Como obter uma rotação muito precisa / fina com o motor


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Estou executando um experimento em que preciso girar um seletor leve (<5 gramas, requisitos de torque muito baixo e bem devagar), mas preciso executar etapas muito precisas e finas de 0,03 graus.

Algo parecido com isto (mostrado como unidade direta aqui, mas estou aberto a outras opções, conforme descrito mais abaixo):

insira a descrição da imagem aqui

Qual das seguintes configurações / abordagens de motores teria maior probabilidade de sucesso para meu objetivo?

  1. Um motor de passo típico (digamos, com passos de 1,8 graus) e talvez use 128 micro-passos? No entanto, este artigo afirma que o microstepping alcançará apenas resolução, mas não precisão.

  2. Um stepper com caixa de engrenagens planetária (proporção de 51: 1) como este exemplo , ou sofreria muita folga?

  3. Um motor DC sem escova, juntamente com um codificador rotativo magnético como o AS5048 (resolução de 14 bits), e escreve meu próprio loop PID para alcançar a posição desejada?

  4. Um stepper combinado com um codificador rotativo magnético para acompanhar a verdadeira orientação e, consequentemente, usá-lo como feedback para corrigir contra folga no estojo de engrenagens (abordagem nº 2) ou contra etapas perdidas no caso de micropasso (abordagem nº 1)?

  5. Ou alguma outra abordagem?

Nota: Eu li que existem servos de nível industrial que podem atingir confortavelmente a meta de 0,03 graus, mas estes estão muito fora do meu orçamento, então eu esperava uma solução mais barata às custas de ajustes e aprendizado.


Por pergunta 2. Leia o link que você forneceu. Esse motor em particular tem folga na faixa de 1 grau.
WhatRoughBeast

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Como você precisa de muito pouco torque, um simples arranjo anti-folga com mola deve permitir que você use qualquer sem-fim ou caixa de engrenagens sem se preocupar com folga. Escolha a disposição do motor / caixa de velocidades para outras propriedades.
Brian Drummond

Se você não precisa de rotação completa do disco, você pode usar um sistema Galvo: en.wikipedia.org/wiki/Mirror_galvanometer
pjc50

Respostas:


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Vou lhe dar alguns conselhos, mas a primeira coisa que você precisa fazer é estar ciente de que está tentando algo que pode estar além de suas habilidades. 0,03 graus (1/2 milirradiano ou 2 minutos de arco) requer muito cuidado e provavelmente acesso a uma boa oficina.

Em ordem:

1) Você está correto ao desconfiar de microstepping. Simplesmente não lhe dará a precisão desejada. O artigo está bastante correto.

2) Um stepper com algum tipo de caixa de velocidades funcionará bem. Mas você precisará de uma caixa de velocidades de alta precisão, e elas não são baratas. Será difícil encontrar uma caixa de engrenagens feita com suas necessidades de baixo torque, baixa velocidade e alta precisão. Você não especificou seu uso exato, mas lembre-se de que, se você não precisar de inversão de movimento durante a operação, seus requisitos de folga praticamente desaparecerão. Como o wini_i respondeu, uma engrenagem helicoidal funcionará bem, mas esteja ciente de que a montagem da engrenagem requer uma precisão considerável.

3) Um motor com um codificador é possível, mas existem alguns problemas. O maior é que você precisa de um codificador com pelo menos o dobro da resolução dos requisitos do sistema. A dificuldade com um codificador digital é que, se o eixo começar a deriva devido ao torque do motor, você não saberá até que o codificador dê um passo. Em seguida, ele pode desviar o caminho até dar um passo inverso, etc. Como resultado, criar um sistema de posicionamento estável com esse codificador é extremamente desafiador e um simples controlador PID não será adequado. Além disso, tentar rolar o seu próprio codificador a partir de um dispositivo como o AS5048 tem vários problemas que o site não menciona. A principal delas é a necessidade de posicionar com precisão o centro da área de detecção em relação ao centro do eixo. Quanto maior a resolução,

4) Um stepper com um codificador parece bom, mas não pode compensar alguns erros mecânicos. Especificamente, ele não pode ajudar com problemas de folga. O resultado mais provável desse sistema é que ele constantemente caça entre duas posições mecânicas do eixo. Compensar os erros de micro-passos é (mais ou menos) possível, mas o atrito e a aderência do rolamento podem dar resultados notavelmente semelhantes à folga das engrenagens.

5) Outro? Bem, talvez. Talvez o seu sistema não precise realmente pisar. Que tal se virar muito devagar e com precisão? Nesse caso, você não precisa de um loop de posição, mas de um loop de velocidade derivado de um codificador incremental (mais barato que o codificador paralelo). Em princípio, você pode usar um mostrador montado diretamente no eixo do motor, mas fazer um mostrador bastante grande cuja inércia compensaria distúrbios como irregularidades nos rolamentos ou falhas no motor.

Mas vamos ficar com um passo orientado. Estou inclinado a concordar com Daniel que sua melhor aposta é uma configuração de correia dentada / engrenagem de distribuição. Com alguns cuidados. Você desejará um passo de engrenagem da correia dentada o mais fino possível, de preferência uma série MXL. Sua resolução de 0,03 graus fornece 12.000 etapas por rotação, o que indica que você precisa de uma redução de 60: 1 com um passo de 1,8 graus. Isto é um problema. Se a polia do motor tiver 10 dentes, o mostrador precisará de uma polia de 600 dentes e você não encontrará uma delas. Você precisará tentar uma das duas abordagens. Use uma redução em duas etapas ou tente algo como um microstep x8 seguido de uma redução de 7,5: 1. Um microstep x8 fornece etapas do motor (nominalmente) de 12,5% do normal, e se o motor tiver 5% de precisão, você deve estar bem. Vocês' Também é necessário fazer um esforço para manter a tensão da correia constante para reduzir a folga no sistema. Você precisará fazer uma boa montagem rígida do motor e do mostrador, que é onde entra uma boa oficina. Dependendo do que estiver acoplado ao mostrador, também será importante manter o mostrador perfeitamente centralizado no eixo. O fato de seu torque de carga ser muito baixo ajudará bastante.


