Cómo lograr una rotación muy precisa / fina con motor

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Estoy realizando un experimento en el que necesito rotar un dial liviano (<5 gramos, por lo que se requiere un par muy bajo y bastante lento), pero necesito hacer pasos muy precisos y precisos de 0.03 grados.

Algo como esto (se muestra aquí como unidad directa, pero estoy abierto a otras opciones como se describe más adelante):

ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Cuál de las siguientes configuraciones / enfoques de motor sería más probable que tenga éxito para mi objetivo?

  1. ¿Un motor paso a paso típico (digamos con pasos de 1.8 grados) y usa 128 microstepping quizás? Sin embargo, este artículo establece que el microstepping solo logrará resolución pero no precisión.

  2. ¿Un paso a paso con caja de cambios planetaria (relación 51: 1) como este ejemplo , o esto sufriría demasiada reacción?

  3. ¿Un motor de CC sin escobillas junto con un codificador rotatorio magnético como AS5048 (resolución de 14 bits) y escribir mi propio bucle PID para lograr la posición deseada?

  4. ¿Un paso a paso combinado con un codificador rotatorio magnético para realizar un seguimiento de la orientación real y, en consecuencia, utilizar esto como retroalimentación para corregir el contragolpe en el caso de engranaje (enfoque n. ° 2) o los pasos perdidos en el caso de micropasos (enfoque n. ° 1)?

  5. ¿O algún otro enfoque?

Nota: He leído existen servos de grado industrial que puede alcanzar cómodamente la meta 0,03 grados pero estos son manera fuera de mi presupuesto, así que estaba esperando para una solución más económica a costa de ajustes y de aprendizaje.

bocado
fuente
Por pregunta 2. Lea el enlace que proporcionó. Ese motor en particular tiene una reacción en el rango de 1 grado.
WhatRoughBeast
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Como necesita muy poco torque, una simple disposición anti-retroceso cargada por resorte debería permitirle usar cualquier gusano o caja de cambios sin preocuparse por el contragolpe. Elija la disposición del motor / caja de cambios para sus otras propiedades.
Brian Drummond
Si no necesita la rotación completa del dial, puede usar un sistema galvo: en.wikipedia.org/wiki/Mirror_galvanometer
pjc50

Respuestas:

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Te daré algunos consejos, pero lo primero que debes hacer es ser consciente de que estás intentando algo que puede estar más allá de tus capacidades. 0.03 grados (1/2 miliradio o 2 minutos de arco) requiere mucho cuidado, y probablemente acceso a un buen taller de máquinas.

En orden:

1) Tienes razón al desconfiar de los microstepping. Simplemente no le dará la precisión que desea. El artículo es bastante correcto.

2) Un paso a paso con algún tipo de caja de cambios funcionará bien. Pero necesitará una caja de cambios de alta precisión, y no son baratas. Será difícil encontrar una caja de cambios que esté hecha teniendo en cuenta sus necesidades de baja torsión, baja velocidad y alta precisión. No ha especificado su uso exacto, pero tenga en cuenta que si no requiere inversión de movimiento durante la operación, sus requisitos de reacción desaparecerán. Como ha respondido wini_i, un engranaje helicoidal funcionará bien, pero tenga en cuenta que el montaje del engranaje requiere una precisión considerable.

3) Es posible un motor con un codificador, pero hay algunos problemas. Lo más importante es que necesita un codificador con al menos el doble de resolución que los requisitos de su sistema. La dificultad con un codificador digital es que si el eje comienza a desplazarse debido al par motor, no lo sabrá hasta que el codificador dé un paso. A continuación, puede derivar hacia el otro lado hasta que dé un paso inverso, etc. Como resultado, crear un sistema de posicionamiento estable con un codificador de este tipo es extremadamente difícil, y un controlador PID simple no será adecuado. Además, intentar rodar su propio codificador desde un dispositivo como el AS5048 tiene una serie de problemas que el sitio web no menciona. La principal de ellas es la necesidad de posicionar con precisión el centro del área de detección con respecto al centro del eje. Cuanto mayor sea la resolución,

4) Un paso a paso con un codificador suena bien, pero no puede compensar algunos errores mecánicos. Específicamente, no puede ayudar con problemas de reacción. El resultado más probable de tal sistema es que caza constantemente entre dos posiciones de eje mecánico. Es posible compensar los errores de microstepping (más o menos), pero la fricción y la fricción de los rodamientos pueden dar resultados notablemente similares a la reacción del engranaje.

