Reparatur von Servomotoren in Eigenregie

Im Detail: Servomotor-Reparatur zum Selbermachen von einem echten Meister für die Seite my.housecope.com.

Ich habe vor kurzem einen Roboterarm gebaut, und jetzt habe ich beschlossen, ihm ein Greifgerät hinzuzufügen, das von einem Mini-Servo angetrieben wird. Ich beschloss, zwei Variationen zu machen, um zu sehen, wie es mit einem geraden oder runden Zahnrad besser funktionieren würde. Mir gefiel die runde Zahnradoption besser, da die Herstellung nur 2 Stunden dauerte und der Abstand zwischen den Gängen sehr klein war.

Zuerst schneide ich die Teile auf einer Fräsmaschine aus:

Ich habe die Teile mit 2x10mm Schrauben zusammengebaut.

Und so wird das Mini-Servo am Greifer befestigt:

So funktioniert der Servogreifer:

Und jetzt, wo alles zusammengebaut und auch der mechanische Teil fast fertig ist, muss ich nur noch den elektronischen Teil der Arbeit fertigstellen! Ich wählte ein Arduino, um meinen Roboter zu steuern, und machte eine Schaltung (es ist rechts), um das Arduino mit dem Servo zu verbinden.

Die Schaltung ist eigentlich sehr einfach, sie sendet nur Signale zum und vom Arduino. Es gibt auch einen Header für einen Infrarotempfänger und einige Anschlüsse für die Stromversorgung und 4 Verbindungen zu den restlichen (unbenutzten) Arduino-Pins. Somit kann ein weiterer Schalter oder Sensor angeschlossen werden.

Und so bewegt sich der Manipulatorarm:

Der Kauf einer CNC-Fräsmaschine für die Herstellung von Fassaden aus MDF durch das Unternehmen wirft die Frage auf, ob bestimmte Mechanismen und Aggregate, die auf teuren High-Tech-Geräten installiert sind, zu viel bezahlen müssen. Zur Positionierung der Leistungsteile von CNC-Maschinen werden üblicherweise Schrittmotoren und Servomotoren (Servoantriebe) verwendet.

Video (zum Abspielen anklicken).

Schrittmotoren sind billiger. Servoantriebe bieten jedoch eine Vielzahl von Vorteilen, darunter hohe Leistung und Positioniergenauigkeit. Was sollten Sie also wählen?

Bild - DIY Servomotor Reparatur

Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser DC-Synchronmotor mit mehreren Statorwicklungen. Wenn Strom an eine der Wicklungen angelegt wird, dreht sich der Rotor und verriegelt dann in einer bestimmten Position. Die sequentielle Erregung der Wicklungen durch eine Schrittmotorsteuerung ermöglicht eine Drehung des Rotors in einem bestimmten Winkel.

Schrittmotoren sind in der Industrie weit verbreitet, da sie eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer aufweisen. Der Hauptvorteil von Schrittmotoren ist die Positioniergenauigkeit. Wenn Strom an die Wicklungen angelegt wird, dreht sich der Rotor streng um einen bestimmten Winkel.

· Hohes Drehmoment bei niedrigen und Nulldrehzahlen;

· Schnellstart, Stopp und Rückwärtsgang;

· Arbeiten unter hoher Belastung ohne Ausfallrisiko;

· Der einzige Verschleißmechanismus, der die Lebensdauer beeinflusst, sind Lager;

· Möglichkeit der Resonanz;

· Konstanter Stromverbrauch unabhängig von der Last;

· Drehmomentabfall bei hohen Drehzahlen;

· Fehlendes Feedback während der Positionierung;

· Schlechte Reparierbarkeit.

Bild - DIY Servomotor Reparatur

Ein Servomotor (Servomotor) ist ein Elektromotor mit negativer Rückkopplungsregelung, mit dem Sie die Bewegungsparameter präzise steuern können, um die erforderliche Geschwindigkeit oder den gewünschten Drehwinkel zu erreichen. Der Servomotor umfasst den Elektromotor selbst, den Feedback-Sensor, das Netzteil und die Steuereinheit.

Elektromotoren für einen Servoantrieb unterscheiden sich in ihren Konstruktionsmerkmalen nicht wesentlich von herkömmlichen Elektromotoren mit Stator und Rotor, die mit Gleich- und Wechselstrom betrieben werden, mit und ohne Bürsten.Eine besondere Rolle spielt dabei ein Feedback-Sensor, der sowohl direkt im Motor selbst verbaut werden kann, Daten über die Position des Rotors übermittelt, als auch seine Position durch externe Vorzeichen ermittelt. Andererseits ist der Betrieb eines Servomotors ohne eine Stromversorgungs- und Steuereinheit (auch bekannt als Wechselrichter oder Servoverstärker) undenkbar, die die Spannung und Frequenz des dem Elektromotor zugeführten Stroms umwandelt und dadurch seine Wirkung steuert.

