Stellgenauigkeit von Modellbauservos

[hounter]

Erstmal Hallo an alle!


Ich spiele zur Zeit mit dem Gedanken mich an einem kleinem Roboterarm (4-achsig) zu versuchen. Ein Ziel wäre u.a. eine Stellgenauigkeit von ca. 1mm zu erreichen (bei einer max. Armlänge von ca. 400-500mm)
Der Einfachheit halber würde ich gerne Modellbau-Servomotoren benutzen. Um diese Genauigkeit zu erreichen müssten die Servos allerdings eine Stellgenauigkeit von <0,05° aufweisen.
Jetzt habe ich irgendwo gelesen, dass digitale Servos über 5000 Schritte machen, was deutlich reichen würde. Aber irgendwie hab ich das Gefühl, dass diese Schrittzahl ziemlich hochgegriffen ist...

Hat jemand praktische Erfahrungen zur Stell/Wiederholgenauigkeitgenauigkeit von Servomotoren?


Gruß hounter


P.S.: Da dies mein erster Beitrag ist noch kurz etwas zu meiner Person: Ich bin 23 Jahre alt und studiere Maschinenbau in Stuttgart. Echte praktische Erfahrung habe ich mit Robotern noch keine, lediglich ein wenig theoretisches Hintergrundwissen. Das soll sich jetzt aber ändern...

[ranke]

Hat jemand praktische Erfahrungen zur Stell/Wiederholgenauigkeitgenauigkeit von Servomotoren?

Konkrete Zahlen habe ich auch nicht. Ich habe aber das Gefühl, daß eine hohe Winkelauflösung nicht das einzige Kriterium sein kann. Billige Servos (mit teuren habe ich keine Erfahrung) sind schon von der Konstruktion her nicht sehr steif, viele kraftführende Komponenten sind aus Kunststoff (Horn, Abtriebswelle, Zahnräder, Gehäuse), so daß sich schon dadurch eine gewisse Elastizität ergibt. Sicher kann die Lagerung eines Armgelenks nicht ausschließlich vom Servo aufgebracht werden (bei Hexapod-Füßen kann man einige Lösungen mit einem zweiten Stützlager sehen).
Wichtig ist es auch in einem frühen Entwurfsstadium die durch die Servos aufzubringenden (statischen) Drehmomente zu überschlagen.

[oberallgeier]

Hallo hounter,

willkommen im Forum.

... Modellbau-Servomotoren ... Stellgenauigkeit von <0,05° ... gelesen, dass digitale Servos über 5000 Schritte ... praktische Erfahrungen zur Stell/Wiederholgenauigkeitgenauigkeit von Servomotoren? ...

Was soll ich sagen: ich habe ein paar wenige Servos hier rumliegen bzw. in Gebrauch und hatte mal (vor langer Zeit) eine hübsche 2m-3kg-Nurflügelkiste mit vier Servos gebaut. Also muss ich sagen: praktische Erfahrung zur Beantwortung Deiner Frage habe ich, ernsthaft betrachtet, nicht.

Aber wir können ja anderswo ansetzen:

... Maschinenbau in Stuttgart ... theoretisches Hintergrundwissen ...

Nur nebenher die Frage: am ehemaligen Eppler-Lehrstuhl?

Zur Sache: Die Bauweise der Servos ist meistens so: Motor - Getriebe (etwa 3-6 stufig) - Abtriebswelle, die ist gekoppelt mit einer Stellvorrichtung für den Positionssensor. Sprich: das Positionsmessende der Abtriebswelle ist über eine Kupplung mit einem Potentiometer verbunden. Je nach Stellwinkel wird das Poti unterschiedliche Widerstände an den Servocontroller melden.

Problem 1: Linearität des Potentiometers. Hier darfst Du raten, was technisch möglich ist und was wirtschaftlich bei den unterschiedlichen Preisen vertretbar ist.

Problem 2: Kupplung Antriebswelle - Poti. >> gleicher Satz wie oben <<.

