Napędzanie wyciągu silnikiem

[jolo]

Czasami, z różnych powodów (np kosztów, albo chęci pomajsterkowania) decydujemy się na wykonanie napędu do kontroli wyciągu, który pozwoli nam na ustawianie ostrości za pomocą silniczka. Zrobienie odpowiedniego kontrolera, który przy okazji będzie posiadał interfejs ASCOM umożliwiający komunikację z różnymi programami opisałem w tym wątku https://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/6506-szyte-na-miarę-astropudełko-na-arduino/. Ale taki kontroler to dopiero połowa pracy - pozostaje jeszcze napędzanie wyciągu odpowiednim silnikiem. Opiszę kilka rozwiązań, które przetestowałem w czasie mojej zabawy ze sprzętem astronomicznym.

Komercyjny napęd zamontowany na wyciągu Moonlite - sterownik możemy zrobić samemu

Jaka jest wymagana dokładność ustawienia wyciągu?

Wyciąg to urządzenie precyzyjne - musi pozwolić na ustawienie okularu albo zestawu fotograficznego z dużą dokładnością. Ale z jak dużą? To zależy głównie od światłosiły posiadanego instrumentu i opisane jest wielkością CFZ (ang. Critical Focus Zone), która, mówiąc po ludzku, określa zakres odległości, w którym zostanie zachowana ostrość obrazu. Wielkość CFZ dla kilku wybranych wielkości światłosiły pokazana została poniżej

Światłosiła         CFZ w mikrometrach
f/3                 22
f/4                 40
f/5                 52
f/6                 90
f/7.5               140
f/10                249
f/15                560

Wyciąg napędzany silnikiem musi mieć rozdzielczość co najmniej 3-4 razy większą od CFZ. Czyli na przykład dla instrumentu o światłosile f/4, w którym wyciąg napędzany jest przez silnik krokowy, rozmiar pojedynczego kroku powinien być nie większy, niż 10-15um. Taka rozdzielczość nie jest trudna do osiągnięcia. Większość wyciągów Crayforda posiada ośkę o średnicy 6mm, której obwód wynosi około 18mm, czyli 18000um. Zakładając rozdzielczość 10um na każdy obrót ośki wyciągu potrzebujemy 18000 / 10 = 1800 kroków. Można to osiągnąć za pomocą prostego silnika krokowego o rozdzielczości 200 kroków na obrót oraz przekładni 1:10. Jeśli nasz instrument ma światłosiłę f/10, możemy użyć silnika o rozdzielczości 400 kroków na obrót bez żadnej dodatkowej przekładni. Widzimy też, że nawet w przypadku instrumentów o światłosile f/3 nie jest zupełnie potrzebne posiadanie wyciągu o rozdzielczości większej niż 4-5um. 

 

Jaka jest moc wymagana do napędzania wyciągu?

W tym wypadku moc to nie jest precyzyjne określenie - do poruszenia ośki wyciągu potrzebujemy momentu obrotowego. Moment obrotowy wyrażany jest w jednostkach Nm albo Ncm. Wyobraźmy sobie dźwignię o długości 10cm umocowaną do ośki naszego wyciągu. Siłą z jaką musimy nacisnąć koniec tej dźwigni aby poruszyć wyciąg to właśnie jest moment obrotowy. Jeśli siła ta wynosi 0.5N (co odpowiada mniej więcej ciężarowi 50g), to moment obrotowy wynosi 0.5 * 10 [N * cm] = 5 Ncm.
Dla wyciągów Crayforda moment wymagany moment obrotowy do poruszenia ośki mikroruchów wynosi najczęściej 1-3 Ncm, a do poruszenia ośki głównej wyciągu to około 10 Ncm. Dla wyciągów R&P wymagany moment może być nieco większy. Zawsze jednak warto mieć pewien zapas na wypadek nieprzewidzianych okoliczności (większy opór przekładni na mrozie, brud w przekładni). Kiedy używamy przekładni redukującej, osiągnięcie wymaganego momentu obrotowego nie jest problemem, ponieważ dla przykładu przekładnia 1:20 zmniejsza nam prędkość obrotową 20 razy, ale jednocześnie zwiększa nam moment obrotowy również 20 razy (zakładając brak strat na przekładni). Jeśli natomiast nie używamy przekładni i łączymy oś silnika krokowego bezpośrednio z osią wyciągu, musimy zadbać o to, żeby silnik ten posiadał odpowiednio duży moment obrotowy.

