Cómo lograr una rotación muy precisa/fina con el motor

Estoy realizando un experimento en el que necesito girar un dial liviano (<5 gramos, por lo que requiere un par de torsión muy bajo y bastante lento), pero necesito hacer pasos muy precisos y finos de 0,03 grados.

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

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¿Cuál de las siguientes configuraciones/enfoques de motor tendría más probabilidades de éxito para mi objetivo?

  1. ¿Un motor paso a paso típico (por ejemplo, con pasos de 1,8 grados) y tal vez usar 128 micropasos? Sin embargo, este artículo establece que los micropasos solo lograrán resolución pero no precisión.

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

  3. ¿Un motor de CC sin escobillas junto con un codificador giratorio 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, usar esto como retroalimentación para corregir contra la holgura en el caso de engranajes (enfoque n. ° 2) o contra los pasos perdidos en el caso de micropasos (enfoque n. ° 1)?

  5. ¿O algún otro enfoque?

Nota: He leído que existen servos de grado industrial que pueden alcanzar cómodamente el objetivo de 0,03 grados, pero están muy por encima de mi presupuesto, por lo que esperaba una solución menos costosa a costa de ajustar y aprender.

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

Respuestas (4)

Te daré algunos consejos, pero lo primero que debes hacer es ser consciente de que estás intentando algo que bien puede estar más allá de tus capacidades. 0,03 grados (1/2 milirradián o 2 minutos de arco) requiere mucho cuidado y probablemente acceso a un buen taller mecánico.

En orden:

1) Tienes razón al desconfiar de los micropasos. 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 se haga teniendo en cuenta sus necesidades de bajo par, 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 retroceso prácticamente desaparecerán. Como respondió wini_i, un engranaje helicoidal funcionará bien, pero tenga en cuenta que montar el engranaje requiere una precisión considerable.

3) Es posible un motor con codificador, pero hay algunos problemas. El mayor es que necesita un codificador con al menos el doble de resolución de los requisitos de su sistema. La dificultad con un codificador digital es que si el eje comienza a desviarse debido al par motor, no lo sabrá hasta que el codificador dé un paso. Luego puede desviarse hacia el otro lado hasta dar un paso inverso, etc. Como resultado, hacer un sistema de posicionamiento estable con un codificador de este tipo es extremadamente desafiante y un controlador PID simple no será adecuado. Además, tratar de rodar su propio codificador desde un dispositivo como el AS5048 tiene un montón de problemas que el sitio web no menciona. El principal de ellos 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 los problemas de contragolpe. El resultado más probable de un sistema de este tipo es que busca constantemente entre dos posiciones del eje mecánico. La compensación de los errores de micropasos es (algo así, tal vez) posible, pero la fricción y la fricción estática de los cojinetes pueden dar resultados notablemente como la holgura de los engranajes.

5) Otro? Bien quizás. Tal vez su sistema no necesite realmente avanzar. ¿Qué tal si gira muy lentamente y con precisión? En este caso, no necesita un lazo de posición, sino un lazo de velocidad con la 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 hacer un dial bastante grande cuya inercia compensaría las perturbaciones, como las irregularidades de los rodamientos o las fallas del motor.

Pero sigamos con un paso a paso engranado. Me inclino a estar de acuerdo con Daniel en que su mejor apuesta es una configuración de correa de distribución/engranaje 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 0,03 grados da 12.000 pasos por revolución, lo que significa 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 una de esas. Deberá probar uno de los dos enfoques. Utilice una reducción de dos pasos o intente algo como un micropaso x8 seguido de una reducción de 7,5:1. Un micropaso x8 da pasos de motor de (nominalmente) 12.5% ​​de lo normal, y si el motor tiene un 5% de precisión, debería estar bien. Tú' También deberá esforzarse por mantener constante la tensión de la correa para reducir el juego en el sistema. Deberá hacer un buen montaje rígido para el motor y el dial, que es donde entra un buen taller mecánico. Dependiendo de lo que esté conectado al dial, también será importante lograr que el dial quede perfectamente centrado en el eje. El hecho de que su par de carga sea muy bajo ayudará mucho.

