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Thema: CNC mit Gleichstrommotoren

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker Avatar von Osser
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    CNC mit Gleichstrommotoren

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    Hi,

    so hier ist mein Projekt das ich komplett aufbaue mit Stahlführungen und mit Gleichstrommotoren. Für Gleichstrommotoren hab ich mich entschieden da ich ein gutes dynamisches Verhalten erreichen will, also hohe mögliche Verfahrgeschwindigkeit (ca Fmax1800 == 1800mm/min) mit gleichzeitig guten Eigenschaften was Präzision angeht. Vor allem will ich das gleiche Konzept umsetzen wie es in regulären Fräsmaschinen eingesetzt wird.

    Die Regelung der Antriebe baue ich auf mit einem ATmega64 der mit einer modifizierten PID Regelung die Gleichstrommotoren via PWM steuert. Die Regelung ist/wird so implementiert das sie als Basis die PID Logik benutzt (also wirklich PID und nicht etwa PD) mit einem modifizierten Integralanteil, der erkennt das "er" sich dem Zielpunkt nähert und dann aktiv abbremst statt einfach nur die Steuerspannung zu reduzieren wie dass eine normale PID Regelung macht. Hierzu habe ich mir ein Modell überlegt das mittels Regelungs-Parametrisierung die Massenträgheit der Abtriebseinheit (incl Rotor des Motors) wiederspiegelt und für jede Achse entsprechend der mechanischen Eigenschaften Parametrisierbar ist.
    Das Ganze ist in einer Simulation die ich hierfür schrieb schon ganz ordentlich gelaufen, die Graphen U-t, v-t, s-t und a-t sind schon einigermassen stetig und haben kaum "Hacker" im Verlauf, so dass der Antrieb nicht übermässig belastet werden dürfte.

    Hier im Forum habe ich nur Projekte gefunden mit Schrittmotoren die mit käuflichen Controllerkarten gesteutert werden. Aber ich wollte alles selbst aufbauen und eben keine vorgefertigten Schaltungen benutzen.

    Die mechanische Seite beruht auf Lineareinheiten die mit einer T-Führung ausgestattet sind und über Kreutz miteinander verschraubt werden. Die Linearführungen sollen so Stabil werden, dass ich auch Stahl damit fräsen kann, zumindest in kleinen Zustelltiefen.

    Als Basis benutze ich eine gewöhnliche Säulenbohrmaschine die mir die Z-Achse gleich mitliefert.

    Hier ein paar Konstruktionszeichnungen der geplanten Maschine im Solid-View noch ohne Antriebe:


    Detail: Kreutzschlitten


    Detail: Kreutzschlitten andere Ansicht


    Detail: Gesamtansicht


    Wenn ich wieder ein Stück weiter gekommen bin werd ich das hier berichten.




    Was denkt Ihr davon?


    Gruss,

    O.

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Interessantes Projekt. Wie werden die aktuellen Positionen in den
    einzelnen Achsen ermittelt? Wie genau und mit welcher Wiederhol-
    genauigkeit ist das bei diesem Konzept lösbar? VG Micha

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker Avatar von Osser
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    Hi hardware.bas,


    bei meinem jetzigen Versuchsaufbau benutze ich Drehgeber aus einer "geschlachteten" Maus die ca. 270 Impulse pro Umdrehung erzeugen.
    Die Abtriebsspindel ist eine M6 Gewindestange => Steigung 1mm.
    Meine PID Regelung ist noch nicht perfekt, schafft aber bereits bei langsamen/kurzen Positionierschritten eine Wiederholgenauigkeit von ~ 3 Schritten, hier sind aber noch einige Optimierungen möglich.
    Das Umkehrspiel soll dann schliesslich per Parametervorgabe pro Achse im µC gespeichert werden und wird automatisch korrigiert werden.
    Ergo:

    270 Schritte / 3 = ~100 ==> ~0.01mm


    Die Positionserfassung übernimmt der µC nach dem Starten und Referenzpunkt anfahren autark mittels der Drehgeber.

    Ich will den "Kleinen" schliesslich mit ISO Code füttern den er dann in 3 Achsen simultan interpolieren soll. Jedenfalls ist das meine Vorstellung für das fertige System.
    Auf der PC-Seite muss also nur ein Proggi laufen das die Koordinaten anzeigt und den µC mit Daten füttert und evtl. Grafisch darstellt was da auf der Fräsmaschine passiert.


    O.

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von vohopri
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    Hallo O!

    Eine Bohrmaschine ist keine Fräse, weil sie für die Beanspruchung des Bohrens konzipiert ist. Das wird so nichts, und es ist schade um die gute Arbeit, die du sonst in das Projekt steckst. Es ist nicht nur Murx, sondern auch gefährlich.

    Nehme anstatt dessen eine Fräse oder baue eine Fräse nach.

    grüsse,
    Hannes

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker Avatar von Osser
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    Hi Hannes,

    vermutlich basierst Du deinen Einwand auf die Zeichnung, die jedoch noch in einem prematuren Stadium ist.
    Mir ist durchaus bewust dass eine Bohrmaschine nich für Querkräfte geeignet ist wie sie beim "echten" Fräsen auftreten, auch besitzt sie keinerlei Sicherheitstechnik.
    In der entgültigen Version wird auf jeden Fall eine Sicherheitskette (NOT-AUS) umgesetzt die jederzeit alles stillegen kann und eine Art Sicherheitskäfig werde ich auch drum herum bauen.