Que análise fantástica - certamente uma das respostas mais úteis que encontrei no SE!
boardbite

Em relação a # 2: Sim, suponha que meu experimento esteja bem, com o dial girando apenas uma maneira durante sua existência - ou seja, estou bem com ele atingindo minha orientação de alvo movendo-se como um relógio (por exemplo, apenas no sentido horário). Posso ignorar completamente as preocupações de folga nesse caso, independentemente de eu estar acelerando ou desacelerando durante a rotação unidirecional?
boardbite

@ boardbite - Se você executar o dial em uma direção, se livra da maioria dos problemas de folga. No entanto, a menos que você corra em velocidade e carga constantes (incluindo atrito), ainda terá alguns efeitos. Se você pisar, quando o mostrador parar, ele poderá se recuperar levemente (como um carro quando parar) e isso prejudicará sua precisão. Exatamente quanto efeito você terá é algo que você precisa encontrar por experiência. Adicionar uma carga de atrito intencional ajudará e, com grandes taxas de redução, você obtém muito torque, de modo que isso não é necessariamente um problema. Mas alta precisão é difícil.
WhatRoughBeast

você mencionou steppers de engrenagens no nº 2 e no final ... Qual é a sua opinião sobre o uso de algo como este motor de redução de engrenagem , que reivindica 0,0072 graus / passo - isso é realista?
boardbite

@ boardbite Eu suspeito que a unidade fará o que você precisa. Obviamente, você precisará obter um driver deslizante de 5 fases. No entanto, não consigo encontrar rapidamente a folha de dados no motor, portanto, sem as especificações de desempenho reais, não dou garantias.
WhatRoughBeast

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Um acionamento por engrenagem helicoidal pode cuidar do que você está procurando. Selecionando o tamanho das engrenagens, você pode controlar a resolução e controlando a malha das engrenagens, a precisão pode ser garantida. Dirija o worm diretamente para obter melhores resultados e adicione um codificador que fornecerá a resolução necessária. insira a descrição da imagem aqui


Se eu for com essa configuração (ou seja, meu mostrador conectado à roda de minhoca) e a precisão puder ser garantida escolhendo as especificações apropriadas da combinação de minhocas, qual será o papel do codificador?
boardbite

O motor seria conectado à engrenagem helicoidal. Você não pode dirigir de outra maneira. Se você usasse um stepper, o codificador provavelmente não seria necessário.
Daniel

@vini_i: Onde posso obter esse tipo de combinação roda / verme / eixo? O Thingiverse tem um monte de designs imprimíveis em 3d de combinações de verme e roda de tamanho programável, o que eu acho que pode funcionar?
boardbite

Para esse tipo de aplicação, você deseja uma engrenagem sem-fim usinada adequada - provavelmente latão. Existem muitos fornecedores de componentes de máquinas, um que vem à mente (com presença internacional) é Misumi. Pode ser necessário criar alguns ajustes no engajamento para evitar reações contrárias.
Chris H

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Lembre-se de lubrificar muito bem! Há muito atrito envolvido na engrenagem helicoidal.
yo '

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O acionamento harmônico costuma ser dito que possui zero folga.

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


Essa é uma solução incrivelmente boa para o problema do OP. A única questão pode ser o orçamento, esses redutores podem ser caros. Você pode comprar aqueles com motores e codificadores integrados, como harmonicdrive.net/products/actuators/sha, que são impressionantes para aplicações de inspeção de alta precisão e similares.
Doug McClean

@DougMcClean: Ah, o velho "tão caro que o site deles não lista os preços"! Você acha que uma solução impressa-3d como esta , ou então este pode funcionar razoavelmente, ou é o desempenho harmônico-drive severamente dependente a qualidade da peça?
boardbite

@DougMcClean: Encontrei algo, eu acho! Algo como este motor funcionaria bem? Ele afirma ter um redutor de engrenagem harmônico embutido e a imagem indica 0,0072 graus / passo.
boardbite

@ boardbite Possui um stepper de 5 fases, difícil de encontrar um driver adequado. ebay.com/itm/… ebay.com/itm/…
Marko Buršič

@ boardbite Sim, esses são motores muito bons e já os vi usados ​​em aplicações semelhantes. Marko está certo de que é difícil encontrar um motorista, mas a Oriental faz um que eles vendem com esses motores.
Doug McClean

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A coisa mais simples a fazer seria usar um passo a passo, com uma transmissão por correia. O cinto terá um pouco de primavera, mas pouca folga (não?).

Edite, assim: Correia de transmissão


Você pode fornecer uma imagem do que você quer dizer? Você quer dizer usar uma correia dentada juntamente com uma polia pequena no eixo deslizante e uma polia / disco maior em outro lugar, segurando o dial?
boardbite

Coloque uma engrenagem pequena no motor, uma engrenagem maior no mostrador e um cinto dentado entre eles. Resposta editada.
Daniel

Entendi; obrigado - esta parece a maneira mais barata e rápida de implementar. O segundo motor aqui é irrelevante, certo? Mesmo fora da minha aplicação, não entendo por que dois motores precisariam ser emparelhados através de um sistema de correias como esse.
boardbite

Essa é apenas uma foto que encontrei. É um 'kit de conversão de eixo' para acionar um eixo-árvore com um motor de passo adaptado. Eu não tenho idéia de qual é o seu uso.
Daniel
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