Parallaktische Montierung
- als Selbstbau für den 8 Zoll Newton -

Letztes Update: 15.09.09
 
Ein 8 Zoll Newton-Teleskop, insbesondere in mechanisch solider Bauweise und für fotografische Verwendung erfordert schon eine kräftige Montierung, wobei dann sehr schnell die Grenze der Transportabilität erreicht wird. Kommerzielle Montierungen dieser Größenordnung stellen bei entsprechender Qualität zudem eine ziemliche Investition dar, und sind eher nicht auf mobilen Einsatz optimiert. Auch hier wird deshalb der Selbstbauweg beschritten.

Die Montierung wird von "Deutscher" Bauart sein. Gegenüber z.B. einer Gabelmontierung hat diese den großen Vorteil dass beliebige Tuben montiert werden können. Außerdem glaube ich bei diesem Prinzip eine geringere Gesamtmasse realisieren zu können. Eine Gabelmontierung als geschweißte Stahlkonstruktion hatte ich bereits Anfang der 90er Jahre begonnen, aber den Bau irgendwann eingestellt, nachdem das Gewicht von Gabel und Polachse die 40kg-Grenze hinter sich ließ.

Folgende Eigenschaften werden für die Montierung angestrebt, bzw. haben sich im Laufe der Realisierung ergeben:

Die nachfolgende Zeichnung aus der Entwurfsphase zeigt wie die Montierung mal ungefähr aussehen soll (Stand Anfang 2005). Die Antriebe sitzen am unteren Ende der Achsen. Das wirkt zwar nicht so elegant wie die bei kommerziellen Montierungen überwiegend anzutreffende Lage am oberen Ende, lässt aber konstruktiv mehr Freiheiten. Man kann z.B. im Nachhinein ohne großen Aufwand andere Schneckengetriebe verwenden, falls es mit dem Selbermachen doch nicht so gut klappen sollte... :-))
Wichtig ist hier jedoch eine hohe Torsionssteifigkeit der Wellen, da sie über die volle Länge auf Verdrehung beansprucht werden.

Allgemein gilt als Grundsatz für den Montierungsbau: eine gedrungene Form mit kurzen und dicken Wellen ergibt eine höhere Steifigkeit und Schwingungsdämpfung.  Die anspruchsvolle Formulierung dafür lautet: hohe Flächenträgheitsmomente, kleine Lagerabstände und kurze Kragarme.






Stand 27.06.05:

Die ersten Dreharbeiten haben begonnen. Die Wellen für Stundenachse und Deklinationsachse sind weitgehend fertig, ebenso die Lagergehäuse. Nachfolgend ein paar Bilder zu den bisherigen Ergebnissen, und Einblicke in die Fertigung der Teile.
 

Die Achsen, hergestellt aus Alu-Rundmaterial mit 70mm Durchmesser, sollen hohl sein um einen Polsucher integrieren zu können. Also muss erst mal von beiden Seiten her ein Loch gebohrt werden. Der 25mm Bohrer lässt ganz schön die Späne fliegen :-))




Der Durchlass der Wellen soll 26-30mm betragen, die 25mm Bohrung muss also entsprechend ausgedreht werden. Bei einer Tiefe bis 130mm gar nicht mal so einfach, mit einer selbstgemachten Bohrstange hat es dann funktioniert. Die Deklinationsachse hat am unteren Ende einen Innenkonus, um die Gegengewichtstange stramm sitzend aufzunehmen. Auf dem Foto ist die im Werden befindliche Welle für die Rektaszensionsachse, oder eigentlich besser Stunden- oder Polachse zu sehen. Um die Stirnseite und den Innenbereich bearbeiten zu können ist das Ende der Welle in einer Lünette eingespannt (das weiße Teil mit den 3 einstellbaren Bronze-Druckstücken).