 

Rozwiązania komercyjne

Na rynku dostępne są komercyjne rozwiązania silników do napędzania wyciągów. Sprzedawane są one zazwyczaj przez producentów wyciągów, albo przez producentów kontrolerów. Wiele z nich jest kompatybilne z pewnego rodzaju standardem, jakim jest Robofocus. Wśród kompatybilnych rozwiązań znajdują się produkty takich firm jak Robofocus, Moonlite, USB Focus, Pegasus Astro, a z niewielkimi przeróbkami Starlight MicroTouch czy Seletek. Na krajowym rynku takie kompatybilne rozwiązania to USBFocus Korneliusza czy AstroHub i AstroLink. Wykorzystanie rozwiązania komercyjnego to najwygodniejsza, ale zazwyczaj najdroższa opcja. Rozwiązanie takie najczęściej bazuje na niewielkim silniku krokowym wyposażonym w dodatkową przekładnię. 

Silnik krokowy z dodatkową przekładnią napędzający główną oś wyciągu

Podłączenie silnika krokowego z dodatkową przekładnią do osi głównej wyciągu

Ten sposób podłączenia jest najpopularniejszy w rozwiązaniach komercyjnych. Składa się z silnika krokowego o niewielkim momencie obrotowym połączonym z przekładnią redukującą o przełożeniu od 1:10 do 1:200. Oś na wyjściu przekładni sprzężona jest z osią główną wyciągu. Cena takiego rozwiązania jest dość wysoka, ze względu na dodatkowy koszt przekładni. Kolejną wadą takiej konstrukcji jest backlash, który jednak z łatwością można skompensować odpowiednim parametrem w ustawieniach sterownika. Rozwiązanie to ma wiele zalet: niski pobór energii, brak wymagania zasilania w spoczynku, łatwe osiągnięcie dużej rozdzielczości i dużego momentu obrotowego oraz kompatybilność z wieloma rozwiązaniami komercyjnymi (jeśli użyjemy unipolarnego silnika krokowego na napięcie 12V). 
Przykładowe silniki z przekładniami, które możemy wykorzystać w ten sposób:

• https://www.omc-stepperonline.com/geared-stepper-motor/nema-16-stepper-motor-bipolar-l33mm-w-gear-raio-141-planetary-gearbox-16hs13-0604s-pg14.html
• https://www.omc-stepperonline.com/geared-stepper-motor/nema-17-stepper-motor-bipolar-l33mm-w-gear-raio-271-planetary-gearbox-17hs13-0404s-pg27.html
• silniki 35BY412 z przekładnią 1:42 do kupienia w serwisach ebay i aliexpress

 

Podłączenie niewielkiego silnika krokowego do osi mikrofocusera

To rozwiązanie jest stosunkowo proste w implementacji. Wymaga silnika krokowego o niewielkim momencie obrotowym (wykorzystujemy przekładnię wyciągu), który jest połączony z osią mikroruchów wyciągu. Każdy silnik krokowy na napięcie 9-12V się nada, jeśli tylko zapewni moment obrotowy większy od 2-3Ncm. 
Rozwiązanie to jest proste i niedrogie. Jego wadą jest wyeliminowanie pokrętła mikroruchów, którego nie możemy używać do ręcznego ostrzenia, oraz wrażliwość na nieosiowe zamontowanie silnika - wtedy przekładnia planetarna może się ślizgać.
Przykładowe silniki, które się sprawdzą w takim rozwiązaniu:

