小弟想跟隨各位先進的腳步，自己組裝一台木工CNC雕刻機。
設定是要能處理 4x8 的木板，工作範圍設定在 1300mm (X axis) x 2500mm(Y axis)
因為行程大，所以買不起螺桿。
所以在 X Y 軸採用齒輪+齒條帶動。
設定的數字是
1.空載的 travel speed 是 500mm/s ~ 600mm/s，
2.定位的精度設定在 0.01mm,
3.mach3每發出一個脈波，可以以0.01mm為單位移動。
當然上面數字，並非絕對，只是起始的設定。
因為齒輪大小的關係 現在是選定模數1.5，30齒的齒輪，分度圓直徑就是 45mm，周長就是 141.3717mm。
在電機的選擇方面，當然就是步進馬達或伺服馬達。
現在小弟的思路是
1.如果在Y軸選用 400W 伺服 扭距 1.3 NM 額定轉速 3000 解碼17bits
那需要一個 1:10減速器
3000rpm = 50rps 經過減速器 等於 5rps = 5*141.3717 = 706.8578mm .....ok
141.3717mm / 2^17 * 10 = 0.0108 mm .....ok
很好 但是很貴
2.如果採用 closed loop stepper + microstep driver....
在掏寶有 86級 12NM 編碼器 1000線
現在有很多不明 煩請各位指教
我看過的資料都是說 微步進是為了改善步進馬達 在低速時的震動
而以控制電流的方式將每一步進角切割，以求平順轉動
角度分割是附帶的，是非線性的
如果以上面步進是 2相4線，步進角是 1.8，如果微步進是 1/16
如果發出3個脈波 那旋轉角度 會是 1.8 * 3/16 = 0.3375度嗎?
如果調到最高的 1/256 一樣發出三個脈波
那旋轉角度 會是 1.8 * 3/256 = 0.0211度嗎?
這角度準嗎???
又這馬達說，有1000條線的編碼器，我知道這是將一圓周分成1000等分。
= 360 / 1000 = 0.36度
又說經過倍頻技術 所以是 4000 counts / rev
如果是 360 / 4000 = 0.09 度 / count
小弟不明白 這樣有辦法偵測出來角度旋轉的誤差，進而自動回饋修正角度嗎?
以上兩個問題，請各位先進不吝指教
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arthur1993 wrote:
小弟想跟隨各位先進的...(恕刪)
這樓有點冷, 沈太深了! 推一下, 希望能看到樓主的成果.
關於樓主的問題一直沒人回. 我來拋磚引玉一下.
arthur1993 wrote:
2.定位的精度設定在 0.01mm,
定位的精度設定在 0.01mm 會不會太高了, 尤其是4x8' 這麼大的"木工"工作平台.
arthur1993 wrote:
採用 closed loop stepper + microstep driver....
既然是閉迴路系統, 那馬達與驅動器應改是配套的. 建議你直接向賣家要規格書與使用手冊. 那上面應該會有你要的解析度與精準度的資料.
arthur1993 wrote:
那旋轉角度 會是 1.8 * 3/256 = 0.0211度嗎?
這角度準嗎???
這樣問法有點模糊. 準不準? 不同的使用要求不同. 建議量化一下較好. 不過就算你用量化來問, 這答案還是得在規格書, 與使用手冊中找.
arthur1993 wrote:
這樣有辦法偵測出來角度旋轉的誤差，進而自動回饋修正角度嗎?
如不能修正,那還能叫閉迴路 (closed loop)嗎?
祝你成功.
