Roboterarm mit Schrittmotoren ?!

[Joe23]

Acha bevor ich es vergesse!

Hab selber einen Roboter mit Schrittmotoren gebaut. Ist allerdings ein Delta-Roboter mit 3 Achsen geworden. Kämpfe momentan noch mit der Software...

Hier wurden Schrittmotoren mit 3Nm eingesetzt sowie fertige Endstufen mit 4,5 A Ausgangleistung und Ansteuerung mit Takt-Richtungs-Signalen. Steuerung dann über einen PC und parallele Schnittstelle.
Kostenpunkt waren hier ca. 50 euro/ Motor, 50 Euro/Steuerung und ca. 50 Euro für das Netzteil.

Aus Preformance-Gründen (Beschleunigung, Geschwindigkeit) wurden später dann noch Planetengetriebe hinzugefügt. Kostenpunkt ca. 200 Euro/Getriebe. Hier liegt aber das Umkehrspiel auch kleiner als 12 Arcmin (0,2 Grad) und die haben ein Abgangsdrehmoment von 25Nm bei 300 U/Min.

Gruß

[movido]

Ich würde für so eine Aufgabe keine Schrittmotoren verwenden. Selbst CNC Maschinen werden heute fast ausschliesslich mit Servomotoren ausgestattet. Schrittmotoren haben dann einen Vorteil, wenn eine Rückmeldung vom zu stellenden Element zu teuer oder zu unpräzise ist. Ansonsten sind Servos fast immer die bessere Wahl. Sie haben ein höheres Drehmoment und verlieren auch bei Überlastung keine Schritte, müssen also im Betrieb nicht neu genullt werden. Joe32's Deltaroboter ist da vielleicht die Ausnahme, da Deltaroboter i.A. kaum Lasten bewegen (z.B. bei einem Platinenbestücker).

Wenn Du mehr als 2A brauchst, dann gibt's auch einen Haufen anderer Chips und Endstufen zur Schrittmotorsteurung. Ab eine gewissen Grösse musst Du eh mit Einzelkomponenten bauen. Ausserdem wirst Du sicher auch noch Microschritte steuern wollen, oder? Im Automobilbereich werden übrigens H-Bridges für Drehstrommotoren mit 800A und 600V eingesetzt. Also gehen tut's schon

[Joe23]

Movido hat recht.

"Joe32's Deltaroboter ist da vielleicht die Ausnahme, da Deltaroboter i.A. kaum Lasten bewegen (z.B. bei einem Platinenbestücker)"

Genauso ist es. Alle Antrieb sind starr verbaut, das Gestänge mit Hebelarmen wiegt < 0,5 Kg. Handlingsgewicht beträg max. 100g. Daher konnte ich es mir leisten auf eine Rückmeldung zu verzichten, muss aber aus diesem Grund auch die maximale Beschleunigung limitieren. Bin schon kurz davor die Schrittmotoren mit Gebern nachzurüsten... Mikroschritte sind ein MUSS, vor allem schon wegen den Vibrationen im niedrigen Drehzahlbereich -> Und den wirst du bei kleinen Übersetzungen haben.

Hab mich mit dem Thema schon beschäftigt, daher eine kleine Ergänzung zu dem Thema "fast ausschließlich":

Es gibt mittlerweile genügend Schittmotoren mit Encodern, die dann im Closed-Loop-Betrieb gesteuert werden. Hier gehen keine Schritte mehr verloren. Teilweise werden die Motoren dann auch mit Drehfeldern ähnlich wie bei den Servomotoren angesteuert. Hier gibt es dann auch keine einzelnen Schritte mehr, sondern es ist eine stufenlosen Regelung möglich. Im Prinzip ist das dann auch ein "Servomotor"

Preislich fällt so eine Kombination im unteren Leistungssegment sogar immer noch günstiger aus als ein Servomotor. So eine Kombination würde ich teilweise sogar Servomotoren vorziehen, aber das hängt auch von der Anwendung ab.