Nachdem die Innenbearbeitung und grobe Außenbearbeitung abgeschlossen ist, werden die Passungen für die beiden Kegelrollenlager und das Schneckenrad in einer Aufspannung gefertigt. Dadurch erhält man eine sehr gute Rundlaufgenauigkeit der Achse. Als Gleitfläche für das Schneckenrad wurde zuvor eine Messingbuchse aufgeschrumpft. Das ist erforderlich, da auch die Schneckenräder als Alu gefertigt werden, und eine Materialpaarung Alu/Alu fressen würde. Der Innendurchmesser der Messingbuchse wurde auf 40,94mm gefertigt, die Welle auf 41,00mm. Die Welle kam deshalb einige Zeit in die Tiefkühltruhe, der Messingring wurde mit dem Heißluftgebläse erwärmt. Durch die Temperaturdehnung ließen sich die Teile dann leicht zusammenfügen. 3 Sekunden später waren die Temperaturen wieder ausgeglichen, und der Ring saß fest auf der Welle.


 

Die Lagergehäuse, hergestellt aus dickwandigem Alu-Rohr mit 100mm Außendurchmesser, werden innen durchgehend auf 70mm ausgedreht, und erhalten dann die beiden 80mm-Lagersitze für die Außenringe der Kegelrollenlager. Ziel ist es dass die Lagerringe möglichst spielfrei sitzen.




Hier die Komponenten der beiden Hauptachsen: Pol- und Deklinationswelle, die beiden Lagergehäuse, und eines der 4 Kegelrollenlager.




Stand 13.07.05:

Die Gegengewichtstange wird aus rostfreiem V2A-Stahl mit einem Durchmesser von 25mm gefertigt. Das Ende zur Befestigung in der Deklinationswelle wird auf eine Passung von 22mm abgedreht, und erhält einen Konus. Dadurch sitzt die Gegengewichtstange fest in der Welle, ist sauber zentriert und hat keinen Schlag. Eine zentrale Spannschraube hält die Stange in der Deklinationsachse fest.





Wichtig für die Steifigkeit einer Montierung ist die Verbindungsstelle der beiden Achsen, also der Übergang von der Polwelle zum Gehäuse der Deklinationsachse. Eine steife Verbindung erreiche ich mit einem Flansch, der sich auf einer Seite am Innenring des oberen Lagers der Polwelle abstützt, und auf der anderen Seite eine Hohlkehle hat, die sich exakt an den Umfang des Deklinationsgehäuses anschmiegt. Die beiden Teile werden an dieser Stelle verklebt, zusätzlich zu der Schraubverbindung.

Der Flansch hat auf der Unterseite eine Passung zur Führung auf der Polwelle:




Die obere Seite erhält eine konkave Fläche mit dem gleichen Radius wie das Lagergehäuse. Dazu wird das Werkstück so auf der Planscheibe aufgespannt, dass es exakt mit diesem Radius umläuft. Wenn man mit dem Drehmeißel die erforderliche Tiefe erreicht hat, stimmt dann auch der Radius.




Die Verbindung zwischen Polwellen-Gehäuse und Stativkopf erfolgt über den Polblock. Dieser hat vor allem die Aufgabe die feinfühlige Ausrichtung der Polwelle auf den Himmelspol zu ermöglichen, nachdem das Teleskop aufgestellt wurde.

Zentrales Element des Polblock-Baugruppe ist ein Alublock mit einer Größe von ca. 60 x 80 x 90mm. Dieser erhält auf gegenüberliegenden Seiten Gleitflächen, wo die Gabelarme des Unterteils angreifen. Mittels einer zentrale Spannschraube erfolgt die Klemmung dann über Reibung in den Gleitflächen.





Stand 17.07.05:

Der Polblock wird auf beiden Seiten von 20mm starken Gabelarmen gehalten. Mit einer federbelasteten Durchgangsschraube werden später die Teile zusammengepresst, wobei durch Reibung die erforderliche steife Verbindung entsteht. Zwischen Gabelarme und Polblock kommt noch eine dünne Messingscheibe. Für die Polhöheneinstellung mittels einer Justierschraube muss natürlich das Polhöhenlager etwas beweglich bleiben.

Die Gabelarme werden aus einer 20mm starken Aluplatte grob ausgesägt. Dann werden auf der Drehmaschine die Gleitflächen geplant, und die Bohrung zur Aufnahme von Gleitbuchse und Spannschraube gefertigt. Das folgende Bild zeigt die Bearbeitung der Außenkontur mit einem 32mm Schaftfräser.




Hier die 3 zentralen Teile des Polblocks:  zwei Gabelarme und der zentrale Alublock. Bei diesem ist noch einiges zu tun, zum Beispiel müssen die im Bild oberen Ecken noch unter einem Winkel von 45 Grad weggefräst werden, damit die seitlichen Gleitflächen zugänglich werden.







