Welche Lager bei Pendelantrieb

[julius12345]

hallo,

Ich baue gerade an einem Pendelantrieb.
Der Antrieb soll in der Lage sein ein 4 Meter langes und 10Kg schweres Pendel anzuregen. (auf 2 Achsen)
Die beiden Achsen werden von 2 Schrittmotoren angetrieben, die im 5 Gelenk System zusammen die Antriebsstange bewegen.

Soweit klappt Alles.
jetzt ist die frage wie Lager ich den Punkt, an dem die Kraft von den beiden Steppern auf die Stange übergeht? (rot/grün/blau in den Abbildungen)

Die Stange muss sich axial ein bisschen hoch und runter bewegen können.
Die Stange muss sich um bis zu 15 Grad in aller Richtungen neigen können.
Die beiden Arme (grün/blau) müssen sich radial zueinander und der Stange bewegen können.

Das einzige was mir einfällt ist einfach ein Linear-Lager ein Gelenklager und Zwei Radial-Kugellager ineinander zu Schachteln, wie in der einen Abbildung.

Leider komme ich da bei einer Welle von 10mm nur durch die Lager schon auf 72mm Lager Umfang.

Hat da jemand eine bessere Idee?
das muss doch irgendwie eleganter gehen.

[ranke]

Dein Lagervorschlag scheint mir auch aus funktioneller Sicht nicht günstig zu sein. Das Linearlager wird wegen des Eigengewichts der Schubstange tendenziell an dem Pendel herunterrutschen, was entsprechende Biege- und Torsionsmomente in der Kinematik bis zum Motor verursacht. Wenn die Axialbewegung des Pendels klein ist im Vergleich zur Länge der Schubstangen, sollte man die Schubstangen beidseitig mit einem Kugelkopf (alternativ einseitig Kugelkopf, andere Seite Kreuzgelenk) ausstatten. Die Axialbewegung des Pendels kann dann duch Verkippen der Schubstangen aus der Waagerechten ausgeglichen werden.
Übrigens glaube ich nicht, dass zur Anregung ein Stepper günstig ist - Schrittmotoren sind ideal um definierte Winkel zu verfahren aber nicht günstig um definierte Momente aufzubringen.

[julius12345]

vielen dank!
das hilft schon mal weiter! ich hatte es mir so ehnlich auch schon überlegt, es aber aus irgendeinem Grund wieder verworfen. ich werde es nochmal aufzeichnen.

was die Stepper angeht.
was ist den besser geeignet? Servos? was fuer welche? wie steure ich die an?
ich habe nur Übung mit Schrittmotoren und kleinen modellbau servos.

[ranke]

Gewöhnliche permanentmagneterregte Gleichstrommotoren haben ein Moment, das einigermaßen proportional zum Ankerstrom ist. Allerdings sind gewöhnliche Motoren darauf nicht optimiert, das Moment schwankt über den Drehwinkel und Reibung (Bürsten) gehen als zusätzliche Unsicherheit ein. Außerdem wird man vermutlich ein Getriebe verwenden um eine akzeptable Auslenkungskraft zu erzielen, die Reibung im Getriebe geht dann nochmals als Unsicherheit in die Auslenkungskraft ein.

Alternativ sollte man darüber nachdenken, ein elastisches Glied (Feder) in den Kraftfluß einzubauen, zusätzlich ein Sensor, der die Verformung der Feder (und damit die aufgebrachte Auslenkungskraft) mißt. Die Anteuerung des Antriebsmotors wird also nach diesem Sensor geregelt. In diesem Fall kann man z.B. auch wieder Schrittmotoren einsetzen oder Getriebemotoren. Wenn es nur ein bißchen genau werden soll, sollte man keine Elastomere als Federn einsetzen weil deren Federkonstante stark temperaturabhängig ist. Metallfedern wären die bessere Wahl.

[julius12345]

vielen dank nochmal.

ok, die Federwirkung habe ich mir eigentlich im Pendel selber gedacht. das hängt nämlich nicht direkt an der Stange sondern an einem flexiblen Kabel, was an der Stange hängt.
Da ich über einen optischen Sensor weiß, wo sich das Pendel befindet, weiss ich auch wie doll ich mit dem Schrittmotor ziehen kann ohne das er schritte verliert.

das mit den federn ist aber auch eine gute idee. Ich teste das gleich mal per Hand aus.

