¿Servomecanismo lineal de bricolaje?

Question

Esto podría pertenecer al nuevo sitio Makers, pero también podría aplicarse aquí.

Me gustaría colocar un dispositivo en un 1 metro eje lineal con una precisión de 50 micras. Actualmente, con los steppers, puedo bajar a 20 micras, pero tengo todas las desventajas de los steppers. Sin embargo, tengo la impresionante ventaja de steppers, en que estoy gastando alrededor de $50 total (more like $ 200 por 4 steppers, pero aún así). Al ser bricolaje, el presupuesto es bastante importante, al igual que no aumentar la masa del dispositivo en el eje en más de un par de docenas de gramos.

No sé cuál es la mejor manera de enfocar esto.

1. banda codificadora lineal de algún tipo
2. codificador óptico en motores de corriente continua con escobillas y finales de carrera a 0m y 1m
3. seguir con steppers

Answer 1

Los codificadores rotatorios para pórticos lineales arruinarán sus 20 micras (posiblemente esté confundiendo la resolución de paso con la precisión posicional absoluta). Los codificadores rotativos sólo pueden utilizarse para el bucle de realimentación de velocidad. La lectura posicional siempre debe usar cinta.

Para la lectura de 0,1..1,0 micras utilice esas caras cintas invar con sobres, pegamento, cabezas lectoras y marcadores de referencia. No utilice finales de carrera como referencia de referencia.

Bueno, el coste de una buena configuración basada en cinta de 1 micra para movimiento lineal puede costar $1K. I do not defend the greed of monopolists in motion industry, but what you can possibly do ? If you can build your own lab with tapes, rubies, optometry, granite tables etc, then you may reach the cost of below $ 1.000 por pórtico tras varios años intentándolo. ¿Pero quién quiere intentarlo? No hay atajos, a menos que puedas vivir con un movimiento muy muy lento.

Para movimientos muy muy lentos se pueden inventar toneladas de soluciones con lectores capacitivos como en los calibres, lectores de inducción como en las básculas, incluso algún interferómetro láser barato, etc. Pero siempre se trata de una ciencia que se sirve a sí misma y que es imposible reutilizar.

Una idea sobre la cinta barata es utilizar una cámara de microscopio barata que lea un patrón único en una cinta larga con un algoritmo de búsqueda basado en la calibración con respecto a la cinta de referencia. Pero esto requeriría una CPU muy rápida y gigabytes de memoria. Lo que significa lento, otra vez. Cada movimiento normal necesita una respuesta en microsegundos o menos.

Answer 2

Una posible solución es un transformador diferencial variable lineal o, en este caso, probablemente una serie de ellos.

Los LVDT sólo suelen utilizarse en distancias de 100 mm, por lo que se necesitan 10 veces más. Y la linealidad suele ser del orden del 0,1% con cuidado y peor con menos cuidado.
PERO la resolución es teóricamente infinita, limitada por el sistema de medición.
Así que, para que funcione, probablemente necesitarías varios sistemas de triple bobina, y tendrías que calibrarlo en términos absolutos, probablemente con datos de calibración en la memoria y comparados con las mediciones, debido a las restricciones de linealidad.
Pero debería ser posible construir un sistema que tuviera tanto resolución como precisión tan buenas como tu sistema de medición. Dividirlo en varias secciones alivia el requisito de resolución de la medición.

20 micras en 100 mm = 1:5000 = unos 13 bits, por lo que una medición de 16 bits debería ser suficiente.

Los steppers empiezan a sonar atractivos :-).

Sólo para abrir los filtros mentales, aquí hay un informe que describe una resolución de 20 nm en un sistema de unos 20 mm utilizando LVDT. INTERFERÓMETRO LÁSER OBSERVATORIO DE ONDAS GRAVITACIONALES El sensor de posición del transformador diferencial variable lineal para los controles de baja frecuencia del interferómetro de ondas gravitacionales. - "no es una aplicación al uso".
Fíjese en el comentario del escritor que aparece más abajo: observe la linealidad de sólo el 1%, pero la resolución de 10 nm. Es posible que quiera evitar los amplificadores lock-in :-)

• Mediante una cuidadosa elección de la geometría de la bobina fue posible obtener mejor que un del uno por ciento de linealidad en un rango de movimiento de 25 mm, con menos del uno por ciento de sensibilidad a los movimientos transversales. a los movimientos transversales. Además, el sofisticado diseño del circuito amplificador de bloqueo permitió obtener una resolución de posición superior a 10 nm r.m.s. en el intervalo mencionado.

Y aquí tiene un excelente artículo sobre bricolaje - varios oderes de magnitud por encima del nivel de instructables.

Algunos productos reales - nada por encima de 50mm :-(

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Funcionamiento básico del LVDT:

Desde aquí

• El LVDT consta de dos componentes: la armadura móvil y las bobinas exteriores del transformador. Las bobinas secundarias son serie-opuestas; bobinadas en serie pero en sentidos opuestos.

  Cuando el inducido móvil está centrado entre los dos secundarios opuestos en serie, se acopla un flujo magnético igual en ambos secundarios y la tensión inducida en una mitad del devanado secundario está equilibrada y 180 grados desfasada con respecto a la tensión inducida en la otra mitad del devanado secundario.

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Animación:

Los siguientes diagramas son una captura de pantalla de una animación "Flash". Merece la pena verlos para hacerse una idea de cómo varían los voltajes con la posición. Desde aquí