Vibrationsantrieb, Dosierantrieb, lineare Schwingung erzeugen

[pfried]

Hallo allerseits,

für unsere kleine Studentenfirma und meine aktuelle Studienarbeit möchten wir einen Vibrationsdosierer Link bauen.

Dabei wird Schüttgut auf einer Rinne in einer schrägen Bewegung nach vorne geworfen. Die Wurfbewegung ist kaum sichtbar, da die Amplitude eher klein ist (0,05-1mm) die Frequenz mit 25-100 Hz aber relativ hoch. Die Rinne schmeißt das Schüttgut quasi nach oben, bewegt sich mit einer Beschleunigung >1g wieder in die Ausgangslage zurück und fördert so das Schüttgut nach vorne.

Erste Versuche wurden mit einfachen Vibrationsmotoren mit Unwucht (für Handys etc.) unternommen, was erstaunlicherweise auch relativ gut funktioniert. Dabei wird eine Rinne frei aufgehängt und bildet somit einen 1-Massen Freischwinger, die dann mit der Frequenz der Drehzahl des Vibrationsmotors angetrieben wird.

Für einen optimierten Betrieb wäre es allerdings wünschenswert neben der Frequenz auch die Amplitude im laufenden Betrieb variieren zu können um den Dosierantrieb in seiner Förderleistung regeln zu können. Es gibt hier Antriebe zu kaufen, beispielsweise hier. Hier kommt offenbar eine Art Tauchspule zum Einsatz. Als Ansteuerung wird eine Thyristorsteuerung (was auch immer das heißen mag) zum Einsatz.

Bei diesen Systemen handelt es sich immer um 2-Massen-Schwinger. Das eigentliche Schwingsystem wird dabei über Stützfedern abgekoppelt, damit sich die Schwingung nicht auf die Umgebung überträgt. Wenn die Masse der Umgebung groß genug ist kann darauf evtl auch verzichtet werden, aber das nur nebenbei.

Da wir leider über wenig Kapital, aber drei angehende Automatisierungstechnik Ingenieure verfügen würden wir hier gerne selbst etwas zu kleinen Kosten bauen.

Wir suchen hier also Antriebe, die für diese Aufgabenstellung geeignet sind und möglichst wenig kosten, es stellt sich auch die Frage nach der passenden elektrischen Ansteuerung (Mikrocontroller). Meine Gedanken sind hier Tauchspule (vlt aus einem Lautsprecher? Ist Voice Coil der richtige Begriff?) oder Hubmagnet. Eventuell soll über eine Regelung auch eine resonanznaher Betrieb realisiert werden, also das Messen der Amplitude, beispielsweise über einen induktiven Sensor.

Die Bewegungsrückführung erfolgt soweit ich das verstehe primär über die Rückstellfedern (Blattfedern). Es würde also ein unidirektionaler Antrieb ausreichen.

Hat jemand Erfahrungen mit solchen Schwingantrieben? Oder gar mit solchen Schwingsystemen? Ich bin für jede Hilfe dankbar!

[ranke]

Als Ansteuerung wird eine Thyristorsteuerung (was auch immer das heißen mag) zum Einsatz.

Vermutlich ein Phasenanschnitt zur Leistungsregelung. Die Ansteuerfrequenz wird dann wohl die doppelte Netzfrequenz sein (100Hz).

vlt aus einem Lautsprecher? ... oder Hubmagnet

Ich habe keine eigenen Versuche gemacht, würde das aber mit einem Hubmagnet angehen. Bei Lautsprechern müsste man wohl mechanisch ziemlich viel umbauen um die nötige Masse anzukoppeln (die Lautsprecher sind ja so konstruiert, dass möglichst wenig bewegte Masse da ist).

Eventuell soll über eine Regelung auch eine resonanznaher Betrieb realisiert werden

Warum das, da würde ich jetzt keine Vorteile sehen, nur Nachteile.

[robocat]

Vielleicht geht sowas: http://www.pollin.de/shop/dt/MTY2OTU...ss_Shaker.html

[pfried]

Das mit dem Bass Shaker ist interessant, ich schau mir das mal an. Bin im Moment im Ausland und erst nächste Woche wieder am pc. Resonanznaher betrieb deshalb weil dort der Wirkungsgrad am besten ist. Weiß jemand etwas zu tauchspule oder Voice coil?

[pfried]

Ich habe weiter zu den Tauchspulen (auch Voice Coil) Antrieben recherchiert. Es gibt hier lineare (LVCA) und rotatorische (RVCA, bis ca +-60°).

Die Antriebe bieten wohl viele Vorteile, eine Anbieter ist hier wohl die ime-GmbH, hier ein Link zur Übersichtsseite. Gleiche Produkte auch bei BEI Kimco.

