Redesign eines motorisierten Panoramakopfes (Fotografie)

[hboy007]

Hallo zusammen, ich habe mein aktuelles Problem zum Anlass genommen, hier mal reinzuschneien, vielleicht kann mir ja jemand helfen.

Seit längerer Zeit versuche ich, einen motorisierten Panoramakopf für meine digitale Spiegelreflexkamera zu bauen. Vielleicht kennt jemand diese Teile hier:
http://www.gigapansystems.com/

mein Kollege besitzt so ein Teil und ich bin sehr unzufrieden damit, da ich ohnehin vorwiegend Kugelpanoramen aufnehme und das gute Stück wesentlich zu langsam ist, insbesondere, wenn die Lichtverhältnisse wesentlich höhere Verfahrgeschwindigkeiten zulassen. Eigentlich ist man nur durch Unwuchten und das auf das Stativ wirkende Drehmoment beschränkt. Zunächst möchte ich jedoch keine beidseitig gelagerte Aufhängung bauen, da diese schnell unhandlich wird (siehe Gigapano Pro).

[ranke]

... und das gute Stück wesentlich zu langsam ist, insbesondere, wenn die Lichtverhältnisse wesentlich höhere Verfahrgeschwindigkeiten zulassen. Eigentlich ist man nur durch Unwuchten und das auf das Stativ wirkende Drehmoment beschränkt.

Ich kenne den Panoramakopf nicht und habe auch bisher nicht mit so etwas gearbeitet. In meiner Vorstellung ist aber die wesentliche Einschränkung, dass die Kamera ausgeschwungen sein muß, bevor ausgelöst wird. Die Eigenfrequenz wird über die Steifigkeit des Stativs und die Masse des Aufbaus definiert (also Faktoren, die außerhalb des Einflusses des Herstellers des Panoramakopf liegen), die Dämpfung ist von allen möglichen Faktoren (wahrscheinlich hauptsächlich Stativ) abhängig. Der Hersteller des Panoramakopfs verzögert die Positionierung und das Auslösen vielleicht deshalb so lange, weil er sicher sein will, dass auch bei ungünstigen Verhältnissen und langen Belichtungszeiten keine Unschärfen durch Schwingen der Kamera entstehen. Wenn man mit ausreichend kurzer Belichtungszeit arbeitet und die exakte Ausrichtung keine Rolle spielt, könnte man sicher auch schneller positionieren und auslösen.
Durch eine Entlastung des Pan-Antriebs vom Tilt-Motor würde ich mir da nichts versprechen, außer die von Dir bereits angesprochenen Probleme bezüglich Getriebespiel etc. Wenn man es trotzdem machen will, dürften sich Lösungen mit weniger Zahnspiel anbieten. Zwei konzentrische Wellen anzutreiben geht im einfachsten Fall mit einem Zahnradpaar zuzüglich zum Kegelradpaar, das man zusätzlich braucht.
Auch die einseitige Lagerung geht natürlich auf Kosten der Steifigkeit, bzw. man muß konstruktiv entsprechend gegenarbeiten, dass es trotzdem steif genug wird. Das betrifft dann auch den Fehler, der sich durch Verbiegen unter dem Eigengewicht der Kamera entsteht.

[hboy007]

Hallo ranke,

Vielen Dank für deine ausführliche Antwort. Nach dem Kennenlernen des Gigapano Epic Pro gestalten sich die Limitierungen folgendermaßen: die Drehgeschwindigkeit ist konstruktionsbedingt stark beschränkt, es wurde jedoch Wert auf eine hohe Positioniergenauigkeit gelegt, daher auch "Gigapano" - für Gigapixelbilder, nicht unmittelbar für sphärische Panoramen, wobei das als Leckerli mit abfällt. Wenn man eine leistungsfähige, schnelle Mechanik hat, kann man sich auch den Spaß erlauben, Beschleunigungs-/Kraftsensoren anzubringen, Trägheitsmoment und Antwortfunktion des Stativsystems aufzuzeichnen und die Schwingung aktiv zu dämpfen. Das macht nur keiner - und wie man sieht aus gutem Grunde.
Nun schwirren in meinem Kopf drei Designs herum, die es ermöglichen, die Motoren vom Rotor herunterzunehmen, zwei sind nun verworfen, darunter auch obiges, zu aufwendige mit dem Planetengetriebesatz. Der Unterschied zwischen der einseitigen und der beidseitigen Aufhängung des Kameraträgers besteht im Wesentlich darin, dass man bei einseitiger Aufhängung mit weniger Aufwand eine horizontale/vertikale Kameraorientierung realisieren kann, außerdem wird bei beidseitiger Aufhängung der Aufbau breiter, da die Kamera einseitig noch den ganzen Handgriff hat. Die größere Breite erhöht das Trägheitsmoment des Rotors dann wiederum wesentlich.