• https://www.omc-stepperonline.com/hybrid-stepper-motor/nema-8-bipolar-18deg-3ncm-425ozin-03a-12v-20x20x38mm-4-wires-8hs15-0304s.html
• https://www.omc-stepperonline.com/hybrid-stepper-motor/nema-14-bipolar-18deg-14ncm-20ozin-04a-12v-35x35x26mm-4-wires-14hs10-0404s.html
• https://www.omc-stepperonline.com/hybrid-stepper-motor/round-nema-14-bipolar-09deg-5ncm-708ozin-05a-85v-%CF%8636x12mm-4-wires-14hr05-0504s.html
• https://www.omc-stepperonline.com/hybrid-stepper-motor/nema-16-bipolar-18deg-21ncm-297ozin-04a-12v-39x39x34mm-4-wires-16hs13-0404s.html

 

Podłączenie dużego silnika krokowego bezpośrednio do osi głównej wyciągu

Rozwiązanie to wymaga silnika o większym momencie obrotowym, który łączymy bezpośrednio z główną osią wyciągu. W przypadku instrumentów o światłosile większej niż f/10 uzyskana rozdzielczość w takim rozwiązaniu jest zbyt mała i silnik musi być sterowany w trybie mikrokrokowym. Potrzebujemy do tego specjalnego sterownika. Rozwiązanie to jest mało popularne w komercyjnych rozwiązaniach. Wśród krajowych konstrukcji takie sterowanie mikrokrokowe stosowane jest w urządzeniu DreamFocuser, a także jako dodatkowy moduł mikrokrokowy do AstroLinka. 
Przy sterowaniu mikrokrokowym problemem staje się osiągnięcie odpowiedniego momentu obrotowego. Przy rozdzielczości 1/64 kroku moment obrotowy potrzebny do przemieszczenia silnika o 1/64 kroku spada do 2.5% pełnokrokowego momentu silnika (wg https://www.micromo.com/technical-library/stepper-motor-tutorials/microstepping-myths-and-realities ). Dla rozdzielczości 1/32 kroku to 5%, przy 1/16 kroku to 10% i przy 1/8 kroku to 20% pierwotnego momentu obrotowego silnika. Jak łatwo policzyć, stosując całkiem spory silnik o momencie obrotowym 40Ncm i zakładając, że do poruszenia wyciągu potrzebujemy momentu 10Ncm, to moment taki osiągniemy przy rozdzielczości najwyżej 1/8 kroku. Przy sterowaniu z większą rozdzielczością, np 1/64 kroku, moment będzie niewystarczający do poruszenia osi wyciągu, która poruszy się dopiero, kiedy sygnał sterujący przesunie ją o 1/8 lub więcej kroku. Jednak taka rozdzielczość powinna bez problemu wystarczyć do większości instrumentów o średniej światłosile. Jedynie dla jasnych teleskopów f/3 - f/5, jeśli dodatkowo wyciąg jest mocno obciążony, trzeba sobie przeliczyć czy takie rozwiązanie nie będzie słabym punktem zestawu.
Podłączenie takie jest stosunkowo proste w implementacji. Teoretycznie eliminuje też backlash, choć jeśli moment obrotowy silnika będzie niewystarczający, to backlash będzie wciąż obecny. Silnik sterowany mikrokrokowo wymaga też ciągłego zasilania, nawet w spoczynku. Powoduje to wydzielanie się ciepła w okolicy wyciągu, gdzie nie zawsze tego chcemy, a dodatkowo jest to niezbyt korzystne przy zasilaniu zestawu z akumulatora. No i rozwiązanie takie nie jest kompatybilne ze standardem Robofocusa - musimy mieć dedykowany sterownik mikrokrokowy.
Do implementacji tego rozwiązania polecam silniki w rozmiarze co najmniej Nema 16 (krajowy odpowiednik to silniki serii 39...):

• https://www.omc-stepperonline.com/hybrid-stepper-motor/nema-16-bipolar-18deg-18ncm-255ozin-065a-455v-39x39x34mm-4-wires-16hs13-0654s.html
• https://www.omc-stepperonline.com/hybrid-stepper-motor/nema-17-bipolar-18deg-36ncm-51ozin-085a-54v-42x42x39mm-4-wires-17hs15-0854s.html

Silnik krokowy napędzający oś mikroruchów wyciągu

Czym połączyć silnik z osią wyciągu?

