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Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

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  1. Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

    Autor: The Roadrunner 22.09.14 - 23:41

    Der Artikel geht seeeehr stark auf die Exaktheit bei der Positionierung ein, so dass ich dachte, dass es der Autor ein wenig übertreibt, schliesslich werden Schrittmotoren verwendet, welche sicherlich eine Aufloesung von 1.8° (200 Schritt mit 64 Mirkoschritten) besitzen - fast 3 Absätze lang nur "die Exaktheit". Allein mit den Daten wäre eine exakte Positionierung möglich.

    Beim betrachten der Bilder kam ich dann doch ins Grübeln: Zahnriehmen zur Positionierung der Düse. Ich weiss ja nicht, wie "gross" so ein Zahn ist, aber wie bekommt ihr mit, wenn mal ein Zahn übersprungen wurde? Besitzt das System dafür einen Encoder, um die Soll- mit der Istposition zu vergleichen und automatisch zu korrigieren?
    Und da Gummi über die Jahre spröde wird, wie sieht es da mit Ersatz aus?
    Wären Linearachsen mit Spindelandrieb nicht besser gewesen? Schon allein wegen der größeren Beschleunigung - auch wenn es geringfügig etwas mehr gekostet hätte, wäre dieses langfristiger doch günstiger?

    Selbst wenn mal bei der Spindel ein Schritt übersprungen wird, ist die Ungenauigkeit bei einem System ohne Encoder geringer als bei einem Antrieb per Zahnriehmen und ohne Encoder.

    Hier würde mich mal die Meinung des Herstellers interessieren.

    Von daher, mit Besten Dank für die Antwort schon im vorraus. :-)

  2. Re: Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

    Autor: Wirbelpsychologe 23.09.14 - 02:25

    Zunächst einmal sind Beschleunigungen bei Spindelantrieben _geringer_. Ändert man den Lauf der Spindel derart, dass sie mit der Beschleunigung von Zahnriemen gleichauf sind, ist auch die Genauigkeit identisch.
    Zu den Schrittmotoren: Ein Schrittmotor hat 200 Schritte _ohne_ Mikroschritte. Bereits bei 32 Mikroschritten ergäbe sich eine Zahl von 6400 Schritten pro Umdrehung. (32 ist der Normalwert, mehr macht auch keinen Sinn. ich hatte mal einen Motor auf 256 Mikroschritte gepimpt. Abgesehen davon, dass der nur noch sehr langsam lief, war der Verlauf der Mikroschritte auch nicht mehr linear, sondern eher eine Kurve.)
    Zahnriemen werden in Tintenstrahldruckern mit mehreren Tausend DPI benutzt. Sollte in einem Gerät mit Zahnriemen der Riemen einen Zahn springen, ist der Druck, oder das Produkt vermutlich im Eimer. Schrittmotoren werden ja eingesetzt, weil man sich auf ihre Präzision verlassen kann. Das bedingt aber auch, dass die Mechanik eine ist, auf die man sich verlassen können muss. Es gibt auch andere Systeme. ZB. DC-Motoren, deren Position ständig gemessen wird. So etwas ist billiger, der Controller ist ein Anderer, und die Firmware entsprechend anders. Allerdings hängt hier die Verlässlichkeit am Mess-System. Das ist meist optisch und daher prinzipiell anfällig bei einer Änderung des Beleuchtungsumfeldes. Weshalb man sie besser in einem geschlossenen Gehäuse unterbringt, und dann relativiert sich der Preisvorteil wieder. Überhaupt sind Messsysteme eine weitere mögliche Problemquelle, was man ja prima an seinen eigenen Mäusen sehen kann. Solche Systeme sind erste Wahl bei Konsumerbgeräten, die auf Austauschbarkeit und Kurzlebigkeit ausgelegt sind.

    Für die Genauigkeit bei SMD-Teilien sind Zahnriemen mehr als ausreichend. Auch halten sie im allgemeinen recht lange. Ohne Gehäuse um ein Gerät würde ich sogar sagen, dass eine Spindel zweite Wahl sein sollte, denn ohne ein Schützendes Gehäuse, ist die nach einigen Jahren in der Werkstatt verbogen, weil irgendwas drauf gefallen ist, oder ähnliches. Und eine Spindel auszutauschen ist teurer, als ein Riemen.