5) ¿Otro? Bien quizás. Quizás su sistema no necesite realmente avanzar. ¿Qué tal si gira muy lentamente y con precisión? En este caso, no necesita un bucle de posición, sino un bucle de velocidad con velocidad derivada de un codificador incremental (mucho más barato que un codificador paralelo). En principio, podría usar un dial montado directamente en el eje del motor, pero haga un dial bastante masivo cuya inercia compense las perturbaciones, como las irregularidades de los rodamientos o las fallas del motor.

Pero sigamos con un paso a paso orientado. Me inclino a estar de acuerdo con Daniel en que su mejor opción es una configuración de correa de distribución / equipo de distribución. Con algunas precauciones. Querrá un paso de engranaje de correa de distribución lo más fino posible, preferiblemente una serie MXL. Su resolución de .03 grados proporciona 12,000 pasos por revolución, lo que dice que necesita una reducción de 60: 1 con un paso a paso de 1.8 grados. Esto es un problema. Si la polea del motor tiene 10 dientes, el dial necesita una polea de 600 dientes, y no vas a encontrar uno de esos. Tendrá que probar uno de dos enfoques. Utilice una reducción de dos pasos o pruebe algo como un microstep x8 seguido de una reducción de 7.5: 1. Un microstep x8 proporciona pasos del motor (nominalmente) del 12,5% de lo normal, y si el motor tiene una precisión del 5%, debería estar bien. Usted' También deberá esforzarse por mantener constante la tensión de la correa para reducir el juego en el sistema. Tendrá que hacer un buen montaje rígido para el motor y el dial, que es donde entra un buen taller de máquinas. Dependiendo de lo que esté conectado al dial, también será importante tener el dial perfectamente centrado en el eje. El hecho de que su par de carga sea muy bajo ayudará mucho.

WhatBoughBeast
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¡Qué análisis tan fantástico, sin duda una de las respuestas más útiles que he encontrado en SE!
mordida del
Con respecto al n. ° 2: Sí, suponga que mi experimento está bien con el dial girando solo en una dirección durante su existencia, es decir, estoy de acuerdo con que alcance mi orientación objetivo moviéndose como un reloj (por ejemplo, solo en el sentido de las agujas del reloj). ¿Puedo ignorar por completo las preocupaciones de reacción en ese caso, independientemente de si estoy acelerando y desacelerando durante la rotación unidireccional?
mordida del
@boardbite: si ejecuta el dial en una dirección, se librará de la mayoría de los problemas de reacción. Sin embargo, a menos que corras a velocidad y carga constantes (incluida la fricción), todavía tendrás algunos efectos. Si pisa, cuando el dial se detiene, puede rebotar ligeramente (como un automóvil cuando se detiene) y esto afectará su precisión. Exactamente cuánto efecto obtendrás es algo que necesitarías encontrar por experimento. Agregar una carga de fricción intencional ayudará, y con grandes relaciones de reducción obtienes mucho torque, por lo que no es necesariamente un problema. Pero la alta precisión es difícil.
WhatRoughBeast
usted mencionó los motores paso a paso en el n. ° 2 y al final ... ¿Cuál es su opinión sobre el uso de algo como este motor acoplado a la reducción de engranajes , que afirma 0.0072 grados / paso? ¿Es esto realista?
mordida del
@boardbite Sospecho que la unidad hará lo que necesita. Por supuesto, tendrá que obtener un controlador paso a paso de 5 fases. Sin embargo, no puedo encontrar rápidamente la hoja de datos en el motor, por lo que sin especificaciones de rendimiento reales no garantizo nada.
WhatRoughBeast
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Un engranaje helicoidal puede encargarse de lo que está buscando. Al seleccionar el tamaño de los engranajes, puede controlar la resolución y al controlar la malla de los engranajes se puede garantizar la precisión. Dirija directamente el gusano para obtener mejores resultados y agregue un codificador que proporcione la resolución necesaria. ingrese la descripción de la imagen aquí

