Jak osiągnąć bardzo dokładny / dokładny obrót za pomocą silnika

9

Prowadzę eksperyment, w którym muszę obrócić lekką tarczę (<5 gramów, a więc bardzo niski wymóg momentu obrotowego i dość powoli), ale muszę wykonać bardzo dokładne, precyzyjne kroki 0,03 stopnia.

Coś takiego (tutaj pokazane jako napęd bezpośredni, ale jestem otwarty na inne opcje, jak opisano poniżej):

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Które z poniższych ustawień / podejść do silnika byłyby najbardziej prawdopodobne dla mojego celu?

  1. Typowy silnik krokowy (powiedzmy z krokami 1,8 stopnia) i może użyć 128-mikrostopów? Jednak w tym artykule stwierdzono, że mikrostepowanie osiągnie tylko rozdzielczość, ale nie dokładność.

  2. Stepper z przekładnią planetarną (stosunek 51: 1), jak w tym przykładzie , czy może ucierpiałby na tym zbyt duży luz?

  3. Bezszczotkowy silnik prądu stałego wraz z magnetycznym enkoderem obrotowym, takim jak AS5048 (rozdzielczość 14 bitów), i pisać własną pętlę PID, aby osiągnąć pożądaną pozycję?

  4. Stepper w połączeniu z magnetycznym enkoderem obrotowym do śledzenia rzeczywistej orientacji, a tym samym wykorzystania tego jako sprzężenia zwrotnego w celu skorygowania luzu w skrzyni przekładniowej (podejście nr 2) lub w przypadku pominiętych kroków w skrzynce mikrostopu (podejście nr 1)?

  5. Lub jakieś inne podejście?

Uwaga: Przeczytałem, że istnieją serwomechanizmy klasy przemysłowej, które mogą z łatwością osiągnąć cel 0,03 stopnia, ale są one znacznie poza moim budżetem, więc liczyłem na tańsze rozwiązanie kosztem ulepszenia i nauki.

zgryz
źródło
Na pytanie 2. Przeczytaj podany link. Ten konkretny silnik ma luz w zakresie 1 stopnia.
WhatRoughBeast,
1
Ponieważ potrzebujesz bardzo małego momentu obrotowego, proste sprężynowe ustawienie przeciwluzowe powinno pozwolić na użycie dowolnego ślimaka lub skrzyni biegów bez obawy o luz. Wybierz układ silnik / skrzynia biegów dla innych właściwości.
Brian Drummond,
Jeśli nie potrzebujesz pełnego obrotu tarczy, możesz użyć systemu galvo: en.wikipedia.org/wiki/Mirror_galvanometer
pjc50

Odpowiedzi:

15

Dam ci kilka rad, ale pierwszą rzeczą, którą musisz zrobić, to być świadomym, że próbujesz czegoś, co może przekraczać twoje możliwości. 0,03 stopnia (1/2 miliradiana lub 2 minuty łuku) wymaga dużej staranności i prawdopodobnie dostępu do dobrego warsztatu maszynowego.

W porządku:

1) Masz rację, zachowując ostrożność w mikrostepowaniu. Po prostu nie zapewni Ci dokładności, jakiej chcesz. Artykuł jest całkiem poprawny.

2) Stepper z jakąś skrzynią biegów będzie działał dobrze. Ale potrzebujesz precyzyjnej skrzyni biegów, która nie jest tania. Trudno będzie znaleźć skrzynię biegów zaprojektowaną z myślą o potrzebach związanych z niskim momentem obrotowym, niską prędkością i precyzją. Nie określiłeś dokładnego użycia, ale pamiętaj, że jeśli nie potrzebujesz odwrócenia ruchu podczas pracy, twoje wymagania dotyczące luzu prawie znikną. Jak odpowiedział wini_i, przekładnia ślimakowa będzie działać dobrze, ale należy pamiętać, że jej montaż wymaga znacznej precyzji.

3) Silnik z enkoderem jest możliwy, ale jest kilka problemów. Najważniejsze jest to, że potrzebujesz enkodera o rozdzielczości co najmniej dwukrotnie większej niż wymagania systemowe. Trudność z enkoderem cyfrowym polega na tym, że jeśli wał zacznie dryfować z powodu momentu obrotowego silnika, nie będziesz go wiedział, dopóki enkoder nie wykona kroku. Może wtedy dryfować w drugą stronę, aż wykona krok odwrotny itp. W rezultacie stworzenie stabilnego systemu pozycjonowania z takim enkoderem jest niezwykle trudne, a prosty regulator PID nie będzie wystarczający. Co więcej, próba uruchomienia własnego kodera z urządzenia takiego jak AS5048 ma wiele problemów, o których strona internetowa nie wspomina. Najważniejszą z nich jest potrzeba dokładnego ustawienia środka obszaru wykrywania względem środka wału. Im wyższa rozdzielczość,

4) Stepper z enkoderem brzmi dobrze, ale nie może zrekompensować niektórych błędów mechanicznych. W szczególności nie może pomóc w problemach luzu. Najbardziej prawdopodobnym rezultatem takiego systemu jest to, że stale poluje on między dwoma mechanicznymi położeniami wału. Kompensacja błędów mikrostopu jest (może, być może) możliwa, ale tarcie i tarcie łożyska mogą dać wyniki wyjątkowo podobne do luzu przekładni.