Was für mich entscheidend ist wird von diesen Antrieben erfüllt:

• Hub von ca 0,05 - 1mm+
• hohe Frequenz (bis 120Hz)
• verschleißfrei
• hohe Dynamik
• hohe Beschleunigung, hohe Kräfte

Die Vorteile gegenüber dem Hubmagnet wäre vor allem die Geräuschkulisse und die Tatsache, dass ich die Rückstellkraft beim Hubmagnet durch die Feder erzeugen muss, weil ich die Kraftrichtung nicht umkehren kann (bei Tauchspule wohl möglich, bei Hubmagnet nicht, hängt wohl von der Wicklung ab). Außerdem hatte ich da auch Sorgen was die Dynamik angeht, weil der Anker recht massiv ist und rein vom Gefühl her hätte ich gesagt, dass das so nicht funktioniert.

Um den Antrieb regeln zu können brauche ich dann aber wohl zwei Dinge:

1. Ansteuerelektronik
2. Sensor zur Wegerfassung (Abtastrate ca 240Hz, Genauigkeit besser 0,1mm)

Die Elektronik zur Ansteuerung wäre erst einmal die erste Priorität. Wenn erst einmal der Antrieb funktioniert, dann ist das zweite vermutlich der einfachere Teil (aus konstruktiver Sicht und vom elektrischen Aufbau her).

Als Beispiel (genauen Antrieb muss ich erst ausrechnen) will ich einmal den Antrieb LA10-08-000A von der oben genannten Seite nehmen, hier noch einmal die Daten, hier das Datenblatt:

Spitzenkraft (10s) [N]	Effektivkraft [N]	Gesamthub [mm]	Kraftkonstante [N/A]
6,7	2,7	5,08	3,61

Die Spitzenkraft verstehe ich mal so, dass das maximal 10s lang gefahren werden kann, weil die Spule sich sonst zu stark erwärmt.

Nehme ich also die Effektivkraft der Spule und ermittle daraus den benötigten Strom: 2,7 N / 3,6 N/A =~ 0,75 A für einen Hub. Im Datenblatt steht allerdings 1,71 A bei 17V.

Ich will eine maximale Frequenz von ca 90Hz. Minimal sagen wir einmal 10Hz.

Die Ansteuerung sollte über einen Mikrocontroller möglich sein.

Aus einem Flyer von IME:

Für den Betrieb eines VCA ist ein herkömmlicher analoger oder digitaler
Servoregler für bürstenbehaftete Servomotoren ausreichend. Eine Ausnahme wäre zum Beispiel eine Anwendung mit sehr hoher Frequenz, dann
müsste eventuell ein Regler mit ebenfalls sehr hoher Schaltfrequenz zum
Einsatz kommen.

Kann mir jemand bei der Ansteuerung auf die richtige Fährte helfen?

[ranke]

Die Vorteile gegenüber dem Hubmagnet wäre vor allem die Geräuschkulisse und die Tatsache, dass ich die Rückstellkraft beim Hubmagnet durch die Feder erzeugen muss, weil ich die Kraftrichtung nicht umkehren kann (bei Tauchspule wohl möglich, bei Hubmagnet nicht, hängt wohl von der Wicklung ab). Außerdem hatte ich da auch Sorgen was die Dynamik angeht, weil der Anker recht massiv ist und rein vom Gefühl her hätte ich gesagt, dass das so nicht funktioniert.

Die von Dir angeführten Vorteile der Tauchspule kann ich hier nicht nachvollziehen. Warum ist die Tauchspule weniger laut als der Hubmagnet?
Dass der Hubmagnet nur eine Kraftrichtung kennt liegt nicht an der Wicklung sondern am Anker aus Weicheisen, während bei der Tauchspule ein statisches Feld eines Dauermagneten wirkt. Die Dynamik der Tauchspule ist solange besser, solange die bewegte Masse klein bleibt. Nachdem die bewegte Masse in der Hauptsache aus der Förderrinne mit Fördergut besteht, wird der Unterschied nicht groß sein.
Was die Federrückstellung betrifft: auf die könnte man bei der Tauchspule verzichten, indem man das elektrisch ausregelt. Allerdings ist das Integral der Kraft über die Zeit nicht Null, schließlich muss die Beschleunigungskraft des Fördergutes dann auch über die Spule abgestützt werden. Das wiederum erfordert einen Gleichstromanteil im Spulenstrom der die Spule zusätzlich thermisch belastet. Es bietet sich also auch hier an, die Abstützung über eine Feder zu machen.