    PS.: Ich bin kein Hersteller, oder Verkäufer. Betreibe jedoch diverse Geräte mit Schrittmotoren. Angefangen bei einem 3D-Drucker. Inzwischen habe ich mir eine Fräse selber entworfen und gebaut. Dazu einen Filament-Maker, der mit Schrittmotoren läuft. Zur Zeit arbeite ich an einem 3D-Drucker, der sich selber während des Druckens druckt (kein Witz!). Wenn mir die Genauigkeit der Motoren nicht reicht, greife ich zu einem guten Getriebe. Eine Messung nehme ich NUR bei der Einrichtung vor, oder wenn etwas gewartet werden muss. Danach ist Verlass auf die Präzision.

  3. Re: Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

    Autor: am (golem.de) 23.09.14 - 11:25

    Abgesehen von dem was Wirbelpsychologe schrieb noch der Hinweis, dass die Zahnriemen, welche im Maschinenbau zum Einsatz kommen, eben nicht einfach "nur aus Gummi" sind. Es handelt sich um recht komplexe Verbundmaterialien, schau dir zum Beispiel mal dieses Datenblatt an:
    [docs-europe.electrocomponents.com]

    Das Problem mit übersprungenen Zähnen gibt es aber trotzdem tatsächlich real. Das ist dann aber nicht die Folge von Problemen mit dem Riemen selbst, sondern einer fehlerhaften Montage, welche zu einer zu geringen Riemenspannung führt. Die wiederrum äussert sich dann zumeist auch kontinuierlich: Es wird bei jedem Durchgang ein Zahn übersprungen, was ein sehr eindeutiges und leicht erkennbares Fehlerbild produziert. Da es sich um einen Montagefehler handelt, sollte die Elektronik da auch nichts korrigieren oder kompensieren - sondern der Anwender muss den Fehler beheben.

    Zu guter Letzt: Die Positionierung eines Bauteils erfolgt hier eben nicht absolut, sondern kamerakontrolliert, um verzogen eingelegte Platinen handhaben zu können. Die Software erwartet also Lötpad an Position X, kann aber auch mit Position X+Verzug umgehen.

    Grüße,
    Alexander Merz (golem.de)

  4. Re: Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

    Autor: Mirko_von_VarioPlace 23.09.14 - 11:32

    Hallo "Roadrunner",

    unser Anliegen mit VarioPlace ist es, die Maschine und die damit verbundene Fertigungstechnik möglichst vielen Leuten zu eröffnen. Wie so oft im Leben ist dies besonders über den Preis möglich und wenn wir alles so machen würden wie die "Großen", dann wäre unsere Maschine wahrscheinlich auch ähnlich teuer ;-)

    Einer unserer Kompromisse um preislich attraktiv sein zu können ist der Einsatz von den besagten Schrittmotoren (anstatt Servos) in Kombination mit einem Riemenantrieb. Die Motoren haben 200 Schritte pro Umdrehung und werden im Mikroschrittbetrieb angesteuert. Eine Rückkopplung mit Encodern erfolgt hierbei nicht, da diese ein Vielfaches des Motorenpreises kosten würden. Der "Trick" beim Einsatz von Schrittmotoren in einem solchen Open Loop System ist es, die Maschine innerhalb der mechanischen Grenzen zu betreiben (Beschleunigung, Geschwindigkeit etc.) Wenn die Motoren nicht überlastet wird kann man guten Gewissens davon ausgehen, dass die geforderten Schritte auch problemlos ausgeführt werden.
    Um diesen Bereich möglichst nie zu verlassen haben wir einige Vorkehrungen getroffen:

    - VarioPlace ist auf einen niedrigen Schwerpunkt und ein geringes Gewicht des Bestückungskopfes ausgelegt. Je weniger Masse beschleunigt werden muss, desto weniger Kraft wird hierfür auch benötigt.

    - Bei der Auswahl der Linearführungen haben wir auf eine gewisse Qualität geachtet und mehr investiert als unbedingt nötig gewesen wäre. Die Seitlichen Rundführungen sind z.B. deutlich überdimensioniert und auf allen anderen Achsen kommen sogar wesentlich teurere Linearführungen zum Einsatz, wie sie auch in den großen Werkzeugmaschinen zu finden sind.

    - Damit die Riemen nicht ausleiern sind diese nicht aus reinem Gummi, sonder zusätzlich im Kern mit Fasern verstärkt. Sollten sich trotzdem Längenabweichungen mit der Zeit ergeben lassen sich die Riemen jederzeit leicht nachspannen oder kostengünstig austauschen.

