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Hallo,

im Rahmen meines Maschinenbaustudiums befasse ich mich zur Zeit mit einem Projekt zur Konstruktion einer (Zug-)Druck-Prüfmaschine.

Nachdem mir mittlerweile die wichtigsten Parameter bekannt sind, bin ich nun auf der Suche nach entsprechenden Grundkomponenten sowie deren ungefährer Preislage.

Leider kenne ich weder die "einschlägigen" Hersteller, noch könnte ich diese qualitativ voneinander unterscheiden.

Es geht mir in erster Linie um eine Vorabschätzung der zu erwartenden Kosten im Falle einer Projektumsetzung.

Ich gehe davon aus, dass auch in diesem Bereich - wie bei allen Produkten - preislich nach oben keine Grenzen gesetzt sind.

Da es sich hierbei um eine Maschine für Dauerprüfversuche handelt, sollten die Komponenten zumindest einem gewissen "Grundstandard" entsprechen - es muss jedenfalls nicht unbedingt das kostengünstigste Bauteil für den Bastler-/Hobbyeinsatz sein.

Es wäre mir eine große Hilfe, wenn mir an dieser Stelle einige relevante Bauteile (idealerweise mit ungefährem Kostenpunkt) empfohlen werden könnten.

Es handelt sich um folgende Komponenten:

1) Schrittmotorantrieb (hatte an einen Schrittmotor mit Kugelumlaufspindel gedacht?)
2) ggf. Schlitten/Linearführung (gerne auch bereits als Komplettsystem mit integriertem Schrittmotorantrieb anstatt 1) )
3) Kraftaufnehmer

Diese Parameter habe ich zur Zeit gegeben:

- Kraftbereich bis ca. 100N
- max. Hub bzw. max. Linearbewegung ca. 300mm
- Vorschub eher zweitrangig
- Auflösung der Kraftmessung 0,1N (besser 0,01N)

Ich weiß, dass es mit Sicherheit nicht einfach ist, bereits in diesem Stadium, ohne tiefergehende Informationen, eine Vorauswahl bezüglich der Komponenten zu treffen. Umso mehr würde ich mich über aussagekräftige Vorschläge freuen.

PS.: Ich bin im Internet übrigens auch auf komplette Prüfmaschinen gestoßen, wie z.B. diesem Penetrometer der Firma petrotest (http://www.petrotest.com/index_26c1c0f18c5d143f3700001c0a850101_en.html), welches meinen Vorstellungen der späteren Prüfmaschine (bis auf die Hublänge) schon sehr nahe kommt. Könnte es sein, dass man rein aus finanzieller Sicht mit so einem "Universalgerät" im Endeffekt sogar günstiger kommt als mit einer Eigenkonstruktion deren Funktionen auf die wesentlichen Prüfziele reduziert sind?

Grüße
flahn

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Ist das so geheim, daß Du uns nicht erzählen kannst was du vorhast ?
Willst Du Kräfte oder Wege messen ?
Es gibt Servo- und Schrittmotoren, aber für beide brauchst Du einen Wegaufnehmer.
Kräfte messen kann man auch mit DMS Meßstreifen, die kosten nicht viel.

Bei einer Kugelgewindespindel kann für den Zwweck schon eine Verdrehsicherung ausreichen, da würde ich auf eine Linearführung verzichten.

Mechanisch sollte so eine Maschine nicht das Problem sein, aber die Steuerung und Aufzeichnung wird Dich eine Weile beschäftigen.

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Klaus           Solid Edge V 19 SP12  Acad LT 2000

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Vielen Dank für die rasche Antwort!

Zitat:

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Ist das so geheim, daß Du uns nicht erzählen kannst was du vorhast ?

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Das ist natürlich nicht geheim, sondern nur relativ unspektakulär, so dass ich es nicht für unbedingt erwähnenswert hielt.
Es geht ganz einfach um das Dehnungsverhalten von Textilien - hier (momentan) im Speziellen um Strümpfe. Man kann grob sagen, es soll ermittelt werden nach wievielen Belastungen/Dehnungen gewisse Gewebeproben elastischer Textilien "ausleiern". Es soll also ermittelt werden, welche Kraft das Textil dem Prüfkörper nach x Dehnungen noch entgegen zu setzen hat.

Zitat:

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Willst Du Kräfte oder Wege messen ?
Es gibt Servo- und Schrittmotoren, aber für beide brauchst Du einen Wegaufnehmer.

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Es ist also die Kraft zu messen.
Benötige ich dann wirklich zusätzlich noch einen Wegaufnehmer? Ich hatte eigentlich gedacht, dass man über die Steuerung des Schrittmotors die Verschiebungswege ermitteln kann.