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本來經過這幾天的查閱網路資料，本就想來個自問自答。
現在就幾個問題我試試說出我的心得。
關於精度，重複精度設定在 0.01mm 1條，這是相當高的水準。
以木工來說精度0.1mm 0.25mm 0.5mm 甚至是 1mm，應該就足夠了。
我設定在 0.01mm 的主要考量有三。
1. 想試試看自己的能耐，看看理論上的精度，跟實際組裝後的精度，相差多少。
2. 如果設定在高精度，如果在組裝製作過程中，粗手笨腳，精度跑到 0.1mm。
3. 會偶而會利用來切銑鋁板來當零件，所以會希望有高一點的精度。
針對驅動方面來說。
工作範圍設定在
X 軸 1500mm
Y 軸 2500mm
Z 軸 500mm
滑軌 就有很多型式
為了精度的考量，所以就選用 Hiwin HG20mm的方軌
成本高很多，但這也是因為當初設定的 0.01mm的精度，而做的選擇。
傳動 主要有
1.螺桿
2.齒輪+齒排
3.皮帶
Y軸 2500mm 螺桿真的是太貴了 所以就是考慮齒輪+齒排
齒輪選定模數(m=2) 齒數 z=20，節圓周長 = 133.334mm
表示 轉一圈就是 133.334mm
馬達主要有三種
1.交流伺服 功能最強大 也最貴 解析度可以很高 有 2^32
2.步進馬達 有分 2相步進角 1.8 5相步進角 0.72
微步進 是將每一個步進角 切成 2^n個微步 n=1~8
主要是減少在每一個步進角的震動
3.閉環步進 加上一個1000線的編碼器 可以產出 4000 counts/rev 相當於 2^12
現在主要的問題在於
2相步進+微步進 可否取代AC servo 做高精度的定位
分析如下
原本有200步 每步再切為 256個微步
現在一圈有 51200微步
齒輪一圈是 133.334mm 所以 每一微步是 133.334mm/51200 = 0.0026 mm / 微步
0.0026 為設計值 0.01mm的 1/4 看似不錯
但有下面幾點
1.微步進的每一微步並非線性 也就是說 轉 100個微步的角度 不保證 就是轉5次20個微步
2.微步進主要是透過控制AB兩相的電流大小，來實現微步進。AB兩相的磁場會同時作用在轉子。
這就表示 AB磁場互相拉扯，這表示扭力會急速下降。這會是致命傷
3.閉環步進每圈有 4000 counts，但現在有 51200個微步 51200/4000 = 12.8
表示如果是在最差的情況下 有可能轉 12.8個微步 但編碼器無法察覺 也就不能進行修正
綜合以上幾點
小弟我決定使用三菱的 750W AC servo , 解析度 2^17 = 131072
搭配 1:10的減速機
額定轉速 3000 rpm = 50rps
經減速機後 = 5rps
每一轉 133.334mm 所以最高速度就是 133.334 * 5 = 666.67mm/s
每一轉 133.334mm / 131072 = 0.001 mm
經過減速機 = 0.0001mm = 100nm 進入奈米世界
說真的 我並不相信 我有能力處理這樣小尺度的長度
所以設定 以每100pulses 為單位
控制器發出 100p 告訴馬達前進 0.01mm
以上計算過程 如有謬誤 請各先進指教
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回答一些樓主的問題
1. 步進角設計解析度0.01mm，跟最終的絕對/重複精度是兩回事。你的驅動系統(馬達+導軌)，如果能提供1條的解析度，那最終的機械精度有10條，就已經是非常強大了。實際上如果你的解析度只有1條，最終重複精度有50條就很不錯了
2.齒輪/齒排有背隙，是精度非常差的驅動方式，雖然有低/零背隙齒排，但價格非常高，還不如用皮帶來驅動，雖然皮帶會吃掉一些動力 & 有耗損問題。但你這個齒排用下去，精度大概要再跳個兩級了
3.如果選用17bits的伺服，每圈有131072個訊號，設計10比的減速，輸出端每圈有1310720個訊號，每圈周長是141.3717mm，因此線性解析度是0.0001 mm = 0.1um。但這是解析度，不是精度。解析度=\=精度
4.閉迴路步進。微步進分割只有一個功能，讓馬達在起步、低轉速時比較平順，理論上微步進要分多少分割都可以，只要驅動器把各相輸出做無級切換，把步進馬達當交流馬達來控制的概念，分割就可以做到驅動器的電流解析上限。只是沒有實質意義。
微步進分割的有效精度是四分割，譬如以兩相步進來說，步進角是1.8度，做四步分割的步進角是1.8/4 = 0.45度，理論上你能做到讓步進馬達轉0.45度的程度(精度要看馬達本身的設計)。超過四分割都沒有實質意義，市面上有步進驅動器可以做到1024分割，換算下來約等於18bits/rev，如果配上pitch 5mm的螺桿，好像送一個脈波可以控制到 0.02um的線性步進。但這只是幻想而已，就算不考慮螺桿精度，這種條件下你送一個脈衝給驅動器，雷射干涉儀一打就知道根本只是笑話而已。
換言之，不管你的驅動器可以開到多少微步分割，你要考慮的是你的脈波輸出模組能達到的最大脈波頻率換算後需能達到你要的速度，然後在這個限制下，分割倍數有多大開多大。但在控制時，不要期待它能轉出低於0.45度以下的角度。微步進倍數開大的目標只是讓運轉比較平順而已。但控制角度就是抓四步分割就是了。
5. 如上所述，1000線的編碼器，解析度0.33度已堪用。
6. 如果微步進開16倍，控制器送出一個脈波，"目標"是控制步進馬達轉 1.8/16 度。但實際上請不要預期馬達真的會轉 0.1125度，理論上它會轉一個介於0~0.45度之間的角度，實際轉多少沒人知道(最可能是停在原地不動)，除非你實際去量，但量到也沒有意義，因為每一個步進齒的狀況都不一樣。如上所述，考慮控制精度時，請以四步分割做為基準