· Hohe Leistung bei kleinen Abmessungen;

· Schnelle Beschleunigung und Verzögerung;

· Kontinuierliche und ununterbrochene Positionsverfolgung;

· Niedriger Geräuschpegel, keine Vibrationen und Resonanzen;

· Breiter Drehzahlbereich;

· Stabiles Arbeiten in einem breiten Geschwindigkeitsbereich;

· Geringes Gewicht und kompaktes Design;

· Geringer Stromverbrauch bei geringer Last.

· Anspruch auf regelmäßige Wartung (z. B. beim Bürstenwechsel);

· Die Komplexität des Geräts (das Vorhandensein eines Sensors, einer Stromversorgung und einer Steuereinheit) und die Logik seines Betriebs.

Beim Vergleich der Eigenschaften eines Servoantriebs und eines Schrittmotors sollten Sie zunächst auf deren Leistung und Kosten achten.

Für die Herstellung von MDF-Fassaden in einem kleinen Unternehmen mit kleinen Stückzahlen muss man meiner Meinung nach nicht zu viel für den Einbau teurer Servomotoren an einer CNC-Fräsmaschine bezahlen. Auf der anderen Seite macht es keinen Sinn, bei CNC-Schrittmotoren mit geringer Leistung zu billigen, wenn ein Unternehmen die maximal möglichen Produktionsmengen erreichen will.

Servomotoren werden nicht nur im Flugmodellbau und in der Robotik eingesetzt, sondern können auch in Haushaltsgeräten eingesetzt werden. Kleine Größe, hohe Leistung sowie einfache Steuerung des Servomotors machen sie am besten für die Fernbedienung verschiedener Geräte geeignet.

Der kombinierte Einsatz von Servomotoren mit empfangs-sendenden Funkmodulen bereitet keine Schwierigkeiten, es genügt auf der Empfängerseite einfach den entsprechenden Stecker an den Servomotor anzuschließen, der die Versorgungsspannung und das Steuersignal enthält, und fertig.

Wollen wir aber den Servomotor "manuell" ansteuern, zum Beispiel über ein Potentiometer, brauchen wir einen Impulsgeber.

Unten ist eine ziemlich einfache Generatorschaltung basierend auf der integrierten Schaltung 74HC00.

Diese Schaltung ermöglicht die manuelle Steuerung von Servomotoren durch Abgabe von Steuerimpulsen mit einer Breite von 0,6 bis 2 ms. Das Schema kann beispielsweise verwendet werden, um kleine Antennen, Außenscheinwerfer, CCTV-Kameras usw. zu drehen.

Basis der Schaltung ist die 74HC00-Mikroschaltung (IC1), die aus 4 NAND-Gattern besteht. Auf den Elementen IC1A und IC1B entsteht ein Generator, an dessen Ausgang Pulse mit einer Frequenz von 50 Hz gebildet werden. Diese Impulse aktivieren das RS-Flip-Flop, das aus den Gattern IC1C und IC1D besteht.

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Bild - DIY Servomotor Reparatur

Mit jedem vom Generator kommenden Impuls wird der Ausgang IC1D auf "0" gesetzt und der Kondensator C2 über den Widerstand R2 und das Potentiometer P1 entladen. Wenn die Spannung am Kondensator C2 auf einen bestimmten Wert abfällt, versetzt die RC-Schaltung das Element in den entgegengesetzten Zustand. Am Ausgang erhalten wir also Rechteckimpulse mit einer Periode von 20 ms. Die Pulsbreite wird mit Potentiometer P1 eingestellt.

Der Servoantrieb Futaba S3003 verändert beispielsweise den Drehwinkel der Welle durch Steuerimpulse mit einer Dauer von 1 bis 2 ms um 90 Grad. Wenn wir die Pulsbreite von 0,6 auf 2 ms ändern, beträgt der Drehwinkel bis zu 120°. Die Komponenten in der Schaltung sind so ausgewählt, dass der Ausgangsimpuls im Bereich von 0,6 bis 2 ms liegt und daher der Einbauwinkel 120° beträgt. Der Servomotor S3003 von Futaby hat ein ausreichend großes Drehmoment und die Stromaufnahme kann je nach mechanischer Belastung im Bereich von zehn bis hundert mA liegen.