Stand 20.09.05:

Weiter geht's mit den Fräsarbeiten am Polblock:




Bei den Gabelarmen sorgen Fasen und abgeschrägte Ecken für ein gefälligeres Aussehen...




Ein erster Zusammenbau des Achsenkreuzes erfolgte nach 159 Arbeitsstunden. Die Passungen der Wälzlager der Hauptachsen wurden mit leichtem Übermaß bei 20° gefertigt, damit auch bei Temperaturen um -10° noch kein Spiel zwischen den Alu-Wellen und den Stahl-Lagerringen auftritt. Deshalb wurden die ganzen Teile vor dem Zusammenbau bei -20° in die Tiefkühltruhe gesteckt, und schließlich im kalten Zustand montiert. Dabei ließen sich die Lagerringe mit wenig Kraft auf die Wellen aufschieben. 




Außer den oben näher erläuterten Teilen sind hier auch zu sehen:
- Schneckenrad-Naben an den unteren Enden der Wellen. Diese Teile haben zwei Funktionen: zum einen bilden sie eine Axial-Gleitfläche für die Rutschkupplung des Schneckenrades. Die Nabe überträgt dabei das Drehmoment vom Rad auf die Welle. Die andere Funktion besteht in der axialen Anstellung des unteren Kegelrollenlagers. Dazu befinden sich in der Nabe 6 Stiftschrauben, mit denen das Lager axial verschoben und somit das Lagerspiel justiert wird. Die Nabe selbst wird über eine Tangentialklemmung auf der Welle fixiert.
- Handräder zur Klemmung der Achsen, genauer gesagt zur Einstellung des Reibmoments der Rutschkupplungen. Diese Bedienelemente bilden den unteren Abschluss der Wellen. Bei der DEK-Achse geht die Gegengewichtstange durch das Handrad, bei der Polachse wird sich dort der Einblick für den Polsucher befinden. Zur späteren Erhöhung der Griffigkeit haben die Handräder Nuten zum Einlegen von O-Ringen. 



Stand 06.01.06:

Als überraschend problematisch hat sich in FEM-Rechnungen der Bereich um die Schneckenlagerung gezeigt. Man muss hier recht massiv konstruieren, um keine Schwachstelle bezüglich der Steifigkeit einzubauen. Aus diesem Grund werde ich auch keine Kugellager zur Lagerung der Schnecke verwenden, sondern einstellbare Gleitlager. Die platzmäßig in Frage kommenden Kugellager reichen bezüglich der Steifigkeit nicht aus.

Nachfolgend eine beispielhafte FEM-Simulation der Getriebeplatte in RA mit den umgebenden Bauteilen. Die Darstellungen zeigen die Schneckenlagerböcke (oben rechts bzw. "hinten"), die Getriebeplatte (waagrecht oben liegend), das RA-Lagergehäuse (stehend in Bildmitte) und den Gehäuseflansch (unten links bzw. "vorne"). Es werden in den größeren Lagerbock (=Festlager) Kraftkomponenten eingeleitet, die der späteren Beanspruchung durch die Schnecke entsprechen, wenn am Tubus "gerüttelt" wird. Der Gehäuseflansch, wo in der Realität der Polblock angeschraubt ist, wird in der Simulation "fest eingespannt".  

Das erste Bild zeigt die Modellierung der Struktur durch finite Elemente. Man kann sich das so vorstellen dass eine komplexe Struktur durch viele  (einige Tausend!) kleine Elemente nachgebildet wird, deren Verformung man berechnen kann. Natürlich nicht von Hand - für dieses Beispiel war ein Gleichungssystem mit ca. 23000 Unbekannten von der FEM-Software zu lösen.