Fazit:
Eine Auflösung von 5000 Schritten (vermutlich aber 4096 = 12 bit) ist sicher theoretisch möglich - es ist dann vermutlich die Auflösung des ADWandlers, der das Poti betrachtet. Bei einem Umfang des Poti-Schleifwiderstandes von - sagen wir mal, bei einem 16 mm breitem Servo könnte das Poti D12 sein - Umfang also etwa 18 mm für 180°, denn das Servo schwenkt meist nur etwa 180°. Weiter: 18 mm / 5000 Schritte gibt 3,6 µm. WENN Du diese Genauigkeit forderst, muss also der Schleifer des Servo 3,6 µ breit sein - maximal *ggggggg* - hmmm, könnte man den Lesekopf einer Winchester dafür hernehmen *gggg*. Soweit zur Messtechnik.

Die Kupplung Abtriebswelle - Servo hat meist weit unter D = 10 mm. Meist ist das lediglich ein angeflachtes Ende der Abtriebswelle, das in einer Kulisse des Potis steckt. Nun darfst Du Dir ausmalen, welche mechanische Genauigkeit hier gefordert ist - wenn keine starre Verbindung vorliegt.

Letztendlich sind wir bei einem, sagen wir mal, 5-stufigen Getriebe: Stell Dir vor, welche Vorspannung Du im Getriebe brauchst, um bei den auftretenden Lasten so wenig Spiel zu erzeugen, dass Du die 5000er Auflösung schaffst.

Wenn Du bis hierher gelesen hast, kannst Du Dir vorstellen, warum mein Digitalservo bei stabiler Signalvorgabe noch immer geringfügig zittert.

Ab hier nicht mehr zum Lesen gedacht: Das war jetzt die analytische Betrachtung. Nun kannst Du hergehen und zur Übung eine synthetische Genauigkeitsabschätzung machen. Schätzte mal Genauigkeiten der genannten Elemente ab, errechne Dir daraus den mögliche Fehler, addiere die Fehler, dann hast Du Deine Antwort. Die ist vermutlich besser als alle möglichen Erfahrungwerte, sofern das noch niemand gemessen hat. Vielleicht ein hübsches Thema zu einer Studienarbeit am Werkzeugmaschinenlabor? Oder Praktikum Mechatronik. Dann hast Du ein Ergebnis!

Ok?

[hounter]

Danke für die Antworten!

Das nötige Moment hatte ich schon berücksichtigt, bin für 150Ncm auf eine Nutzlast von 100-200g gekommen, was für den Anfang erstmal reichen würde. Auch hatte ich nicht vor, die Servos direkt als Achse zu misbrauchen, sondern dsa Ganze so zu konstruieren, dass diese lediglich das Moment aufbringen müssen, aber keine Stützlasten zu tragen haben.

@oberallgeier
Ehrlich gesagt, keine Ahnung welches der ehemalige Eppler-Lehrstuhl ist. Meine beiden Hauptfächer sind Fabrikbetrieb und Steuerungstechnik, ist es einer der beiden?

Dass die 5000 Schritte nur Augenwischerei sind dachte ich mir schon, danke an Dich! Somit fallen Servos schonmal raus.
Wie sonst könnte ich eine eine ähnliche Genauigkeit erreichen? Das Problem ist, dass ich in Regelungstechnik nicht sonderlich fit bin, deshalb waren die Servos als fertiges System sehr verlockend.
Schrittmotoren sind ziemlich schwer, Pneumatik sehr ungenau, Hydraulik sehr aufwendig (dafür krätig), ...

Oder ist so eine Genauigkeit für einen Hobbybastler und Einsteiger sowieso völlig unrealistisch?
Gruß hounter

[oberallgeier]

... Oder ist so eine Genauigkeit für einen Hobbybastler und Einsteiger sowieso völlig unrealistisch? ...

Du wirst doch bitte nicht gleich aufgeben wollen. Bitte.

Diese Frage trifft jetzt mechanisch versierte Spezialisten, die in Mechanik versiert sind, wie beispielsweise Klingon77 oder andere. Vielleicht stolpert da einer über Dein Problem.

Eppler hatte vor vielen Jahren den Lehrstuhl für Technische Mechanik an die Universität Stuttgart. Da er aber ein Fliegerfreak war, gibt es zahllose wunderbare Epplerprofile für (Segel-) Flugzeuge und er hat mit anderen das erste Kunststoffsegelflugzeug der Welt gebaut und . . . .

[hounter]

Wer redet denn hier von aufgeben?

