Hi,
für ein Modellbauprojekt (nicht meins, unterstützte nur) muss ich
folgende Dinge implementieren. Ich brauche einen mechanischen Aufbau mit
dessen Hilfe ich mit einem Motor und Zubehör einen Drehwinkel im Bereich
-90° und +90° stufenlos (stufenlos = 0,1° genau bzw. Auflösung)
einstellen kann. Der Winkel soll mit einer einstellbaren Geschwindigkeit
angefahren werden können (0,5°/s - 90°/s). Während des Einstellen des
Winkels soll das Drehmoment stöndig gemessen werden mit dem ich den
Winkel einstellen muss. Ich möchte zum einen das aufgebrachte Drehmoment
wissen und das Verfahren des Winkel stoppen wenn ein zu hohes Drehmoment
aufgebracht werden muss. Das Drehmoment soll in einem Bereich bis ca. 5
Nm mit einer Auflösung/Genauigkeit von 0,1 Nm. Ich möchte gerne mir dann
eine Drehmoment Winkel Kurve aufzeigen lassen, später soll es dann
selbstständig an Hand vom Drehmoment und Winkelvorgabe entsprechend
einstellen.
Die mechanischen Abmessungen des Systems/Motor können ca. 50x50x200 mm
sein.
Im ersten Schritt um den Aufwand gering zu halten, könnte ich mir eine
"fertige" Lösung in Form von Hardware/Mechanik vorstellen, d.h. ich wäre
da auch bereit 300-400 € zu investieren. Wenn das dann so funktioniert,
würde ich auch ein Wenig mehr Zeit reinstecken können und einen
selbstgebastelten Aufbau zu erstellen (wenn das billiger wird).
- Welche Art von Motor eignet sich sowas?
- Gibts da integrierte Lösungen wo Drehmoment und Winkel im Motor messen
können?
- Gibt sowas auch was fertiges als Servo?
Ich bin mechanisch eine Vollpfeife, aber hab schon viele C/C++
programmiert. Wenn mir Sensoren entsprechend die Eingabedaten
(Drehmoment und Ist-Winkel) zur Verfügung stellen, könnte ich die
Regelung selbstständig programmieren.
Die Regelung ist am einfachsten mit einem DC-Motor zu implementieren.bei
5NM und einem Bauraum einer mit einem (Planeten-) Getriebe vorne Drauf.
Dann ein Drehmomentsensor für Wellenmontage und ganz vorne (nicht hinten
beim Motor) den Encoder.
Der Rest ist easy.
In einem Gleichstrommotor (permanent- oder fremderregt) ist das
Drehmoment in weiten Grenzen proportional zum Ankerstrom.
Die Sollbeschreibung liest sich wie die Beschreibung eines Servos, das
es durchaus bis 5Nm gibt. Allerdings sind - wie so oft - die
Genauigkeitsanforderungen eher praxisfern. 0,1° bei 180° Gesamtwinkel
sind 1/1800 = 0,55 %, das ist mit Basteln schon schwierig.
Mir ist kein Standardservo mit einstellbarer Geschwindigkeit bekannt,
das muss aber nichts heissen, bin seit vielen Jahren nicht mehr
modellbauerisch aktiv.
Malte schrieb:> mit dessen Hilfe ich mit einem Motor und Zubehör einen Drehwinkel im> Bereich -90° und +90° stufenlos (stufenlos = 0,1° genau bzw. Auflösung)> einstellen kann. Der Winkel soll mit einer einstellbaren Geschwindigkeit> angefahren werden können (0,5°/s - 90°/s).
Schrittmotor mit 1:18 Zahnriemenuntersetzung, Abtriebsleistung und
Haltemoment >5Nm
Malte schrieb:> Das Drehmoment soll in einem Bereich bis ca. 5 Nm mit einer> Auflösung/Genauigkeit von 0,1 Nm.