Najpopularniejsze rozwiązanie to sprzęgło helikalne. Na zagranicznych portalach (np aliexpress) do znalezienia jest pod hasłem "shaft coupler". Musimy znaleźć odpowiedni model, który z jednej strony nałożymy na oś silnika, a z drugiej na oś wyciągu. Do napędzania osi mikroruchów wystarczy sprzęgiełko z tworzywa sztucznego, ale do napędzania osi głównej wyciągu zalecam sprzęgło aluminiowe.
Inne rozwiązanie to pasek zębaty i odpowiednie zębatki (ang. toothed belt, toothed belt pulleys) lub zwykłe zębatki. Możemy w tym przypadku uzyskać dodatkowe przełożenie, ale w praktyce nie większe niż 1:4 (przy paskowej przekładni jednostopniowej).

 

Jak zamocować silnik na wyciągu?

Większość wyciągów posiada od spodu otworki przeznaczone do mocowania napędu do wyciągu. Często są one zaślepione robaczkami. Jeśli nasz wyciąg takowych nie ma, możemy do zamocowania wykorzystać otwory i śruby, którymi oś wyciągu dociśnięta jest do korpusu wyciągu. Należy zastosować dłuższe śruby mocujące, które będą jednocześnie utrzymywały nasze mocowanie wyciągu. 
A samo mocowanie najłatwiej chyba wykonać z blachy aluminiowej (polecam 3mm, ewentualnie może być 2-2.5mm jeśli mamy stop o większej wytrzymałości PA6 PA7 PA11) i kawałka kątownika. Należy zwrócić uwagę na osiowość zamontowania silnika i wyciągu. Sprzęgło helikalne pracuje w pewnym zakresie tolerancji, ale jeśli błąd zamocowania będzie zbyt duży, całość nie będzie działała poprawnie.

 

Moje całkiem pierwsze rozwiązania sprzed wielu lat

Zachęcam do dzielenia się zdjęciami i opisami własnych rozwiązań 

[Jacek E.]

Ja swoim pomysłem zamontowane miałem w 3 refraktorkach - 150/1200 (niestety fotki się nie zachowały), Orion ED 80/500 i teraz w Apusiu 90/600  oraz 2 betoniarkach SCT 8 i 11". 
Wszędzie starałem się kombinować z blaszką ameliniową w oparciu o literkę L.
Najpierw robiłem twardy kartonowy szablon i w nim wyznaczałem wszelkie otwory - na zamocowanie silnika i zamocowanie wszystkiego do wyciągu. Zawsze kombinowałem tak aby silniczek przez sprzęgło helikalne napędzał ośkę mikroruchów.
Sterowanie jeśli chodzi o betoniarki było przy pomocy motorka SW gdzie wykorzystywałem albo pilot, lub zdalnie przez laptoczka przy pomocy ustrojstwa pod nazwą USB Focus Motor Controller   http://www.store.shoestringastronomy.com/products_fc.htm

Natomiast w refraktorkach ED i Apusiu wykorzystałem USBFocus V1 i V2 projektu Korneliusza.

Tak moje mocowanie wygląda:

[KrisQ]

No ładniuśko zrobione. I  najważniejsze, że się dobrze sprawuje.

[Vroobel]

Witam, 

To może i ja się pochwalę moim motofocuserem oraz pewnym dodatkiem do niego. Również zastosowałem silnik krokowy z przekładnią planetarną i elastyczne sprzęgło dla wyrównania nieosiowości oraz blaszkę w kształcie litery L. Na marginesie, blaszka ta oryginalnie pełniła funkcję skrzydełka 19" urządzenia sieciowego, rozstaw otworów był identyczny, jak na obudowie przekładni silnika. Nie chwaliłbym się kolejnym takim samym motofocuserem, gdyby nie ten dodatek, czyli miniaturowe wyłączniki krańcowe oraz blaszka wkręcona w tuleję wyciągu, która popycha dźwigienki wyłączników. Każdy amator ATM, który zdaje sobie sprawę z siły takiego napędu i co się dzieje na końcach zębatej bieżni, powinien zrozumieć, po co są te krańcówki. Poniżej wklejam zdjęcie całości, a także podaję link do kompletnego opisu, co u jak.

https://astrovroobel.wordpress.com/2017/10/17/naped-wyciagu-okularowego/