Linearbewegungen erzeugen

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Ziel & Lerninhalt

Servos und Motoren drehen – manchmal brauchst du aber eine gerade Schubbewegung. Hier lernst du die wichtigsten Tricks, um aus Rotation eine Linearbewegung zu machen.

  • Vier Wege zur Rotation→Translation-Wandlung kennen: Spindel, Zahnstange, Seilzug, Kurbel.
  • Vor- und Nachteile zwischen Genauigkeit, Geschwindigkeit, Kraft abwägen.
  • Im DIY-Bau eine Variante mit Haushaltsmitteln umsetzen.

Erklärung & Wissen

Basic

Stell dir vor, du willst, dass ein Servo etwas hin- und herschiebt – wie ein Schubkasten oder eine Schranke. Direkt geht das nicht, weil sich der Servo nur dreht. Vier einfache Tricks: (1) Spindel + Mutter: Eine drehende Stange mit Gewinde, eine fixierte Mutter wandert vor oder zurück. (2) Zahnstange + Zahnrad: Das Zahnrad sitzt am Motor, die Zahnstange wird vorgeschoben. (3) Seilzug: Servo rollt ein Seil auf oder ab, das andere Ende zieht das Bauteil. (4) Kurbeltrieb: Servo dreht einen kurzen Hebel, dessen Ende über ein Pleuel die Bewegung in eine Schubrichtung überträgt – wie beim Auto-Motor.

Medium

Welche Variante du wählst, hängt vom Bedarf ab. Spindel-Mutter ist sehr präzise und kraftvoll, aber langsam (ein paar mm pro Sekunde). Im DIY: Eine M3-Schraube als Spindel + Mutter klein als Schlitten, Mutter blockiert mit Karton-Geometrie. Zahnstange ist mittelschnell, mittelpräzise – im ProtoPeaks-Bau praktisch nur mit 3D-Druck-Teilen umsetzbar. Seilzug ist die schnellste und einfachste DIY-Variante: Ein Stück Schnur, einmal um die Servo-Welle gewickelt, der Servo dreht sich und das Seil zieht. Kurbeltrieb ergibt eine sinusförmige Hin-Her-Bewegung (wie ein Kolben) – mathematisch eingeschränkt, aber für Wackelbewegungen (z.B. ein Roboter, der den Kopf schüttelt) sehr elegant.

Expert

In der Industrie zählt vor allem das Verhältnis von Steigung (mm pro Umdrehung) zu Drehmoment. Kleine Steigung → viel Kraft, wenig Geschwindigkeit. Große Steigung → schnell, aber kraftlos. Eine Trapezgewinde-Spindel (im DIY: ganz normale M3-/M4-Schraube) ist 'selbsthemmend': Bei Stromausfall bleibt die Position erhalten, ohne dass der Motor halten muss. Ein Kugelgewindetrieb hat dagegen fast keine Reibung – läuft schnell, aber kann auch unter Last 'rückwärts' laufen, wenn Motor stromlos. Für Backlash-empfindliche Aufgaben (Linearwerte messen!) sind vorgespannte Doppelmuttern Pflicht – im Hobby reicht oft eine zweite Mutter als 'Kontermutter' gegen Spiel.

Fun Fact

Die Spindel-Mutter-Konstruktion ist eine der ältesten technischen Erfindungen – Archimedes nutzte sie schon um 250 v.Chr. zum Heben von Wasser ('archimedische Schraube'). Bis heute ist das Grundprinzip jeder Drehbank, jedes 3D-Druckers, jeder CNC-Maschine.

Rotation → Translation
Drehbewegung in geradlinige Bewegung umwandeln – das Kernproblem bei Schiebe-Mechanismen. Vier Hauptmethoden: (1) Seilzug – einfachste DIY-Variante, Schnur auf Servo-Welle aufwickeln. (2) Spindel+Mutter – präzise, selbsthemmend, langsam (M3-Schraube: 0,5 mm pro Umdrehung). (3) Zahnstange – mittelpräzise, braucht Zahnrad am Motor. (4) Kurbel+Pleuel (Schubkurbel) – ergibt sinusförmige Hin-Her-Bewegung, wie beim Kolbenmotor.
Spindeltrieb
Ein Gewinde wandelt Drehbewegung in sehr präzise und kraftvolle Vorwärtsbewegung um. Pro Umdrehung wandert die Mutter um die Gewindesteigung $P$ vorwärts. M3-Schraube: $P = 0{,}5\,\mathrm{mm}$. 100 Umdrehungen = 5 cm Hub — sehr präzise, aber langsam. Vorteil: selbsthemmend — wenn der Motor stoppt, bleibt die Position erhalten ohne Bremskraft.
Selbsthemmung
Ein Gewinde, das von selbst in Position bleibt – der Motor muss nicht gegenhalten. Tritt auf, wenn der Gewindesteigungswinkel kleiner als der Reibungswinkel ist — bei normalen Metallschrauben fast immer der Fall. Praktischer Vorteil: Servo stromlos schalten, Schlitten bleibt an der Position. Kein Selbsthalten bei Kugelgewindetrieben (sehr wenig Reibung) — die laufen bei Stromausfall rückwärts.
Seilzug
Schnur auf Servo-Welle: einfachste Art, eine Drehbewegung in eine Zugbewegung umzuwandeln. Servo dreht, Schnur wickelt sich auf → zieht Schlitten. Zum Zurückfahren: Schwerkraft (Gegengewicht) oder zweite Schnur in die andere Richtung. Einfachste DIY-Linearbewegung — Schnur durch Loch im Servo-Horn und verknoten reicht. Nachteil: nur Zugkraft, kein Schieben.

