(Hoch-) Präziser Motor für Pan/Tilt-Vorrichtung gesucht

[BlueGene]

Hallo,

ich plane grad einen Panoramakopf basierend auf folgendem Design:

http://www.servocity.com/html/pt-2100_pan__tilt_system.html

Verwendet werden soll die Vorrichtung vor Allem für Timelapse-Aufnahmen, d.h. es wird ein Bild gemacht, die Achsen minimal bewegt, ein Bild gemacht, bewegt usw.

Auf der vertikalen Drehachse komme ich etwa auf 1000 Bilder (einzelnen Bewegungen) pro 90°. Auf der horizontalen Drehachse bei 1000 Bildern etwa auf 45°-90°

Ich habe bereits schon einmal einen Panoramakopf gebaut. Verwendet wurden dort Schrittmotoren in Verbindung mit Schneckengetrieben. Jedoch ist es ziemlich schwierig Schneckenrad und Schnecke so auszurichten, dass es weder klemmt noch Spiel hat, daher würde ich diesmal gern anders konstruieren. Ziel des neuen Panoramakopfs ist es den Schwerpunkt der Kamera so weit wie möglich abzusenken und somit die Stabiltät zu erhöhen.

Das wichtigste Kriterium ist die Spielfreiheit, ich belichte ab und zu mehrere Sekunden, daher ist es wichtig, dass die Vorrichtung absolut ruhig und stabil ist. Ich habe bereits einen Schrittmotor mit Planetengetriebe(1:27) probiert, jedoch ist Spiel so groß, dass es später deutlich im Bild erkennbar ist.

Gibt es irgendwo kostengünstige Getriebeboxen, die ein sehr geringes Spiel aufweisen? Es muss nicht unbedingt wieder ein Schrittmotor sein, ich könnte mir auch vorstellen Getriebegleichstrommotoren mit entsprechenden Encodern zu verwenden, jedoch bin ich bisher nicht fündig geworden.

Der Hebelarm ist etwa 90mm, Gewicht von der Spiegelreflexkamera max. 2 kg, es ergibt sich also ein Drehmoment von ca. 1,7 Nm bzw. 18 kg-cm, das der Motor/Getriebe bewältigen muss. Bei den Zahnriemenrädern ergibt sich ein Verhältnis von 18:44, dementsprechend sinkt das Moment auf ca. 0,7 Nm bzw. 7,4 kg-cm. Mein jetziger Schrittmotor packt etwa 3,2 kg-cm, ich könnte zwar noch eine weitere Untersetzung mit weiteren Zahnriemen erreichen, jedoch würde das die Konstruktion wieder verkomplizieren und bedeutet größeres Gewicht...

[Geistesblitz]

Na das günstigste wäre doch, wenn der Schwerpunkt der Kamera, zusammen mit dem Schwenkarm der Vorrichtung, genau auf der Drehachse liegt. Dann ist der Hebelarm nämlich 0, also kein statisches Moment, alles, was der Motor dann noch überwinden müsste, wären die Massenträgheitsmomente beim Beschleunigen. Da du eh nur langsame Bewegungen ausführen willst, sollte das kaum ins Gewicht fallen.

Wegen der Präzision: meine erste Idee wäre Schrittmotor mit Zahnriemen und einer Ansteuerung mit Microstepping. Gängig sind ja 1,8° Schrittwinkel (200 Schritte pro Umdrehung), manchmal findet man auch welche mit 0,9° (400 Schritte pro Umdrehung). Wenn man nun eine Steuerung nimmt, die 16-tel Schrittmodus hat, könnte man das schon auf auf 0,1125° Schrittwinkel bzw. 3200 Schritte pro Umdrehung bringen (bzw. entsprechend feiner bei der 0,9°-Variante). Dann noch eine Zahnriemenübersetzung 3:1 oder sowas und die Präzision wird nur noch von der Lagerung und der Struktursteifigkeit des Pan-Tilt-Heads begrenzt. Dadurch, dass die Kamera dann auch im Schwerpukt gelagert ist, zieht im Stillstand nix mehr am Riemen und am Motor, und vernünftig gespannte Zahnriemen kann man auch weitestgehend als spielfrei annehmen.