Ich versuche am Wochenende noch einmal mein Glück mit einem neuen Prototypen.

Natürlich freue ich mich auch weiterhin auf eine anregende Diskussion.

[hboy007]

Ich habe mich nun noch einmal mit einer schlechten Zeichnung der Lagerung des Rotors und der Ankopplung an die beiden Motoren gewidmet. Hier ist nun die Skizze:


Für den Aufbau, also ein Schneckengetriebe, von dem nur die hochragende Schneckenwelle eingezeichnet ist, zeige ich hier das schon modifizierte Getriebe im Explosionsstil:



Meint ihr, es täte statt dem verspannten Axiallager + Kegelrollenlager auch ein einfaches oder zweireihiges Radiallager? Der Rotor ist bis zu 35cm hoch und soll dabei Kameras bis 5kg tragen, sowohl stehend als auch um 90° in die Horizontale gekippt.

[ranke]

Meint ihr, es täte statt dem verspannten Axiallager + Kegelrollenlager auch ein einfaches oder zweireihiges Radiallager? Der Rotor ist bis zu 35cm hoch und soll dabei Kameras bis 5kg tragen, sowohl stehend als auch um 90° in die Horizontale gekippt.

Entweder 2 Rillenkugellager oder ein zweireihiges würden wohl genügen, es kommt natürlich auch darauf an, wie die Maße sind, aber festigkeitsmäßig dürften die Lager nicht limitierend sein. Beispiel: ein zweireihiges Rillenkugellager 4204-B-TVH, Innendurchmesser 20mm, Außendurchmesser 47mm, Breite 18mm hat eine statische Traglast (radial) von 12,7 kN (Quelle: www.ina.com). Klar, axial hält das weniger, aber die 50N vom Aufbau merkt das Lager doch gar nicht. Was die Steifigkeit betrifft wird man noch etwas detaillieren müssen. Details um den Spannring (Befestigung an der Motorplatte mit radialen Schrauben, Lagervorspannung durch Madenschrauben) können mich an der Konstruktion auch nicht überzeugen.

[hboy007]

Der Spannring stand auch am Ende der Überlegungen und ist nicht so gelungen. Ich habe ihn nun zur vertikalen Verschraubung ausgeführt, man kann dann ja alles passend drehen und Ringe aus 20-50µm Messingfolie einlegen, um das Spiel zu kontrollieren. Dies wird auch bei optischen Komponenten gern gemacht. Die Ringdicke von Spannring und Riemenscheibe ist harmonisiert, ebenso ist noch eine Abstandshülse an der inneren Welle vorgesehen, sodass axiale Kräfte auf das oberste Kugellager nicht durch das Haften der Hohlwelle am Lagerring sondern durch den Druck durch den oberen und unteren Spannring, vermittelt durch die Abstandshülse vermittelt werden.




Als netten Nebeneffekt reduziert sich die minimale Höhe des Rohlings für die Motorplatte. Danke auf jedenfall für den Hinweis. Ist es nun gut so? Kann ich sonst noch was reißen?

[ranke]

Kann ich sonst noch was reißen?