¡Qué análisis tan fantástico, sin duda una de las respuestas más útiles que he encontrado dentro de SE!
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 bien con que alcance la orientación de mi objetivo moviéndose como un reloj (por ejemplo, solo en el sentido de las agujas del reloj). ¿Puedo ignorar por completo las preocupaciones de contragolpe en ese caso, independientemente de si estoy acelerando o desacelerando durante la rotación unidireccional?
@boardbite: si ejecuta el dial en una dirección, se deshace de la mayoría de los problemas de reacción. Sin embargo, a menos que corra a una velocidad y carga constantes (incluida la fricción), aún tendrá algunos efectos. Si pisa, cuando el dial se detenga, puede rebotar ligeramente (como un automóvil cuando se detiene) y esto afectará su precisión. Exactamente cuánto efecto obtendrá es algo que necesitaría encontrar experimentando. Agregar una carga de fricción intencional ayudará, y con grandes relaciones de reducción obtienes mucho torque, por lo que eso no es necesariamente un problema. Pero la alta precisión es difícil.
Mencionaste motores paso a paso con engranajes en el n.° 2 y al final... ¿Cuál es tu opinión sobre el uso de algo como este motor acoplado a reducción de engranajes , que afirma 0.0072 grados/paso? ¿Es esto realista?
@boardbite Sospecho que esa unidad hará lo que necesites. Por supuesto, tendrá que obtener un controlador paso a paso de 5 fases. Sin embargo, no puedo encontrar rápidamente la hoja de datos del motor, por lo que sin las especificaciones de rendimiento reales no doy garantías.
Entendido. Primero estoy experimentando con la implementación de la idea de reducción; en términos de su último párrafo, me gustaría preguntarle: ¿Hay alguna ventaja en las poleas con relación A:B con una correa de distribución, en comparación con las poleas con relación A:B solamente? una configuración conmovedora (o "engranajes" por así decirlo)? Supongo que la holgura entre la correa y la polea es mucho menor debido a la naturaleza maleable del material de la correa.
@boardbite: si está proponiendo simplemente tener un par de discos con las relaciones de diámetro correctas que transfieren el par por fricción en lugar de correa/dientes o dientes de engranaje, la respuesta es: no lo haga. Suena simple, y lo es, pero si tiene algún tipo de carga variable (y el arranque y la parada definitivamente cuentan), obtendrá un deslizamiento microscópico entre los dos que casi con certeza se acumulará. En un tiempo notablemente corto obtendrá errores notables.
Las cosas estan yendo bien; Pedí las correas y poleas de la serie MXL que mencionaste; una polea de 10 dientes y otra ("dial") de 120 dientes. Obtuve un paso a paso con un ángulo de paso de 0,9 grados y adjunté la primera polea a su eje. Me gustaría investigar cómo colocar el dial más grande, es decir, sobre qué debo dejar que gire el dial, pero no estoy familiarizado con la terminología que debo buscar, especialmente lo que es adecuado para mi caso, donde quiero lograr muy poco bamboleo o desviación. ¿Puede sugerir componentes apropiados (¿eje de polea? ¿eje?) para que pueda leer sobre ellos?
@boardbite - Me alegro de que estés progresando. Primero, debe tener en cuenta que los engranajes que tiene solo le darán 0.075 grados. En segundo lugar, querrá usar un eje común tanto para el dial como para la polea grande, a menos que haya decidido montar su experimento directamente en la polea. El eje debe sujetarse en dos lugares mediante cojinetes en los que se ajusta a presión el eje. Si solo usa un cojinete, puede funcionar, pero la tensión de la correa tenderá a desalinear el eje.

Una transmisión por engranajes helicoidales 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. Conduzca directamente el gusano para obtener los mejores resultados y agregue un codificador que proporcione la resolución necesaria.ingrese la descripción de la imagen aquí

Si elijo esta configuración (es decir, mi dial conectado a la rueda helicoidal) y se puede garantizar la precisión eligiendo las especificaciones adecuadas del combo helicoidal, ¿cuál será el papel del codificador?
El motor estaría unido al engranaje helicoidal. No puedes conducirlo hacia el otro lado. Si usó un paso a paso, el codificador probablemente no sería necesario.
@vini_i: ¿Dónde puedo conseguir 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 supongo que podrían funcionar.
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 una reacción violenta.
@boardbite Si desea engranajes de latón adecuados, McMaster Carr es un buen proveedor, pero son caros. Ebay es una fuente decente de plásticos genéricos.
¡Recuerda lubricar muy bien! Hay mucha fricción involucrada en el engranaje helicoidal.

A menudo se dice que el impulso armónico tiene cero contragolpe.

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

Esta es una solución increíblemente buena para el problema del OP. El único problema podría ser el presupuesto, tales reductores pueden ser costosos. Puede comprar unos con motores y codificadores integrados como harmonicdrive.net/products/actuators/sha , que son fantásticos para aplicaciones de inspección de alta precisión y similares.
@DougMcClean: ¡Ah, el viejo "tan caro que su sitio no muestra los precios"! ¿Cree que una solución impresa en 3D como esta podría funcionar razonablemente, o el rendimiento de la transmisión armónica depende en gran medida de la calidad de la pieza?
@DougMcClean: ¡Creo que encontré algo! ¿Algo así como este motor funcionaría bien? Afirma tener un reductor de engranajes armónico incorporado y la imagen indica 0.0072 grados/paso.
@boardbite Tiene un paso a paso de 5 fases, es difícil encontrar un controlador adecuado. ebay.com/itm/… ebay.com/itm/…
@boardbite Sí, esos son motores muy buenos y los he visto usados ​​en aplicaciones similares. Marko tiene razón en que es difícil encontrar un controlador, pero Oriental fabrica uno que venden con esos motores.

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

Editar, así:Cinturón de conducir

¿Puedes proporcionar una imagen de lo que quieres decir? ¿Quiere decir usar una correa de distribución junto con una polea pequeña en el eje paso a paso y una polea / disco más grande en otro lugar, sosteniendo el dial?
Coloque un engranaje pequeño en el motor, un engranaje más grande en el dial y una correa dentada entre ellos. Respuesta editada.
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 deberían emparejarse a través de un sistema de correa como ese.
Esa es solo una imagen que encontré. Es un 'kit de conversión de husillo' para accionar un husillo con un motor paso a paso adaptado. No tengo idea de cuál es su uso.
Cómo lograr una rotación muy precisa/fina con el motor
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