[Besserwessi]

Ein gewisses Moment gegen das der Motor arbeiten muss ist schon von Vorteil - das verhindert nämlich das Spiel weitgehend, weil die Zahnräder immer an der einen Seite Belastet werden. Bei der Vertikalen Ache hilft es ggf. so einen Belastung (z.B. Feder) absichtlich dazu zu fügen.
Von der Übersetzung ist vor allem ein wirklich großes Rad auf der Ausgangsseite hilfreich, so dass man mit wenigen (ideal 1) Stufen auskommt. Zahnrad und Schnecke ist da schon keine so schlechte Wahl - ggf. auch einfach mit Feder, die die Schnecke andrückt, also mit konstanter Kraft statt genauer Position.

Bei den Mikroschritten muss man etwas aufpassen die sind bei normalen Schrittmotoren nicht unbedingt alle gleich groß. Es gibt zwar eine hohe Auflösung, aber keine so große Genauigkeit. Da es wohl nicht auf eine hohe Dynamik oder viel Leistung ankommt, ist ein Schrittmotor schon eine gute Wahl.

[BlueGene]

Hier mal meine aktuelle Idee:
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Na das günstigste wäre doch, wenn der Schwerpunkt der Kamera, zusammen mit dem Schwenkarm der Vorrichtung, genau auf der Drehachse liegt. Dann ist der Hebelarm nämlich 0

Also dann so hier?
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So in etwa ist es bei der 1.Variante gelöst, bloß mit Schneckengetriebe:
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Klar, wenn ich es so löse, habe ich kein/kaum Moment, dass bewältigt werden muss. Problem bei der Zahnriemenvariante ist aber die Sicherheit beim Ausfall der Motoren/Steuerung. Ist zwar bisher nicht vorgekommen, kann aber natürlich aus welchen Gründen auch immer passieren... Beim Schneckengetriebe bleibt es einfach durch die Selbsthemmung an der Position. Beim Zahnriemen kippt es auf jeden Fall, d.h. entweder geht das Display oder die Linse am Objektiv kaputt, was natürlich auf jeden Fall verhindert werden muss.
Durch den Hebel bzw. den versetzten Schwerpunkt pendelt es einfach in die Ausgangslage.

[Geistesblitz]

Nein, eher wie in deinem ersten Bild. Der Schwerpunkt liegt ja irgendwo mitten in der Kamera, nicht an der unteren Kante. Es wäre praktisch, so nahe wie möglich da ran zu kommen, damit das den Hebelarm minimiert. Wie Besserwessi schon anmerkt, muss man gar nicht mal unbdeingt im Schwerpunkt arbeiten, es kann von Vorteil sein, ein bisschen Hebelarm zu lassen, da es sonst zu leicht für die Kamera ist, um die Ruhelage zu schwingen, wenn das System völlig entspannt ist. Wenn das Objektiv gewechselt wird, ist es sowieso schwierig, die Kamera immer im Schwerpunkt aufzuhängen. Allerdings stimmt es, dass dann die Selbsthemmung fehlt, und Schrittmotoren mit Haltebremse sind schon um einiges teurer.

Das mit den ungenauen Schritten beim Microschrittbetrieb stimmt natürlich, hätte ich mit erwähnen sollen, aber dafür kann man ja die Übersetzung am Zahnriemen höher wählen, damit man sozusagen eine höhere Genauigkeit hat, als man eigentlich braucht. Dann sollte es auf jeden Fall genau genug sein.

Mal aus Interesse: wie ist eigentlich die senkrechte Drehachse gelagert? Sieht in dem Bild ein wenig wackelig aus, kann man aber auch nicht mit Sicherheit sagen, weil nicht viel davon zu sehen ist.

