DC-Kleinstmotoren im Erkundungseinsatz Der Reißverschluss-Mast - KEM

DC-Kleinstmotoren im Erkundungseinsatz

Der Reißverschluss-Mast

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Ein ferngesteuertes Raupenfahrzeug stoppt kurz vor einer mannshohen Mauer. Dann schiebt sich aus seinem Inneren ein Mast in die Höhe, an dessen Kopf eine kleine Kamera montiert ist. Wenige Augenblicke später hat sie einen ungehinderten Blick auf die Geschehnisse auf der anderen Seite. Der sehr kompakte Mast besteht aus drei nach dem Reißverschlussprinzip miteinander verzahnten Stahlbändern. Für das zuverlässige Ein- und Ausfahren dieser Zippermast-Konstruktion sorgt ein robuster, leistungsstarker DC-Kleinstmotor, der nur wenig Einbauplatz benötigt.

Die Autoren: Andreas Eiler, Area Sales Manager, Faulhaber, und Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

Für die gefahrlose Erkundung, etwa nach einem Unfall oder einem terroristischen Anschlag, hat die bayerische Firma Progenox ein ferngesteuertes Raupenfahrzeug mit ausfahrbarem Kameramast entwickelt. Die sogenannten Blaulichteinheiten, also Feuerwehr, Rettungsdienst, Katastrophen- und Zivilschutz sowie Polizei verwenden den mobilen Mast meist zu Überwachungs- und Aufklärungszwecken. Aber auch bei der Inspektion von Rohren und Schächten hat sich der kompakte Zippermast inzwischen als nützlich erwiesen. Mit seiner Hilfe werden beispielsweise in einem Atomkraftwerk die Be- und Entlüftungsanlagen nach Rissen und Fremdkörpern abgesucht.
Bandmaß trifft Reißverschluss
Der Anstoß zur Entwicklung dieser besonderen Teleskoptechnologie kam von den US-amerikanischen Streitkräften. Sie waren auf der Suche nach einem möglichst kompakten und robusten System, das sich für unbemannte Fahrzeuge eignet. Die Entwickler des Zippermasts ließen sich bei ihrer Konstruktion vom metallischen Maßband inspirieren, das aufgrund seiner Wölbung unter Spannung steht und sich deshalb ausziehen lässt ohne zu knicken. Sie nahmen drei Stahlbänder und verbanden sie beim Ausfahren nach dem Reißverschlussprinzip. Aus den biegsamen Bändern wird so ein stabiler Mast. „Als ich den Zippermast zum ersten Mal sah, war ich von dem Konstruktionsprinzip sofort begeistert“, erinnert sich Frank Woodcock, Geschäftsführer von Progenox. Er erwarb die Technologie 2012 in den USA und brachte sie nach Deutschland. Mit seinem Team überarbeitete er daraufhin den Teleskopmast und brachte ihn zur Serienreife.
Die drei Bänder aus federhartem Edelstahl sind auf Spulen gewickelt und in Winkeln von 120° zueinander angeordnet. Eine Leitspindel, die sich in der Mitte dieses Dreiecks befindet, greift die Bänder in den dafür vorgesehenen schrägen Schlitzen. Durch die Rotation der Spindel werden die Bänder nach oben ausgerollt. Ihre gezackten Außenkanten verhaken sich dabei miteinander. So kann der Zippermast auf jede beliebige Zwischenposition ausgefahren werden. Um diese Position zu halten, ist keine zusätzliche Arretierung nötig: Das Gewicht der Bänder und der Ladung ruht auf dem Gewinde der Spindel, das sich wie die Mutter auf einer Schraube nur durch Rotation bewegen lässt.
Stabil bei vertikaler oder horizontaler Belastung
„Wer den Zippermast zum ersten Mal sieht, ist verblüfft, zu welcher Höhe er sich ausfahren lässt“, berichtet Woodcock. Denn das Gehäuse, in dem sich der Mast verbirgt, ist sehr klein: Gerade mal 15 cm hoch ist es beim kleinsten Modell ZM4, 25 cm beim Standardmodell ZM8. „Wie weit der Mast ausgefahren werden kann, lässt sich an der Modellnummer erkennen“, ergänzt Woodcock. „Sie entspricht der Höhe in Fuß. Beim ZM8, der mit einem Gewicht von sieben Kilogramm noch komfortabel getragen werden kann, sind das etwa zweieinhalb Meter. Beim ZM40 erreicht der Mast eine Höhe von mehr als zwölf Metern.“
Sein Konstruktionsprinzip macht den Zippermast zudem äußerst stabil. Diese Festigkeit wird durch eine Wärmebehandlung der Stahlbänder noch weiter gesteigert. Dazu werden die auf den Spulen aufgewickelten Bänder erhitzt und anschließend wieder abgekühlt. Die Kristallstruktur des Stahls passt sich an diese Position an und strebt danach, sie einzunehmen. Beim Abrollen der Bänder wird dadurch eine Spannung erzeugt, die den Mast zusätzlich festigt. Dank dieser Stabilität kann der Mast auch horizontal ausgefahren und belastet werden.