    Von den Querkräften her vermute ich schon, dass das Maschinchen Zustellungen von 0,1 bis 0.2mm gewachsen sein wird, da ich schon vom Konzept her eher auf HSC als auf konventionelles Fräsen setze. Deshalb verbaue ich ja auch Gleichstrommotore die ein hohes Dynamikverhalten erlauben.

    Im Übrigen wird natürlich auch die Z-Achse gesteuert, was hier noch nicht eingezeichnet ist.


    Gruss,

    O.

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Hi Osser
    ich finds toll das auch mal jemand keine Stepper nutzt ich bau auch grad sowas ähnliches und bau erstmal ein modell aus lego. wollte und hab auch es erst mit der maus probiert bin aber an der Z-achse gescheitert. weil ich das mausrad nicht auswerten konnte. und in der genauigkeit seh ich kein problem. außer man hat nicht sauber programiert oder es werden bei der maus schritte übersprungen.

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von vohopri
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    Hi O,

    mein Einwand beruht auf etwas ganz anderem: Auf meinem Fachwissen über Werkzeugmaschinen. Über dein Vorhaben werde ich nicht diskutieren, da solche Dinge nicht durch Diskussion gelöst werden, sondern durch Berechnungen.

    Ich wollte dich nur gewarnt haben und verabschiede mich von dem Thema.

    vohopri

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Bammel
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    also die gleichstrommotor geschichte reizt mich ja auch. den du baust ja quasie Servos nach. könnte man das ganze net so lösen das man auch ein standart fräs-programm nutzen kann. also eine steuerung bauen die auch mit dem takt richtungssignal läuft?

    ansonsten werde ich die geschichte mit interesse weiter verfolgen.

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Gibt nix besseres als praktische Beweise und wir sind gespannt darauf!
    Die zweifelos schnelle Verfahrgeschwindigkeit mit DC-Motoren wird
    kombiniert mit 0,01mm Genauigkeit - wieviel Zeit braucht das Anschleichen
    an Stopppunkte - mit Haltemomenten, absoluter Wiedeholgenauigkeit,
    ausgefeilter Schaltungstechnik. Gutgemeinte grosse Neugier, wie das
    Ziel funktioniert. VG Micha

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker Avatar von Osser
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    Hi @all,


    @Bammel:
    ...eine steuerung bauen die auch mit dem takt richtungssignal läuft?
    Die Geschwindigkeit wird mittels PWM an einem Ausgang des µC gesteuert und die Richtung mit einem anderen Ausgang, zwei Signal-Leitungen also pro zu steuernder Achse. Das Ganze ist realisiert auf einer extra Leistungsplatine mit drei Kanälen, für jede Achse ein Kanal. Mit je einer TLE5205-2 H-Brücke und vorgeschalteter NAND Logik habe ich die Leistungstreiber der Achse(n) realisiert.
    Die Vorschaltlogik ist nur dazu da, dass der Motor ohne angeschlossenen µC nicht läuft und damit PWM auch in beide Richtungen mit Freilauf geschaltet wird. Der TLE5205-2 ist in der Hinsicht ohne externe Logik etwas seltsam beschaltet. Das Ganze ist dann mit Opto-Kopplern isoliert, damit mir das "Bürstenfeuer" nicht irgentwie den µC nervt.


    ...und so siehts aus. (Nur ein voll aufgebauter Kanal bis jetzt.)


    @hardware.bas:
    Muste grinsen als ich deinen Post gelesen habe. Klar sprech ich da Gross-Auf, aber ohne ein Ziel kein Weg..... richtig?
    Das ganze Thema reitzt mich einfach schon ewig und deshalb wollte ich das hier öffentlich durchführen, dass falls etwas total in die Hose geht mir der ein oder andere vom Schlauch helfen kann auf dem ich dann vielleicht gerade steh...

    Die modifizierte PID Regelung ohne Lasteinkopplung der Abtriebe geht aber wie oben beschrieben bereits ganz ordentlich. Genauere Messungen kann ich erst durchführen wenn die erste Führung aufgebaut ist, bin gerade dabei den Flachstahl zu besorgen. Ohne reelle Belastung des Antriebs kann ich die Parameter der Regelung ja schliesslich nicht vernünftig bestimmen und das Umkehrspiel schon gar nicht.
    Sobald das erledigt ist und die Achse bewegt sich werd ich hier mal einen Video einstellen, dann kannst Du sehen wie gut/schlecht das bis jetzt geht.

    Ach ja die Einregelgeschwindigkeit:
    Einregeln 020 Schritte der Encoder-Scheibe ==> ~1sec
    Einregeln 050 Schritte der Encoder-Scheibe ==> dito
    Einregeln 100 Schritte der Encoder-Scheibe ==> ~2sec

    (100 Schritte entsprechen ca 1/3 Umlauf des Motors)
    Zeiten hab ich mit Sekundenzeiger der Uhr abgelesen, also Pi mal Daumen.


    Gruss,

    O.
    Geändert von Osser (17.10.2011 um 21:57 Uhr)

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