Linear-Antrieb

[indeas]

Hallo,

suche einen Aktor, der eine Linearbewegung realisiert:
- 20mm Hub
- Linearer Zusammenhang zwischen Strom und Kraft
- Halbwegs lineare Kraft- Weg Kennlinie: konstanter Strom ergibt die ungefähr gleiche Kraft egal an welcher Position.
- möglichst klein (Durchmesser maximal 25mm, Länge maximal 80mm)

Habe schon mit diversen Prototypen auf Voice-Coil Basis experimentiert und bin für Ideen und Vorschläge dankbar.

[malthy]

Moin,

wäre eine über eine Spindel angetriebene Linearachse da nicht nicht eine einfache Möglichkeit?

Gruß
Malte

[indeas]

Nein, eine Spindel ist viel zu langsam. Wir möchten im Bereich von ms Dinge bewegen. Es werden auch nur 10N Maximalkraft (kurzzeitig) benötigt.
Das Teil soll auch noch >10mio Hübe schaffen.

[malthy]

Das passt jetzt von den Dimensionen nicht und ist außerdem ausverkauft, aber bei Pollin gab's mal sowas (http://www.pollin.de/shop/dt/MzU1OTg2OTk-/Motoren/Schrittmotoren/Schrittmotor_MOONS_14HY7002_06.html) - nur so zur Erläuterung des oben Gesagten.


25841

Edit:

Okay sorry, warst mit deinem Anschlussposting schneller. Vielleicht schreibst du dann aber erstmal alle Randbedingungen hin, dann kann man besser überlegen.

[indeas]

Erstmal Danke für die Info - jeder Vorschlag ist willkommen. Hatte die Spindel schon (kategorisch) ausgeschlossen. Denke jetzt aber trotzdem nochmal darüber nach....

[malthy]

Was heißt denn "im Bereich von ms"? 1 ms, 10 ms, oder 100 ms für die 20 mm? Und brauchst du denn auch noch eine Positionsregelung bei diesen schnellen Stellzeiten?

[indeas]

Die Verstellzeit für den kompletten Hub sollte im Leerlauf bei <2ms sein.
Eine Positionsregelung kommt im zweiten Schritt auch noch dazu. Wir möchten das über einen linearen Hall-Sensor (z.B. AS5304 von AMS) realisieren. Die Wegmessung sitzt aber woanders.
Leistung (=Regelreserve) steht ausreichend zur Verfügung (100W sind kein Problem).

[malthy]

Mit dem AS5304 hatte ich schonmal "Umgang". Mit 20 mm/2 ms seid ihr schon bei 50% der Datenblattangabe für die maximale Geschwindigkeit (20 m/s). Bei kleiner >2 ms kommt ihr dann schon an das Maximum - und die 20 m/s ist eben eine Datenblattangabe, also ein Wert aus einer Werbebroschüre (mal böse formuliert). Das andere Problem ist die Abtastung des Quadratursignals, wenn ich jetzt auf die Schnelle richtig rechne, resultieren für 20 mm bei 4 mm Pollänge (AS5304) 20/4 * 160 Flanken/2ms. Das wären 400 kHz. Das Quadratursignal muss man praktisch mindestens mit doppelter Freq. (> 800 kHz) abtasten, meiner Erfahrung mit dem AS5304 nach sogar noch schneller (wegen Asymmetrie des Quadratursignals [wobei ich nicht sagen kann, ob das in meinem Falle am Sensor oder am Magnetring lag]). Das kommt mir jetzt schon nicht mehr ganz trivial vor. 1 MHz Abtastung mit einem 8 MHz RISC µC bedeutet gerade noch 8 Assembler Befehle zum Auswerten des Quadratursignals, das wird wohl nicht möglich sein. Das klingt dann schon eher nach CPLD oder FPGA zum Auswerten. Vermutlich ist dir das alles bekannt - und lösbar ist das sicherlich auch irgendwie. Ich wollte nur einmal aus meiner - nur semiprofessionellen (wenn überhaupt :-)) - Perspektive sagen, dass ich das nicht für ganz so einfach halte.

Gruß
Malte

[indeas]

Dein Abschätzung ist korrekt. Wobei die Auswertung mit einem Hardware Quadratur-Encoder-Interface (QEI) erfolgt. Die Positionserfassung ist mit einem DSP eigentlich kein Thema. Das kritische ist eher die elektromagnetische Zeitkonstante des Antriebs.

