Mechanik für stabile lineare Bewegung

[Unregistriert]

Hallo Leute,

ich bräuchte mal eure Hilfe.

Wie setze ich am besten eine lineare Bewegung um? Es geht um ein kleines Flacheisen, welches eine Bewegung von ca. 3-4 cm ausführen soll. Das Flacheisen hat einen eher geringeren Widerstand. Die Mechanik ist mit mittlere Armkraft zu betätigen.
Das ganze soll sehr schnell und sehr zuverlässig arbeiten.

Über jede Idee/Information bin ich dankbar. Bin Neuling auf dem Gebiet ansonsten sehr gutes technische Verständnis.

Viele Grüße
Daniel

[Manf]

Gefällt Dir irgend etwas hiervon so dass man es näher betrachten kann?

https://www.google.de/search?q=lineare+Bewegung&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwijxaznjenLAhUG-Q4KHd48C10Q_AUIBygB&biw=1011&bih=683

http://images.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Felcis.elcis-encoder.com%2FITALIANO%2Fimmagini%2Futilization.JP G&imgrefurl=http%3A%2F%2Felcis.elcis-encoder.com%2FTEDESCO%2Fgeneralita%2Futilizzacentr o.html&h=300&w=650&tbnid=DCrBhq1V4V2ApM%3A&docid=6mtr7Bl_b-v2EM&ei=EST8VpfpEsTbPIzul8gH&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=707&page=1&start=0&ndsp=10&ved=0ahUKEwjXteTqjenLAhXELQ8KHQz3BXkQrQMIHjAA

[i_make_it]

eine Bewegung von ca. 3-4 cm ausführen

Das ganze soll sehr schnell und sehr zuverlässig arbeiten.


Sehr schnell ist leider keine präzise Aussage.
Meine Modell Verbrennermotoren die so 40mm Hub haben, haben eine Drehzahl bis zu 25.000U/min.
Also ist ziemlich schnell für mich im Bereich von über 30m/s.
Allerdings handelt es sich dort um gechmierte Führungen mit entsprechender Präzision.

Neben der Info das es sich um eine lineare Bewegung von 3-4cm handelt fehlen also noch informationen über die Führung, wie man die Kraft einkoppeln kann, wie schnell, sehr schnell ist und vorallem was mit zuverlässig genau gemeint ist.
Wie oft die Bewegung auszuführen ist und wie lange das Teil unbewegt welchen Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist (Extremfall festrosten).

[Unregistriert]

Danke ihr zwei für eure antworten.
Und einmal mehr wichtige Details vergessen, so ist das wenn man sich in etwas noch gar nicht auskennt.

Die Bewegung dient einer Erfindung, welche noch nicht geschützt ist, weshalb ich nicht genauer drauf eingehen kann.

-Die Zeit für die volle Bewegung (hin und zurück - also ca 6-8 cm) sollte unter zwei Sekunden liegen. Nicht viel schneller als eine Sekunde.

-Die ankopplung ist frei. Im Moment soll sie an ein Flacheisen der Maße 1cm x 0,4cm übertragen werden. (Länge spielt denke ich ja keine Rolle aber ca 10cm).

-Das ganze wird eine kleine Maschinen der ungefähren Maße von 0,25cm × 0,25cm × 0,40cm (b x t x h). Wird aber auch vielleicht im freien eingesetzt. Da das System aber recht geschlossen ist sollte der Punkt Rost etc keine Rolle spielen, oder?

-Die Bewegung wird wohl hauptsächlich zwischen 500mal und 2000 mal am Tag aufgeführt.

Vielen vielen Dank für eure Hilfe!

Daniel

[ranke]

Das ganze wird eine kleine Maschinen der ungefähren Maße von 0,25cm × 0,25cm × 0,40cm (b x t x h).
Eine Kubatur von nur 25 Kubikmillimeter ist allerdings außergewöhnlich kompakt.

Da das System aber recht geschlossen ist sollte der Punkt Rost etc keine Rolle spielen, oder?
Entweder hundertprozentig (druck-)dicht, oder Rost spielt eine Rolle. Das kann man aber eventuell noch mal gesondert diskutieren.
Woher soll denn die Antriebsenergie für die Bewegung kommen?

[Unregistriert]

Mist!
Meter nicht cm!
Bis auf das Flacheisen, ein Kabel, einem An/Aus Schalter und einem Sensor oder einem mechanischen Schalter ist die Maschine 100% dicht. Generell wohl sehr dicht...