Nachdem mir an der Fachhochschule in erster Linie zum Einsatz von Kraftmessdosen geraten wurde, bin ich über Google unter anderem auf diese Produkte gestoßen.
http://me-sensor.de/km29.html
http://www.burster.de/burster/www_root/ar03/templates/xxxxxAr03Product.jsp?language=De&organisation=001&navSeq=114&action=first

Wären diese Produkte deiner Meinung nach geeignet? Welche Hersteller bzw. Alternativen, auch den Antrieb betreffend, sind Dir bekannt?

Zitat:

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Mechanisch sollte so eine Maschine nicht das Problem sein, aber die Steuerung und Aufzeichnung wird Dich eine Weile beschäftigen.

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Dass die Steuerung/Messwerterfassung später den schwierigsten Part darstellen wird, hab ich bereits befürchtet...
Es geht momentan zwar (noch) in erster Linie um die Mechanik, aber mit welchen Investitionen kann man denn hier jeweils rechnen? Ich habe mich mit diesem Thema ehrlich gesagt noch nicht weiter auseinandergesetzt, weiß also auch nicht genau welche Teile hier später überhaupt benötigt werden (PC, Verstärker, Steuerkarte...??? oder nur PC mit Controller???)...

Grüße
flahn

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Das mit den Schrittmotoren ist nicht trivial, weil sie nur gesteuert werden und nicht geregelt. Wenn er Schritte verliert, bekommst du es möglicherweise nicht mit. Und gegen eine stehende Last ein Drehmoment erzeugen mögen sie gar nicht. das geht nur über ein federndes Zwischenelement,aber damit verlierst du wieder die Ortsinformation.

Mein Vorschlag wäre ein anderer: Guck dir mal die Linearmotoren von Linmot an. Da ist schon viel integriert.. es könnte sogar sein, dass du dir die Kraftmessdose sparen kannst.. je nach geforderter Genauigkeit.

Grüße Günter

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Wie man Fragen richtig stellt

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Zitat:

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Mein Vorschlag wäre ein anderer: Guck dir mal die Linearmotoren von Linmot an. Da ist schon viel integriert.. es könnte sogar sein, dass du dir die Kraftmessdose sparen kannst.. je nach geforderter Genauigkeit.

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Vielen Dank für den sehr hilfreichen Link.
Um bei der Erzeugung der Linearbewegung ein möglichst gutes Zusammenwirken der einzelnen Komponenten zu erreichen, habe ich sowieso in erster Linie nach Komplettlösungen bzw. Firmen mit entsprechender Produktpalette Ausschau gehalten. Ich stieß hier allerdings nur auf die Firma Schneider Electric sowie Bosch Rexroth. Letzere verfügt zwar über ein sehr umfangreiches Produktangebot, da ich jedoch kein Firmenkunde bin, war man mir gegenüber nicht besonders auskunftsfreudig.
Ganz anders die oben genannte Firma Linmot. Bei meinem Telefonat mit einem Mitarbeiter vom Support ging man sehr genau auf meine Problemstellung ein und erläuterte mir welche Komponenten hierfür infrage kämen.

Was ich allerdings noch nicht ganz verstanden habe sind die Vor-/Nachteile des Schrittmotor-/Servomotoreinsatzes speziell für meinen Fall. Während bei Schneider und Bosch Rexroth auch bzw. in erster Linie Schrittmotoren angeboten werden, vertreibt Linmot ja ausschließlich Servomotoren.
Google sagt mir, dass sich die Servomotoren vor allem für große Massen/Kräfte, hohe Geschwindgkeiten und große Hübe eignen, während die Schrittmotoren ihren Einsatz wohl eher in Anwendungungsbereichen mit kürzeren Distanzen und geringeren Leistungen finden. Außerdem scheint die Auflösung der Servomotoren besser: Beim Schrittmotor ist die Positioniergenauigkeit abhängig vom Stepper, der Servomotor ist stufenlos positionierbar (gute Regelelektronik vorausgesetzt). Dagegen ist der der Schrittmotor wartungsarm, leichter in Betrieb zu nehmen und auch scheinbar kostengünstiger.

Ich weiß nicht, ob ich das alles richtig wiedergegeben habe. Jedenfalls zeichnet sich für mich, nur anhand dieser Fakten, kein klares Pro/Contra der jeweiligen Motoren ab.

Zitat:

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Das mit den Schrittmotoren ist nicht trivial, weil sie nur gesteuert werden und nicht geregelt. Wenn er Schritte verliert, bekommst du es möglicherweise nicht mit. Und gegen eine stehende Last ein Drehmoment erzeugen mögen sie gar nicht. das geht nur über ein federndes Zwischenelement,aber damit verlierst du wieder die Ortsinformation.

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Wenn ich das richtig verstanden habe, kann es passieren, dass das Signal des Steppers - unbemerkt - nicht umgesetzt wird. Das wäre natürlich fatal und ein absolutes Ausschlusskriterium. Doch wieso ist diese Problematik für andere Anwendungsbereiche weniger relevant, der Schrittmotor ist ja doch relativ weit verbreitet? Liegt das an anderen Anforderungen an die Genauigkeit oder hängt das etwa von der vorliegenden dynamischen Belastung (in meinem Fall Dauerbetrieb mit ständigen Lastwechseln) ab?