Vorteile von Schrittmotor + Encoder zu Servomotor:

- Bietet aus dem Stand heraus das volle Drehmoment
- Höhere Beschleuigungen im Vergleich zu Servomotoren möglich
- Der Schrittmotor kann prinzipiell schneller Positionieren (bei kurzen Wegstrecken), das typische Schwingverhalten der Servoantriebe beim Positionieren entfällt
- Im kleinen Leistungsbereich billiger als ein Servomotor

Nachteile:

- Bei Servomotor sind deutlich höhere Drehzahlen möglich -> Schrittmotoren sind hier limitiert
- Mit zunehmender Drehzahl fällt das Drehmoment des Schrittmotors stark ab -> Bei Anwendungen wo es auf Drehzahl und Drehmoment ankommt sind diese nicht so gut geeignet. Ab ca 1000 U/min würde ich hier einen Servomotor vorziehen
- Teurer als ein Servomotor im hohen Leistungsbereich
- Im hohen Leistungsbereich ist ein Servomotor deutlich stromsparender

Gruß

[Der Einsteiger]

Hallo Joe23 und movido.Ich muss euch das glaube ich erklären.Zu Joe23 : Die Wahl meines Antriebes ist bewusst auf Schrittmotoren mit Zahnflachriemengetrieben gefallen.Normale Servos lassen sich nicht genau ansteuern,bei richtigen Servomotoren weiß ich nicht wie man die ansteuert,Getriebemotoren mit Encodern kann ich auch nicht ansteuern,Zahnradgetriebe haben zu viel Spiel und über die Schneckengetriebe wollte ich mich gerade bei BurningBen erkundigen.
Gedanken habe ich mir schon zu den meisten Punkten gemacht:Traglast :1kg (wenn die Motoren zu teuer werden dann 0,5kg)
Achse 2:15cm Achse 3:15cm Achse 5 (inkl. Greifer) :15cm also alles zusammen :45cm
Wie schnell :egal (nur nicht für 90° 30sec.)
Genauigkeit:genauer als normale Servos (Modellbauservos) max.2mm Abweichung (schön wäre 1mm)
Umkehrspiel: kann man ja fast eliminieren durch Spannen der Riemen
Geld:bis auf die Motoren und Treiber habe ich ja schon alles (auch schon zwei kleine Schrittmotoren und Treiber) :ca.noch 300? weiß noch nicht.
Positionsrückmeldung:erst mal nicht .Später ?
Referenzierung der Achsen: ?
Ansteuerung :Bis jetzt kenne ich noch nicht eine spez. Software zum Steuern von Roboterarmen .Deshalb werde ich erstmal RN-Control und Bascom mit Takt/Richtung nehmen (kann und hab ich schon) .

Zu den Berechnungen:Es ist ein 5-Achs Roboterarm (die Gewichte sind meistens Schätzungen die ich mit einer Waage recht genau gemacht habe ) Bis auf die 1.Achse habe ich aber noch keine gebaut.
5. und 1. Achse kann ich ja vernachlässigen ,da sie nicht so viel Kraft benötigen.
5A. :wiegt mit Drehmotor ( der kleinste Robotikhardware Schrittmotor) 1,24kg .Dazu kommt das max. Handhabungsgewicht von 1kg (vielleicht auch nur 0,5kg). Also brauche ich mit einer Übersetzung von 4:1 min.noch 84Ncm Drehmoment für den Motor der die Vierte Achse antreibt.
3 Achse wiegt in etwa 600g + den Motor für die 4.Achse und + DAS GESAMTE GEWICHT der 4. und 5. Achse.
usw. ( wäre zu lang das alles hier aufzuführen .

Wenn euch eine Bessere Antriebsmöglichkeit einfällt dann sagt bescheit.

Zu movido:mit diesen Servomotoren und besonderen Schrittmotoren kenne ich mich nicht aus ,das heißt ich weiß auch nicht wie ich die relativ einfach ansteuern sollte .Außerdem hab ich noch keine Firma gefunden ,die deise Motoren günstig und auch für "Privatmenschen" anbietet.

Wnn ihr irgenwelche Verbesserungsvorschläge habt ,bitte raus damit.

