Come ottenere una rotazione molto accurata / fine con il motore


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Sto eseguendo un esperimento in cui devo ruotare un quadrante leggero (<5 grammi, quindi un requisito di coppia molto basso e abbastanza lentamente), ma devo fare passi molto precisi e fini di 0,03 gradi.

Qualcosa del genere (mostrato come direct drive qui, ma sono aperto ad altre opzioni come descritto più avanti):

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Quale delle seguenti configurazioni / approcci del motore avrebbe più probabilità di raggiungere il mio obiettivo?

  1. Un tipico motore passo-passo (diciamo con incrementi di 1,8 gradi) e forse usare 128 microstepping? Tuttavia, questo articolo afferma che il microstepping raggiungerà solo la risoluzione ma non la precisione.

  2. Uno stepper con riduttore epicicloidale (rapporto 51: 1) come questo esempio , o soffrirebbe di una reazione eccessiva?

  3. Un motore DC senza spazzole con un encoder rotativo magnetico come AS5048 (risoluzione a 14 bit) e scrivere il mio loop PID per raggiungere la posizione desiderata?

  4. Uno stepper combinato con un codificatore rotante magnetico per tenere traccia del vero orientamento e di conseguenza utilizzarlo come feedback per correggere contro il gioco nel caso innestato (approccio n. 2) o contro i passi persi nel caso di microstepping (approccio n. 1)?

  5. O qualche altro approccio?

Nota: Ho letto esistono servi di livello industriale che può comodamente raggiungere l'obiettivo 0,03 gradi, ma questi sono modo fuori dal mio budget, quindi speravo in una soluzione meno costosa a costo di tweaking e di apprendimento.


Per domanda 2. Leggi il link che hai fornito. Quel particolare motore ha un gioco nel range di 1 grado.
WhatRoughBeast

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Poiché è necessaria una coppia molto ridotta, una semplice disposizione anti-gioco a molla dovrebbe consentire di utilizzare qualsiasi vite senza fine o cambio senza preoccuparsi del gioco. Scegli la disposizione del motore / cambio per le sue altre proprietà.
Brian Drummond,

Se non hai bisogno della rotazione completa del quadrante, puoi utilizzare un sistema
galvo

Risposte:


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Ti darò qualche consiglio, ma la prima cosa che devi fare è essere consapevole del fatto che stai provando qualcosa che potrebbe ben oltre le tue capacità. 0,03 gradi (1/2 milliradico o 2 minuti d'arco) richiedono molta cura e probabilmente l'accesso a una buona officina meccanica.

In ordine:

1) Hai ragione ad essere diffidente nei confronti del microstepping. Semplicemente non ti darà l'accuratezza che desideri. L'articolo è abbastanza corretto.

2) Uno stepper con una sorta di cambio funzionerà bene. Ma avrai bisogno di un cambio di alta precisione e non costano poco. Sarà difficile trovare un cambio realizzato tenendo conto delle esigenze di bassa coppia, bassa velocità e alta precisione. Non hai specificato il tuo esatto utilizzo, ma tieni presente che se non richiedi l'inversione del movimento durante il funzionamento, i requisiti del gioco scompaiono praticamente. Come ha risposto wini_i, un ingranaggio a vite senza fine funzionerà bene, ma tieni presente che il montaggio dell'ingranaggio richiede una precisione notevole.

3) Un motore con un encoder è possibile, ma ci sono alcuni problemi. Il più grande è che hai bisogno di un encoder con almeno il doppio della risoluzione dei requisiti di sistema. La difficoltà con un encoder digitale è che se l'albero inizia a spostarsi a causa della coppia del motore, non lo saprà fino a quando l'encoder non fa un passo. Potrebbe quindi spostarsi nell'altra direzione fino a quando non fa un passo indietro, ecc. Di conseguenza, creare un sistema di posizionamento stabile con un tale encoder è estremamente impegnativo e un semplice controller PID non sarà adeguato. Inoltre, provare a far rotolare il proprio codificatore da un dispositivo come l'AS5048 ha una serie di problemi che il sito Web non menziona. Il principale tra questi è la necessità di posizionare con precisione il centro dell'area di rilevamento rispetto al centro dell'albero. Maggiore è la risoluzione,

4) Uno stepper con un encoder suona bene, ma non può compensare alcuni errori meccanici. In particolare, non può aiutare con problemi di gioco. Il risultato più probabile di un tale sistema è che caccia costantemente tra due posizioni meccaniche dell'albero. La compensazione per errori di microstepping è (in qualche modo, forse) possibile, ma sopportare attrito e attrito può dare risultati notevolmente come il gioco degli ingranaggi.

