Как добиться очень точного / точного вращения с двигателем

9

Я провожу эксперимент, в котором мне нужно повернуть легкий диск (<5 грамм, поэтому очень низкий крутящий момент и довольно медленно), но мне нужно делать очень точные, точные шаги в 0,03 градуса.

Примерно так (здесь показан прямой привод, но я открыт для других опций, как описано ниже):

введите описание изображения здесь

Какие из следующих настроек / подходов к двигателю будут наиболее вероятными для моей цели?

  1. Типичный шаговый двигатель (скажем, с шагом 1,8 градуса) и, возможно, использование 128-шагового шага? Тем не менее, в этой статье говорится, что микроэтап будет достигать только разрешение, но не точность.

  2. Шаговый двигатель с планетарной коробкой передач (соотношение 51: 1), как в этом примере , или он будет страдать от слишком сильного люфта?

  3. Бесщеточный двигатель постоянного тока вместе с магнитным поворотным энкодером, таким как AS5048 (разрешение 14 бит), и написать свою собственную ПИД-петлю для достижения желаемой позиции?

  4. Шаговый двигатель в сочетании с магнитным поворотным энкодером для отслеживания истинной ориентации и, следовательно, использования его в качестве обратной связи для корректировки против люфта в случае с редуктором (подход № 2) или против пропущенных шагов в случае микрошагового переключения (подход № 1)?

  5. Или какой-то другой подход?

Примечание: я читал, что существуют сервоприводы промышленного класса, которые могут с комфортом достичь цели 0,03 градуса, но это выход из моего бюджета, поэтому я надеялся на более дешевое решение за счет настройки и обучения.

boardbite
источник
По вопросу 2. Прочитайте ссылку, которую вы предоставили. Этот конкретный двигатель имеет люфт в диапазоне 1 градус.
WhatRoughBeast
1
Так как вам нужен очень маленький крутящий момент, простая подпружиненная система противозадирной реакции должна позволять вам использовать любой червяк или коробку передач, не беспокоясь о люфте. Выберите расположение двигателя / коробки передач для других его свойств.
Брайан Драммонд
Если вам не нужно полностью вращать диск, вы можете использовать систему galvo: en.wikipedia.org/wiki/Mirror_galvanometer
pjc50

Ответы:

15

Я дам вам несколько советов, но первое, что вам нужно сделать, это помнить, что вы пробуете что-то, что может оказаться за пределами ваших способностей. .03 градуса (1/2 миллирадиана или 2 минуты дуги) требует большой осторожности и, вероятно, доступа к хорошей механической мастерской.

В целях:

1) Вы правы, опасаясь микрошагов. Это просто не даст вам точности, которую вы хотите. Статья совершенно правильная.

2) Хорошо подойдет степпер с каким-то редуктором. Но вам понадобится высокоточная коробка передач, и они не будут дешевыми. Будет трудно найти коробку передач, которая сделана с учетом ваших потребностей с низким крутящим моментом, низкой скоростью и высокой точностью. Вы не указали свое точное использование, но имейте в виду, что, если вам не требуется разворот движения во время работы, ваши требования люфта в значительной степени исчезают. Как ответил wini_i, червячная передача будет хорошо работать, но помните, что ее установка требует значительной точности.

3) Двигатель с энкодером возможен, но есть несколько проблем. Самое большое, что вам нужен кодировщик с разрешением по крайней мере в два раза превышающим ваши системные требования. Трудность с цифровым энкодером заключается в том, что если вал начинает дрейфовать из-за крутящего момента двигателя, вы не узнаете об этом, пока энкодер не сделает шаг. Затем он может сместиться в другую сторону, пока не сделает обратный шаг, и т. Д. В результате, создание системы стабильного позиционирования с таким кодером является чрезвычайно сложной задачей, и простой ПИД-регулятор не подходит. Кроме того, попытка накатить свой собственный кодер с устройства, такого как AS5048, имеет кучу проблем, о которых веб-сайт не упоминает. Главным из них является необходимость точного позиционирования центра чувствительной области относительно центра вала. Чем выше разрешение,

4) Степпер с кодировщиком звучит хорошо, но он не может компенсировать некоторые механические ошибки. В частности, это не может помочь с проблемами обратной реакции. Наиболее вероятным результатом такой системы является то, что она постоянно охотится между двумя положениями механического вала. Компенсация ошибок микроперехода возможна (что-то вроде, возможно), но трение и скос подшипника могут дать замечательные результаты, как люфт механизма.