[Joe23]

Hi Indeas,

20mm in 2ms ist schon eine Hausnummer.

Hier würden mir zwei Dinge einfallen:

1.) Elektromagnetischer Hubmagnet -> Stellzeit und Stellweg sollten kein Problem darstellen, allerdings wirds hier schwierig mit Zwischenpositionen

2.) Antrieb selber bauen -> Miniaturführung, Zahnstange auf den Führungswagen, Ritzel an Antriebsmotor-> Konstante Kraft über Hubbereich, Kraft ~ Strom
Bei 10N Kraft unbedingt Getriebe (wegen max. Durchmesser Winkelgetriebe) zwischen Ritzel und Antriebsmotor (Massenträgheit reduziert sich mit i2). Dynamik sollte mit Schrittmotor oder DC-Motor kein Problem darstellen (Encoder sind hier Pflicht)
Umkehrspiel beachten. Größe scheint mir hier das Problem zu sein.

Vielleicht gibts du uns noch ein paar Angaben zu dem Einsatzzweck oder warum die Größe so limitiert ist...dann könnten sich noch weiteren Ideen/Möglichkeiten ergeben.

Gruß Joe

[Ostermann]

Die Dynamik ist mit einem Schrittmotor sehr wohl ein Problem. Rechne einfach mal nach, wieviel Schritte/s der Motor für den Hub machen müsste, und das (fast) ganz ohne Beschleunigungsrampe. 20mm in 2ms bedeutet 10m/s! Wenn ein Motor 10 U/s schafft sind das 2.000 Vollschritte pro Sekunde oder 4 Vollschritte in 2ms. Also müsste der Motor pro Vollschritt 5mm(!) Hub machen.

Entweder macht man die Spindelsteigung sehr groß, damit der Motor noch mitkommt. Dann hat man aber kaum Kraft. Oder die Spindelsteigung ist klein, dann ist der Motor zu langsam.

Ich habe mal versucht sowas für eine Automotive-Anwendung zu realisieren. Ich war von Anfang an der Meinung, dass ein Schrittmotor nicht der richtige Antrieb ist. Der Kunde wußte es natürlich besser. Hinterher hat er sich dann beschwert, das der Antrieb zu langsam ist.

Das kann man eigentlich nur über Voice-Coils oder Linearmotoren machen, oder vielleicht noch über einen sehr schnellen EC-Motor mit entsprechender Bewegungsumwandlung (Schubkurbel o.ä.)

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[redround]

muss jede beleibige Zwischenposition angefahren werden können (wenn ja, mit welcher Genauigkeit) oder ist die Anzahl der Positionen begrenzt? In letzterem Fall wäre ggf. Pneumatik noch ein Thema. Einzelne Zwischenpositionen könnte man über magnetgesteuerte Anschläge realisieren.

[PsiQ]

Also am einfachsten aber nicht genauesten wäre ein Hubmagnet, der zusätzlich zur Schwerkraft noch eine Zugfeder / Rückholfeder hat.
Über die Spannung+Strom bzw PWM ergibt sich die EndPosition.
Das Problem daran wäre aber, dass man alle Stellungen gegenmessen muss, da die Auslenkung eben -nicht- linear ist,
da die Hubmagenten für Ein/Aus gedacht sind, also eigentlich nur 2 Positionen.

.. Son Hub kennt man sonst nur vom dicken Subwoofer, aber der ist nicht für DC sondern AC und brennt auch durch.

Wenns größer sein darf, wäre ein dicker Hubmagnet möglich, wobei die höhe der Auslenkung über einen Hebel bestimmt wird. Je dichter der Angriffspunkt an der Drehachse,
umso größer der Ausschlag.

Wenns über ne Drehbwegung erfolgen darf, wäre eine Lösung mit Schrittmotor und Exzenterwelle alla Kurbelwelle im Motor möglich,
wobei da eben die Drehzahl/Speed wieder kritisch ist.
Die Billiglösung davon wäre mitm Servo machbar, aber "so schnell" ist wohl wieder teuer.
Digitalservos haben wohl eine Stellzeiten bis 70mS runter, also 35ms wenn man nicht 60° braucht...
http://www.rcheli-store.de/Elektronik-Elektrik/Servos/Servos/MKS/MKS-DS-92-Micro-Digital-Servo.htm?shop=rcheli&SessionId=&a=article&ProdNr=MTT-S0018001&t=4271&c=11134&p=11134