[i_make_it]

-Die Zeit für die volle Bewegung (hin und zurück - also ca 6-8 cm) sollte unter zwei Sekunden liegen. Nicht viel schneller als eine Sekunde.
-Die ankopplung ist frei.


Gehen wir von einer Sekunde aus,
Dann sind die 4cm hin in 0.5s und die 4cm zurück ebenfalls in 0,5s auszuführen.
Also von Geschwindigkeit 0m/s in 0,25s, auf einer Strecke von 2cm beschleunigen bis zur Maximalgeschwindigkeit, dann in weiteren 0,25s auf weiteren 2cm wieder abbremsen bis 0m/s und dann in umgekehrter Richtung das selbe noch mal bis man wieder an der Ausgangsposition ist.
Man kann in erster Näherung also mit v=0,16m/s und a=0,64m/s² rechnen.
Das sind Werte die mit gleitenden Führungen problemlos zu bewältigen sind.



ein Flacheisen der Maße 1cm x 0,4cm übertragen werden. (Länge spielt denke ich ja keine Rolle aber ca 10cm).


Bei einer Führung kommt es grade auf die Seitenverhältnisse an.
Ein Gedankenexperiment: nimm einen Balken 10cm * 10cm * 100cm.
Einmal längs in einer 10cm * 10cm Führung von 50cm Länge.
Das lässt sich ganz gut bewegen.
Anderes Extrem: den Balken quer nehmen mit einer Führung von 10cm * 100cm mit 50cm Länge.
Wenn man da jetzt versucht den nun 100cm breiten aber nur 10cm langen Balken zu bewegen, wird das ständig verkanten.

Also das zu bewegende Teil ist 4mm * 10mm * 100mm groß, bei 40mm Hub.
Damit kann die Führungslänge also mit minimum 60mm angenommen werden.
Das kommt in den Abmessungen einem Meßschieber (Schieblehre) nahe.
Also eine Flachführung:
https://metallwarriors.files.wordpress.com/2015/04/375-2-flachfc3bchrung.png?w=648

Hier kommt es dann auch noch auf die Werkstoffpaarung an.
Eine Stahl auf Messing/Bronze Führung z.B. rostet nicht fest und hat selbstschmierende Eigenschaften.



Wird aber auch vielleicht im freien eingesetzt. Da das System aber recht geschlossen ist sollte der Punkt Rost etc keine Rolle spielen, oder?

Feuchtigkeit kommt fast überall hin.
Wenn das System nicht Wasserdicht ist, spielt Rost immer noch eine Rolle.
Es geht hier nicht um ein totales verrosten, sondern das beim Rosten eine Volumenzunahme stattfindet.
Bei einer Spielpassung einer Führung mit 0,05mm Luft ist da schnell schluß.
Also plant man entweder regelmäßiges Ölen/Fetten ein oder ändert den Werkstoff.



-Die Bewegung wird wohl hauptsächlich zwischen 500mal und 2000 mal am Tag aufgeführt.


Mal ausgehend von 2000 Betätigungen am Tag und 260 Tagen pro Jahr (365/7*5) wären das 520.000 Zyklen pro jahr.
Bei 365 Tagen, 730.000 Zyklen pro Jahr.

Der Verschleiß beeinflußt auch die Lebensdauer, Werkstoffauswahl (von Kunststoff bis zu gehärtetem Stahl)
Das spielt also alles bei der Konstruktion mit ein.
Lässt sich das Bauteil leicht und schnell wechseln und kostet nicht viel oder ist Das Bauteil so komplex/hoch belastet/teuer, das es entsprechend langliebig kostruiert sein muß.

[Manf]

Typisch gut erprobte und preiswerte Führungen gibt in der Ausführung als Kugelauszüge.

http://www.ebay.de/itm/like/131040971934?lpid=106&chn=ps&ul_noapp=true

[i_make_it]

Typisch gut erprobte und preiswerte Führungen gibt in der Ausführung als Kugelauszüge.

http://www.ebay.de/itm/like/131040971934?lpid=106&chn=ps&ul_noapp=true

@Manf: wenn Du einen hast in 100mm*10mm*4mm Baugröße mit 40mm Hub, darfst Du mir die Quelle bitte auch nennen, da ich an so kleinen Lösungen auch immer interessiert bin.
Ich fürchte nämlich was Du vorschlägst, ist etwas groß.
In meiner Lehre haben wir sowas noch als Schwalbenschwanzführung von Hand gefeilt.

