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Antriebstechnik Nachführsystem arbeitet mit Wave-Drive-Getriebe und Schrittmotor

| Autor / Redakteur: Sandro Krempel und Volker Schenk / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Wave-Drive-Getriebe ermöglichen extrem kleine Abtriebsdrehzahlen. Bei einem Nachführsystem für Teleskope wurde nun zum Antrieb ein Schrittmotor mit einem Wave-Drive-Getriebe kombiniert, was den Einsatz von Schneckengetrieben überflüssig macht. Es ist im Vergleich zu Harmonic-Drive-Getrieben selbsthemmend.

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Um Bilder wie das der Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke zu bekommen, benötigt der Astronom nicht nur ein hochauflösendes Teleskop, sondern auch eine entsprechend gute Montierung. Bild: ESO
Um Bilder wie das der Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke zu bekommen, benötigt der Astronom nicht nur ein hochauflösendes Teleskop, sondern auch eine entsprechend gute Montierung. Bild: ESO
( Archiv: Vogel Business Media )

Um Aufnahmen vom Sternenhimmel machen zu können, braucht der Astronom außer einem hochauflösenden Teleskop auch eine gute Montierung, die einerseits das Teleskop relativ schnell auf die entsprechende Position verfährt, es andererseits während der gesamten Beobachtung sehr genau und extrem langsam am Himmel nachführen kann.

Antriebsmöglichkeiten wurden genau untersucht

So gut wie alle heute am Markt vorzufindenden kleinen Montierungen arbeiten mit Schneckenradgetrieben, denen oftmals in einer Vorstufe noch ein weiteres Getriebe (meist ein Planetengetriebe) vorgelagert ist, um die hohen benötigten Untersetzungen bei den Achsen zu erreichen. Das in den Schneckenradgetrieben auftretende Spiel führt zu Ungenauigkeiten bei der Positionierung und Nachführung und kann nur teilweise über die Steuerungssoftware kompensiert werden.

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Zusammen mit der Hochschule Coburg und dem Unternehmen 4pi Systeme GmbH, das sich vor allem mit Informationstechnik und astronomischen Systemen beschäftigt, sowie mit der Sternwarte Sonneberg wurde untersucht, welche anderen Antriebsmöglichkeiten in Hinblick auf Genauigkeit, Kosten und Aufwand im Bereich kleiner Montierungen möglich sind.

Moderne so genannte Go-To-Montierungen (von Meade oder Celestron) erreichen mit den schon genannten Schneckenradgetrieben relativ hohe Positioniergeschwindigkeiten von 4 bis 8 Grad pro Zeitsekunde. Auch die Nachführgeschwindigkeit zum Beobachten des Objektes muss einstellbar sein (Mond-, Kometen-, Sternengeschwindigkeit) und über lange Zeit sehr genau und gleichförmig beibehalten werden können. Sie beträgt im Schnitt 0,000694 min–1 an der Nachführachse (das heißt 1 Grad in knapp 4 Minuten).

Im Ideafall treten nur kleine Lastmoment auf

Das Antriebsmoment kann klein sein, weil die Masse des Teleskops (etwa 5 bis 15 kg) in allen Achsrichtungen sehr gut ausgeglichen werden kann. Im Idealfall können nur kleine Lastmomente (von 1 bis 5 Nm) auftreten.

Zum Antrieb werden meist Schneckenradgetriebe und DC-Servomotoren, aber auch Schrittmotoren verwendet. Beide Motortypen sind in gängigen Montierungen zu finden, wobei der Servomotor in den vergangenen Jahren etwas häufiger eingesetzt wird. Dies liegt vor allem an den schnellen Geschwindigkeiten der Go-To-Positionierung. Servomoto-ren zeichnen sich vor allem durch ein hohes Drehmoment bei hohen Drehzahlen sowie eine sehr gute Laufruhe und einen hohen Wirkungsgrad im gesamten Drehzahlbereich aus.

Schrittmotoren laufen etwas unruhiger als Servomotoren

Um die gleiche Positioniergenauigkeit wie mit einem Schrittmotor zu erreichen, muss allerdings ein höherer elektronischer (und auch finanzieller) Aufwand betrieben werden. Schrittmotoren dagegen haben bei niedrigen Drehzahlen ein sehr großes Moment und damit eine hohe Beschleunigung.

Bei großen Drehzahlen sinkt das Moment jedoch stark ab, weshalb meist etwas größer dimensionierte Motoren für den schnellen Go-To-Betrieb notwendig sind. Schrittmotoren laufen im Vergleich zu Servomotoren oftmals etwas unruhiger, weil keine kontinuierliche Bewegung, sondern eine schrittweise Bewegung um einen bestimmten Winkel erfolgt. Durch eine entsprechend gute Steuerung mit dem Microstepping-Verfahren können diese Eigenschaften deutlich verbessert werden.

Genauere Positionierung mit Schrittmotoren

Das Schrittmotorsystem ist meist ein gesteuertes System, das aus einer Steuerung, einem Leistungsteil und einem Motor besteht. Der Motor verfährt dabei Schritt für Schritt. Die Anzahl der zu verfahrenden Schritte, deren Frequenz (Geschwindigkeit), deren Schrittweite (Vollschritt, Halbschritt, Mikroschritt) sowie die Drehrichtung werden von der Steuerung vorgegeben.

Das Leistungsteil setzt die vorgegebenen Schrittsignale (Rechtecksignale) in Stromsignale um und dreht den Motor. Weil die Schrittweite bekannt ist, kann über die Vorgabe der Schrittzahl eine relativ genaue Position angefahren werden, ohne dass ein Encoder oder Ähnliches für die Positionserfassung notwendig wäre.