5) Другое? Ну, может быть. Возможно, ваша система не нуждается в действии. Как насчет того, чтобы он вращался очень медленно и точно? В этом случае вам не нужен контур положения, а скорее контур скорости со скоростью, получаемой из инкрементального датчика (дешевле, чем параллельный датчик). В принципе, вы можете использовать диск, установленный непосредственно на валу двигателя, но сделать довольно массивный диск, инерция которого компенсирует такие помехи, как неровности подшипников или сбои двигателя.

Но давайте придерживаться шагового механизма. Я склонен согласиться с Дэниелом в том, что вам лучше всего выбрать ремень ГРМ и механизм ГРМ. С несколькими предостережениями. Вам понадобится как можно более точный шаг зубчатого ремня ГРМ, желательно серии MXL. Ваше разрешение в 0,03 градуса дает 12 000 шагов на оборот, что говорит о необходимости снижения 60: 1 с шагом 1,8 градуса. Это проблема. Если на моторном шкиве 10 зубьев, то на циферблате необходим 600 зубчатый шкив, и вы не найдете ни одного из них. Вам нужно будет попробовать один из двух подходов. Либо используйте двухэтапное сокращение, либо попробуйте что-то вроде микрошага x8 с последующим уменьшением 7,5: 1. Микрошаг x8 дает шаг мотора (номинально) 12,5% от нормы, и если точность мотора составляет 5%, с вами все будет в порядке. Вы' Вам также придется приложить усилия, чтобы поддерживать постоянное натяжение ремня, чтобы уменьшить люфт в системе. Вам нужно будет сделать хорошее жесткое крепление для мотора и циферблата, в который входит хороший механический цех. В зависимости от того, что прикреплено к циферблату, также важно получить идеально центрированный циферблат на валу. Тот факт, что у вас очень низкий крутящий момент, очень поможет.

WhatRoughBeast
источник
Какой фантастический анализ - безусловно, один из самых полезных ответов, с которыми я столкнулся в SE!
Boardbite
Относительно № 2: Да, предположим, что мой эксперимент в порядке, когда циферблат вращается только в одну сторону во время его существования - то есть, я в порядке, когда он достигает своей цели, двигаясь как часы (например, только по часовой стрелке). Могу ли я полностью игнорировать проблемы люфта в этом случае, независимо от того, ускоряюсь ли я и замедляюсь ли во время однонаправленного вращения?
Boardbite
@boardbite - если вы наберете диск в одном направлении, вы избавитесь от большинства проблем с люфтом. Однако, если вы не будете работать с постоянной скоростью и нагрузкой (включая трение), у вас все равно будут некоторые эффекты. Если вы сделаете шаг, когда циферблат остановится, он может слегка отскочить (как автомобиль, когда он остановится), и это снизит вашу точность. Какой именно эффект вы получите, это то, что вам нужно найти экспериментально. Добавление преднамеренной фрикционной нагрузки поможет, и при больших передаточных числах вы получите большой крутящий момент, так что это не обязательно проблема. Но высокая точность это сложно.
WhatRoughBeast
Вы упомянули редукторы с шаговыми передачами в # 2 и в конце ... Каково ваше мнение об использовании чего-то вроде этого двигателя с редуктором , который требует 0,0072 градуса / шаг - это реально?
Boardbite
@ Boardbite Я подозреваю, что устройство будет делать то, что вам нужно. Конечно, вам придется приобрести 5-фазный шаговый драйвер. Тем не менее, я не могу быстро найти спецификацию двигателя, поэтому без фактических характеристик я не даю никаких гарантий.
WhatRoughBeast
6

