Как добиться очень точного/прекрасного вращения с двигателем

Я провожу эксперимент, в котором мне нужно вращать легкий циферблат (менее 5 граммов, поэтому требуется очень низкий крутящий момент и довольно медленно), но мне нужно делать очень точные, мелкие шаги в 0,03 градуса.

Что-то вроде этого (здесь показано как прямой привод, но я открыт для других вариантов, как описано ниже):

введите описание изображения здесь

Какие из следующих двигательных установок/подходов, скорее всего, будут успешными для моей цели?

  1. Типичный шаговый двигатель (скажем, с шагом 1,8 градуса) и, возможно, использование 128-микрошагов? Тем не менее, в этой статье говорится, что микрошаг позволит достичь только разрешения, но не точности.

  2. Шаговый двигатель с планетарным редуктором (соотношение 51:1), как в этом примере , или он будет страдать от слишком большого люфта?

  3. Бесщеточный двигатель постоянного тока вместе с магнитным поворотным энкодером, таким как AS5048 (разрешение 14 бит), и написать свой собственный ПИД-контур для достижения желаемого положения?

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

  5. Или какой-то другой подход?

Примечание. Я читал, что существуют сервоприводы промышленного класса, которые могут с комфортом достигать цели 0,03 градуса, но они выходят за рамки моего бюджета, поэтому я надеялся на менее дорогое решение за счет настройки и обучения.

По вопросу 2. Прочтите предоставленную вами ссылку. Этот конкретный двигатель имеет люфт в диапазоне 1 градус.
Поскольку вам нужен очень небольшой крутящий момент, простое подпружиненное устройство предотвращения люфта должно позволить вам использовать любой червяк или редуктор, не беспокоясь о люфте. Выберите компоновку двигателя/коробки передач по другим его свойствам.
Если вам не нужен полный поворот циферблата, вы можете использовать гальваническую систему: en.wikipedia.org/wiki/Mirror_galvanometer

Ответы (4)

Я дам вам несколько советов, но первое, что вам нужно сделать, это осознать, что вы пытаетесь сделать что-то, что может оказаться за пределами ваших возможностей. 0,03 градуса (1/2 миллирадиана или 2 угловые минуты) требует большой осторожности и, вероятно, доступа к хорошему механическому цеху.

Для того, чтобы:

1) Вы правы, опасаясь микрошагов. Это просто не даст вам нужной точности. Статья вполне правильная.

2) Шаговый двигатель с каким-нибудь редуктором подойдет. Но вам понадобится высокоточная коробка передач, а они недешевы. Будет трудно найти редуктор, который изготовлен с учетом ваших требований к низкому крутящему моменту, низкой скорости и высокой точности. Вы не указали свое точное использование, но имейте в виду, что если вам не требуется реверсирование движения во время работы, ваши требования к люфту в значительной степени исчезают. Как ответил wini_i, червячная передача будет работать хорошо, но имейте в виду, что установка шестерни требует значительной точности.

3) Двигатель с энкодером возможен, но есть несколько проблем. Самый большой из них заключается в том, что вам нужен кодировщик с разрешением как минимум 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 дрейфовать в другую сторону, пока не сделает обратный шаг и т. д. В результате создание стабильной системы позиционирования с таким энкодером чрезвычайно сложно, и простого ПИД-регулятора здесь недостаточно. Кроме того, попытка свернуть свой собственный кодировщик с устройства, такого как AS5048, связана с кучей проблем, о которых не упоминается на веб-сайте. Главным из них является необходимость точного позиционирования центра чувствительной области по отношению к центру вала. Чем выше разрешение,

4) Степпер с энкодером звучит хорошо, но не может компенсировать некоторые механические погрешности. В частности, это не может помочь с проблемами люфта. Наиболее вероятным результатом такой системы является то, что она постоянно переключается между двумя положениями механического вала. Компенсация ошибок микрошага (вроде как) возможна, но трение и трение в подшипниках могут давать результаты, очень похожие на люфт шестерни.

5) Другое? Что же, может быть. Возможно, вашей системе не нужно на самом деле шагать. А если он будет вращаться очень медленно и точно? В этом случае вам не нужна петля положения, а скорее петля скорости со скоростью, полученной от инкрементного энкодера (намного дешевле, чем параллельный энкодер). В принципе, вы можете использовать циферблат, установленный непосредственно на вал двигателя, но сделать достаточно массивный циферблат, инерция которого компенсирует такие помехи, как неравномерность подшипников или сбои в работе двигателя.