Elektronische Mittel verkleinern Schrittwinkel

Die Schrittauflösung ist von der Motorkonstruktion und der elektrischen Ansteuerung abhängig. Bei den meisten Motoren beträgt bei „normaler“ Ansteuerung ein Vollschritt 1,8°, das heißt 200 Schritte pro Umdrehung. Mit elektronischen Mitteln lassen sich die Schrittwinkel verkleinern, sodass Werte von 400 (Halbschritt), 800 (Viertelschritt) oder sogar bis zu 10 000 (Mikrostepping) Schritte pro Umdrehung realisiert werden können. Je höher die Anzahl der Schritte pro Umdrehung ist, desto besser wird das Laufverhalten des Motors, vor allem bei kleinen Frequenzen.

Das Kernstück der Arbeit war es, eine Alternative zu den Schneckengetrieben zu finden und zu testen. Dazu wurde das Wave-Drive-Getriebe der Oechsler KG (Bild 1) verwendet.

Der Aufbau und die Funktion dieser verwendeten Wellgetriebe ähneln sehr stark den Harmonic-Drive-Getrieben. Die Kunststoffkonstruktion machte jedoch einige Veränderungen notwendig. In einem verformbaren Stößelrad ist ein mit der Antriebswelle fest verbundener, elliptischer Antriebskern gelagert (Generator). Beim Antrieb wird durch die erzeugte Drehbewegung der Ellipse über das Stößelrad ein elastischer Zahnring laufend verformt. Er greift dabei in eine gehäusefeste Innenverzahnung. Zwischen den beiden Verzahnungen besteht eine Zähnezahldifferenz, die eine langsame Relativbewegung bewirkt.

Getriebe sind auf der Abtriebsseite selbsthemmend

Die verschiedenen Untersetzungen werden durch die Variation der Verzahnung erreicht. Mit den Getrieben sind Untersetzungen von 30:1 bis 4800:1 in einer Stufe möglich. Ein Unterschied zu den Harmonic-Drive-Getrieben ist, dass diese Getriebe auf der Abtriebsseite selbsthemmend sind.

Bedingt durch den Kunststoff können bei den Wave-Drive-Getrieben jedoch nur kleine Momente am Abtrieb übertragen werden. Ein Dauer-Nenndrehmoment von 5 Nm ist aber durchaus möglich. Weil keine Lagerung im Getriebe vorgesehen ist, müssen Kräfte (axial oder radial) separat abgestützt werden.

Weitere wichtige Eigenschaften der Wave-Drive-Getriebe:

  • Einsatz bevorzugt als Stellgetriebe,
  • kompakt und leicht, hohe Leistungsdichte,
  • geringes Spiel beziehunsgweise spielfrei (abhängig von der Variante),
  • koaxiale Anordnung, bestehend aus nur sehr wenigen Komponenten,
  • geräuschoptimierte Varianten mit schrägverzahnter integrierter Planetenvorstufe,
  • hohe Stückzahlen (durch Spritzguss),
  • Temperatureinsatzbereich: –40 bis 80 °C,
  • Wave-Drive-Getriebe lassen sich auf vielfältige Weise, applikationsgerecht anpassen.

In Bild 2 ist die aus den einzelnen Komponenten aufgebaute experimentelle Nachführachse skizziert. Sie besteht aus Schrittmotor, Wave-Drive-Getriebe und dem Lagerblock (für die Lagerkräfte des Teleskops). Alle Bauteile sind über Wellenkupplungen miteinander verbunden.

Zum Betrieb der Montierung sind drei Signalwerte notwendig. Die Frequenz eines Rechteck-Impulssignals bestimmt die Drehgeschwindigkeit des Motors. Jeder Impuls bewirkt dabei eine Drehung um einen Schritt. Ein zweites Signal steuert die Drehrichtung und ein drittes bestimmt, in welchem Schrittmodus (Voll-, Halb-, Mikroschritt) der Motor betrieben wird.

Betrieb des Motors über handelsüblichen PC ist möglich

Ein Steuerprogramm generiert die Steuersignale (Profilab-Expert 3.0) und gibt diese an die Motorsteuerung weiter. Der Betrieb ist so über einen hadelsüblichen Computer möglich. Um die Nachführeinheit auszutesten, wurde ein fein justierbarer „Laserkopf“ an der Abtriebswelle montiert und die Winkeländerungen wurden vermessen.

Mit der Schrittmotor-Wave-Drive-Getriebe-Einheit wurde eine einfache und relativ preiswerte Nachführachse für eine Teleskopmontierung realisiert. Die Nachführeinheit erreicht die gängigen Positioniergeschwindigkeiten und erzeugt die geforderte Nachführgeschwindigkeit bei guter Gleichförmigkeit.

Bild 3 zeigt eine Versuchsanordnung mit der beschriebenen Montierung. Die Achse ist dazu starr (pa-rallaktisch) auf einem Sockel befestigt.

Das neu entwickelte Wave-Drive-Getriebe in der realisierten Teleskop-Montierung kann auch in anderen Anwnedeungen einsetzen, wo geringe Kräfte auftreten und sehr langsame und genaue Geschwindigkeiten preiswert und effizient umgesetzt werden sollen.

Dipl.-Ing. (FH) Sandro Krempel ist Projekt-ingenieur im ISAT (Institut für Sensor- und Aktortechnik der Hochschule Coburg); Dr.-Ing. Volker Schenk ist Professor in der Fakultät Maschinenbau der Hochschule für angewandte Wissenschaften an der Fachhochschule Coburg in 96450 Coburg.

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