Spontan fällt mir ein 4x10x200mm HSS Drehmeißel Stahl ein. durch den Chromgehalt schon etwas rostträge.
Müsste man ggf. in einem etwas größerem Grillfeuer glühen, damit man ihn ohne Sonderwerkzeuge bearbeiten kann.

[Unregistriert]

@make_it: Daanke für deinen ausführlichen Post. Das war viel mehr als erwartet!

Ich hätte erwähnen sollen,
dass das Material eigentlich frei ist. Um die Mechanik zu testen habe ich ein Flacheisen benutzt. Generell muss es einer Zugentlastung von mittlere Armkraft standhalten. Ich habe leider kein Kraftmesser und kann nicht genauer drauf eingehen.
Der Vorschub findet fast Widerstandslos statt. Erst beim zurückziehen ist eine relative Kraft von Nöten. Würde man das Flacheisen an eine Schnur hängen könnte man die Mechanik dennoch mit dem kleinsten Finger betätigen (zurückziehen) es wäre jedoch nicht so angenehm. Ich hoffe damit den Kraftaufwand etwas eingeschränkt zu haben.

Welche Materialien in welcher Führung mit welchem Motor würdest du dann vorschlagen?

-Dichtigkeit: Das Kabel und die Schalter kann man ja Wasserdicht verbauen. Lediglich der Fühler der den Zyklus starten soll und die "Stange" - damit meine ich das Flacheisen, aus welchem Material auch immer es später bestehen mag - sind "Schwachstellen" um das Gehäuse vollständig Wasserdicht zu machen. Die Maschine sollte jedoch wartungsfrei funktionieren und eine Laufzeit von mindestens 3 eher 5 Jahren haben. Hauptanwendung ist in geschlossen, aber bestimmt nicht sehr trockenen Räumen.

[Manf]

wenn Du einen hast in 100mm*10mm*4mm Baugröße mit 40mm Hub
Ich wollte nur erst einam anmerken dass ich die Teile so gut finde, dass ich sogar ein paar auf Vorrat hier liegen habe.
10mm*17mm*150mm sind welche groß, von Pollin oder vom lokalen Werkzeugshop Kustermann.

Mit 45mm Länge des Kugelkastens, haben sie einen riesigen Hub von 190mm.
Für eine kompaktere Anwendungen habe ich auch schon welche abgesägt und entsprechend mit Anschlägen versehen.

[Unregistriert]

@Manf: Danke für deine Idee aber ich bräuchte eher etwas individuelles und keine fertig Lösung. Das ganze wird patentiert deshalb möchte ich möglichst alles selbst machen. Desweiteren kann ich mir eine solche schiene nicht als ideal Lösung vorstellen...

[Unregistriert]

Die Form der Zugstange ist übrigens egal. Sollte nur ca den Maßen entsprechen- so klein wie möglich so groß wie nötig.

[i_make_it]

Hauptanwendung ist in geschlossen, aber bestimmt nicht sehr trockenen Räumen.

Bis 50% rel. Luftfeuchte bei über 20°C besteht kein besonders großes Risiko (sonst würde in einem normalen Wohnraum in der Zeit auch alles verrosten, passiert aber nur dort wo hygroskopische Stoffe wie z.B. Salze auf blankem Stahl das Wasser anziehen).
Der genaue Zusammenhang wird über den Taupunkt geregelt.
Es ist also Druck und Temperaturabhängig ab wann die Luftfeuchte kondensiert und zum Problem wird.
Bei Anwesenheit von hygroskopische Stoffen, verschiebt sich das Ganze natürlich zum schlechteren.



Die Maschine sollte jedoch wartungsfrei funktionieren und eine Laufzeit von mindestens 3 eher 5 Jahren haben.

Laufzeit von 5 Jahren, das sind dann bis zu 3.650.000 Arbeitszyklen, ausgehend von den schon bekannten Werten.
Da Wartungsfrei zu bleiben, heist ordentlich konstruieren und die richtigen Bauteile wählen.
Die Führung eines Tintenstrahldruckers hat was die Zyklenzahl und Wartungsfreiheit angeht ähnliche Werte.
Also ein maßhaltiges, poliertes, gehärtetes Chromstahl Teil gepaart mit "for Life" geschmierten oder PTFE Gleitlagern.



Generell muss es einer Zugentlastung von mittlere Armkraft standhalten. Ich habe leider kein Kraftmesser und kann nicht genauer drauf eingehen.