Bild - DIY Servomotor Reparatur

Bild - DIY Servomotor Reparatur

Der Steuerkreis des Servomotors ist auf einer doppelseitigen Leiterplatte mit den Maßen 29 x 36 mm montiert.Die Installation ist sehr einfach, sodass auch ein unerfahrener Funkamateur die Montage des Geräts problemlos bewältigen kann.

Ventilmotoren sind bürstenlose (bürstenlose) Synchronmaschinen. Auf dem Rotor befinden sich Permanentmagnete aus Seltenerdmetallen, auf dem Stator befindet sich eine Ankerwicklung. Die Statorwicklungen werden durch Halbleiter-Leistungsschalter (Transistoren) so geschaltet, dass der Statormagnetfeldvektor immer senkrecht zum Rotormagnetfeldvektor steht - dazu wird ein Rotorlagesensor (Hallsensor oder Encoder) verwendet. Der Phasenstrom wird durch PWM-Modulation gesteuert und kann trapez- oder sinusförmig sein.

Der flache Rotor des Linearmotors besteht aus Seltenerd-Permanentmagneten. Im Prinzip gleicht er einem Ventilmotor.

Im Gegensatz zu Synchronmaschinen mit kontinuierlicher Drehung haben Schrittmotoren ausgeprägte Pole am Stator, auf denen sich die Spulen der Steuerwicklungen befinden - deren Kommutierung erfolgt durch einen externen Antrieb.

Betrachten Sie das Funktionsprinzip eines reaktiven Schrittmotors, bei dem sich Zähne an den Statorpolen befinden und der Rotor aus weichmagnetischem Stahl besteht und auch Zähne hat. Die Zähne des Stators sind so angeordnet, dass der magnetische Widerstand in einem Schritt entlang der Längsachse des Motors und im anderen - entlang der Querachse - geringer ist. Wenn Sie die Statorwicklungen diskret in einer bestimmten Reihenfolge mit Gleichstrom erregen, dreht sich der Rotor bei jeder Kommutierung um einen Schritt, gleich der Teilung der Zähne am Rotor.

Einige Modelle von Frequenzumrichtern können sowohl mit Standard-Induktionsmotoren als auch mit Servomotoren arbeiten. Das heißt, der Hauptunterschied zwischen Servos liegt nicht im Leistungsteil, sondern im Regelalgorithmus und der Geschwindigkeit der Berechnungen. Da das Programm Informationen über die Rotorposition verwendet, verfügt das Servo über eine Schnittstelle zum Anschluss eines auf der Motorwelle montierten Encoders.

Servosysteme nutzen das Prinzip untergeordnete Geschäftsführung: Die Stromschleife ist der Geschwindigkeitsschleife untergeordnet, die wiederum der Positionsschleife untergeordnet ist (siehe Regelungstheorie). Die innerste Schleife, die Stromschleife, wird zuerst abgestimmt, gefolgt von der Geschwindigkeitsschleife und zuletzt der Positionsschleife.

Aktuelle Runde immer im Servo implementiert.

Geschwindigkeitsschleife (sowie der Drehzahlsensor) auch immer im Servosystem vorhanden ist, kann er sowohl auf Basis eines im Antrieb eingebauten Servoreglers als auch extern realisiert werden.

Kontur positionieren zur präzisen Positionierung verwendet (zB Vorschubachsen in CNC-Maschinen).

Wenn die kinematischen Verbindungen zwischen Aktuator (Koordinatentabelle) und Motorwelle spielfrei sind, wird die Koordinate indirekt entsprechend dem Wert des Rundencoders neu berechnet. Bei Spiel wird ein zusätzlicher Positionssensor (der an den Servoregler angeschlossen wird) zur direkten Koordinatenmessung am Aktuator installiert.

Das heißt, je nach Konfiguration der Drehzahl- und Lageregler wird ein passender Servoregler und Servoverstärker ausgewählt (nicht jeder Servoregler kann einen Lageregler realisieren!).

  • Positionierung
  • Interpolation
  • Synchronisation, elektronisches Getriebe (Gear)
  • Präzise Drehzahlregelung (Maschinenspindel)
  • Elektronische Kamera
  • Programmierbare Steuerung.

Generell kann ein Servosystem (Motion Control System) aus folgenden Geräten bestehen:

  • Servomotor mit einem kreisförmigen Geschwindigkeits-Feedback-Sensor (er kann auch als Rotorpositionssensor fungieren)
  • Servogetriebe
  • Positionssensor des Aktuators (z. B. Linearencoder für Vorschubachsenkoordinaten)
  • Servoantrieb
  • Servoregler (Motion Controller)
  • Bedienerschnittstelle (HMI).