Präzise Kraftregelung mittels Servoantrieb hohe Auflösung

[Maximilian B. (maximilian_b593)]

Werte Community,
seit längerem lässt mich der Gedanke nicht mehr los ein eigenes 
Kratzfestigkeitsmessgerät zu bauen und daher benötige ich euren Rat.
Grundsätzlich sehen die gekauften Lösungen so aus:

https://www.erichsen.de/de-de/produkte/oberflaechenpruefung/harte-abrieb-und-scheuerfestigkeit/ritzharte/ritzharte-4

Bei meinen Realisierungsüberlegungen bereit mir die Z-Achse 
Kopfschmerzen (die X-und Y-Achse werden mittels Stepper oder 
Servoantrieb und Linearachse wie im oben angeführten Beispiel 
verfahren).
Die Z-Achse ist jene Achse welche über eine präzise Kraft-Regelung einen 
Ritzstichel auf die Lackprobe drückt, somit die Lackschicht durchdringt 
und somit eine leitfähige Verbindung mit dem Trägerblech herstellt. Bei 
der oben angeführten Lösung wird die Kraft stufenlos über eine 
pneumatische Druckerhöhung eingestellt. Die benötigte Kraft zum 
Durchdringen der Lackschicht ist ein Maß für die Kratzfestigkeit der 
Beschichtung-

Nun, da ihr ungefähr die Ausgangssituation kennt, zu meiner Frage:

Lässt sich die besagte Z-Achse auch mittels elektrischen Servoantrieb 
realisieren? Wenn ja, mit welcher Mechanik (Zahnstange,Spindel,...)?
Die Vorschubgeschwindigkeit ist quasi egal(0,1mm/s-5mm/s)
Die resultierende Kratz-Kraft am Ritzstichel soll regelbar sein 
ca(1N-100N, je präziser die Regelmöglichkeit, desto besser)
Ich kann mir durchaus auch eine Lösung mit externer Kraftmessung 
vorstellen (z.Bsp.: Kraftmessung mit DMS)

Ich bitte um Beiträge ob sowas überhaupt möglich ist bzw. welche 
technischen Lösungen euch dazu in den Sinn kommen. :)

[Jonas B. (jibi)]

Für wie viele Tests soll das ausgelegt sein?
Wertet die Maschine auch gleich die entstandenen Kratzer aus? Müsste sie 
ja, sonst weißt man ja nicht ab welcher Kraft die Kratzer enstehen. Ich 
glaub das ist gar nicht so ohne.

Zur Z-Achse: 3-30N lassen sich problemlos über Motor + Gewindespindel 
und Mutter einstellen.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Maximilian B. schrieb:
> Ich bitte um Beiträge ob sowas überhaupt möglich ist bzw. welche
> technischen Lösungen euch dazu in den Sinn kommen.
Das Ganze hört sich für mich vorerst nach einem vorrangig mechanischen 
und keineswegs digitaltechnischen Problem an.

[Experte (Gast)]

Maximilian B. schrieb:
> 
https://www.erichsen.de/de-de/produkte/oberflaechenpruefung/harte-abrieb-und-scheuerfestigkeit/ritzharte/ritzharte-4

Ah, deutsche Ingenieurskunst:

  - 40 Kilogramm externer Schaltschrank in Sitzmöbelgröße.
  - 400 Volt Anschluss, Druckluft sowieso.
  - 1,10 Meter Breit bei ca. 25cm Verfahrweg.
  - Schön viel Luft im leeren Sockel und unterm Tisch verbaut.
  - Aus dem Vollen gefräste, 6-Seiten bearbeite "Brückenstützen".
  - Servomotor nach unten hängen lassen für maximale Hebelwirkung.
  - Ergonomisch angebrachte Kurbel weit hinten, ganz oben.
  - Kabel verschämt rumhängen lassen und als Bündel zum Schaltschrank.

Ich würde sagen, volle Punktzahl erreicht.


> seit längerem lässt mich der Gedanke nicht mehr los ein eigenes
> Kratzfestigkeitsmessgerät zu bauen

Nur weil der Preis dieses Meisterstücks unverschämt hoch sein wird, 
wirst Du damit nicht reich werden. Du kommst an potentiellen Kunden 
nicht ran.

[Helge (Gast)]

Mit Untersetzung läßt sich wohl eine Position anfahren, aber keine Kraft 
daraus ableiten. Ich halte einen Elektromagneten für sinnvoll. Dessen 
Kraft kann man aufnehmen und in einer Tabelle hinterlegen.