Nach DIN 33411 ist die waagerechte mittlere Armzugkraft von Männern (50% der maximalen Armkraft) 100N.
Kommt jetzt auf den Kraftwinkel an welchen Werkstoff man braucht, bzw. ob das überhaupt geht.
4mm*10mm=40mm²
100N/40mm²=2,5N/mm²
Wirkt die Kraft als Zugkraft auf den 4mm*10mm*100mm Stab, ist das kein Problem. Als Querkraft kommt es drauf an auf welche Seite sie wirkt. 4mm setzen einer Kraft halt weniger entgegen wie 10mm.
https://de.wikipedia.org/wiki/Balkentheorie

Als Kraftmesser für Zugkräfte kann man eine einfache Federwaage nehmen, gibts schon ab 5€. Da lohnt sich noch nicht mal der Selbstbau.



Welche Materialien in welcher Führung mit welchem Motor würdest du dann vorschlagen?

Eine Rundführung wäre kostengünstig, aber die Krafteinleitung könnte dann nur am Ende des Stabs erfolgen.
Eine Flachführung erlaubt bei 10mm Breite des Stabs, knapp 4mm für eine Ankopplung an den Antrieb, z.B. per Zahnstange.
Bei einer Längskraft (Zug- oder Druckkraft) von 100N muß der Motor diese Kraft
(plus einiges mehr um die Beschleunigung und Endgeschwindigkeit zu erreichen) aufbringen können.
Bei einer Querkraft, wirken die 100N wie bei ener Backenbremse mit nur einem Backen. Es ist die resultierende Reibkraft zu überwinden.
Da kommte es auf die Kontaktfläche und den Reibungsbeiwert an.
Dieser ist von der Oberflächenbeschaffenheit (Rautiefe: Spiegelglatt kontra Schleifpapier) und Härte der Teile (weicher Werkstoff kann sich elastisch oder sogar plastisch verformen so das wegen Formschluß keine Bewegung mehr möglich ist) abhängig.




Bezüglich des Motors ist auch noch die Frage wie man am besten eine 3cm vor- und rückschub Bewegung realisiert die automatisch durchgeführt wird. Eventuell mit anschlag das eine Bewegung von 3 aber auch von 4 cm möglich wäre.

Wenn die Bewegung immer exakt den gleichen Hub hat und immer einganzer Zyklus stattfindet, kann man wie bei einem Motor mit Kurbelwelle (Exzenter) und Bleulstange arbeiten.
So genannte Exzenterpressen z.B. nutzen genau dieses Prinzip.
https://de.wikipedia.org/wiki/Exzenterpresse
Soll die hin und her Bewegung zeitlich jeweils unabhängig von einander stattfinden, ist diese Lösung eher ungünstig.

Bei einer Zahnstangen - Ritzel Kombination muß man anhand der äußerne Kräfte, die kräfte die Auf die Verzahnung wirken ermitteln.
Danach dimensioniert man dann die Verzahnung (abhängig vom Werkstoff, Messing ist nicht so fest wie Stahl) so das es nicht zu einem Zahnbruch kommt.
Daraus ergeben sich dann der minimale Durchmesser des Ritzels und darüber das notwendige Drehmoment des Motors.
Ist schon ein bischen Rechnerei, aber eigentlich ist das meiste nur Hebelgesetz.

[Vittex]

Einmal mehr vielen Dank für die ausführliche Antwort.

Ich dachte es wäre klar, dass keine Querkräfte fließen. Und das Flacheisen in den Maßen ist überhaupt keineine Pflicht. Am Ende ist das einzig entscheidende ein Winkel, der ca. 1cm breit ist. Die Stange kann also rund sein.
Ich hab hierzu folgendes gefunden: http://www.igus.de/wpck/2407/DryLin_R_Lineargleitlager
Demnach würde ich eine Welle als Zugstange benutzen.
Da es um einen Prototypen geht für eine Gebrauchsmuster Anmeldung muss er ja lediglich gut funktionieren, die anderen Faktoren sind erstmal zu vernachlässigen.
Die Kraft der deutlich zu hoch angesetzt. Habe den Winkel in seiner Funktion verbessert und es sind max 8kg eher 5kg Zugkraft.

Eine Exzentrische Lösung wäre für den Prototypen möglich, später für das Endgerät eventuell nicht mehr, da vielleicht zwei verschiedenen Strecken/Hübe gebraucht werden.

Eine letzte große Frage:
Gerne auch links - sofern dann selbst studierbar finde aber zu diesem Thema auch kaum Dinge...