5) Altro? Beh forse. Forse il tuo sistema non ha bisogno di fare un passo avanti. Che ne dici se gira molto lentamente e precisamente? In questo caso non è necessario un loop di posizione, ma piuttosto un loop di velocità con velocità derivata da un encoder incrementale (più economico di gran lunga di un encoder parallelo). In linea di principio, è possibile utilizzare un quadrante montato direttamente su un albero motore, ma realizzare un quadrante abbastanza massiccio la cui inerzia compenserebbe i disturbi come irregolarità del cuscinetto o anomalie del motore.

Ma restiamo con uno stepper a ingranaggi. Sono propenso a concordare con Daniel che la tua scommessa migliore è una configurazione della cinghia di distribuzione / ingranaggio di distribuzione. Con alcune precauzioni. Avrai bisogno di un passo della cinghia dentata quanto più fine possibile, preferibilmente una serie MXL. La tua risoluzione di 0,03 gradi fornisce 12.000 passi per giro, il che dice che hai bisogno di una riduzione di 60: 1 con uno stepper di 1,8 gradi. Questo è un problema. Se la puleggia del motore ha 10 denti, il quadrante ha bisogno di una puleggia da 600 denti e non ne troverai una. Dovrai provare uno dei due approcci. Utilizzare una riduzione in due passaggi o provare qualcosa come un microstep x8 seguito da una riduzione di 7,5: 1. Un microstep x8 fornisce incrementi del motore (nominalmente) del 12,5% del normale, e se il motore ha una precisione del 5% dovresti andare bene. Voi' Dovremo anche fare attenzione a mantenere costante la tensione della cinghia per ridurre il gioco nel sistema. Avrai bisogno di un buon montaggio rigido per il motore e il quadrante, che è il punto in cui entra una buona officina meccanica. A seconda di ciò che è attaccato al quadrante, sarà importante anche centrare perfettamente il quadrante sull'albero. Il fatto che la coppia di carico sia molto bassa aiuterà molto.


Che analisi fantastica - sicuramente una delle risposte più utili in cui mi sono imbattuto in SE!
Boardbite

Riguardo al n. 2: Sì, supponiamo che il mio esperimento sia OK con il quadrante che gira solo in un modo durante la sua esistenza - cioè, sto bene con il raggiungimento del mio orientamento target muovendomi come un orologio (ad esempio, solo in senso orario). Posso ignorare completamente i problemi di gioco in quel caso, indipendentemente dal fatto che acceleri o deceleri durante la rotazione unidirezionale?
Boardbite

@boardbite - Se si esegue il quadrante in una direzione, si eliminano la maggior parte dei problemi di gioco. Tuttavia, a meno che non corri a velocità e carico costanti (incluso l'attrito) avrai comunque degli effetti. Se fai un passo, quando il quadrante si ferma potrebbe rimbalzare leggermente (come un'auto quando si ferma) e questo ridurrà la tua precisione. L'esatto effetto che otterrai è qualcosa che dovresti trovare con l'esperimento. L'aggiunta di un carico di attrito intenzionale aiuterà e con grandi rapporti di riduzione si ottiene un sacco di coppia, quindi non è necessariamente un problema. Ma l'alta precisione è difficile.
WhatRoughBeast

hai citato gli stepper con cambio al n. 2 e alla fine ... Qual è la tua opinione sull'utilizzo di qualcosa come questo motore collegato alla riduzione del cambio , che afferma 0,0072 gradi / passo - è realistico?
Boardbite

@boardbite Sospetto che l'unità farà ciò di cui hai bisogno. Ovviamente, dovrai ottenere un driver stepper a 5 fasi. Tuttavia, non riesco a trovare rapidamente la scheda tecnica sul motore, quindi senza specifiche prestazionali effettive non fornisco alcuna garanzia.
WhatRoughBeast