Das zweite Bild zeigt ein Ergebnis der Simulation. Es ist hier farblich dargestellt wie sich die Struktur an den verschiedenen Stellen in Y-Richtung "verbiegt". Das ist die Richtung der Längsachse der Schnecke (in der Darstellung von hinten-links nach vorne-rechts). Rot bedeutet: nur sehr wenig Verformung in Y-Richtung,  blau bedeutet: starke Verformung in Y-Richtung.  Wobei die absoluten Zahlen recht klein sind - maximal 0,25 Mikrometer (dunkelblau) bewegt sich der Lagerbock an seinem oberen Ende (gegenüber dem fest eingespannten Gehäuseflansch), bei einer angenommenen Belastung von 1Nm an der RA-Welle. Das wiederum entspricht einer Krafteinleitung von ca. 2N (entsprechend einem Gewicht von 200g) am Okularauszug des Newton. Diese Kraft könnte etwa beim Fokussieren entstehen. Umgerechnet in Bogensekunden ergibt sich daraus eine Bildbewegung von 0,6" - also unmerkbar wenig. Natürlich leisten auch noch alle anderen Montierungsbauteile ihren Beitrag zur gesamten Bildbewegung, diese wird für das Gesamtsystem eher im Bereich 5" bei dieser Krafteinleitung liegen.

  


Die Getriebeplatte, also die Basisplatte die die Schneckenlagerung mit dem Gehäuse der Hauptachse verbindet, wird aus 20mm starkem Alu gefertigt.  Sie wird über den halben Umfang mit dem Lagergehäuse verschraubt, und erhält deshalb eine 180°-Freiarbeitung. Hierzu wird der Drehmeißel mit einem speziellen Halter ins Futter der Drehmaschine eingespannt und rotiert, während das Werkstück stillsteht.





Da das Sägen von so dickem Material von Hand zu anstrengend ist, kommt jetzt ein Sägeblatt ins Futter, und die Drehmaschine wird zur Kreissäge umfunktioniert:





  Lagergehäuse, Getriebeplatten, Gehäuseflansche und der Polblock zusammen montiert:







Das folgende Bild zeigt die Schwalbenschwanz-Kupplung an der Deklinationswelle. Man sieht hier auch die näheren Details der Anbindung an die Wellen: über 6 Schrauben wird der Flansch gegen den Innenring des Kegelrollenlagers gespannt. Es dient also nicht die Stirnseite der Aluwelle zur Übertragung der Kraft bzw. des Drehmoments, sondern der Stahlring des Lagers. Durch die starke Abhängigkeit der Biegesteifigkeit vom Radius (proportional R hoch 4!) und dem größeren E-Modul von Stahl gegenüber Alu ergibt das eine hohe Steifigkeit dieser ansonsten kritischen Stelle.




Hier ist die oben erwähnte Schneckenrad-Nabe zu sehen. Es handelt sich um einen Ring, der teilweise geschlitzt und mit einer Tangentialklemmung versehen ist. Er wird auf die Welle aufgeschoben, an einen Absatz angedrückt (=Herstellung von Taumelfreiheit), und festgezogen. Die Rückseite des Rings dient dann als Gleitfläche für das Schneckenrad, und bildet eine Seite der Rutschkupplung. Auf der anderen Seite ragen 6 Stiftschrauben nach außen, über die axialer Druck auf das benachbarte Kegelrollenlager ausgeübt wird, zur Justage der Lagerung auf Spielfreiheit.





Hier die Welle mit den angebauten Teilen. Von links nach rechts: Handrad zur Einstellung der Rutschkupplung (frei drehbar), feste Basisplatte der Kupplung, bewegliche Druckplatte der Kupplung, Messingbuchse für Schneckenrad (Schneckenrad fehlt), Schneckrad-Nabe, 1.Lager (fehlt),  Welle, 2.Lager, stirnseitige Verschraubung.




Die Rutschkupplung ist noch nicht fertig. Es fehlen noch die Gleitscheiben (Messing), die Druckschrauben zwischen fester und beweglicher Kupplungsplatte, und die Mechanik die die Drehung des Handrades in eine Drehung einer der Druckschrauben umwandelt.

Und die ganze Pracht zusammenmontiert:





Inzwischen befindet sich auch das Stativ im Bau. Es wird im wesentlichen aus 6 Rohren bestehen, die paarweise unter einem Winkel von ca. 7° ein Stativbein bilden. Im oberen Bereich verbindet der Stativkopf die Rohre beweglich, und bildet die Basis zum Aufsetzen der Montierung.
Die Stativbeine aus V2A-Rohr haben einen Außendurchmesser von 34mm bei einer Wandstärke von 2mm. Die Höhe des Stativs wird 770mm betragen, und nicht verstellbar sein. Das ist auch nicht erforderlich, da durch den drehbaren Vorderteil des Newton-OTA bereits eine einfache Möglichkeit zur Anpassung der Einblickhöhe besteht.