    - Nicht zuletzt wird das Verletzungsrisiko und eine Beschädigung der Maschine selbst durch den Einsatz von Riemen verringert. Bei einer Kollision springt der Riemen irgendwann einfach über und die Maschine blockiert. Spindelantriebe können hier wesentlich höhere Kräfte aufbauen, die zum Transport von SMD Bauteilen im Gewichtsbereich von 0.01 bis vielleicht 50g absolut nicht notwendig sind.

    Das dieses System gut funktioniert sieht man ja, wie von "Wirbelpsychologe" schon geschrieben, an zahlreichen 3D-Druckern, Lasercuttern und anderen Geräten mit Riemenantrieb. Alle haben gemeinsam, dass sie geringe Lasten tragen müssen. Bei CNC-Fräsen, die gewisse Kräfte aufbringen müssen um das Material bearbeiten zu können sieht dies natürlich anders aus weshalb hier öfters Trapezspindeln oder Kugelumlaufspindeln zum Einsatz kommen.

    Bei weiteren Fragen können Sie mich auch jederzeit gerne per Email kontaktieren. Die Daten finden Sie auf unserer Webseite varioplace.com

    Gruß

    Mirko von VarioPlace

    http://www.varioplace.com

  5. Re: Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

    Autor: iMattView 23.09.14 - 16:56

    es ist auch bei grossen pick & place maschinen durchaus üblich bei gewissen achsen riehmenantriebe zu verbauen. Nebst den von den anderen hier genannten vorteilen des riehmenantriebs ist da noch die tatsache das das system toleranter ist. wenn die ausrichtung nicht ganz perfekt ist (zugegeben, das muss sie hier trotzdem sein), dann steckt der riehmenantrieb das weg wogegen eine spindel nicht mehr richtig funktioniert und zu eiern beginnt. und wenn die auflösung des schrittmotors nicht reicht gibts ja immernoch getriebe, welche deutlich einfacher zu verarbeiten und zu warten sind als spindeln.

  6. Re: Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

    Autor: The Roadrunner 23.09.14 - 18:27

    "Zu guter Letzt: Die Positionierung eines Bauteils erfolgt hier eben nicht absolut, sondern kamerakontrolliert, um verzogen eingelegte Platinen handhaben zu können. Die Software erwartet also Lötpad an Position X, kann aber auch mit Position X+Verzug umgehen."

    Aha - Danke, das wars, was die Genauigkeit auch bei übersprungen Zähnen korrigiert. Danke :-)

  7. Re: Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

    Autor: The Roadrunner 23.09.14 - 18:43

    Wirbelpsychologe schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Zu den Schrittmotoren: Ein Schrittmotor hat 200 Schritte _ohne_
    > Mikroschritte. Bereits bei 32 Mikroschritten ergäbe sich eine Zahl von 6400
    > Schritten pro Umdrehung. (32 ist der Normalwert, mehr macht auch keinen
    > Sinn.
    Die meisten Schrittmotoren habren 64 Mikroschritte pro Vollschritt und 200 Schritte pro Umdrehung = 12800 Schritte insgesammt; und mit diesen kann ich 10mm/s bis 15mm/s bei einer Spindelsteigung von 1mm/Umdrehung fahren. Dies ist ohne weiteres durch eine entsprechende Spindelsteigung zu steigern.

    Da verstehe ich leider die Arguemtnation nicht, was da 32 und 256 in sachen 'macht keinen Sinn' Aussagen soll.



    > Abgesehen davon, dass der nur noch sehr langsam lief, war der Verlauf der
    > Mikroschritte auch nicht mehr linear, sondern eher eine Kurve.)
    Tja, die Kurven sind auch eine Frage der Beschleunigungs- und Abbremsrampe(n) bzw. maximalen Beschleunigung.


    > Zahnriemen werden in Tintenstrahldruckern mit mehreren Tausend DPI benutzt.
    > Sollte in einem Gerät mit Zahnriemen der Riemen einen Zahn springen, ist
    > der Druck, oder das Produkt vermutlich im Eimer.
    Genau das möchte man doch bei der Bestückung von Leiterplatten verhindern und wenn das häufiger auftritt, produziert man doch massig Ausschuss. Selbst wenn
    es noch festgestellt wird, kostet es einfach Zeit und somit Geld es zu korrigieren.