[Besserwessi]

Von der Form passt der 1. Vorschlag schon gut - ggf. die Kamera minimal nach vorne oder hinten versetzt. Den Schwerpunkt extra über die Kamera zu verschieben bringt nur Instabilität und ein vom Winkel abhängiges Moment. Die Achse in der selben Höhe (oder gar etwas über dem Schwerpunkt) ist schon gut - ein kleiner Versatz (vielleicht 10 mm) nach vorne / hinten bringt schon genug Moment um das Getriebe vorzuspannen. Wenn es nicht so viel ist und die Übersetzung groß (etwa 1:20) reicht ggf. schon das Rastmoment des Schrittmotors als Selbsthemmung.

[BlueGene]

Nein, eher wie in deinem ersten Bild

Dann verstehe ich nicht genau was zu damit meinst, dass der Hebelarm null wird:

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Die Kamera ist ja an der unteren Platte befestigt, dementsprechend wirkt auch dort die Gewichtskraft (1 kg *9,81 m/s^2). Zusammen mit dem Hebel (90mm) ergibt sich somit ein Moment von etwa 0,9 Nm. Das kann ich ja schlecht reduzieren, oder? (Klar, ich könnte jetzt Gegengewichte auf die andere Seite packen^^)

Um den Schwerpunkt an Kamera/Objektiv anpassen zu können, habe ich so einen Makroschlitten hier:

http://www.impulsfoto.de/makrofotografie/makroset/zwischenringe-schlitten/makroset-automatik-zwischenringe-3-teilig-zwei-wege-makroschlitten-fuer-canon-ef-ef-s-eos-1100d-1000d-600d-550d-500d-450d-400d-350d-300d-60d-50d-40d-30d-20d-10d-7d-5d-5d-mark-ii-1ds-serie-1d/a-13018/

Meine jetzigen Schrittmotoren betreibe ich mit 1/8-Schritten, 1/16 haben irgendwie Probleme bereitet.

Für die Lagerung kommen folgende Lager zum Einsatz:

http://www.servocity.com/html/swivel_hub__545364_.html

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Ich würde dann einfach durch die Zahnriemenscheibe die entsprechenden Löcher bohren und somit direkt daran fixieren. Ich habe lange nach so einem Axiallager gesucht, leider sind das alles Zoll-Maße und Gewinde :( Eine echte Alternative hab ich nicht gefunden

[Geistesblitz]

Hmm, ok, wenn das Lager funktioniert. Ich hab es jedenfalls so gelernt, dass eine Welle im Idealfall mit 2 Lagern gelagert wird, um eben auch Kippmomente aufnehmen zu können.

Wegen dem Hebelarm: ok, anscheinend hast du da gerade einen Knoten in den Gedanken. Wenn die Kamera so befestigt ist, dann leitet sie in den Hebel ja schon ein Gegenmoment ein. Nur, weil die Kamera nur unten am Hebel befestigt ist, heißt das nicht, dass ihr Gewicht nach unten zieht. Die Gewichtskraft eines Körpers greift immer im Schwerpunkt an, dabei lässt sich die Kamera mit dem Hebel zusammen als ein Körper betrachten. Demnach ist dann das Moment die Gewichtskraft der Kamera mit Hebel multipliziert mit dem effektiven Hebel, und der ist der Abstand zwischen Drehachse und Schwerpunkt.

Ich hab zur Erklärung mal eine Skizze angefertigt, da sieht man, wie sich der Hebelarm bei beiden Konstruktionen unterscheidet:
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[BlueGene]

Ich hab jetzt die Kamera und alles andere etwas genauer konstruiert und alle Massen eingegeben. Der Schwerpunkt liegt jetzt ungefähr auf der Drehachse und die Drehmomentberechnung liefert ein zu vernachlässigendes Moment, das System ist also fast ausgeglichen.