vini_i
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Si sigo esta configuración (es decir, mi dial conectado a la rueda helicoidal) y la precisión se puede garantizar eligiendo las especificaciones apropiadas del combo helicoidal, entonces ¿cuál será el papel del codificador?
mordida del
El motor se uniría al engranaje helicoidal. No se puede conducir de otra manera. Si utilizó un paso a paso, el codificador probablemente no sería necesario.
Daniel
@vini_i: ¿Dónde puedo obtener este tipo de combinaciones de rueda / gusano / eje? Thingiverse tiene un montón de diseños imprimibles en 3D de combinaciones de gusano + rueda de tamaño programable, que creo que podría funcionar.
mordida del
Para este tipo de aplicación, desea un engranaje helicoidal mecanizado adecuado, probablemente de latón. Hay muchos proveedores de componentes de maquinaria, uno que me viene a la mente (con presencia internacional) es Misumi. Es posible que deba diseñar algún ajuste en el compromiso para evitar la reacción violenta.
Chris H
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¡Recuerda lubricar muy bien! Hay mucha fricción involucrada en el engranaje helicoidal.
yo '
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A menudo se dice que la unidad armónica tiene cero contragolpes.

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

Marko Buršič
fuente
Esta es una solución increíblemente buena para el problema del OP. El único problema podría ser el presupuesto, tales reductores pueden ser caros. Puede comprar unos con codificadores y motores integrados como harmonicdrive.net/products/actuators/sha que son increíbles para aplicaciones de inspección de alta precisión y similares.
Doug McClean
@DougMcClean: ¡Ah, el viejo "tan caro que su sitio no muestra los precios"! Qué te parece una solución impresa en 3D como este o de lo contrario esto podría funcionar razonablemente, o es el rendimiento de la unidad armónica severamente dependiente de calidad de las piezas?
mordida del
@DougMcClean: ¡Encontré algo, creo! ¿Algo como este motor funciona bien? Afirma tener un reductor de engranajes armónico incorporado y la imagen indica 0.0072 grados / paso.
mordida del
@boardbite Tiene un paso a paso de 5 fases, difícil de encontrar un controlador adecuado. ebay.com/itm/… ebay.com/itm/…
Marko Buršič
@boardbite Sí, esos son motores muy agradables y los he visto utilizados en aplicaciones similares. Marko tiene razón en que es difícil encontrar un controlador, pero Oriental hace uno que venden con esos motores.
Doug McClean
4

Lo más simple sería utilizar un motor paso a paso, con una transmisión por correa. El cinturón tendrá algo de resorte, pero muy poca (¿no?) Reacción.

Editar, así: Cinturón de conducir

Daniel
fuente
¿Puedes proporcionar una imagen de lo que quieres decir? ¿Te refieres a usar una correa de distribución junto con una polea pequeña en el eje del paso a paso y una polea / disco más grande en otro lugar, sosteniendo el dial?
mordida del
Coloque un engranaje pequeño en el motor, un engranaje más grande en el dial y una correa dentada entre ellos. Respuesta editada.
Daniel
Entendido; gracias, esta parece la forma menos costosa y más rápida de implementar. El segundo motor aquí es irrelevante, ¿verdad? Incluso fuera de mi aplicación, no entiendo por qué dos motores tendrían que emparejarse a través de un sistema de correa como ese.
mordida del
Esa es solo una foto que encontré. Es un 'kit de conversión de husillo' para conducir un husillo con un motor paso a paso adaptado. No tengo idea de cuál es su uso.
Daniel