Познакомились с интересными людьми, механиками. Частное предприятие разрабатывает испытательный стенд - механического монстра с усилием на валу до 500кгс*см. Причем усилие создается под водой, на дне морском. Умельцы научились доробатывать шаговые двигатели fullingmotor до состояния, когда их ни соль морская, ни давление воды не берет. Интересная такая тема - был двигатель стандартный, стал всепогодный, морозоустойчивый или глубоководный. Китайцам до такого не додуматься. Все элементы конструкции выполнены своими силами. Даже шестерни и винты сами вытачивают.
Мы напросились поучаствовать в настройке стенда. Наши контроллеры (SH15D1) вращали моторами FL86STH118 на скоростях до 600 шагов/с. Подбирали режимы работы, чтобы не слишком быстро разгоняться и резко не тормозить. Нашим очень приятно, когда выдающиеся конструкторы доверяют нам покрутить большое зубчатое колёсико.
Сформулировали тезис: Люфт в шестеренке должен быть заметно меньше величины шага, чтобы в районе собственного резонанса двигателя не сильно дребезжало.
А потом зазвонил телефон и мы уже планируем двухкоординатный стенд 1.5 на 3 метра для плазменного раскроя металла.
Сформулировали чек-лист, чтобы время не терять на отладку и доработку.
Аппаратная реализация алгоритмов управления, часть ПО реализованная на программируемой логике:
* Выставление полных шагов, функция дробления шага (до 1/256), фиксация мотора в промежуточном положении.
* управление напряжением обмоток.
* счетчкики шагов 32 бит, счетчики тактов инкрементного энкодера.
* ограничение рабочего поля, подключение концевых выключателей.
* параллельный интерфейс с гальванической развязкой, управление от ПК через LPT порт или подключение инкрементных энкодеров.
* функция экстренного отключения питания “СТОП” и функция “АХТУНГ, ЭВАКУАЦИЯ”,
* расширение портов для подключения 4-х силовых реле, ЖК индикатора и пленочной клавиатуры.
Функции контроллера:
Вот наконец уложилось в голове понимание откуда резонанс в шаговом двигателе берется и как с ним борться. Думаю, что придмал настолько уникальную идею, что можно поделится на весь мир.
Для понимания, откуда торкательный резонанс берется предлагается рассмотреть модель маятника или вернее магнитной стрелки, когда к ней магнит подносят. Стрелка ориентируется на магнит и наблюдаются затухающие колебания. Колебания уменьшаются по амплитуде, если магнит подносить ближе и увеличивается частота осцилляций, но они всё равно есть. Так же происходит и в моторе при смене шага. Ротор совершает затухающие колебания при фиксации на каждом шаге. У затухающих колебаний три параметра: амплитуда, частота и время затухания.
От чего зависит амплитуда колебаний? Ясное дело, от величины шага. Резонанс можно уменьшить дроблением шага. Пишем, амплитуда пропорциональна величине шага или обратно пропорциональна количеству шагов на оборот. Надо уменьшить амплитуду колебаний, чтобы уменьшить резонанс в системе мотор-подшипник. Но какой бы малой ни была амплитуда избавится от резонанса не удасться. Резонанс где был, там и останется. Вполне возможно, что двигатель будет “клинить” при любом дроблении шага.
Затухание колебаний. Чтобы уменьшить амплитуду осцилляций можно увеличить торкательный момент, поднять ток обмоток. Вместе с тем вырастает частота осцилляций и уменьшится время затухания.
Отлаживал алгоритм в лаборатории. Раскрутил мотор FL57STH76 на 8 тыс. шагов/с без потери шагов! Мебель в помещении ходит ходуном, с полок падают радиодетали, держу двумя руками, чтобы струбцину не сорвало. На 10 тыс. шагов пробовал раскручивать, сорвало гайку, гайка куда-то улетела. Решил больше не экспериментировать. С оптимизацией кода пора завязывать.
Полчаса терпел, потом опять попробовал разогнаться до 10 тыс. ш/с. Стабильно ловит какой-то резонанс и затыкается. Вовремя определил какой. На этой частоте винты самопроизвольно выкручиваются из металла.
