Es klappt also super. Ich kann den Stepper über den FPGA mit beliebigen 
Rampen etc versorgen. Ich habe quasi keine Schwingung bei Erreichen der 
Position trotz open loop.

Ich würde das jetzt allerdings gerne eben über eine Übersetzung auf ein 
außen verzahntes Filterrad machen. Da fehlt mir ein bisschen der 
Überblick.

Grüße

von Stefan M. (derwisch)


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An den TO:

Falls ich es nicht übersehen habe, schreibst Du nichts zu den 
Abmessungen der ganzen Dinge und dazu, welche Massen da bewegt werden 
müssen.
Das ist bei der geforderten Geschwindigkeit ja nicht ganz unwichtig.

von Christian B. (luckyfu)


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Naja, dann kommt halt noch das Übersetzungsverhältnis und das 
Umkehrspiel mit hinzu, was ausgeglichen oder zumindest beachtet werden 
sollte. Ansonsten sehe ich da keine großen Ansteuerprobleme, erst recht 
nicht, wenn es jetzt schon funktioniert. Der Rest ist dann halt 
Mechanik.

von Christoph K. (christoph_k314)


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Udo S. schrieb:
> Dass ein DC Motor nicht lange hält ist eine Mär. Wie oft soll denn der
> Motor am Tag stellen? Wir hatten früher DC-Motore in Kartenlesern von
> Geldautomaten. Die haben Jahre gehalten und die Automaten standen an
> Flughäfen und Bahnhöfen, waren also stark frequentiert. Man sollte halt
> mal bei Herstellern wie Maxon oder Faulhaber schauen. Die können dir
> auch was über die Lebensdauer sagen.
> Ausserdem hatte ich oben geschrieben, dass du auch einen BLDC Motor samt
> passendem Motortreiber nehmen könntest.

Je nach Messung kann es Vorkommen, dass das Filterrad mit 10Hz im 
Dauerbetrieb läuft. Und das über Jahre.

Ich sage nicht, dass ein Schrittmotor ein muss ist. Aber aus Aufwands 
und Kostengründen möchte ich den Closed Loop weg nur gehen wenn es 
anders nicht geht. Und das es Open Loop geht habe ich ja schon gezeigt. 
Ich möchte jetzt nur auf das Getriebe umstellen.

von Udo S. (urschmitt)


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Christoph K. schrieb:
> Ich möchte jetzt nur auf das Getriebe umstellen.

Ok, bei einem 2:1 Getriebe kannst du bei Zahnrädern soweit ich weiss von 
einem Wirkungsgrad 0,8 bis 0,9 ausgehen. Kommt halt auch auf das 
Material/Materialpaarung an.

Wenn das 2 Jahre ununterbrochen läuft dann ist allerdings ein DC Motor 
eher nicht empfehlenswert.
Du solltest aber eine Möglichkeit vorsehen, zumindest an einer Stelle 
des Rads einen Referenzpunkt zu haben damit sich evt. Fehler im Zählen 
nicht irgendwann doch zu weit aufaddieren.

von Christoph K. (christoph_k314)


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Udo S. schrieb:
> Christoph K. schrieb:
>> Ich möchte jetzt nur auf das Getriebe umstellen.
>
> Ok, bei einem 2:1 Getriebe kannst du bei Zahnrädern soweit ich weiss von
> einem Wirkungsgrad 0,8 bis 0,9 ausgehen. Kommt halt auch auf das
> Material/Materialpaarung an.
>
> Wenn das 2 Jahre ununterbrochen läuft dann ist allerdings ein DC Motor
> eher nicht empfehlenswert.
> Du solltest aber eine Möglichkeit vorsehen, zumindest an einer Stelle
> des Rads einen Referenzpunkt zu haben damit sich evt. Fehler im Zählen
> nicht irgendwann doch zu weit aufaddieren.

Aktuell hatte ich PP geplant und ggf. ein Teflonritzel auf dem Stepper 
und ein Igus Gleitlager für des Filterrad.

von Christian B. (luckyfu)


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Einen Referenzpunkt brauch man so oder so. Sonst weiß die Maschine ja am 
Anfang nicht, wo sie gerade steht. ob man den zwischendrin nochmal 
anfährt ist dann eine Frage der Angst bzw. der Sicherheit.