Praktischer Versuch: Seilzug-Schranke

Servo zieht über eine Schnur eine kleine Schranke hoch und runter – einfachste Linearbewegung im ProtoPeaks-Bau.

  • 1 Servo (180° oder 360°)
  • Schnur oder dicker Nähfaden
  • Wellpappe (Schranke + Führungsschiene)
  • 1 kleines Gewicht (für Rückzug per Schwerkraft)
  • Strohhalm als Gleitlager

  1. Führungsschiene bauen

    Zwei Streifen Pappe parallel ankleben, dazwischen passt die Schranke (auch ein Pappstreifen) mit etwas Luft.

    Check: Schranke gleitet in der Schiene ohne zu klemmen.

    Tipp: Bisschen Spielraum – nicht zu eng, sonst klemmt's nach 5 mm.

  2. Schranke mit Gegengewicht

    Klebe ein kleines Gewicht ans untere Ende der Schranke – Schwerkraft bringt sie selbständig in Ruhelage.

    Check: Wenn du nicht ziehst, fällt die Schranke nach unten in Endposition.

    Tipp: Gegengewicht muss schwerer sein als die Schranke, damit sie ohne Servo zurückfedert.

  3. Schnur am Servo befestigen

    Befestige die Schnur an einem Loch im Servo-Horn (oder klebe sie). Andere Seite zur Schranke.

    Check: Schnur ist fest am Servo-Horn fixiert, läuft sauber auf.

    Tipp: Servo-Horn aufschrauben, Schnur durch ein kleines Loch + Knoten – oder Heißkleber-Tropfen.

  4. Mechanik manuell prüfen

    Drehe den Servo per Hand und beobachte: Wickelt sich die Schnur sauber auf? Hebt die Schranke ohne zu hängen?

    Check: Servo per Hand drehen – Schnur zieht Schranke hoch, Loslassen → Schranke fällt zurück.

    Tipp: Wenn sich Schnur am Servo verheddert, brauchst du eine kleine Umlenkrolle (Strohhalm-Stück).

  5. Servo-Code testen

    Steuer den Servo zwischen z.B. 30° (Schranke unten) und 150° (Schranke oben).

    Check: Schranke geht synchron mit dem Servo-Befehl hoch/runter.

    Tipp: Bei 0° fertig oben, bei 180° fertig unten – ggf. die Werte tauschen, je nach Wicklungsrichtung.

Servo-Signal auf D9, VCC auf 5V, GND auf GND.

// ProtoPeaks - Seilzug-Schranke
#include <Servo.h>
Servo schranke;

void setup() {
  schranke.attach(9);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println("Schranke hoch");
  schranke.write(150);
  delay(1500);
  Serial.println("Schranke runter");
  schranke.write(30);
  delay(1500);
}
  • Schnur verheddert sich am Servo. — Stoff-Schnur statt rutschiger Plastik-Schnur verwenden. Wicklungsdurchmesser des Servo-Horns vergrößern (kleine Pappscheibe drauf).
  • Schranke geht hoch, fällt aber nicht zurück. — Gegengewicht zu leicht oder Führungsschiene klemmt. Schiene mit Bleistift glätten, Gewicht erhöhen.
  • Servo überlastet (zuckt, brummt). — Schranke + Gegengewicht zu schwer für den Servo. Schrank kürzen, leichteres Material, oder 360°-Servo nehmen (mehr Drehmoment).

Kurzzusammenfassung

Aus Drehung wird Geradeauslaufen – per Spindel, Zahnstange, Seilzug oder Kurbel. Im DIY-Bau ist der Seilzug die schnellste Lösung, der Spindeltrieb die präziseste. Mit Schwerkraft als Rückholfeder lässt sich sogar ein Servo nur einseitig 'arbeiten' lassen.

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