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Jetzt bleibt noch die Frage nach der Auflösung. Moment habe ich Schrittmotoren mit 200 Schritten (1,8°) und 1/8-Schritte verwendet. Unter 1/8-Schritte möchte ich eigentlich nicht gehen. Mit meiner geplanten Zahnriemenuntersetzung von 18:44 komme ich somit auf 3911 Schritte pro 360°, was mir aber noch zu wenig ist.

Es gibt zwei Möglichkeiten die Auflösung zu erhöhen: Schrittmotoren mit 400 Schritten(0,9°) oder noch eine weitere Zahmriemenuntersetzung.

Bei 0,9°-Motoren ergeben sich 7822 Schritte pro 360°, was ausreichen würde.

Eine zweite Zahnriemenuntersetzung (Motor( 18 )-->Zwischenachse( 44 / 18 )-->Drehachse(44)) mit 1,8°-Motoren liefert 9560 Schritte pro 360°, was natürlich ideal wäre.

Eine zweite Zahnriemenuntersetzung ist von der Konstruktion her aufwendig als einfach einen anderen Motor zu nehmen. Ich habe bisher nur mit 1,8°-Motoren gearbeitet, sind die 0,9°-Motoren ungenauer oder kann ich bedenkenlos einfach annehmen, dass ich die doppelte Anzahl an Schritten zur Verfügung habe?

Und ich bin mir noch wegen den Zahnriemen unsicher, es gibt ja T-Profile, AT-Profile und HTD-Profile. Ist es für meine Anwendung egal welchen ich nehmen, oder machen sich die Unterschiede in der Präzision schon bemerkbar?

[Geistesblitz]

0,9° Motoren wäre sicher eine Option, ob die ungenauer arbeiten weiß ich aber nicht, hab bisher nur mit 1,8° und gröber gearbeitet. Ich vermute mal, dass die bei Belastung eher Schritte verlieren, aber das ist wirklich nur eine Vermutung. Da du eh kaum Last zu bewegen hast, sollte das zu vernachlässigen sein.
Ansonsten könntest du auch einfach die Übersetzung des Zahnriemenantriebs verändern, solange alles von wegen Umschlingungswinkel passt (der lässt sich dann aber auch mit Umlenkrollen wieder anpassen). Die 18er-Zahnscheiben gehen nicht kleiner? Und die 44er-Scheibe lässt sich nicht vergrößern? Mit 16:50 wärst du beispielsweise schon bei 5000 Schritten pro Umdrehung, aber ließe sich ja noch weiterführen.

[ranke]

Mit den 0,9° Motoren ist wohl eine größere Positioniergenauigkeit zu erreichen, allerdings nicht so genau wie du willst. Besserwessi hat schon weiter oben angedeutet dass die Aufteilung in Mikroschritte die Positioniergenauigkeit nicht wesentlich verbessert, ein konkretes Beispiel dazu findest du hier:
https://www.roboternetz.de/community/threads/9180-Schrittmotor-Halbschrittasymmetrie-ausnutzen?
Das bedeutet nicht dass Mikroschritt schlecht wäre, es vermindert Schrittverluste durch Resonanzen. Nur beim Positionieren gibt es eben relativ früh Grenzen.
Wenn du Zahnriemen verwenden willst, schau mal das TN10 oder TN15 Profil (http://skr.biz/Produkte/Zahnriemen/Zahnriemen-E1008.htm) an.
Ansonsten ist wohl HTD auch praktisch spielfrei.
Preiswerter kommt man wohl mit einer ein- bis zweistufigen Zahnraduntersetzung weg, wobei man für die letzte Stufe ein großes Zahnrad im Abtrieb spendieren sollte. Um Spiel zu vermeiden kann die Räder mit einer Feder andrücken. Ein Polygoneffekt könnte man mit einer Schrägverzahnung minimieren.