Ehrlich gesagt, ich glaube ja.
1. Die Flanschverbindung der Motorplatte mit dem neuen Spannring braucht immer noch zuviel Durchmesser. Ich würde versuchen das obere Lager nur mit einem Seegerring zu fixieren, der in einer Ringnut im rohrförmigen Ansatz der Motorplatte sitzt. Der Spannring entfällt damit. Eine Einstellbarkeit (mit Einlagen uder wie auch immer) des Axialspiels würde ich nicht vorsehen, das kann man auch eng tolerieren und es passt, wenn man es zusammenbaut.
2. Axialdrucklager sind eher unüblich für so eine Anwendung. Versuche mal die Konstruktion mit Radiallagern. Ich würde dringend vorschlagen, Du suchst Dir Maße eines passenden Standardlagers aus einem Kugellagerkatalog und konstruierst den Rest darum herum. Erst dann sieht man wo es eventuell eng wird und wo man noch verbessern kann. Radiallager gibt es auch mit beidseitiger Deckscheibe, das verhindert das Eindringen von Schmutz, man braucht sich dann keine weiteren Gedanken über eine Abdichtung machen.
3. Die Lagerung der Schneckenwelle ist mir noch ganz unklar, auch weil ich nicht weiß, wie die Welle(n) sonst gelagert ist (sind). In Deiner Skizze sieht man eine Art Kupplung aus einem Rohrstück und Arretierringen? Das sieht noch etwas halbgar aus und braucht außerdem jede Menge Platz für die Ringe. Das Lager ausgerechnet auf das dünnwandige Kupplungsrohr zu setzen ist auch nicht so das gelbe vom Ei.

[hboy007]

zu 3. und 1. muss ich wohl etwas zum Gesamtaufbau ausholen. Eben habe ich mit einem FEM-Applet (http://www.lnm.mw.tum.de/tm-applets/kontinuum2d.html) eine grobe Simulation der Geometrie versucht und die hat nur mehr meine Befürchtung bestätigt, dass die rohrförmige Ausbildung an der Motorplatte noch nicht weit und dickwandig genug ist.Der Kameraaufbau wirkt nach meiner Auffassung wie ein Hebel, der auf der hellblauen Rotorplatte aufgesetzt ist und durch Unwucht und Gewichtsverlagerung durch ein schweres Objektiv mit einem Angriffspunkt irgendwo in der Mitte des Gebildes auf den Spannring wirkt wie ein Flaschenöffner. Je weiter man die Axiallager nach außen verlegt, umso eindeutiger sind die Kräfte axialer Natur, auch wenn sie auf gegenüberliegenden Seiten in unterschiedliche Richtungen zeigen. Daher habe ich kein gutes Gefühl dabei, den wahrscheinlich aus 3-4mm Stahl ausgeführten und mit 6 oder 8 Imbusschrauben befestigten Spannring (wenn er nur auf dem inneren Rohr aufliegt und die Lager nur in Position hält, spannt er eigentlich nicht mehr sondern ist mehr ein Deckring, aber gut) durch einen Seegerring auszutauschen, obwohl das viel an Höhe sparen würde.
Alternativ könnte man natürlich zwei Radiallager über den inneren Tubus ziehen und das Rotorteile außen aufpressen. Nachdem ich schon einige Radiallager ausgebaut habe, die durch axiale Belastung beeindruckend viel Spiel hatten, hat dieser Lagertyp ungemein Sympatiepunkte eingebüst.

Die Schneckenwelle ist ein wenig das ungeliebte Kind bei dem ganzen Aufbau. Auf den Rotor wird noch ein weiterer Distanzring geschraubt, der das in meinem dritten Beitrag gezeigte Schneckengetriebegehäuse aufnimmt. Dieses beinhaltet eine Schleiflagerung für die Spitze der Schneckenwelle. Das Drehmoment, welches auf die Schneckenwelle wirken wird, ist nicht sonderlich groß. Eine Ungleichverteilung durch Neigung oder Montage des Objektivs auf dem Kameraausleger wird durch eine seitlich angebrachte Untersetzung (Zahnriemen) auf eine horizontale Welle übertragen, die das Zahnrad im Schneckengetriebe dreht. Demnach erfährt die Schneckenwelle vorrangig axiale Kräfte, die entsprechend auf das Messingröhrchen wirken. Bei dem Querschnitt müsste das Röhrchen 3kN wegstecken können (Dehngrenze nach wikipedia), das Radiallager wird,vermittelt durch die Arretierringe und die Distanzhülse, dabei vorrangig axial belastet.

So stelle ich mir nun die Belastung vor und dementsprechend habe ich Wert auf die Proportionen der Komponenten gelegt. Korrigiere mich, falls ich da irren sollte. Ansonsten muss ich nochmal einen Moment über Sinn und Unsinn des Schneckengetriebes nachdenken und dann ist es an der Zeit, sich die Finger schmutzig zu machen

[ranke]

Daher habe ich kein gutes Gefühl dabei, den ... Spannring ... durch einen Seegerring auszutauschen, obwohl das viel an Höhe sparen würde.