Wir haben auch schon eine Hohlwelle mittels Schrittmotor gedreht. In 
dieser Hohlwelle ist ein optisches Element. Diese Hohlwelle wird mit 
einem Magnetencoder abgefragt und liefert einen aktuellen Positionswert, 
welcher sehr viel höher aufgelöst ist, als der Schrittmotor zu stellen 
vermag. Damit kann man sich aber das Nullpunkt suchen beim Einschalten 
sparen und die Einflüsse des Getriebes werden ebenfalls kompensiert. 
(Passende Sensorchips gibts bei ic-Haus)

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Du solltest Dir vielleicht einmal die Closed-Loop-Schrittmotoren von 
Orientalmotor anschauen. Bei denen funktioniert das Nachregeln der 
Motorposition ganz ausgezeichnet. Sehr praktisch ist dabei auch, dass 
man mit dem Konfigurationsprogramm MEXE-02 sowohl an den Parametern 
herumschrauben als auch verschiedene Diagramme auslesen kann. Damit kann 
man auch sehr gut Vibrationen, Überschwinger usw. erkennen und dann ggf. 
die Steilheiten der jeweiligen Rampen anpassen.

https://www.orientalmotor.de/Products/Stepper_motors/Closed_loop_stepper_motor_packages/

von Udo S. (urschmitt)


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Christian B. schrieb:
> Einen Referenzpunkt brauch man so oder so. Sonst weiß die Maschine ja am
> Anfang nicht, wo sie gerade steht. ob man den zwischendrin nochmal
> anfährt ist dann eine Frage der Angst bzw. der Sicherheit.

Man kann ja immer wieder neu referenzieren wenn man an dem Punkt 
vorbeikommt.

von Christoph K. (christoph_k314)


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Anbei mal noch eine Überblick über die aktuelle Konstruktion.

Ich hoffe dass sich das mit dem selben Motor auf die "Getriebelösung" 
umstellen lässt. Man sieht bei den beiden Oszi-Bildern schön wie viel 
das Tuning der Motorparameter bei der Resonanz im Erreichen der Position 
ausmacht.

von Henrik V. (henrik_v)


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Filterrad mit Gleichstrommotor (ggf BL wg Lebensdauer) rotieren lassen 
und über einen Markerimpuls bei den gewünschten Filtern den Sensor 
triggern?

von Christoph K. (christoph_k314)


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Henrik V. schrieb:
> Filterrad mit Gleichstrommotor (ggf BL wg Lebensdauer) rotieren lassen
> und über einen Markerimpuls bei den gewünschten Filtern den Sensor
> triggern?

Ist eine nette Idee, wird in einem anderen Fall (Blitzlampe) auch so 
gemacht. Geht hier aber nicht. Der Wechsel ist zeitlich nicht konstant. 
Ich muss quasi mit 10Hz frei entscheiden können ob auf oder zu.

von Christoph K. (christoph_k314)



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Hallo zusammen,

ich habe mal ein kleines Update mit ein paar Fragen angereichert:

Die Konstruktion sieht jetzt wie Folgt aus:

*2 Pom-Zahnräder Modul 0.5 mit 84 Zähnen
*Igus Gleitlager
*Aluminium Filterrad

Zusammen macht das ~1.417 kgm^2 Trägheitsmoment

Der Motor kann laut Graph ca. 0.17 Nm von 0...500rpm

-> ich setze Umax auf 500 rpm
-> ich teile das maximale Drehmoment durch zwei um einen Worst-Case für 
Reibung / Getriebewirkungsgrad anzunehmen

als Bewegungsprofil nehme ich ein Trapez an mit identischer 
Beschleunigungs und Bremsphase, dazwischen Uconst = Umax

Ich beschleunige mit alpha = 0.5*M / Trägheitsmoment

dabei erhalte ich folgendes Ergebnis (siehe Anhang). Ist das 
realistisch? Ich komme auf ca. 20ms ....

Grüße und Danke

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