5) Inne? Być może. Być może twój system nie musi tak naprawdę działać. A może obraca się bardzo powoli i dokładnie? W tym przypadku nie potrzebujesz pętli pozycji, a raczej pętli prędkości z prędkością pochodzącą z enkodera inkrementalnego (zdecydowanie tańszego niż enkoder równoległy). Zasadniczo można użyć tarczy zamontowanej bezpośrednio na wale silnika, ale wykonać dość masywną tarczę, której bezwładność zrekompensuje zakłócenia, takie jak nieregularności łożysk lub usterki silnika.

Ale trzymajmy się nastawionego stepera. Jestem skłonny zgodzić się z Danielem, że najlepszym rozwiązaniem jest ustawienie paska rozrządu / układu rozrządu. Z kilkoma ostrzeżeniami. Będziesz potrzebować możliwie najdokładniejszej podziałki paska rozrządu, najlepiej serii MXL. Rozdzielczość 0,03 stopnia daje 12 000 kroków na obrót, co oznacza, że ​​potrzebujesz redukcji 60: 1 z krokiem 1,8 stopnia. To jest problem. Jeśli koło pasowe silnika ma 10 zębów, tarcza potrzebuje koła pasowego 600 zębów i nie znajdziesz jednego z nich. Musisz wypróbować jedno z dwóch podejść. Zastosuj redukcję dwuetapową lub wypróbuj coś w rodzaju mikrostopu x8, a następnie redukcji 7,5: 1. Mikrostop x8 daje krokom silnika (nominalnie) 12,5% wartości normalnej, a jeśli silnik ma 5% dokładności, wszystko powinno być w porządku. Ty' Będę również musiał się starać, aby napięcie paska było stałe, aby zmniejszyć luz w systemie. Konieczne będzie dobre sztywne zamocowanie silnika i tarczy, do której przychodzi dobry warsztat mechaniczny. W zależności od tego, co jest przymocowane do tarczy, ważne będzie również ustawienie tarczy idealnie centrowanej na wale. Fakt, że moment obciążenia jest bardzo niski, bardzo pomoże.

WhatRoughBeast
źródło
Cóż za fantastyczna analiza - z pewnością jedna z najbardziej przydatnych odpowiedzi, na jakie natrafiłem w SE!
boardbite
Odnośnie # 2: Tak, załóżmy, że mój eksperyment jest OK, a tarcza obraca się tylko w jedną stronę podczas swojego istnienia - tj. Nie mam nic przeciwko osiągnięciu docelowej orientacji poprzez ruch jak zegar (na przykład tylko w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara). Czy mogę całkowicie zignorować obawy związane z luzem w tym przypadku, niezależnie od tego, czy przyspieszam i zwalniam podczas jednokierunkowego obrotu?
boardbite
@ boardbite - Jeśli wybierzesz pokrętło w jednym kierunku, pozbędziesz się większości problemów z luzem. Jednak dopóki nie będziesz biegał ze stałą prędkością i obciążeniem (w tym tarciem), nadal będziesz mieć pewne efekty. Jeśli wykonasz krok, gdy tarcza się zatrzyma, może nieznacznie odbić (jak samochód, gdy dojdzie do zatrzymania), co zepsuje twoją celność. Dokładnie jaki efekt uzyskasz, musisz znaleźć w eksperymencie. Dodanie celowego obciążenia tarciowego pomoże, a przy dużych przełożeniach redukcyjnych uzyskasz duży moment obrotowy, więc niekoniecznie jest to problem. Ale wysoka precyzja jest trudna.
WhatRoughBeast,
wspomniałeś o krokowych przekładniach zębatych w # 2 i na końcu ... Co sądzisz o używaniu czegoś takiego jak silnik z przekładnią redukcyjną , który twierdzi, że wynosi 0,0072 stopnia / krok - czy to jest realistyczne?
boardbite
@boardbite Podejrzewam, że urządzenie zrobi to, czego potrzebujesz. Oczywiście musisz zdobyć 5-fazowy sterownik krokowy. Jednak nie mogę szybko znaleźć arkusza danych na silniku, więc bez faktycznych specyfikacji wydajności nie daje żadnych gwarancji.
WhatRoughBeast,
6