Червячная передача может позаботиться о том, что вы ищете. Выбирая размер зубчатых колес, вы можете контролировать разрешение, а контролируя сетку зубчатых колес, точность может быть гарантирована. Направьте диск червя для достижения наилучших результатов и добавьте кодировщик, который обеспечит необходимое разрешение. введите описание изображения здесь

vini_i
источник
Если я выберу эту конфигурацию (т. Е. Мой циферблат, прикрепленный к червячному колесу), и точность можно будет гарантировать, выбрав соответствующие характеристики червячного комбо, какова будет роль кодера?
Boardbite
Мотор будет прикреплен к червячной передаче. Вы не можете управлять этим другим путем. Если бы вы использовали степпер, кодировщик, вероятно, не понадобился бы.
Даниэль
@vini_i: Где взять такие комбинации колес / червяков / валов? У Thingiverse есть куча 3d-печатаемых дизайнов комбинаций червяк + колесо программируемого размера, которые, я думаю, могут сработать?
Boardbite
Для такого применения вы хотите правильно обработанную червячную передачу - вероятно, из латуни. Существует множество поставщиков комплектующих для машин, и на ум приходит (с международным присутствием) Мизуми. Возможно, вам придется внести некоторые коррективы в зацепление, чтобы избежать люфта.
Крис Х
2
Не забудьте смазать очень хорошо! В червячном редукторе много трения.
лет»
6

Гармоничный двигатель часто говорят, что он имеет нулевой люфт.

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

Марко Буршич
источник
Это невероятно хорошее решение проблемы ОП. Единственной проблемой может быть бюджет, такие редукторы могут быть дорогими. Вы можете купить устройства со встроенными двигателями и энкодерами, такими как harmonicdrive.net/products/actuators/sha, которые отлично подходят для высокоточных проверок и тому подобного.
Даг МакКлин
@DougMcClean: Ах, старый "настолько дорогой, что их сайт не перечисляет цены"! Как вы думаете, 3d-печатное решение, подобное этому, иначе оно может работать разумно, или производительность привода гармоник сильно зависит от качества детали?
Boardbite
@DougMcClean: я думаю, что-то нашел! Будет ли что-то вроде этого двигателя хорошо работать? Он заявляет, что имеет встроенный редуктор с гармоническим зубчатым колесом, а изображение показывает 0,0072 градуса / шаг.
Boardbite
@boardbite имеет 5-фазный шаговый двигатель, трудно найти подходящий драйвер. ebay.com/itm/... ebay.com/itm/...
Марко Buršič
@boardbite Да, это очень хорошие моторы, и я видел их в аналогичных приложениях. Марко прав, что найти водителя сложно, но Oriental делает тот, который они продают с этими моторами.
Даг МакКлин
4

Самое простое, что можно сделать, - это использовать степпер с зубчатой ​​передачей. У ремня будет некоторая пружина, но очень небольшой (нет?) Люфт.

Редактировать, вот так: Ремень безопасности

Даниил
источник
Можете ли вы предоставить изображение того, что вы имеете в виду? Вы имеете в виду использование ремня ГРМ вместе с небольшим шкивом на шаговом валу и большим шкивом / диском в другом месте, удерживая циферблат?
Boardbite
Поместите небольшую шестерню на мотор, большую шестерню на циферблат и зубчатый ремень между ними. Ответ отредактирован.
Даниэль
Понял; спасибо - это кажется наименее дорогостоящим и быстрым в реализации. Второй мотор здесь не имеет значения, верно? Даже за пределами моего приложения, я не понимаю, почему два двигателя должны были бы быть соединены через систему ремней, как это.
Boardbite
Это просто картинка, которую я нашел. Это «комплект для переоборудования шпинделя» для привода шпинделя с модифицированным шаговым двигателем. Я понятия не имею, что его использование.
Даниэль