Teuer
https://www.distrelec.de/de/drehmomentsensor-bidirektional-nm-ncte-2200-5nm/p/13759841
0,1° bei 180° Gesamtwinkel sind 0,055%. Das sind Größenordnungen, wo ich
nicht mehr im Bereich Modellbau suche.
Bei solchen Anforderungen schaue ich dann doch eher bei den
industriellen Anbietern, die Motor und Ansteuerung aufeinander
abgestimmt anbieten. Das sind dann Faulhaber, Groschopp, Dunkermotoren,
Maxon und andere oder auch bei Firmen, die Automatisierungslösungen
anbieten. Preislich aber 4-stellig und somit deutlich über den 400€
Budget.
Bei 0,1° Winkelgenauigkeit ist auch schon ein eingeschränktes
Getriebespiel nötig um die entsprechende Wiederholgenauigkeit bei
verschiedenen Belastungsrichtungen zu erhalten, was sich zusätzlich auf
den Preis auswirkt (Harmonic Drives sind spielfrei, kosten leider und
die Anzahl der Hersteller ist klein).
und 2% Drehmomentauflösung ist auch nicht ohne. Für mich geht das dann
auch schon in Richtung Drehmomentenmesswelle - leider auch im gehobenen
Preissegment zu finden.
Ich empfehle hier, noch mal einen Schritt zurück zu gehen und zu
schauen, ob diese Genauigkeiten und die Flexibilität in der
Geschwindigkeit wirklich benötigt werden und erstmal mit einem
hochwertigen digitalen Modellbauservo zu beginnen (eher Futaba als
Graupner, es gibt welche, denen man den Soll-Winkel digital mitteilen
kann und nicht auf die PWM angewiesen ist). Wenn das nachweislich nicht
reicht, dann erst die höherwertigen Optionen angehen.
Mario P.
Vielen Dank für die Antworten.
Mario P. schrieb:> Ich empfehle hier, noch mal einen Schritt zurück zu gehen und zu> schauen, ob diese Genauigkeiten und die Flexibilität in der> Geschwindigkeit wirklich benötigt werden und erstmal mit einem> hochwertigen digitalen Modellbauservo zu beginnen (eher Futaba als> Graupner, es gibt welche, denen man den Soll-Winkel digital mitteilen> kann und nicht auf die PWM angewiesen ist). Wenn das nachweislich nicht> reicht, dann erst die höherwertigen Optionen angehen.
Wie ich schon geschrieben habe, bin ich mechanisch ein Vollpfosten...
Aber ich glaube das wird die richtige Vorgehensweise sein, sich nochmal
über die Anforderungen Gedanken zu machen.
MaWin schrieb:> Teuer> https://www.distrelec.de/de/drehmomentsensor-bidirektional-nm-ncte-2200-5nm/p/13759841
Wenn ich die Preise für Drehmomentsensoren mir so anschaue in der
Genauigkeitsklasse, da wird es mir ja schwindelig. Ich hab bei vielen
Herstellern jetzt keine Preise gefunden, aber wird das nur ansatzweise
günstiger wenn man von der Genauigkeit Abstriche macht (z.B. 0,5 Nm)
oder bleibt da nur die Möglichkeit über den Strom zu messen?
Man könnte vll auch folgendes versuchen:
Eine möglichst starr an den Motor gekoppelte Stahlwelle mit definiertem
Querschnitt und Einschnürung als Drehfederelement.
Am Antrieb und Abtrieb der Welle ein Drehencoder.
Die Winkeldifferenz ist dann proportional zum Drehmoment, solange du
dich im elastischen Bereich der Drehfeder bewegst.
Auflösung ist dann abhängig von der Auflösung der Drehencoder und der
Elastizität (Durchmesser) der Welle. Je elastischer die Welle, desto
grösser die Auflösung...aber das hat seine Grenze...nämlich dann wenn
der plastische bereich (bleibender Verformung) eintritt.