Но давайте придерживаться шагового двигателя с редуктором. Я склонен согласиться с Даниэлем в том, что лучший выбор — установка зубчатого ремня/зубчатого механизма. С некоторыми предостережениями. Вам понадобится как можно более мелкий шаг зубчатого ремня, предпочтительно серии MXL. Ваше разрешение 0,03 градуса дает 12 000 шагов на оборот, что говорит о том, что вам нужно уменьшение 60: 1 с шагомером 1,8 градуса. Это проблема. Если у моторного шкива 10 зубьев, то для циферблата нужен шкив с 600 зубьями, а такого вы не найдете. Вам нужно будет попробовать один из двух подходов. Либо используйте двухступенчатое уменьшение, либо попробуйте что-то вроде микрошага x8 с последующим уменьшением 7,5: 1. Микрошаг x8 дает шаг двигателя (номинально) 12,5% от нормального, и если точность двигателя составляет 5%, все должно быть в порядке. Ты' Также необходимо приложить усилия, чтобы поддерживать постоянное натяжение ремня, чтобы уменьшить люфт в системе. Вам нужно будет сделать хорошее жесткое крепление для мотора и циферблата, и именно здесь пригодится хороший механический цех. В зависимости от того, что прикреплено к циферблату, также будет важно идеально центрировать циферблат на валу. Тот факт, что ваш крутящий момент нагрузки очень низкий, очень поможет.

Какой фантастический анализ - безусловно, один из самых полезных ответов, которые я встречал в SE!
Относительно № 2: Да, предположим, что мой эксперимент прошел нормально, когда циферблат вращается только в одну сторону за время своего существования, т. е. я согласен с тем, что он достигает моей целевой ориентации, двигаясь как часы (например, только по часовой стрелке). Могу ли я полностью игнорировать проблемы с люфтом в этом случае, независимо от того, ускоряюсь я или замедляюсь во время однонаправленного вращения?
@boardbite - Если вы вращаете циферблат в одном направлении, вы избавляетесь от большинства проблем с люфтом. Однако, если вы не бежите 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 останавливается), и это снизит вашу точность. Какой именно эффект вы получите, вам нужно определить экспериментальным путем. Добавление преднамеренной фрикционной нагрузки поможет, а с большими передаточными числами вы получите большой крутящий момент, так что это не обязательно проблема. Но высокая точность сложна.
вы упомянули шаговые двигатели с редуктором в № 2 и в конце ... Каково ваше мнение об использовании чего-то вроде этого двигателя с редуктором , который заявляет 0,0072 градуса / шаг - это реально?
@boardbite Я подозреваю, что этот модуль сделает то, что вам нужно. Конечно, вам придется приобрести 5-фазный шаговый драйвер. Тем не менее, я не могу быстро найти техпаспорт на двигатель, поэтому без реальных технических характеристик я не даю никаких гарантий.
Понятно. Сначала я экспериментирую с реализацией идеи уменьшения - с точки зрения вашего последнего абзаца, я хотел бы спросить вас: есть ли какое-либо преимущество в шкивах с соотношением A:B с зубчатым ремнем по сравнению со шкивами с соотношением A:B в трогательная конфигурация (или "шестерни" как бы)? Я предполагаю, что люфт между ремнем и шкивом намного меньше из-за податливой природы материала ремня?
@boardbite - Если вы предлагаете просто иметь пару дисков с правильным соотношением диаметров, которые передают крутящий момент за счет трения, а не ремня / зубьев или зубьев шестерни, ответ - не делайте этого. Звучит просто, и это так, но если у вас есть какие-либо переменные нагрузки (и запуск и остановка определенно учитываются), вы получите микроскопическое проскальзывание между ними, которое почти наверняка будет накапливаться. За очень короткое время вы получите заметные ошибки.
Дела идут хорошо; Я заказал упомянутые вами ремни и шкивы серии MXL; один шкив с 10 зубьями и другой («циферблат») со 120 зубьями. Получил степпер с углом шага 0,9 градуса и прикрепил к его валу 1-й шкив. Я хотел бы изучить, как прикрепить больший циферблат, т. е. что я должен позволить циферблату вращаться, но я не знаком с терминологией, которую нужно искать, особенно с тем, что подходит для моего случая, где я хочу добиться очень небольшого колебания или отклонения. Можете ли вы предложить подходящие компоненты (вал шкива? ось?), чтобы я мог прочитать о них?
@boardbite - Рад, что вы делаете успехи. Во-первых, вы должны знать, что шестерни, которые у вас есть, дадут вам только 0,075 градуса. Во-вторых, вы захотите использовать вал, общий как для циферблата, так и для большого шкива, если только вы не решили установить свой эксперимент непосредственно на шкив. Вал должен удерживаться в двух местах подшипниками, в которые запрессован вал. Если вы используете только один подшипник, это может сработать, но натяжение ремня приведет к смещению вала.