Gegenüber einem Stativ mit teleskopartig ausziehbaren Beinen, die als einzelne Rohre ausgebildet sind, hat die hier verfolgte Bauweise eine höhere Steifigkeit bei gleichem Gewicht, da hier die Rohre nur auf Zug und Druck beansprucht werden und nicht auf Biegung.

Ein VA-Rohr auf der Drehmaschine, zum Ablängen und Planen der Stirnseiten:




Hier die bisher fertig gestellten Stativteile. Es fehlen noch die Lagerböcke, die die oberen Rohrflansche mit dem Stativkopf verbinden, sowie die zugehörige Gelenkmechanik.




Der Stativ-Fuß ist aus drei Aluplatten aufgebaut. An den unteren und oberen Rohrenden verbindet je ein Alu-Flansch das Rohr mit Fuß bzw. Kopf. Der obere Flansch wird später mit dem Rohr verklebt. Unten wird der Aluzylinder ca. 2mm versenkt mit dem Rohr verstiftet. Durch Anziehen der Schrauben am Fuß wird das Rohr dann gegen die Aluplatte verspannt und nimmt den korrekten Neigungswinkel ein, der durch die 3,4°-Schräge der Platte vorgegeben wird.




 
Stand 25.05.06:

Nur ein kurzes Zwischen-Update.

Die letzten Monate waren geprägt von Versuchen rund um die Schneckengetriebe-Herstellung. Dieses Thema habe ich auf einer eigenen Seite dargestellt.

Die Teile des Achsenkreuzes wurden inzwischen lackiert, das Stativ ist weitgehend fertig, ebenso verschiedene Bedienelemente.





Stand 04.08.07:

Lange hat sich auf dieser Seite nichts mehr getan, dafür um so mehr im Bastelkeller. Ich kann mit dem heutigen Tag vermelden:

Ta-Taaaaaa .... die Montierung ist fertig zum First-Light!

Alle wesentlichen Funktionen sind realisiert. Es fehlen noch ein paar Dinge, wie z.B. eine Skala für den Polsucher, und verschiedene kleinere Nacharbeiten. Ein dickes Arbeitspaket wird noch die Software für die Steuerung, genauer gesagt für das grafische Bediengerät. Einfaches Nachführen über eine Handsteuerbox mit 4 Tasten funktioniert aber bereits.

So sieht sie also jetzt aus:

                
  

Und zusammen mit dem Newton in beobachtungsbereitem Zustand:

            


Update 15.09.09:

Die bisherigen Erfahrungen mit der Montierung sind durchweg positiv. Die Steifigkeit mit dem 12kg schweren Newton ist absolut überzeugend selbst bei hoher Vergrößerung. Das Fokussieren erfolgt nur mit minimalen Schwingungen im Bild, und auch leichtere Windstöße bleiben unbemerkt. Auch die Rutschkupplungen arbeiten einwandfrei und sind sehr feinfühlig dosierbar.

Als einziger Nachteil beim mobilen Einsatz fällt das doch recht hohe Gewicht auf. Zusammen mit dem passend angefertigten Alukoffer sind 25kg zu tragen.

Leider ist wegen anderer Projekte der "intelligente" Teil der Steuerung mit Teilkreis-Auswertung und Sternkarte/Objektbibliothek noch nicht fertig. Es ist somit lediglich ein Nachführbetrieb mit Korrekturbewegungen per Handsteuerbox bzw. Autoguider möglich. Auch der Polsucher erfordert eine Neukonstruktion, da die jetzige Ausführung mit kurzbrennweitigem und daher tiefliegendem Objektiv durch den langen Lichtweg durch die Achsen nur ein winziges Gesichtsfeld hat.

Die Nachführgenauigkeit des selbstgemachten Schneckengetriebes ist recht erfreulich, wie  hier  zu sehen ist.


Vielleicht noch ein paar Zahlen am Schluss: Planung und Bau der Montierung hat sich über 4 Jahre hingezogen. Die Arbeitszeit zur Herstellung der Teile, Zusammenbau, Änderungen etc. beläuft sich auf ca. 800 Stunden. Für das Material und diverse Werkzeuge wurden ca. 750€ investiert.

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(c) Martin Raabe 2005-2009