Sicherlich bewirkt der Kameraaufbau ein Kippmoment, das zweifellos über die Lager und auch über den Ring aufgenommen werden muß. Bei bekannten Maßen kann man das Kippmoment für einen ungünstigen Belastungsfall rechnen und dann sehen, ob es Schwachstellen gibt. Ich habe Zweifel, dass die Schraubverbindung mehr hält als der Seegerring, ich würde es eher andersherum schätzen. Zumindest würde ich den rechnerischen Vergleich machen, das Gefühl ist da nicht immer ein guter Ratgeber.

Nachdem ich schon einige Radiallager ausgebaut habe, die durch axiale Belastung beeindruckend viel Spiel hatten, hat dieser Lagertyp ungemein Sympatiepunkte eingebüst.

Kaputte Lager habe ich auch schon viele gesehen. Auch hier meine Empfehlung: Auf Basis einer vorläufigen Konstruktion die Lagerlasten berechnen und danach sehen, ob die Lager ausreichend dimensioniert sind. Die Wälzlagerhersteller geben umfangreiche Informationen zur Lagerberechnung, auch wie axiale Lagerlasten bei Rillenkugellagern zu behandeln sind. Mein Gefühl sagt mir, dass man hier gar nicht vermeiden kann, gnadenlos überzudimensionieren (aber wie gesagt: ein Gefühl ist ein Ding, ein Rechenergebnis ein anderes).

Die Sache mit der Schneckenwelle habe ich nicht vollständig verstanden. Das Kugellager wird aber nur geringe Axialkräfte aufnehmen können, weil die Reibung zwischen Innenring des Lagers und Messingrohr sogar bei enger Passung nicht sehr hoch wird, das Messingrohr ist wegen der geringen Wandstärke zu elastisch.

[hboy007]

Das obere Lager ist ein 6200Z, die Axiallager sind 51106 (ID30mm/32mm, AD 47mm, Breite 11mm).



hier ist die Einspannung des Radiallagers zu sehen, die Wellenaufnahme für den Motor, die Distanzhülse, und die Wellenhülse sind als eine Einheit (gelb) dargestellt. Diese Darstellung ist nun Maßstabsgetreu, der Motor hat ein 57x57mm Flanschmaß und eine 6,35mm - Welle.

Ich werde wohl die große Riemenscheibe nur einseitig eindrehen lassen und so weit absenken, dass sie bis auf einen Millimeter an die Motorplatte heranreicht und mit einem eingefetteten Filzring gegen Schmutz abdichten. Das obere Lager ist durch den außen verlaufenden Alu-Distanzring gekapselt. Auf der Höhe des Radiallagers befindet sich später der Steg des Rotors, seitlich auf der Motorplatte folgt der zweite Motor.


ps: vielleicht ein Lager ala 6702-2RS (15x21x4mm), nur zweireihig?
pps: oder doch lieber 6201-2RS (12x32x10mm)?



ppps: wenn ich mir das recht anschaue, könnte ich wirklich aufgeben und zwei 6806-2RS bzw ein 6806-2RSW10 (Radiallager ID 30mm AD 42mm Breite 10mm) verbauen. Dadurch entfiele der Spannring /ggf. lässt er sich durch einen Seegerring ersetzen, bei passend dimensionierter Zahnriemenscheibe entfällt auch der Spacer und der Abstand Motorplatte-Rotorsteg liegt bei weniger als 15mm...

pppps.: Wie wären Schrägkugellager, etwa zwei Stück von diesen hier (etwa http://medias.ina.de/medias/en!hp.ec...H;bL1OEsZKxPi9) oder ein zweireihiges Schrägkugellager - oder Vierpunktlager (diese finde ich jedoch nicht in der schmalen Ausführung)?

Wenn ich diesen Lagertyp verwende: http://medias.ina.de/medias/en!hp.ec...N;bdTHJtaHWkD6 könnte ich zwei stück in eine ausgedrehte Zahnriemenscheibe einpressen und habe axiale wie auch radiale Belastungen abgedeckt.

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Allgemeines zu Lagern, was ich bei der Recherche gefunden habe: http://www.skf.com/skf/productcatalo...ptparent=1_0_1