Es geht hier nur darum, ob es geht, bzw wie hoch der zu erwartende Aufwand wäre (--> Fabrikbetrieb lässt grüßen )

[Hessibaby]

Eine hohe Stellgenauigkeit haben Spindeltriebe, und die Positionsrückmeldung kannst Du über lineare 10- oder 20-Gang Spindelpotentiometer realisieren, die direkt mit der angetriebenen Spindel gekoppelt sind.
Erfahrungsgemäß sind alle indirekt gekoppelten Systeme ( wie. z.B. in Modellbauservos ) relativ ungenau, sprich Fehler >1%.

Gruß Hartmut

[oberallgeier]

... kleinem Roboterarm (4-achsig) ... Ziel wäre u.a. eine Stellgenauigkeit von ca. 1mm zu erreichen ...

Wolln wir mal so sagen - industrielle Genauigkeit wird mit entsprechendem Aufwand einhergehen.

...Oder ist so eine Genauigkeit für einen Hobbybastler und Einsteiger sowieso völlig unrealistisch? ...

Zu schaffen ist das wohl schon für einen Hobbybastler - aber man muss halt etwas tiefer in die Tasche greifen (ich habe Freunde, Nicht-Flugzeugbauer, die haben sich ihre ein-/zweisitzigen Flugzeuge mit oder ohne Motor selbst gebaut). Und für den Einsteiger wird es auch machbar sein - nur vermute ich, dass Du Dir einen etwas schnelleren Einstieg vorstellst. Und das wäre auch ratsam - wer monatelang einsteigt und manches Mal auf die Nase fällt, kann schon mal die Lust endgültig verlieren.

Ich hatte nach ein paar passenden Getrieben gesucht und Multiturn-Encodern. Lasch gesagt (mit Blick auf eine Hobbyisten-Studenten-Börse) müsste ich jetzt sagen: vergiss mindestens eine von Deinen Vorgaben: am besten die 1 mm Wiederholgenauigkeit. Und bei 400 .. 500 mm Armlänge: Da ist anzunehmen, dass ein struktursteifer Arm locker 1 kg wiegt, vermutlich deutlich mehr, Du willst ja sicher noch eine angetriebene "Handklaue" dran haben. Sind gestreckt dann mindestens 2,5 Nm, die Dein "Schulter"antrieb können muss. Das klingt doch etwas viel.

[jeffrey]

hi,
soll das ganze nur zum spaß werden, oder eine spezielle aufgabe erfüllen? weil dann kann man abschätzen, wo man ev die anforderungen heabsetzen kann.
mfg jeffrey
ps: eppler war soweit ich weiß mechA, also nix mit deine hauptfächer

[hounter]

Eine spezielle Aufgabe habe ich für den Arm noch nicht. Soll im wesentlichen nur zum Spaß sein und für mich einen guten Einstieg (v.a. in die Elektronik und die Software) darstellen.

Zur Struktursteifigkeit des Armes: Die Idee wäre mit einem großen, dünnwannwandigen Rohren aus Plastik zu arbeiten (vllt sogar durchsichtig,hmmm...). Die Mechanik inkl. Servos würde innerhalb dieses Rohres angebracht werden. Sprich so etwa 6-7cm Innendurchmesser und 2-3mm Wandstärke. Das sollte hoffentlich steif genug sein vorerst. Als Material für den Sockel und die Gelenke wäre Alu wohl am präzisesten, da ich aber keine Fräsmaschine zur Verfügung habe und ich sowieso Abstriche in der Genauigkeit machen muss, würde Holz reichen müssen. Den "Ellbogen" und evtl. auch das "Handgelenk" möchte ich über Parallelogramme anlenken, sodass 3 / evtl. 4 der 5 Servos am Boden bleiben. (Alles nicht gerade der Genauigkeit förderlich, aber "tunen" könnte ich danach immer noch, Hauptsache er läuft erst einmal.)
Auf die Art und Weise hatte ich gehofft auf ein Armgewicht von max. 400g zu kommen. Damit könnte ich bei 150Ncm immerhin noch ca. 150g Nutzlast tragen. Das sollte erstmal reichen...

Ursprünglich wollte ich einen Arm bauen, der möglichst genau ist. Naja, jetzt bau ich halt einen der wenigstens funktioniert


@jeffrey: beim mechA hatte ich mehrere Vorlesungen im VD, aber von einem "berühmten" Eppler war nie die Rede (oder ich war nicht da... *g*)