1) mit welcher Motor(Getriebe-Kombination) und vor allem welcher Schaltung setze ich das denn dann exzentrisch um? Macht das System ja am ende nur ein mm zuviel ist mein Startpunkt ja immer verschoben?!
Ausgangspunkt von dem aus -mittlerweile ziemlich genau besimmt - das System immer 33mm vor und zurückfährt.
Die Kraft wirkt übrigens nur als Zugkraft.
Wenn ich hier ein Ritzel - Zahnband Kombination nutze, wie realisier ich hier bei jedem Zyklus den exakten vor- und rückschub?
Die einfachere Methode genügt mir. Gerne auch mit Servotechnik aus dem Modellbau um erstmal den Prototypen zum laufen zu bringen.

[i_make_it]

Hier mal eine Prinzipskizze für einen (bedingt) variablen Hub.
31512
Vorraussetzung: Die Verzahnung ist lang genug, das Ritzel (der Motor) sitzt weit genug rechts, der Sensor sitzt weit genug rechts und der linke Schaltnocke ist verstellbar.
Der eine Sensor reicht in Verbindung mit der Drehrichtung des Motors aus um beide Endlagen zu erkennen.
Nur wenn der Motor links dreht, kann der rechte Schaltnocke erreicht werden, was die Endlage eingefahren signalisiert.
Nur wenn der Motor rechts dreht, kann der linke Schaltnocke erreicht werden, was die Endlage ausgefahren signalisiert.
Der Sensor darf nur zwichen beiden Schaltnocken stehen (Konstruktiv bedingt)
Der Motornachlauf muß reproduzierbar sein, damit bei gleichem Schaltpunkt immer die selbe Endlage erreicht wird.

Der letzte Punkt ist auch bei einer Lösung mit Exzenter zu beachten.
Dort braucht es nur einen Schaltnocken der den OT (Oberen Totpunkt) anzeigt.
Beim Exzenter wird durch die sinusförmige Kopplung der Rotationsbewegung zur Linearen Bewegung die Einstellgenauigkeit um den OT (und UT) besser.

Bei Getriebemotoren verkleinern sich Ungenauigkeiten im Nachlauf des Motors proportional zur Getriebeuntersetzung.

Exakte Angaben sind nicht möglich, da diese erst im Rahmen des Konstruktionsprozesses für den konkreten Aufbau anfallen.

33mm / 3,14 = 10,51mm
Bei einem Ritzel mit einem Teilkreisdurchmesser von 10,5mm wäre ein Getriebemotor mit 4 Umdrehungen pro Sekunde auf jeden Fall schnell genug um in einer Sekunde Hin- und Rückhub zu schaffen.
Da man sich erst Verzahnung (modul), Ritzel und Werkstoff entsprechend der Kräfte und des Verschleißes (wegen der geforderten Lebensdauer, und Wartungsfreiheit) raussucht, kommt dann erst am Ende der passende Motor.
Dessen Drehzahl und Untersetzung ist dann abhängig vom Ritzel und der benötigten Kraft.

[Vittex]

Okay, vielen dank. Das reicht auch erst mal für ein Prototyp. Gibt es Bücher zu dem Thema "Sensoren/Ritzel-Antrieb/Motor" die du empfehlen kannst?

[i_make_it]

Ich habe da leider keine Buchempfehlungen.
Durch meine Vorbildung ist keines meiner Bücher was für Einsteiger, bzw. die Bücher zum Selbstbau von Robotern enthalten im Bereich Sensoren und Getriebe keine Lösungen, die den Anforderungen an Lebensdauer und Zyklenzahl gerecht werden.
Bei den Motoren, kannst Du wohl bei DC Getriebmotoren anfangen, aber wegen dem Bürstenverschleiß wird das eher grenzwertig. Also eher in Richtung Stepper oder BLDC Motoren.
Da muß man dann aber auch die Motorkennlinien beachten und wie man die Motordrehzahl dann auf die gewünschte Drehzahl untersetzt und das notwendige Drehmoment erhält.
Z.B. geht vermutlich ein kleiner BLDC mit entsprechender Untersetzung genauso wie ein entsprechend starker Stepper.
Da muß man dann Volumen, Gewicht und Leistungsaufnahme vergleichen um zu entscheiden was man nimmt.
Beim Sensor geht von einem mechanischen Schalter (wenn er die Anzahl an Betätigungen aushält) über Reflex- und Gebellichtschranken, Hall Sensoren und Magneten bis zu Induktiven und Kapazitiven Näherungsschaltern alles.
In der Industrie ist da meist ein induktiver Näherungsschalter das Produkt der Wahl.
Aber neben der Funktion kommt es ja am Ende auch auf die Kosten an. Was bringt ein Produkt wenn es unverkäuflich ist, weil zu teuer?