Мы выехали в мастерскую к Лехе и отлаживали алгоритмы разгона-торможения прямо на живом станке. Портал, ничего себе, внушительных габаритов: 2.5 на 1.5 метра. Самое сложное в управлении - ось Z, треться координата с ходом около 25 см. Савмое сложное, поскольку по разному ходит вверх и вниз. Вес на оси Z оказался нешуточный, 20-25 кг. и ещё смоделировали вес шпинделя, прицепив к оси кусок рельса. Наша электроника рулит! Получили около 4 тыс. шагов/с при движении вниз и около 1200 шагов/с при движении вверх. Вверх двигаться сложнее, потому что масса давит, надо учитывать инерцию при разгоне. Ускорение на подъеме должно быть в несколько раз ниже, чем при опускании, чтобы шаги не пропускать. Чтобы остановить движение портала, надо к нему вдвоем приложиться. Всё это мы делали на прототипе контроллера (SH15D1) и более слабом двигателе (FL86STH65), чем запланированы в конечном изделии. Так что, учитывая характеристики контроллера и двигателей, можно смело заявить, что 6 тыс. шагов/с в обе стороны портал будет ходить.
Опять задумался, откуда резонансы в моторе берутся. В подшипниках разобрался, откуда. Надо понимать, что если частота шага совпадает с какой-либо резонансной частотой подшипника, подшипник начинает рычать. Вот терминология и основные частоты резонансов:
FTF: Fundamental Train Frequency. Частота с которой шарики делают полный оборот вокруг вала.
BSF: Ball Spin Frequency. Частота вращения шариков вокруг собственой оси.
BPIR:Ball Pass Inner Race frequency. Частота с которой шарики проходят одну и туже точку на внутреннем кольце. Она же частота с которой шарики друг за другом наезжают на один и тотже дефект, если дефект на внутреннем кольце. По наличию звона на этой частоте можно судить о качестве поверхности кольца.
BPOR: Ball Pass Outer Race frequency. Частота с которой шарики подпрыгивают на дефектах внешнего кольца.
2xBSF: Two times the Ball Spin Frequency. Если шарик круглый, он звенит на частоте вращения - не говорит, поет. Если с дефектом, то вылезает вторая гармоника его пения, на двойной частоте.
Китайцам ура! Сделали моторы вовремя. Говорят, что сдвинуть резонанс не получится. Стал разбираться почему, углубился в теорию. Оказывается правы. Если брать резонансные частоты подшипника, то получается четыре собственные частоты: полный оборот шариков по подшипнику, оборот шарика вокруг своей оси, и ещё парачка от внутреннего и внешнего радиуса. Если частота мотора попадает в собственную частоту подшипника, мотор рычит и может шаги пропускать.
В нашей стране серьезно заниматься станкостроением невозможно, нет спроса, нет рынка. Мы делаем это для себя и для таких же ненормальных “рукосуев”. Начали с постановки задачи. Постановка задачи такова, что бессмысленно заниматься производством и продажей подобной продукции, однако, если это направлено в область хобби, на хобби можно тратить всё. Если я хочу что-то сделать, меня никто не остановит, никто мне не помешает потратить моё всё на чудо рукотворное.
Сформулировал, что это такое мы произвели на свет - генетически модифицированные шаговые двигатели. Проблема простая, все шаговые двигатели, которые мы тестировали обладают собственной резонансной частотой в полосе 400-600 шагов/с. А между тем оказывается самая рабочая полоса частот, на которой получается скорость подачи инструмента 10 мм/с. Никакими программными усилиями полоса резонансов не хочет убираться совсем. Резонанс можно сдвинуть током обмотки, его можно перескочить резким ускорением. Но нельзя убрать совсем. Пробовали модулировать ток, пробовали применять микрошаги, эффективного программного решения не нашли. При плавном разгоне двигатель встает, как вкопанный и дальше не разгоняется. Нашли решение механическое. Прежде всего, стоит отметить, что проблема с резонансными частотами может быть полностью снята за счет инерции нагрузки. Под нагрузкой мотор на ура проходит область резонансов. На резонанс мотора влияет частота вращения и крутящий момент. Инерция в этом случае работает на уменьшение добротности резонанса. Можно просто забыть о резонансах. Однако, мотор с каким-то коэффициентом ослабления всё равно будет передавать осевое биение на винт. Пока что слишком мало экспериментальных данных, чтобы делать выводы, оцениваем, что уменьшение в два-три раза величины осевого биения может убрать резонансы в область более высоких частот. Вот мы и решили для гоночных задач заменять подшипники.