Für Hochsee und Weltraum geeignet
Um den Zippermast für den täglichen Einsatz fit zu machen, haben sich seine Entwickler einiges einfallen lassen: So sind die Stahlbänder inzwischen mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung versehen, die den Abrieb minimiert. Die Leitspindel wird in einem Wärmeprozess gehärtet, die Elektronik ist komplett vergossen. Zudem wurde der ursprünglich verwendete Spindelmotor ausgetauscht. „Bei der Auswahl des optimalen Antriebs haben wir von Faulhaber hervorragende technische Unterstützung erhalten“, betont Woodcock. Da der Zippermast oft unter harten Bedingungen arbeitet, sollte er auch einen besonders robusten und langlebigen Motor erhalten. Gleichzeitig war es wichtig, bei einem geringen Volumen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit zu erzielen. „Der Motor, der die Spindel antreibt, musste zwischen zwei der drei aufgewickelten Stahlbänder Platz finden. Er durfte daher höchstens einen Durchmesser von 32 Millimetern haben“, erinnert sich Andreas Eiler, der das Projekt bei Faulhaber betreute. Trotzdem war eine hohe Leistung gefragt, um den Mast auch bei Belastung schnell ausfahren zu können. Gemeinsam hat man sich daher für einen Faulhaber-DC-Kleinstmotor entschieden. Die gewählte Ausführung der Serie 3272 CR stellt mit ihrem leistungsstarken Seltene-Erden-Magneten ein Nennmoment von 120 mNm zur Verfügung. Um das notwendige Drehmoment zu erreichen, wurde er mit einem robusten Faulhaber-Planetengetriebe kombiniert, das den gleichen Durchmesser hat. „Diese bestehen ausschließlich aus Stahlkomponenten, und sind sehr langlebig“, betont Eiler.
Als zusätzlichen Schutz bekam der Motor ein robustes Gehäuse aus hochresistentem Kunststoff. Damit ist er beständig gegen viele Chemikalien sowie UV- und Infrarotstrahlung. Außerdem erfüllt er die Anforderungen der Schutzklasse IP68. Diese hohe Schutzart ist wichtig, da der DC-Kleinstmotor auch die salzwasserfeste Variante des Zippermastes antreibt, die beispielsweise auf See in eine Boje integriert werden kann. Selbst Anwendungen im Weltraum hält Woodcock für denkbar, die Teilnahme an zwei Projekten hat er bereits beantragt: „Der Zippermast kann zum Beispiel sehr gut als Ausleger für kleine und mittelgroße Satelliten, Antennen oder optische Geräte eingesetzt werden. Zudem arbeiten wir mit der Firma ODG-Argo zusammen, die Roboterfahrzeuge an die Raumfahrtbehörden Nasa und CSA liefert. Gerade haben wir den Zippermast auf einem der Argo-Roboter installiert, der für eine geplante Marsmission eingesetzt werden soll. Ich rechne uns gute Chancen aus, bei einem dieser Weltraumprojekte dabei zu sein.“ Mit an Bord wären dann natürlich auch die robusten DC-Kleinstmotoren aus Schönaich. bec

Kontakt

40270714

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Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG, Schönaich
Andreas Eiler, Area Sales Manager
Tel.: +49 7031 638-244
SPS IPC Drives: Halle 4, Stand 436
Zum Produktselektor des Unternehmens:
t1p.de/n1nf

Zum Anwender

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Die Progenox GmbH ist Lösungsanbieter und angehendes Systemhaus für Anwender aus dem Bereich Verteidigung sowie Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS). Das Unternehmen mit Hauptsitz in Bischofswiesen in Südbayern wurde Anfang 2011 von Frank Woodcock gegründet. Das junge Unternehmen ist eigenfinanziert und hat den wesentlichen Teil aller bisherigen Entwicklungen, Tests und Marketing-Aktivitäten aus eigenen Mitteln bestritten. Als KMU und Lieferant für hochzuverlässige Einsatzunterstützungssysteme für Feuerwehren, Polizei, Technische Hilfswerke und Rettungsdienste beauftragte das Unternehmen eine umfangreiche Marktanalyse zum Thema „Einsatzunterstützung durch Roboter und Software bei Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben“. Die Studie diente der genauen Ermittlung technischer Fähigkeitslücken und Bedarfe.
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