[Joe23]

Hallo Einsteiger,

Normale Servos (ich denke du meinst Modellbau-Servos) können recht genau angesteuert werden, Problem sind hier aber die mehrstufigen Getriebe in den Servos. Aus diesem Grund haben die ein recht hohes Umkehrspiel was für einen Roboterarm der Killer für die Genauigkeit ist.
Richtige Servomotoren (es werden meistens AC-Varianten eingesetzt) werden mit entsprechenden Frequenzumrichter angesteuert, die dann auch die Auswertung der Geber/Resolver übernehmen. Jeder Hersteller bietet dir zu seinem Motor einen passenden Controller. Angesprochen wird dieser dann über ein entsprechende Schnittstellen wo dann nur noch z.B Sollwinkel, beschleunigungsrampe, Geschwindigkeit, ect. vorgegeben werden. Das ist in der Regel I/O_Signale, Profibus, Profinet, Canopen, Ethercat... Hersteller gibt es wie Sand am Meer, z.B. Siemens, Bosch, SEW, Parker...
Selbes Prinzip gilt für Getriebemotoren + Encoder, hier benötigst du ein Controller mit einem Interface für z.B. einen inkrementellen Geber. Das kann im einfachsten Fall auch ein Mikrocontroller sein wo du mit deiner eigenen Software zyklisch einen Eingang abfrägst.
Schneckengetriebe sind nur bedingt geeignet, Vorteil ist hier ganz klar das Thema Sebsthemmung (du musst ja verhindern, das wenn dein Roboter ausgeschaltet wird, das der in sich Zusammensinkt). Aber: Für eine Selbsthemmung benötigst du eine recht große Untersetzung. Ich würde mal sagen > 1:40. Hier hast du dann aber einen recht bescheidenen Wirkungsgrad von schätzungsweise 25%. Dein Motor muss also recht groß dimmernsioniert sein. Spielfrei gibts diese Getriebe sehr selten (diese sind dann recht teuer). Das Problem mit dem Zusammensacken hast du übrigens bei jeder Antriebsvariante mit zu kleiner Übersetzung. Hier bietet sich dann optional eine DC-Bremse mit 24 V an. Diese gibt es für Servomotoren, DC-Motoren und Schrittmotoren.

2mm Genauigkeit bei 45 cm Ausladung halte ich mit Schrittmotoren und Zahnriemen nicht für unrealistisch, sogar die 1mm kann man erreichen. Basis hierfür ist aber eine nahezu Spielfreie Mechanik. D.h. du musst darauf achten das sich keine Teile durchbiegen und auch die Lagerung der Drehgelenke nahezu spielfrei ist. Hier reden wir dann aber von gefrästen Teilen, Präzisionskugellager, ect...du kannst dir mal ausrechnen, wenn du bei einem gestreckten Arm von 45 cm auf eine Genauigkeit von 2mm!!! kommen willst, dan benötigst du ein Spiel von Antrieb UND Mechanik von der Drehachse 1 von kleiner 0,25 Grad. Das ist aber gerechnet ohne das Spiel von Achse 2-5. D.h. eigentlich muss das noch deutlich kleiner sein.

Bei Zahnriemen unbedingt welche mit HDT-Profilen verwenden, diese sind zwar am teuersten aber dafür auch am spielärmsten. Mit einer entsprechenden Spannung kann man die super verwenden.

Positionsrückmeldung: Diese ist sinnvoll zum Überwachen der Achsen und auch für die Steuerung. Wenn du z.B. 5 Positionen nach einander Abfahren willst, wenn gibts du den Befehl zum Anfahren der zweiten Position wenn du nicht weist wann dein Roboter an der ersten Postition angekommen ist? Vorteil hier sind die Schrittmotoren. Wenn du die Ansteuerungsroutine selbst schreibst, spricht Schritte vorgibst, dann weist du auch wann du am Zielpunkt angekommen bist.

Referenzierung: Du musst den Schrittmotoren ja Schritte vorgeben. Für deinen Roboterarm heist das bei der Inversen Kinematik (Vorgabe von kartesischen Koordinaten -> Umrechnung in Achswinkel des Roboters) eine Umrechnung schon Schritte in einen Achswinkel. Doch was ist hier dein Startwinkel? Wenn im stomlosen Zustand der Roboterarm bewegt wird stimmt deine gespeicherte Winkelstellung nicht mehr. D.h. in der Regel ist an jeder Achse ein Sensor (meist Induktiv) verbaut, auf den am Anfang drauf gefahren wird. -> Langsame Bewegung in eine Richtung, Schrittanzahl unbekannt. Wird der Sensor erreicht wird dein Zählerstand auf 0 Gesetz und du hast im Rahmen der Sensorgenauigkeit einen definierten Winkel. Von diesem aus kannst du dann Zählen bzw. Rechen. Gute Inkrementalgeber bieten noch einen Index-Impuls, der 1x pro Drehung kommt. Mit diesem kann man dann noch die Sensorgenauigkeit ausgleichen Kann. Spricht man fährt bis das Sensorsignal kommt, fährt dann zurück bis zum Nullimpuls und setzt dort erst den Zähler auf 0, denn dein Sensor löst ja auch immer an verschiedenen Stelle aus.