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Una trasmissione a ingranaggi a vite senza fine può prendersi cura di ciò che stai cercando. Selezionando la dimensione degli ingranaggi è possibile controllare la risoluzione e controllando la mesh degli ingranaggi è possibile garantire la precisione. Dirigere direttamente il worm per ottenere i migliori risultati e aggiungere un codificatore che fornirà la risoluzione necessaria. inserisci qui la descrizione dell'immagine


Se vado con questa configurazione (cioè il mio quadrante attaccato alla ruota senza fine) e la precisione può essere garantita scegliendo le specifiche appropriate della combinazione di worm, allora quale sarà il ruolo dell'encoder?
Boardbite

Il motore sarebbe attaccato all'ingranaggio a vite senza fine. Non puoi guidarlo dall'altra parte. Se si utilizzava uno stepper, probabilmente l'encoder non sarebbe necessario.
Daniel,

@vini_i: dove posso trovare questi tipi di combinazioni ruota / vite senza fine / albero? Thingiverse ha un sacco di disegni stampabili in 3d di combinazioni worm + wheel di dimensioni programmabili, che immagino possano funzionare?
Boardbite

Per questo tipo di applicazione è necessario un ingranaggio a vite senza fine, probabilmente in ottone. Ci sono molti fornitori di componenti per macchinari, uno che mi viene in mente (con una presenza internazionale) è Misumi. Potrebbe essere necessario progettare alcune modifiche sull'impegno per evitare contraccolpi.
Chris H,

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Ricorda di lubrificare davvero bene! C'è molta frizione nell'ingranaggio a vite senza fine.
giovedì

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L'azionamento armonico è spesso detto che non ha gioco.

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


Questa è una soluzione incredibilmente buona per il problema del PO. L'unico problema potrebbe essere il budget, tali riduttori possono essere costosi. Puoi acquistarli con motori ed encoder integrati come harmonicdrive.net/products/actuators/sha che sono fantastici per applicazioni di ispezione di alta precisione e simili.
Doug McClean,

@DougMcClean: Ah, il vecchio "così costoso che il loro sito non elenca i prezzi"! Pensi che un 3D-stampata soluzione come questa , altrimenti questo potrebbe funzionare ragionevolmente, o è la prestazione armonica-drive gravemente dipende la qualità dei pezzi?
boardbite

@DougMcClean: ho trovato qualcosa, penso! Funzionerebbe qualcosa di simile a questo motore ? Sostiene di avere un riduttore armonico incorporato e l'immagine indica 0,0072 gradi / passo.
boardbite

@boardbite Ha uno stepper a 5 fasi, difficile trovare un driver adatto. ebay.com/itm/… ebay.com/itm/…
Marko Buršič

Sì, quelli sono motori molto belli e li ho visti usati in applicazioni simili. Marko ha ragione sul fatto che è difficile trovare un driver, ma Oriental ne fa uno che vendono con quei motori.
Doug McClean,

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La cosa più semplice da fare sarebbe usare uno stepper, con una trasmissione a cinghia verso il basso. La cintura avrà qualche molla, ma pochissimo (no?) Gioco.

Modifica, in questo modo: Trasmissione a cinghia


Puoi fornire un'immagine di cosa intendi? Intendi usare una cinghia dentata insieme a una piccola puleggia sull'albero passo-passo e una puleggia / disco più grande altrove, che regge il quadrante?
boardbite

Metti una piccola marcia sul motore, una più grande sul quadrante e una cinghia dentata tra di loro. Risposta modificata.
Daniel,

Fatto; grazie - questo sembra il modo meno costoso e più veloce da implementare. Il secondo motore qui è irrilevante, giusto? Anche al di fuori della mia applicazione, non capisco perché due motori debbano essere accoppiati tramite un sistema a cinghia del genere.
Boardbite

Questa è solo una foto che ho trovato. È un "kit di conversione del mandrino" per la guida di un mandrino con un motore passo-passo adattato. Non ho idea di quale sia il suo utilizzo.
Daniel,
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