[pfried]

Okay, ja das mit der Dynamik ist vermutlich richtig, die Feder (du meinst den hubmagnet?) könnte man wohl weglassen, weil ich die Rinne dann ohnehin auf Federn (vermutlich GFK Blattfeder) abstützen will.

Mal ein bisschen Zeichenkunst: Oben die Schwinrinne unten das Fundament, dazwischen zwei Blattfedern \ und der Linearaktor //
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Die Lautstärke bezog sich weitgehend auf die Feder, bzw den Endanschlag, den man vermutlich aber auch gar nicht treffen muss.

Mit dem Zeitintegral der Kraft: Meinst du das Material, was auf die Schwingrinne aufprallt und dann nach unten drückt?

Was mir noch sorgen macht ist die nicht lineare Kraft / Weg Kennlinie, da ich aber nur ca 2mm verfahren will, wäre da nicht ein Permanentmagnet, also Tauchspule besser?

Ich kann mir einfach einmal einen Hubmagneten besorgen, die kosten nicht die Welt oder ich finde noch einen. Die Anschaltung von Hubmagnet oder Tauchspule wird doch aber ähnlich aussehen oder?

[ranke]

Okay, ja das mit der Dynamik ist vermutlich richtig, die Feder (du meinst den hubmagnet?) könnte man wohl weglassen, weil ich die Rinne dann ohnehin auf Federn (vermutlich GFK Blattfeder) abstützen will.

Die horizontalen Kräfte auf die Rinne müssen im zeitlichen Mittel zu Null werden, sonst läuft die Rinne nach links oder rechts weg. Aus der horizontalen Beschleunigung des Förderguts resultiert eine Kraft, der entsprechend gegengehalten werden muß. Hätte man gar keine Federrückstellung dann wäre es mit der in beide Richtungen wirkenden Tauchspule möglich, die nötige Gegenkraft zu halten. Allerdings wäre das technisch ungünstig weil eine solche Kraft leichter mit einer Feder erzeugt werden kann, als aufwendig mit der Spule. Nachdem Du die Rinne über Federn abstützen willst, musst Du nur darauf achten, dass die Federn steif genug sind, damit die Auslenkung durch die Beschleunigungskraft nicht zu groß wird.

Mal ein bisschen Zeichenkunst: Oben die Schwinrinne unten das Fundament, dazwischen zwei Blattfedern \ und der Linearaktor //
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Übliche Konstruktionen sehen anders aus, dort wird nicht gegen das Fundament, sondern gegen eine zusätzliche, schwingend an der Rinne aufgehängte Masse abgestützt. Vorteile dieser üblichen Konstruktion sehe ich darin, dass der dynamische Kraftfluß minimiert ist und dass die Schwingung weitgehend vom Fundament ferngehalten wird. Außerdem können äußere Kräfte auf die Rinne den Aktuator nicht über Gebühr auslenken. Ein Nachteil wäre der etwas höhere Weg, den der Aktuator wegen der Endlichkeit der Gegenmasse schwingen muß. Bei den angedachten Lösungen scheint das aber kein Hindernis zu sein.

Die Lautstärke bezog sich weitgehend auf die Feder, bzw den Endanschlag, den man vermutlich aber auch gar nicht treffen muss.

Den Anschlag sollte man natürlich nicht treffen.

Was mir noch sorgen macht ist die nicht lineare Kraft / Weg Kennlinie, da ich aber nur ca 2mm verfahren will, wäre da nicht ein Permanentmagnet, also Tauchspule besser?

Die Tauchspule hat ja lt. Datenblatt eine recht gute Konstanz der Kraft über den gesamten Hub. Ob das beim Hubmagnet genauso gut ist weiss ich nicht (das hängt wohl von der speziellen Konstruktion ab). Ich denke aber, es sollte so ähnlich aussehen, schließlich soll der über die gesamte Hublänge eine Kraft ausüben (sonst wäre es ein Haltemagnet, kein Hub- oder Zugmagnet).

Die Anschaltung von Hubmagnet oder Tauchspule wird doch aber ähnlich aussehen oder?

Der wesentliche Unterschied (Kraftrichtung kehrt sich beim Hubmagnet nicht mit der Stromrichtung um) wurde schon erwähnt.

[pfried]

Du meinst vermutlich den Aufbau 3a? Ich ziele eher auf Aufbau 3b ab. Ich denke das ist ein gängiger Aufbau, ich habe diesen schon mehrfach gesehen, zumindest als Dosierantrieb.



Die Abbildung stammt aus "Handbuch Dosieren, G. Vetter 2. Auflage"

Was die Kraft Weg Kennlinie angeht habe ich schon recht extreme Beispiele gesehen, das schreckt mich noch etwas ab.