Was die Motor Auswahl angeht, war es mir wichtig, dass ich kein hohen Drehzahlen habe, weil das ganze so leise wie möglich arbeiten soll.
Schrittmotoren mit microsteps betrieben, sind glaube ich leiser als ein normaler Getriebe-Bürstenmotor.
Bei bürstenlosen Servo Motoren weiß ich das nicht.

was die Lager angeht. der einzige Nachteil bei der doppelten Gelenklager Lösung ist, dass dann der antrieb über Gleitlager statt über Kugellager läuft. Ist die die Reibung viel höher? ich finde da irgendwie kein guten verglich im Internet.

[ranke]

ok, die Federwirkung habe ich mir eigentlich im Pendel selber gedacht. das hängt nämlich nicht direkt an der Stange sondern an einem flexiblen Kabel, was an der Stange hängt.

Das ändert die Situation natürlich.

Was die Motor Auswahl angeht, war es mir wichtig, dass ich kein hohen Drehzahlen habe, weil das ganze so leise wie möglich arbeiten soll.

Hast Du Dir denn schon durchgerechnet, welche Momente von den Motoren aufgebracht werden müssen um das Pendel abzustützen? Ich glaube nicht, dass Du Dich dann noch über die Reibung in einem Kreuzgelenk sorgst. Ich glaube auch nicht, dass Du danach noch Motoren ohne Getriebe verwenden willst.
Scheibenwischermotoren sind recht kräftig, günstig und einigermaßen leise.

[julius12345]

ich habe es nicht ausgerechnet wieviel kraft ich brauche, aber ich habe es ungefähr abgeschätzt. eine Übersetzung von 1:5 oder 1:10 waere sinnvoll. viel mehr geht nicht, weil der Stepper bei höheren Geschwindigkeiten sonst wieder an kraft verliert.
Mit eine Übersetzung mit nur einem Zwischenzahnrad komme ich auf 1:6.5. damit habe ich dann 19.5 Nm
das ist schon eine ganze menge, wenn das Pendel nur 10Kg wiegt.
das Pendel soll ja außerdem nicht von null auf hundert in 5 Sekunden. Im Prinzip soll es mit jedem mal hin und her nur ein bisschen mehr kinetische Energie verpasst bekommen und sich so hoch schaukeln. der Motor muss also theoretisch nur in der Lage sein die Reibunsverluste der gesamten Konstruktion aufzuheben, und eben noch ein bisschen mehr, um das ganze ins rollen zu bringen. Ohne Reibung Pendelt ein Pendel ja ewig, wenn es einmal angestoßen wurde.

Es liegt dann an einer guten Programmierung, das so zu machen, das die Stepper immer nur so viel Energie rein stecken wie sie können.

An scheibenwischer motoren habe ich auch schon gedacht, allerdings wird da die steuerung schwer. Ich will das das Pendel auch linear pendeln kann in beliebige Richtungen. Ich weiß nicht wie ich so eine präzise Steuerung mit einem Scheibenwischer Motor realisieren soll.
Außerdem mag ich das Geräusch von den Dingern nicht nicht.
so etwas könnte ich mir noch vorstellen:
http://de.nanotec.com/servomotor_db87.html

leider sehr teuer. dazu noch ein Getriebe und Encoder und schon bin ich bei 800 euro nur fuer die Motoren.... plus das was ich noch brauche um die Dinger mit Strom zu versorgen.

Da komme ich mit Schrittmotoren mit weniger Geld auf ein höheres Drehmoment.

oder?

[ranke]

der Motor muss also theoretisch nur in der Lage sein die Reibunsverluste der gesamten Konstruktion aufzuheben, und eben noch ein bisschen mehr, um das ganze ins rollen zu bringen.

Im Prinzip kann das wohl so gehen. Es ist auch eine Frage, wie präzise die Stellung des Pendels (in Bezug auf die Pendelstange) bestimmt werden kann.

Zur Lagerreibung (Gleitlager): Üblicherweise rechnet man mit Mr = Fn * my * r
mit:
Mr : Reibmoment im Lager
Fn : Normalkraft (senkrecht zur Achse des Lagerbolzens)
my: je nach Werkstoff und Schmierung etwa 0,1 bis 0,2
r: halber Durchmesser des Lagerbolzens