Запросили у китайцев заменить подшипники в моторах на более качественные, чтобы сдвинуть резонансную частоту мотора без нагрузки в область высоких частот. Да без проблем. Китайцы предложили, вставлять не китайские, а японские подшипники NSK. Мы смело заявили, что надо убрать собственную резонансную частоту из области 600 шагов/сек в область частот 6 тыс. шагов/сек и выше, на мелочи мы не размениваемся.
Китайцы изготавливают нам двигатели под заказ. Делают всё в последний день. Например, говорили, что подготовят отправку к 7 числу, а технолог сказал, что 7 только начнут делать. Целый месяц балду били, потом праздники отмечали. Оказывается на тайване, как и у нас празднуют целую неделю, из солидарности. Думаем занятся модингом шаговых двигателей. Алексей целый день перематывал обмотки двигателя толстенным медным проводом, чтобы с места взлетал. Запускал исключительно в банке с водой, для охлаждения. Надо бы ещё подшипники заменить, чтобы усилить гоночные характеристики. Подшипники…
Я вот только про шпиндель подумал, мне шпиндель привезли, чтобы думал быстрее. Думаю теперь над шпинделем Elte. Кручу его за ось радуюсь новым тактильным ощущениям.
Наконец то подготовили к производству печатную плату для станка (обрабатывающего центра). Среди производителей блоков питания принято хвастаться мощностью с единицы площади печатной платы. У нас выходит до 5.2Вт с кв.см или 33Вт с кв.дюйма, причем выходит в нагрузку с кпд свыше 95%. Теплоотвод для драйверов не требуется.
Искал подходящий шпиндель для точного фрезерования. Китайские не понравились. Нашел прецизионный с биением менее 2мкм. Не то чтобы мне нужен шпиндель, хочу сделать контроллер для такого шпинделя.
Начата разработка программного обеспечения cnc-view для отладки, загрузки и обслуживанию контроллера станка. Поддерживаемые входные форматы: HP-GL Plotter, g-codes. Реализована поддержка входного формата hpgl. Программное обеспечение будет выпускаться под лицензией GNU GPL . Желающие принять участие в разработке и отладке ПО приглашаются к сотрудничеству.
Тех задание на разработку ПО станка с ЧПУ (cnc-view) interface.zip
Концептуально то, что мы делаем называется обрабатывающий центр. И хотя ориентируемся мы не на промышленый выпуск станков, а на производство станков для хобби и заказное производство уникальных установок позиционирования, предложенная математическая модель позволяет управлять в том числе и профессиональным оборудованием.
Электрические характеристики
Номинальное напряжение питания контроллера 48В, напряжение питания может задаваться в диапазоне 24-76В, контроллер программно управляет напряжением каждого из моторов.
Постоянный ток обмоток мотора до 8А, суммарный ток потребления контроллируется встроенным датчиком, максимальная мощность в нагрузке до 500Вт (эту цифру лучше не проверять).
Функциональные характеристики
Загрузка программы в g-code по USB, автономное исполнение программы, отслеживание программы с ПК
Прямое управление позиционированием через LPT порт
Подключение датчиков крайнего положения (концевиков)
Разъемы
LPT порт с гальванической развязкой оп ПК используется для прямого управления моторами от ПК
Разъем DB9 для подключения концевиков и выносных кнопок.
USB для конфигурации и ввода программ с ПК
RS-485 разъем для подключения внешних датчиков и элементов управления.