Przekładnia ślimakowa może zadbać o to, czego szukasz. Wybierając rozmiar kół zębatych, możesz kontrolować rozdzielczość, a kontrolując siatkę kół zębatych, można zagwarantować dokładność. Bezpośrednio przeprowadź robaka, aby uzyskać najlepsze wyniki i dodaj koder, który zapewni wymaganą rozdzielczość. wprowadź opis zdjęcia tutaj

vini_i
źródło
Jeśli wybiorę tę konfigurację (tj. Moje pokrętło przymocowane do koła ślimakowego), a dokładność można zagwarantować, wybierając odpowiednie specyfikacje zestawu ślimakowego, to jaka będzie rola kodera?
boardbite
Silnik byłby przymocowany do przekładni ślimakowej. Nie da się tego prowadzić inaczej. Jeśli użyjesz stepera, koder prawdopodobnie nie będzie potrzebny.
Daniel
@vini_i: Gdzie mogę uzyskać tego rodzaju kombinacje koło / ślimak / wał? Thingiverse ma wiele kombinacji do wydrukowania w 3D kombinacji ślimak + koło o programowalnym rozmiarze, które, jak sądzę, mogą działać?
boardbite
Do tego rodzaju zastosowań potrzebujesz odpowiedniego obrobionego przekładni ślimakowej - prawdopodobnie mosiądzu. Istnieje wielu dostawców części do maszyn, jednym z nich, który przychodzi na myśl (o międzynarodowej obecności) jest Misumi. Konieczne może być wykonanie pewnych korekt dotyczących zaangażowania, aby uniknąć luzu.
Chris H
2
Pamiętaj, aby smarować naprawdę dobrze! Przekładnia ślimakowa wiąże się z dużym tarciem.
yo „
6

Często mówi się, że napęd harmoniczny ma zerowy luz.

https://en.wikipedia.org/wiki/Harmonic_drive

Marko Buršič
źródło
Jest to niewiarygodnie dobre rozwiązanie problemu PO. Jedynym problemem może być budżet, takie reduktory mogą być drogie. Możesz kupić te ze zintegrowanymi silnikami i enkoderami, takimi jak harmonicdrive.net/products/actuators/sha, które są świetne do zastosowań z wysoką precyzją kontroli i tym podobnych.
Doug McClean,
@DougMcClean: Ach, stare „tak drogie, że ich strona nie podaje cen”! Czy uważasz, że 3D-drukowane rozwiązanie jak to albo to może działać racjonalnie, czy wydajność harmoniczna napęd poważnie uzależniona od jakości części?
boardbite
@DougMcClean: Myślę, że coś znalazłem! Czy coś takiego jak ten silnik działałoby dobrze? Twierdzi, że ma wbudowany reduktor harmonicznych, a obraz przedstawia 0,0072 stopnia / krok.
boardbite
@boardbite Ma 5-fazowy silnik krokowy, ciężko znaleźć odpowiedni sterownik. ebay.com/itm/... ebay.com/itm/...
Marko Buršič
@ Boardbite Tak, to bardzo fajne silniki i widziałem, że są używane w podobnych zastosowaniach. Marko ma rację, że ciężko jest znaleźć sterownik, ale Oriental sprawia, że ​​sprzedaje się go z tymi silnikami.
Doug McClean,
4

Najprościej byłoby użyć steppera, nastawionego na napęd pasowy. Pasek będzie miał sprężynę, ale bardzo mało (nie?) Luzu.

Edytuj, tak: Napęd pasowy

Daniel
źródło
Czy możesz podać obraz tego, co masz na myśli? Masz na myśli użycie paska rozrządu wraz z małym kołem pasowym na wale krokowym i większym kołem pasowym / tarczą w innym miejscu, przytrzymującym tarczę?
boardbite
Umieść mały bieg na silniku, większy bieg na tarczy i pasek zębaty między nimi. Odpowiedź edytowana.
Daniel
Rozumiem; dziękuję - wydaje się to najtańszym i najszybszym sposobem wdrożenia. Drugi silnik tutaj jest nieistotny, prawda? Nawet poza aplikacją nie rozumiem, dlaczego dwa silniki musiałyby być sparowane za pomocą takiego systemu pasów.
boardbite
To tylko zdjęcie, które znalazłem. Jest to „zestaw do konwersji wrzeciona” do napędzania wrzeciona z doposażonym silnikiem krokowym. Nie mam pojęcia, do czego to służy.
Daniel