So erzielen Sie mit dem Motor eine sehr genaue / feine Drehung

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Ich führe ein Experiment durch, bei dem ich ein leichtes Zifferblatt drehen muss (<5 Gramm, also sehr geringer Drehmomentbedarf und ziemlich langsam), aber sehr genaue, feine Schritte von 0,03 Grad ausführen muss.

So etwas (hier als Direktantrieb dargestellt, aber ich bin offen für andere Optionen, wie weiter unten beschrieben):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Welche der folgenden Motoreinstellungen / -ansätze sind für mein Ziel am wahrscheinlichsten erfolgreich?

  1. Ein typischer Schrittmotor (etwa mit 1,8-Grad-Schritten) und vielleicht 128-Mikroschritt? In diesem Artikel heißt es jedoch, dass durch Mikroschritte nur die Auflösung, nicht jedoch die Genauigkeit erreicht wird.

  2. Ein Stepper mit Planetengetriebe (Übersetzungsverhältnis 51: 1) wie dieses Beispiel , oder würde dies unter zu viel Spiel leiden?

  3. Ein bürstenloser Gleichstrommotor zusammen mit einem magnetischen Drehgeber wie AS5048 (14-Bit-Auflösung) und meine eigene PID-Schleife schreiben, um die gewünschte Position zu erreichen?

  4. Ein Stepper in Kombination mit einem magnetischen Drehgeber, um die wahre Ausrichtung zu verfolgen und diese folglich als Rückmeldung zu verwenden, um das Spiel im Getriebegehäuse (Ansatz Nr. 2) oder die fehlenden Schritte im Mikroschrittfall (Ansatz Nr. 1) zu korrigieren?

  5. Oder ein anderer Ansatz?

Hinweis: Ich habe gelesen, dass es Servos in Industriequalität gibt, die das Ziel von 0,03 Grad bequem erreichen können, aber diese liegen weit außerhalb meines Budgets. Daher hoffte ich auf eine kostengünstigere Lösung auf Kosten des Optimierens und Lernens.

Brettbiss
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Pro Frage 2. Lesen Sie den von Ihnen angegebenen Link. Dieser bestimmte Motor hat ein Spiel im Bereich von 1 Grad.
WhatRoughBeast
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Da Sie nur ein sehr geringes Drehmoment benötigen, sollten Sie mit einer einfachen federbelasteten spielfreien Anordnung jede Schnecke oder jedes Getriebe verwenden können, ohne sich um das Spiel kümmern zu müssen. Wählen Sie die Motor- / Getriebeanordnung für die anderen Eigenschaften.
Brian Drummond
Wenn Sie das Zifferblatt nicht vollständig drehen müssen, können Sie ein Galvo-System verwenden: en.wikipedia.org/wiki/Mirror_galvanometer
pjc50

Antworten:

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Ich gebe Ihnen einige Ratschläge, aber das erste, was Sie tun müssen, ist sich bewusst zu sein, dass Sie etwas ausprobieren, das möglicherweise über Ihre Fähigkeiten hinausgeht. 0,03 Grad (1/2 Milliradian oder 2 Bogenminuten) erfordern viel Sorgfalt und wahrscheinlich Zugang zu einer guten Maschinenwerkstatt.

In Ordnung:

1) Sie sind zu Recht misstrauisch gegenüber Mikroschritten. Es gibt Ihnen einfach nicht die Genauigkeit, die Sie wollen. Der Artikel ist ganz richtig.

2) Ein Stepper mit einer Art Getriebe funktioniert gut. Aber Sie brauchen ein hochpräzises Getriebe, und sie sind nicht billig. Es wird schwierig sein, ein Getriebe zu finden, das für Ihre Anforderungen an geringes Drehmoment, niedrige Geschwindigkeit und hohe Präzision ausgelegt ist. Sie haben Ihre genaue Verwendung nicht angegeben, aber denken Sie daran, dass Ihre Spielanforderungen so gut wie verschwinden, wenn Sie während des Betriebs keine Bewegungsumkehr benötigen. Wie wini_i geantwortet hat, funktioniert ein Schneckengetriebe gut. Beachten Sie jedoch, dass die Montage des Zahnrads eine erhebliche Präzision erfordert.

3) Ein Motor mit Encoder ist möglich, es gibt jedoch einige Probleme. Das Größte ist, dass Sie einen Encoder mit mindestens der doppelten Auflösung Ihrer Systemanforderungen benötigen. Die Schwierigkeit bei einem digitalen Encoder besteht darin, dass wenn die Welle aufgrund des Motordrehmoments zu driften beginnt, Sie es nicht wissen, bis der Encoder einen Schritt macht. Es kann dann in die andere Richtung driften, bis ein Rückwärtsschritt usw. ausgeführt wird. Daher ist die Herstellung eines stabilen Positionierungssystems mit einem solchen Encoder äußerst schwierig, und ein einfacher PID-Regler ist nicht ausreichend. Darüber hinaus gibt es beim Versuch, Ihren eigenen Encoder von einem Gerät wie dem AS5048 aus zu rollen, eine Reihe von Problemen, die auf der Website nicht erwähnt werden. Das Wichtigste unter diesen ist die Notwendigkeit, die Mitte des Erfassungsbereichs in Bezug auf die Mitte der Welle genau zu positionieren. Je höher die Auflösung,

4) Ein Stepper mit Encoder klingt gut, kann jedoch einige mechanische Fehler nicht ausgleichen. Insbesondere kann es bei Spielproblemen nicht helfen. Das wahrscheinlichste Ergebnis eines solchen Systems ist, dass es ständig zwischen zwei mechanischen Wellenpositionen jagt. Das Kompensieren von Mikroschrittfehlern ist (vielleicht) möglich, aber Lagerreibung und Haftreibung können zu bemerkenswerten Ergebnissen wie Zahnradspiel führen.