Siehe wiki unter Berechnung:
https://de.m.wikipedia.org/wiki/Drehstabfeder
Malte schrieb:> Wenn ich die Preise für Drehmomentsensoren mir so anschaue in der> Genauigkeitsklasse, da wird es mir ja schwindelig.
Drehmoment-Messwellen sind teuer wie du festgestellt hast. Aber das kann
man billiger lösen. Gibt hier einen älteren Thread, incl. meinem Senf
dazu :-)
Beitrag "Re: Drehmoment/Gewicht messen"
Hab hier mal was interessantes gefunden:
https://www.magtrol.com/germany/product/torque-transducers/
In der Rubrik "Funktionsprinzipien" wird erklärt wie es funktioniert.
Die messen das Drehmoment mittels zwei Spulen.
Das Prinzip kannte ich bisher gar nicht. Das liest sich für mich so, als
würde das so ähnlich funktionieren wie Schlupf bei einem
Asynchronmotor...salopp ausgedrückt?!
Ich kenne es so, dass auf einer Welle eine Whestonsche DMS-Brücke
aufgeklebt ist, welche dann entweder über Schleifkontakte oder induktiv
ausgelesen werden kann.
Malte schrieb:> oder bleibt da nur die Möglichkeit über den Strom zu messen?
Viel zu ungenau.
Und bei Schrittmotoren nicht möglich, die brauchen immer 'genug' Strom.
Dehnungsmesstreifen sind genau. Man könnte über ungenauere Messmethoden
nachdenken, wie federnde Verbindungen und dann den Drehwinkelessen aber
das geht auf die Positioniergenauigkeit.
Das kann man wiederum kompensieren (weiter fahren als nötig, damit die
Achse den Sollwert erreicht) aber das macht die Sache nicht einfacher.
MaWin schrieb:> Das kann man wiederum kompensieren (weiter fahren als nötig, damit die> Achse den Sollwert erreicht) aber das macht die Sache nicht einfacher.
Man weiß doch anhand dem einen Drehwinkelgebers, wie weit am Abtrieb
gefahren wurde, also man kennt somit die Position am Abtrieb...und über
den Winkelunterschied der beiden Drehgeber erhält man dann das Moment.
Bei einem full-closed-loop CNC System mit Servomotor (mit integriertem
Drehwinkelgeber) und Glasmassstab als Achsenreferenz funktionierts doch
genauso...irgendwo hat man immer Elastizitäten die man ausregeln muss.
Die Sprungantwort der Regelung darf eben keine Überschwinger
haben...also blaue Kurve.
An meinen Roboter (7 Freiheitsgrade) habe ich das mit eisenlosen
Glockenanker-Getriebemotoren von Maxxon in Verbindung mit Servopotis
gelöst.
Die Servopotis haben die Position vorgegeben, und über den Motorstrom
wurden die Kräfte gemessen.
Der Roboter konnte vom rohen Ei bis zur Sektflasche auf einem Radius von
65cm alles handhaben. Er konnte innen oder aussen greifen. Analogrechner
haben für die Sicherheit gesorgt. 1982 war das noch üblich.
Hallo MaWin,
MaWin schrieb:> Malte schrieb:>> oder bleibt da nur die Möglichkeit über den Strom zu messen?>> Viel zu ungenau.>> Und bei Schrittmotoren nicht möglich, die brauchen immer 'genug' Strom.
Unsinn, auch Schrittmotoren gibt es mit Encoder und im Closed-Loop
Betrieb. Dann kann man auch über den Strom das Drehmoment messen. Das
Rastmoment des Motors begrenzt aber die Genauigkeit, Messgenauigkeiten
<5% würde ich da nicht erwarten.
Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann
Thorsten O. schrieb:> Messgenauigkeiten <5% würde ich da nicht erwarten.
Dann würde diese Möglichkeit wegfallen (laut Anforderungen des TO).