    > Schrittmotoren werden ja
    > eingesetzt, weil man sich auf ihre Präzision verlassen kann. Das bedingt
    > aber auch, dass die Mechanik eine ist, auf die man sich verlassen können
    > muss. Es gibt auch andere Systeme. ZB. DC-Motoren, deren Position ständig
    > gemessen wird. So etwas ist billiger, der Controller ist ein Anderer, und
    > die Firmware entsprechend anders. Allerdings hängt hier die Verlässlichkeit
    > am Mess-System. Das ist meist optisch und daher prinzipiell anfällig bei
    > einer Änderung des Beleuchtungsumfeldes. Weshalb man sie besser in einem
    > geschlossenen Gehäuse unterbringt, und dann relativiert sich der
    > Preisvorteil wieder. Überhaupt sind Messsysteme eine weitere mögliche
    > Problemquelle, was man ja prima an seinen eigenen Mäusen sehen kann. Solche
    > Systeme sind erste Wahl bei Konsumerbgeräten, die auf Austauschbarkeit und
    > Kurzlebigkeit ausgelegt sind.
    >

    > Für die Genauigkeit bei SMD-Teilien sind Zahnriemen mehr als ausreichend.
    > Auch halten sie im allgemeinen recht lange. Ohne Gehäuse um ein Gerät würde
    > ich sogar sagen, dass eine Spindel zweite Wahl sein sollte, denn ohne ein
    > Schützendes Gehäuse, ist die nach einigen Jahren in der Werkstatt verbogen,
    > weil irgendwas drauf gefallen ist, oder ähnliches. Und eine Spindel
    > auszutauschen ist teurer, als ein Riemen.
    Da frage ich mich, was stellt ihr denn mit einer Spindel an?! Diese sind
    sehr stabil und selbst wenn mal eine Leiterplatte darauf fällt, ist diese nicht sofort krumm. Die halten schon etwas auch.


    >
    > PS.: Ich bin kein Hersteller, oder Verkäufer. Betreibe jedoch diverse
    > Geräte mit Schrittmotoren. Angefangen bei einem 3D-Drucker. Inzwischen habe
    > ich mir eine Fräse selber entworfen und gebaut. Dazu einen Filament-Maker,
    > der mit Schrittmotoren läuft. Zur Zeit arbeite ich an einem 3D-Drucker, der
    > sich selber während des Druckens druckt (kein Witz!). Wenn mir die
    > Genauigkeit der Motoren nicht reicht, greife ich zu einem guten Getriebe.
    > Eine Messung nehme ich NUR bei der Einrichtung vor, oder wenn etwas
    > gewartet werden muss. Danach ist Verlass auf die Präzision.

    Tja, da muss ich wohl noch etwas mehr vertrauen in solch Riehmenantrieb aufbringen. ;-)

  8. Re: Exaktheit und dann Zahnriehmen?!

    Autor: Wirbelpsychologe 23.09.14 - 22:10

    @The Roadrunner

    Inzwischen habe ich eine beachtliche Sammlung von Schrittmotoren. Die meisten habe ich vom Schrott aus Kopierern, Plottern elektrischen Schreibmaschinen usw. Wann immer es möglich war, habe ich die Controller mitgenommen.
    Auf
    > http://www.datasheetcatalog.com/
    habe ich mir dann die Datenblätter für die Controller runter geladen.
    Kein einziger Controller hatte 64 Mikroschritte. Das höchste waren immer 32. Auch meine Polulus auf Rams 1.4 haben maximal 32 Mikroschritte.
    Was die Linearität betrifft war gemeint, dass Jene Mikroschritte die mechanisch nahe der Vollschritte lagen, enger waren. Die Mikroschritte in der Mitte, also an weitesten von den Vollschritten entfernt, waren weiter auseinander.
    Bei 256 Mikroschritten kann man das wunderbar sehen, und kommt zu dem Schluss, dass deren Anwendung dann keinen Sinn mehr macht. Ich bin mir sicher, dass der selbe Effekt auch bei 32 Mikroschritten auftritt, dann aber fällt diese Nichtlinearität nicht weiter auf. Sie geht in der allgemeinen Ungenauigkeit unter. Diese Nichtlinearität würde bei 256 Mikroschritten auch zu einer Vibration führen, da alle 128 Schritte der Motor abwechselnd schneller und wieder langsamer läuft.
    Auch muss bei steigenden Mikroschritten die Spannung erhöht werden, wenn man die Geschwindigkeit halten möchte. Das ist ein notwendiges Übel. Wird aber meist nicht angewendet, weil bei vielen Mikroschritten meist keine hohe Geschwindigkeit benötigt wird. Am Ende bekommt man leider einen um so schwächeren Motor, je mehr Mikroschritte man hat - trotz geringer Geschwindigkeit.

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