5) Andere? Vielleicht. Möglicherweise muss Ihr System nicht tatsächlich einen Schritt ausführen. Wie wäre es, wenn es sich sehr langsam und präzise dreht? In diesem Fall benötigen Sie keine Positionsschleife, sondern eine Geschwindigkeitsschleife mit einer von einem Inkrementalgeber abgeleiteten Geschwindigkeit (bei weitem billiger als ein Parallelgeber). Im Prinzip könnten Sie ein Zifferblatt verwenden, das direkt an einer Motorwelle montiert ist, aber ein ziemlich massives Zifferblatt herstellen, dessen Trägheit Störungen wie Lagerunregelmäßigkeiten oder Motorstörungen ausgleichen würde.

Aber bleiben wir bei einem Getriebeschritt. Ich bin geneigt, Daniel zuzustimmen, dass Ihre beste Wahl ein Zahnriemen- / Zahnrad-Setup ist. Mit ein paar Vorsichtsmaßnahmen. Sie möchten eine möglichst feine Zahnriemensteigung, vorzugsweise eine MXL-Serie. Ihre Auflösung von 0,03 Grad ergibt 12.000 Schritte pro Umdrehung, was bedeutet, dass Sie eine 60: 1-Reduzierung mit einem 1,8-Grad-Stepper benötigen. Das ist ein Problem. Wenn die Motorscheibe 10 Zähne hat, benötigt das Zifferblatt eine 600-Zahn-Rolle, und Sie werden keine davon finden. Sie müssen einen von zwei Ansätzen ausprobieren. Verwenden Sie entweder eine zweistufige Reduzierung oder versuchen Sie es mit einem x8-Mikroschritt, gefolgt von einer Reduzierung um 7,5: 1. Ein x8-Mikroschritt ergibt Motorschritte von (nominell) 12,5% des Normalwerts. Wenn der Motor eine Genauigkeit von 5% aufweist, sollte alles in Ordnung sein. Du' Außerdem müssen Sie sich bemühen, die Riemenspannung konstant zu halten, um das Spiel im System zu verringern. Sie müssen eine gute steife Halterung für den Motor und das Zifferblatt vornehmen. Hier kommt eine gute Maschinenwerkstatt ins Spiel. Je nachdem, was am Zifferblatt angebracht ist, ist es auch wichtig, dass das Zifferblatt perfekt auf der Welle zentriert ist. Die Tatsache, dass Ihr Lastdrehmoment sehr niedrig ist, hilft sehr.

WhatRoughBeast
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Was für eine fantastische Analyse - sicherlich eine der nützlichsten Antworten, auf die ich in SE gestoßen bin!
Boardbite
Zu # 2: Ja, nehmen Sie an, dass mein Experiment in Ordnung ist, wenn sich das Zifferblatt während seiner Existenz nur in eine Richtung dreht - dh ich bin damit einverstanden, dass es meine Zielorientierung erreicht, indem es sich wie eine Uhr bewegt (zum Beispiel nur im Uhrzeigersinn). Kann ich in diesem Fall Spielprobleme vollständig ignorieren, unabhängig davon, ob ich während der unidirektionalen Drehung beschleunige und bremse?
Boardbite
@boardbite - Wenn Sie das Einstellrad in eine Richtung bewegen, werden die meisten Spielprobleme beseitigt. Wenn Sie jedoch nicht mit konstanter Geschwindigkeit und Last (einschließlich Reibung) laufen, haben Sie dennoch einige Auswirkungen. Wenn Sie treten und das Zifferblatt stoppt, kann es leicht zurückprallen (wie ein Auto, wenn es zum Stillstand kommt), was Ihre Genauigkeit beeinträchtigt. Wie viel Effekt Sie erzielen, müssen Sie experimentell ermitteln. Das Hinzufügen einer absichtlichen Reibungslast hilft, und bei großen Untersetzungsverhältnissen erhalten Sie viel Drehmoment, sodass dies nicht unbedingt ein Problem ist. Aber hohe Präzision ist schwer.
WhatRoughBeast
Sie haben in # 2 und am Ende Getriebeschritte erwähnt ... Was halten Sie von der Verwendung dieses Motors mit Untersetzung , der 0,0072 Grad / Schritt behauptet - ist das realistisch?
Boardbite
@boardbite Ich vermute, dass das Gerät das tut, was Sie brauchen. Natürlich benötigen Sie einen 5-Phasen-Schritttreiber. Ich kann das Datenblatt auf dem Motor jedoch nicht schnell finden, daher gebe ich ohne tatsächliche Leistungsangaben keine Garantie.
WhatRoughBeast
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Ein Schneckengetriebe kann sich um das kümmern, was Sie suchen. Durch Auswahl der Größe der Zahnräder können Sie die Auflösung steuern und durch Steuerung des Zahnrads der Zahnräder kann die Genauigkeit garantiert werden. Fahren Sie den Wurm direkt, um die besten Ergebnisse zu erzielen, und fügen Sie einen Encoder hinzu, der die erforderliche Auflösung bietet. Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