7. 實際閉迴路步進控制的模式，要看各驅動器而定，各家提供的功能不同。
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jerome-ke wrote:
用齒輪的傳動，請考慮"backlash"(恕刪)
是的，backlash很大 而且會累績，所以在國外有這樣的零組件，用彈簧消除背隙
我是會裝上去，backlash的問題就算有處理了。
不過，至於效果如何，或遇到動態負載變化，會不會有出乎意料之外的副作用。
就不得而知了。
yagami7215 wrote:
如果選用17bits的伺服，每圈有131072個訊號，設計10比的減速，輸出端每圈有1310720個訊號，每圈周長是141.3717mm，因此線性解析度是0.0001 mm = 0.1um。但這是解析度，不是精度。解析度=\=精度
是的 解析度不等於精度，所以我在合理預算內，盡量提高解析度。
齒輪大小是由模數m跟齒數z，來決定的。
越小的齒輪，可以提供更高的線性解析度，但太小的又無法承受太高的力距跟推力。
目前是
A.. m=2 z=17 L=113.333mm
B.. m=2 z=20 L=133.334mm
C.. m=2 z=23 L=153.334mm
這三個在考慮
連同10比減速機
A.. 113.333mm / 1310720 = 0.0865um/pulse
B.. 133.334mm / 1310720 = 0.1017um/pulse
C.. 153.334mm / 1310720 = 0.1170um/pulse
那麼高的解析度 主要是想保留調整的彈性，用軟體的方式來調整精度跟克服背隙
0.01mm 等於
A.. 115.6521 pulses
B.. 98.3035 pulses
C.. 85.4814 pulses
yagami7215 wrote:
閉迴路步進。微步進分割只有一個功能，讓馬達在起步、低轉速時比較平順，理論上微步進要分多少分割都可以，只要驅動器把各相輸出做無級切換，把步進馬達當交流馬達來控制的概念，分割就可以做到驅動器的電流解析上限。只是沒有實質意義。
說得太正確了，我本來就是想發問說，步進馬達+微步進驅動器，可否替代ac servo。
綜合您的4 5 6
結論是真的不行。
所以現在定案的是
X Y 都會採用 AC servo
Z 應該會用 5相步進+pitch = 5mm的螺桿 解析度大概是 0.01mm/pulse 有點稍低 不過應該夠用
主要考量是步進在靜止時也有最大靜止轉矩讓主軸不會掉下來。
現在想請問 yagami7215，那您覺得在平面的 XY軸應用，AC Servo是否有需要買帶煞車的??
謝謝大家
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文章編號：68210964
arthur1993 wrote:
所以現在定案的是
X Y 都會採用 AC servo
Z 應該會用 5相步進+pitch = 5mm的螺桿 解析度大概是 0.01mm/pulse 有點稍低 不過應該夠用
主要考量是步進在靜止時也有最大靜止轉矩讓主軸不會掉下來。
現在想請問 yagami7215，那您覺得在平面的 XY軸應用，AC Servo是否有需要買帶煞車的??
謝謝大家
XY軸不需要holding brake, 步進馬達斷電時不會有保持力，用在Z軸，關機時Z軸會掉下來。所以反而Z軸你需要帶有保持煞車的選項。
我的建議是，乾脆一點，三軸都用400W伺服 + 螺桿+線性滑軌
對了，我不知道各家的sensing stepper 設計到什麼程度，但一般來說，帶編碼器的步進馬達控制，編碼器回授是不會進入feedback control loop的。因為control loop的PID演算得到的是電流(大小)，但控制步進馬達的是電流切換。一般的Sensing stepper只能讀位置，確認最終位置正確而已。不過也許有步進驅動器有針對這部份去設計，這我就不敢說了。
你
你用齒排，然後還要外加機構去消除倍隙，還要買減速機(減速機也有背隙啊)
為什麼不一開始就買螺桿就好? 只要pitch 10mm的螺桿，17bits 伺服直驅，解析度就有0.06u，速度也能到500mm/s
齒輪+齒排+消除背隙裝置+減速機，會比一根螺桿+聯軸器便宜嗎? 上銀的螺桿已經是超級便宜的東西了
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文章編號：68211886
滑軌有找到 全新中古品 3000mm*2 1800mm*2
yagami7215 wrote:
齒輪+齒排+消除背隙裝置+減速機，會比一根螺桿+聯軸器便宜嗎? 上銀的螺桿已經是超級便宜的東西了
說真的 我還沒針對齒輪 齒排 減速機 螺桿 進行詢價
下星期就會去找廠商了 齒輪+齒排+減速機 目前是看到 Apex，南部經銷商是在台南
螺桿連問都沒有問 因為先入為主的觀念就是天價
可否透露工作長度 2500mm pitch=10mm 的螺桿直徑一隻大概是多少呢??
本來設定是
Y軸 2組傳動 + 750W * 2
X軸 1組 + 750W
Z軸 1組 + Stepper
不過Z軸部分 我會聽您的建議 改成AC 400W
所以 2500mm 螺桿要2隻 1500mm要1隻 600mm1隻
可以請您透露一下行情嗎? C7級的
感恩
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文章編號：68212490