Das sprach auch schon Mario an:
Mario P. schrieb:> 0,1° bei 180° Gesamtwinkel sind 0,055%.
Paul schrieb:> Dann würde diese Möglichkeit wegfallen (laut Anforderungen des TO).> Das sprach auch schon Mario an:
Er meint die Messgenaugkeit des Drehmoments, nicht der Position.
Aber um Drehmoment messen zu wollen statt einem Drehmomentsensor (den
man übrigens auch an der Halterung des Motors anbringen könnte statt an
der Welle) lieber eine closed loop Regelung mit höchstauflösendem
Encoder einzusetzen weil der Motor es eben alleine nicht kann, ist
reichlich widersinnig.
MaWin schrieb:> Er meint die Messgenaugkeit des Drehmoments, nicht der Position.
Wenn er sagt:
Malte schrieb:> einen Drehwinkel im Bereich -90° und +90° stufenlos> (stufenlos = 0,1° genau bzw. Auflösung)
dann meint er mit "Drehwinkel" deiner Meinung nach das Drehmoment? ;-)
MaWin schrieb:
>Paul schrieb:>> Dann würde diese Möglichkeit wegfallen (laut Anforderungen des TO).>> Das sprach auch schon Mario an:>Er meint die Messgenaugkeit des Drehmoments, nicht der Position.
Ich hatte beides angegeben (hier zusammengefaßt):
Drehwinkel: 0,1° bei 180° Gesamtwinkel sind 0,055%.
Drehmoment: 0,1Nm bei 5Nm Maximalmoment sind 2%
Für die Drehmomentermittlung ist der Verweis auf den Beitrag im Post
Beitrag "Re: Drehmoment und Drehwinkel messen" eine
deutlich günstigere Alternative, mit der durchaus auch die 2% Auflösung
erreicht werden können. Schnelle Drehzahländerungen verfälschen
allerdings etwas die Messung wegen der Masseträgheit und der
Nachgiebigkeit des Systems aus Gestell, Motor, Getriebe, Hebelarm und
Kraftmesszelle, können aber durch zuvor ermittelte Korrekturwerte in den
Griff bekommen werden.
Mario
Mario P. schrieb:
Schnelle Drehzahländerungen verfälschen
> allerdings etwas die Messung wegen der Masseträgheit und der> Nachgiebigkeit des Systems aus Gestell, Motor, Getriebe, Hebelarm und> Kraftmesszelle, können aber durch zuvor ermittelte Korrekturwerte in den> Griff bekommen werden.
Das ist aber immer so...bei dem einen Aufbau mehr, beim anderen weniger.
Elastizitäten, Spiele und Massenträgheiten gibts immer.
U. a. deswegen gibts ja full-closed-loop Systeme, die sowas
einfach...wie soll ich sagen..."ignorieren". Ein Inkrementalgeber oder
was auch immer (egal ob rotatorisch oder translatorisch) an dem Teil,
dass schlussendlich die benötigte Bewegung ausführt...den interessieren
die ganzen Elastizitäten, etc. die davor auftreten nicht. Lediglich die
Massenträgheiten und Reibung zieht sich natürlich durchs ganze
System...und das steuert dann die Regelung hinsichtlich Position,
Geschwindigkeit und Beschleunigung.
Aber solange man nicht weiß, was damit wirklich gemacht werden
soll...sind Tipps von low-tech bis high-tech dabei...
Mario P. schrieb:> Schnelle Drehzahländerungen verfälschen> allerdings etwas die Messung wegen der Masseträgheit und der> Nachgiebigkeit des Systems aus Gestell, Motor, Getriebe, Hebelarm und> Kraftmesszelle,
Welche Nachgiebigkeit meinst du? Man baut das üblicherweise so stabil
dass sich da nix bewegt. Es liegt nur die Abstützkraft des Drehmoments
immer an der Kraftmessdose an. Das MTM hat ohne Bewegung somit auch
keinen Einfluss.