Червячный редуктор может позаботиться о том, что вы ищете. Выбирая размер шестерен, вы можете контролировать разрешение, а контролируя сетку шестерен, точность может быть гарантирована. Направляйте червя для достижения наилучших результатов и добавьте кодировщик, который обеспечит необходимое разрешение.введите описание изображения здесь

Если я выберу эту конфигурацию (т. е. мой циферблат прикреплен к червячному колесу) и точность можно гарантировать, выбрав соответствующие характеристики червячного комбо, то какова будет роль энкодера?
Двигатель будет прикреплен к червячной передаче. Вы не можете вести его по-другому. Если бы вы использовали степпер, энкодер, вероятно, был бы не нужен.
@vini_i: Где я могу получить такие комбинации колеса/червяка/вала? У Thingiverse есть куча готовых к 3D-печати комбинаций червяк+колесо программируемого размера, которые, я думаю, могут сработать?
Для такого рода приложений вам нужна подходящая червячная передача, возможно, латунная. Есть много поставщиков компонентов для машин, один из них, который приходит на ум (с международным присутствием), — это Misumi. Возможно, вам придется спроектировать некоторую регулировку зацепления, чтобы избежать люфта.
@boardbite Если вам нужны правильные латунные шестерни, McMaster Carr - хороший поставщик, но они дорогие. Ebay является достойным источником обычных пластиковых.
Не забудьте хорошо смазать! В червячной передаче возникает большое трение.

О гармоническом приводе часто говорят, что у него нулевой люфт.

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

Это невероятно хорошее решение проблемы ОП. Единственная проблема может заключаться в бюджете, такие редукторы могут быть дорогими. Вы можете купить модели со встроенными двигателями и энкодерами, например , на сайтеharonicdrive.net /products/actuators/sha , которые прекрасно подходят для высокоточных проверок и т.п.
@DougMcClean: Ах, старое «настолько дорого, что на их сайте цены не указаны»! Как вы думаете, решение, напечатанное на 3D-принтере , может работать разумно, или производительность гармонического привода сильно зависит от качества детали ?
@DougMcClean: Кажется, кое-что нашел! Будет ли что-то вроде этого мотора хорошо работать? Он утверждает, что имеет встроенный гармонический редуктор, а на изображении указано 0,0072 градуса на шаг.
@boardbite У него 5-фазный шаговый двигатель, трудно найти подходящий драйвер. ebay.com/itm/… ebay.com/itm/…
@boardbite Да, это очень хорошие двигатели, и я видел, как они использовались в аналогичных приложениях. Марко прав, найти драйвер сложно, но Oriental делает такой, который они продают с этими моторами.

Проще всего было бы использовать шаговый двигатель с ременной передачей. Ремень будет пружинить, но очень мало (нет?) люфта.

Отредактируйте, например:Ремень безопасности

Можете ли вы предоставить изображение того, что вы имеете в виду? Вы имеете в виду использование ремня ГРМ вместе с маленьким шкивом на шаговом валу и большим шкивом/диском в другом месте, удерживая циферблат?
Наденьте маленькую шестерню на двигатель, большую шестерню на циферблат и зубчатый ремень между ними. Ответ отредактирован.
Понятно; спасибо - это кажется наименее дорогим и быстрым в реализации способом. 2-й мотор тут не причем, да? Даже за пределами моего приложения я не понимаю, почему два двигателя должны быть соединены в пару с помощью такой системы ремней.
Это просто картинка, которую я нашел. Это «комплект для переоборудования шпинделя» для привода шпинделя с модернизированным шаговым двигателем. Я понятия не имею, каково его использование.
Как добиться очень точного/прекрасного вращения с двигателем
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v