Grüße
flahn

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Du hast es gut erfasst.

Ein Schrittmotor schaltet sich praktisch immer von einem Magnetpol zum anderen weiter und rastet da ein. Du steuerst ihn an, in dem du zwei um 90° versetzte Wicklungen wechselseitig bestromst, so dass er immer um einen halben Schritt weiter geschoben (gedreht) wird. Das macht man klassisch mit Rechtecksignalen. Großer Vorteil ist, dass er auf diesen Positionen auch stromlos ein gewisses Rastmoment besitzt und da stehen bleibt.
Ein Servomotor pendelt immer um eine Position, die er halten soll. Wenn er das nicht machen würde, wäre er stromlos und hätte kein Drehmoment mehr. Damit er auf einer Position ruhig stehenbleiben kann, wird er so hohen Frequenz angesteuert, dass die Massenträgheit nicht überwunden werden kann. Der absolute Alptraum für die Wicklung der Servomotoren, weil sie die zugeführte Energie = Wärme nicht abgeben können.. Der Motor steht ja. Motoren mit rotierenden Spulen, wie die aus dem Schwarzwald     , die verabschieden sich dann ganz schnell, sogar mit externer Zwangskühlung.

Die Präzision von einem Servosystem hängt bevorzugt vom verwendeten Drehgeber / Linearmaßstab ab, die vom Schrittmotor ist letztlich in seiner Anzahl von Schritten pro Umdrehung festgeschrieben.

Verfeinerungen in der Ansteuerung eines Schrittmotors ergeben sich, wenn du zum Beispiel Spulen mit Mittelanzapfungen verwendest oder die Spulen auch noch wahlweise umgekehrt bestromst. High-End-Treiber steuern einen Schrittmotor praktisch mit zwei phasenverschobenen Sinus-Signalen an. Microstep oder Halbschritte sind hier die Schlagworte. Die angesteuerten Positionen sind aber eher theoretischer Natur, weil nur die Postionen der Vollschritte sicher sind.

Zu dem Verlieren von Schritten: Wenn die Massenträgheit der Last in einem günstigen Verhältnis zur Massenträgheit des Motors liegt (2:1 bis 4:1) und die Drehmomente in Abhängigkeit der Grenzfrequenzen eingehalten werden, verliert ein Schrittmotor keine Schritte und kann ein teures, rückgekoppeltes Servo-System durchaus ersetzten. Ganz beliebt sind Schrittmotoren in Kombination mit Gewindespindeln, wegen der günstigen Übersetzung der Massenträgheitsmomente. Sollte er wieder erwarten mal Schritte verlieren, hilft ein geeigneter Endlagenschalter den Zähler wieder zu einem Reset. Mehrere große Hersteller bieten übrigens Hybride aus Schrittmotoren und Drehgebern an (Oriental, SIG Positec), die versuchen die Vorteile beider Welten zu vereinen.

Trotz allem... beide Antriebsarten sind nicht geeignet ein eher statisches Drehmoment zu erzeugen und zu halten. Dafür wurden sie einfach nicht gebaut. Mechanisch am simpelsten geht das wie bei einer Kuckucksuhr: Du hängst ein Gewicht an ein Seil und ein Antrieb zieht dir in einer Lastpause das Uhrwerk wieder auf. (Überholkupplung oder Freilauf die Schlagworte)

[Edit] Noch ein kleiner Nachtrag: Der Linmot wurde IMHO entwickelt um eine Konkurrenz zu einem Pneumatikzylinder darzustellen. Ein Linmot leitet seine Wärme über sein Gehäuse ab und wurde auch dafür optimiert, statisch eine Kraft zu halten. Er ist mit seinem Magnetstab eher ein Hybrid zwischen Schrittmotor und Servo.

Grüße Günter

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Wie man Fragen richtig stellt

[Diese Nachricht wurde von GWS am 05. Aug. 2009 editiert.]

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sehr schöne Erläuterung!
ausführlich und gleichzeitig verständlich erklärt...

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So rein gefühlsmässig würde ich für so eine Prüfmaschine als Antrieb Servomotor/Getriebe + Kugelspindel (spielfrei vorgespannt) + Linearführung verwenden.
Das Kniffelige wird dann Auswahl und Anbringung des Kraftsensors, der muss einerseits möglichst "nahe" am Ort des Entstehens der Kraft angebracht sein, andererseits sind da erratische Quer-Kräfte absolut tödlich.
Die Kraft indirekt über die Stromaufnahme, oder jenseits von Antriebselementen (z.B. an der Spindellagerung) zu messen führt zu ziemlichen Verfälschungen.

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mfg - Leo

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