[Markus B. (mbo_ap)]

Ich habe mich lange Zeit mit hoch dynamischer Kraftregelung im 
Tribologie beschäftigt. Meine Proben bestanden allerdings aus Gummi 
daher könnte meine Erfahrung nicht 1:1 für deinen Anwendung Fall passen, 
nichts desto trotz ein paar Ratschläge:

- Als Antriebseinheit am besten einen Direktantrieb nehmen bspw. 
(eisenlose) Linearmotoren oder starke rotatorische Motoren die ohne 
Spiel mit dem Sensor verbunden sind.
- je nach Genauigkeitsanforderung wirst du um eine Kraftmessung inkl. 
Regelung nicht umherkommen (Reibung, Strecken Nichtlinearitäten)
- Reibung und vor allem Stick Slip sind unbedingt zu minimieren

Grüße

[Andreas B. (bitverdreher)]

Eine Kraftmessdose (da gibt es genug Hersteller) unter das Objekt 
anbringen. Ohne Stichel Nullpunkt setzen und mit der Differenz dann 
regeln. Erzeugung des Sticheldruckes mit E-Magneten.

Jonas B. schrieb:
> Wertet die Maschine auch gleich die entstandenen Kratzer aus? Müsste sie
> ja, sonst weißt man ja nicht ab welcher Kraft die Kratzer enstehen. Ich
> glaub das ist gar nicht so ohne.
Er kratzt einfach so lange, bis die Lackschicht durch ist und der 
Stichel auf die leitfähige Unterlage kommt. So habe ich das jedenfalls 
verstanden.

Edit: Im Anhang ein ähnliches Gerät, mit dem ich meine Dipl.arbeit 
gemacht hatte. ;-)

[Walter T. (nicolas)]

Helge schrieb:
> Mit Untersetzung läßt sich wohl eine Position anfahren, aber keine Kraft
> daraus ableiten.

Mit einer Feder läßt aus einem Weg eine Kraft ableiten. Wenn die Kraft 
(z.B. über eine Kraftmessdose) extern gemessen wird, muss die Feder noch 
nicht einmal besonders linear sein.

Sprich: Es ist kein Problem, dass Ganze wie eine kleine Konsolenfräse 
mit 3 Achsen mit Schrittmotorsteuerung aufzubauen. Nur die Software wird 
man wohl selbst schreiben müssen, weil die gängigen CNC-Steuerungen 
keine Kraftsteuerung unterstützen.

[Helge (Gast)]

Kraftregelung geht wohl. Das ist aber erhöhter Aufwand. Die Meßdose hat 
Eigengewicht und braucht Platz, bewegte Meßleitungen und wenige mV sind 
fehleranfällig. Bei der Eindrückbewegung muß die Kraft schnell 
nachgesteuert werden, das gilt auch für Unebenheiten des Meßobjekts. 
Kraftmeßdosen bekommen Spiel und das Meßergeblis ist viel schlechter, 
wenn Querkräfte wirken.

Besser wenn man das vermeiden kann. Ich halte einen kalibrierten 
Elektromagneten und eine fest montierte Meßdose irgendwo im Randbereich 
des Gerätes für eine sinnvolle Möglichkeit. Das Verhältnis Strom zu 
Kraft läßt sich beim Kalibriervorgang in einer für begrenzte Zeit 
gültigen Tabelle hinterlegen. Da läßt sich auch Schwergängigkeit 
ausrechnen und eine Warnung ausgeben. Bei der eigentlichen Messung die 
der gewünschten Kraft entsprechenden Stöme anhand der hinterlegten 
Tabelle einstellen.

[Udo S. (urschmitt)]

Die pneumatische Lösung hat den Vorteil, dass man einfach, wegunabhängig 
und linear die Kraft erhöhen kann und diese direkt aus dem Druck und der 
Querschnittsfläche des Pneumatikzylinders errechnen kann.
Bei einem elektrischen Antrieb muss du zum einen die Kraft ermitteln und 
zum zweiten brauchst du ein elastisches Element das dafür sorgt dass die 
Kraft nicht sprunghaft ansteigt, da sich der Ritzstichel ja nur einige 
µm in den Lack bewegen kann.
Walter T. hat ja eine Lösung beschrieben, aber die pneumatische ist 
einfach und gut.

[Maximilian B. (maximilian_b593)]

Danke für die Beiträge :)
Besonders guten Input habe ich durch die Antworten von Andreas B. und 
Walter T. erhalten.


Lothar M. schrieb:
> Das Ganze hört sich für mich vorerst nach einem vorrangig mechanischen
> und keineswegs digitaltechnischen Problem an.

Da stimme ich 100% zu und ich habe meine Überlegungen auch schon mit 
Maschinenbau-bewandten Personen geteilt, allerdings habe ich durchaus 
hier im Forum fruchtbarere Antworten erhalten, da diese von Personen 
kamen, die offensichtlich ein Grundverständnis von der mechanischen 
Problematik + Wissen über elektrische Antriebe + ungefähre 
Implementierung der Kraftmessung hatten.


So verbleibe ich dankend, werde nach Ausarbeitung eines Konzepts 
Versuche durchführen und werde, sollten sich Probleme bei der 
Implementierung gewisser Komponenten Probleme ergeben, die Fragen in den 
entsprechenden Foren stellen.

lg und Danke nochmal :)