vini_i
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Wenn ich mich für diese Konfiguration entscheide (dh mein Zifferblatt ist am Schneckenrad angebracht) und die Genauigkeit durch Auswahl der entsprechenden Spezifikationen der Schneckenkombination garantiert werden kann, welche Rolle spielt dann der Encoder?
Boardbite
Der Motor würde am Schneckengetriebe angebracht. Sie können es nicht in die andere Richtung fahren. Wenn Sie einen Stepper verwenden, ist der Encoder wahrscheinlich nicht erforderlich.
Daniel
@vini_i: Woher bekomme ich diese Art von Rad / Schnecke / Welle-Kombinationen? Thingiverse hat eine Reihe von 3D-druckbaren Designs von Schnecken + Rad-Kombinationen programmierbarer Größe, die meiner Meinung nach funktionieren könnten.
Boardbite
Für diese Art von Anwendung benötigen Sie ein ordnungsgemäß bearbeitetes Schneckengetriebe - wahrscheinlich Messing. Es gibt viele Lieferanten von Maschinenkomponenten. Einer, der (mit internationaler Präsenz) in den Sinn kommt, ist Misumi. Möglicherweise müssen Sie einige Einstellungen am Eingriff vornehmen, um ein Spiel zu vermeiden.
Chris H
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Denken Sie daran, wirklich gut zu schmieren! Es gibt viel Reibung im Schneckengetriebe.
Yo '
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Harmonischer Antrieb wird oft als spielfrei bezeichnet.

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

Marko Buršič
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Dies ist eine unglaublich gute Lösung für das OP-Problem. Das einzige Problem könnte das Budget sein, solche Reduzierungen können teuer sein. Sie können solche mit integrierten Motoren und Encodern wie harmonicdrive.net/products/actuators/sha kaufen, die sich hervorragend für hochpräzise Inspektionsanwendungen und dergleichen eignen.
Doug McClean
@DougMcClean: Ah, die alten "so teuer, dass ihre Website nicht die Preise auflistet"! Glauben Sie , eine 3D-gedruckten Lösung wie diese oder auch das funktionieren könnte vernünftig, oder ist Harmonic-Drive - Leistung stark abhängig von Teilequalität?
Boardbite
@DougMcClean: Ich glaube, ich habe etwas gefunden! Würde so etwas wie dieser Motor gut funktionieren? Es wird behauptet, dass ein harmonisches Untersetzungsgetriebe eingebaut ist und das Bild 0,0072 Grad / Schritt angibt.
Boardbite
@boardbite Es hat einen 5-Phasen-Stepper, schwer zu finden, einen geeigneten Treiber. ebay.com/itm/… ebay.com/itm/…
Marko Buršič
@boardbite Ja, das sind sehr schöne Motoren und ich habe gesehen, dass sie in ähnlichen Anwendungen verwendet werden. Marko hat Recht, dass es schwierig ist, einen Fahrer zu finden, aber Oriental stellt einen her, den sie mit diesen Motoren verkaufen.
Doug McClean
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Am einfachsten wäre es, einen Stepper zu verwenden, der mit einem Riemenantrieb ausgestattet ist. Der Riemen hat etwas Feder, aber sehr wenig (nein?) Spiel.

Bearbeiten Sie wie folgt: Riemenantrieb

Daniel
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Können Sie sich ein Bild davon machen, was Sie meinen? Meinen Sie damit einen Zahnriemen zusammen mit einer kleinen Riemenscheibe auf der Schrittwelle und einer größeren Riemenscheibe / Scheibe an anderer Stelle, die das Zifferblatt hält?
Boardbite
Legen Sie ein kleines Zahnrad auf den Motor, ein größeres Zahnrad auf das Zifferblatt und einen Zahnriemen dazwischen. Antwort bearbeitet.
Daniel
Verstanden; Vielen Dank - dies scheint der kostengünstigste und am schnellsten zu implementierende Weg zu sein. Der 2. Motor hier ist irrelevant, oder? Selbst außerhalb meiner Anwendung verstehe ich nicht, warum zwei Motoren über ein solches Riemensystem gekoppelt werden müssten.
Boardbite
Das ist nur ein Bild, das ich gefunden habe. Es handelt sich um ein Spindel-Umrüstkit zum Antreiben einer Spindel mit einem nachgerüsteten Schrittmotor. Ich habe keine Ahnung, was seine Verwendung ist.
Daniel