Es gibt einige fertige Softwars für Roboter, die sind aber recht teuer. Ich habe mein Programm über C++ und Konsolenfenster komplett selbst geschrieben.

Kleiner Tipp: Roboterarme sind eine serielle Kinematik. D.h von der Masenträgheit und dem Gewicht muss ausgehend von der Achse 5 immer die nachfolgende Achse sämtliches Antriebskomponenten mitbewegen. D.h. in der Regel baut man so einen Roboter ausgehend von der 5 Achse und arbeitet sich dann bis zur Achse 1 vor. Wie bereits von dir gesagt ist die Achse 1 noch unkritisch, da hier in der Regel nur eine Drehbewegung erfolgt. Am kritischsten ist sicherlich die Achse 2 des Roboterarms.

Antriebsmöglichkeit ist mit Schrittmotoren soweit ok. Es gibt genug Beispiele wo so etwas gut funktioniert.

Ein in meinen Augen gutes Beispiel:

http://www.youtube.com/watch?v=p6u5-...eature=related

Gruß

[BurningBen]

Ja, also bezüglich des Umkehrspiels kannste bezahlbare Schneckengetriebe sicher vergessen.
Du könntest allerdings darüber nachdenken, ob du normale spielbehaftete nicht mit einer Spiralfeder vorspannen könntest. (Das erhöht allerdings dann die notwendige Motorleistung etwas)

Natürlich werden in der Industrie fast ausschließlich Servos eingesetzt. Ich würde trotzdem bei Schrittmotoren bleiben.
Da sparst du dir halt die komplette Regelung. Solange die Motoren nicht unterdimensioniert sind, brauchst du dann eigentlich auch keine Positionssensoren.

Bei der Genauigkeit die du erreichen willst, auf einem doch recht großen Hebelarm, musst du allerdings auch die elastische Verformung v.a. der Armteile berücksichtigen.
Eine Untersetzung von 4:1 reicht zumindest weiter in der Mitte nicht aus, um die geforderte Auflösung zu erreichen. Da wirds dann doch auf die 2-Stufige hinauslaufen.

[movido]

Bitte bedenke bei der Berechnung der Drehmomente und der Kräfte, dass Du ja nicht nur Haltekräfte brauchst, sondern auch z.B. den voll ausgestreckten Arm inklusive Last ja auch beschleunigen willst. Das erhöht die benötigte Kraft. Wenn Du dann noch davon ausgehst, dass viele Herstellerangaben unter optimalen Bedingungen errechnet werden, also in der Praxis selten so stimmen, dann würde ich als Kraftreserve immer schön die Anforderungen verdoppeln, bei wichtigen Lasten sogar verdreifachen.

[Der Einsteiger]

Gut ,also wie ich das jetzt aus euren Kommenteren erkennen konnte glaubt ihr das dieses Projekt möglich ist.Joe23 hat aber schon richtig gesagt das man dazu auch gefräste Teile und Präzisionskugellager benötigt.Also ne Fräse hat mein Vater ja und Bedienen kann ich sie ja auch schon ein bisschen.Zu den Prä. Kugellagern hab ich noch ne Frage :gehen auch die "normalen Kugellager oder Bundbuchsen von Conrad" ?
So ,andere Sache :Joe23 ,du hast doch irgendwas von 1.Achse gesagt.Wenn du damit den Drehteller meintest ,der möglichst genau werden sollte,den habe ich schon (bis auf den Antrieb )fertig.
Falls einer von euch den sehen will müstet ihr mir nur sagen wie ich hier Bilder reinstelle.
Zu dem Arm: Den werde ich jetzt mit zweistufigen Zahnflachriemengetrieben pro Achse machen.
Wenn ich noch irgendetwas fergessen habe (eine Frage von euch übersehen habe oder so)dann einfach noch mal schreiben.

movidos komment habe ich zu spät gesehen.Lest dieses einfach vorweg.