Kubik vs Roberto - budowa 6DOF

[kubik]

Cześć!

Postanowiłem zająć się robotyką. Moją specjalnością na codzień jest programowanie i optymalizacja procesów wytwarzania tego oprogramowania, jednak zawsze czułem, że efekty moich działań są zbyt mało materialne. I tak kombinowałem jakby tu wykorzystać to co już potrafię, a dodatkowo pogodzić to z moim hobby jakim z kolei są komputery 8-bitowe i mikrokontrolery. No i pewnej nocy nastąpiło olśnienie 😎

Więc w ramach nauki buduję swojego pierwszego robota. Wybrałem ramię 6DOF - taki projekt wydał mi się odpowiednio skomplikowany - nie nazbyt łatwy, ale też nie poza moimi możliwościami. Jestem na początku drogi - poznaję tajniki druku 3D, budowy i sterowania silników, przekładni, materiałoznawstwa itd. Czyli wiem, że nic nie wiem.

Pierwszym elementem jaki wykonałem to przekładnia pasowa 4:1 do silnika krokowego. Działa! Choć oczywiście dopiero na koniec doczytałem jaka jest obciążalność paska, którego użyłem (MXL) - taka gdzieś ze 4x za mała do moich potrzeb 😂 Ale paski HTD już czekają na swoją kolej.

Robot będzie się nazywał Roberto-1 😉

[kubik]

Tak swoją drogą odnośnie tej obciążalności dla paska MXL. Ten producent dla swoich pasków podaje, że jest to 0.45Nm:

Jednak w praktyce u mnie pasek zaczyna przeskakiwać już przy obciążeniu około 3kgcm, czyli 0.29Nm. Niedokładność wykonania koła zębatego i jego materiał (PLA) pewnie mają tu znaczący wpływ. Taki pasek ma jedynie 0.51mm wysokości zęba.

Dla porównania HTD 3M ma wysokość zęba 1.2mm. Tylko znowu średnica koła wzrasta, bo podziałka paska jest 3mm (vs 2.032mm w MXL). Ideałem byłby pasek 2M z podziałką 2mm i wysokością zęba 0.7mm - ale one chyba są mało popularne, przynajmniej na allegro ich nie widzę 🙂 

 

[Treker (Damian Szymański)]

Zapowiada się ciekawy worklog, chętnie będę śledził. Dzięki!

[kubik]

Pomyślałem, że warto by określić pewne parametry robota, do których będę dążył. Chociaż nie jest to projekt pod żadne konkretne zastosowanie, ani na żaden konkurs, to dobrze wiedzieć dokąd się zmierza. Żeby nie zadawać codziennie pytania "Quo vadis, Roberto?" 😉 No i projektowanie pod konkretne parametry jest dużo łatwiejsze - odpada rozważanie zbyt wielu rozwiązań.

1. 6 stopni swobody
2. Zasięg: 30cm
3. Udźwig: 500g
4. Rozdzielczość (przy pełnym zasięgu): 2mm
5. Powtarzalność/precyzja: 0.5mm
6. Możliwie kompaktowe rozmiary
7. Backdriveable (jak to będzie po naszemu?)

2) Zasięg 30cm - pewnie wyjdzie więcej w praktyce, bo po prostu nie będę w stanie wykonać tak kompaktowego urządzenia, ale zgodnie z punktem 6) staram się aby był możliwie niewielki

7) Backdriveable - to jest fajne założenie, bo naprawdę upraszcza życie - odpadają z rozważań wszelkie drukowane przekładnie cykloidalne czy falowe (Strain wave gearing aka Harmonic Drive). One po prostu w wersji plastikowej nie są sterowalne od strony wałka wyjściowego. I już, problem z głowy 😎

Odnośnie jeszcze tych przekładni falowych czy innych o dużym przełożeniu. Widzę na youtubie, że wiele osób stosuje je w swoich konstrukcjach - w połączeniu z silnikami krokowymi. Możliwe, że popełniam gdzieś kardynalny błąd, jednak póki co, nie wychodzi mi znikąd konieczność zaprojektowania tak dużych przełożeń. One mają sens, gdy napędem są silniki bezszczotkowe (mniejszy moment, większa prędkość) ale przy silnikach krokowych? Anyway, wyjaśni się jak coś konkretnie obliczę.

O tym jak robot będzie sterowany/programowany na razie nie myślę.

5 godzin temu, Treker napisał:

Zapowiada się ciekawy worklog, chętnie będę śledził. Dzięki!

Dzięki 🙂 Ale muszę cię ostrzec, że ja tu wolną amerykankę uprawiam i nie wiadomo co z tego wyjdzie 😉 

Edytowano 2 stycznia przez kubik

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[kubik]

Pierwsze obliczenia, na początek dla osi A5 robota czyli ostatniego fragmentu ramienia (tego najbliżej ciężaru roboczego).

I.

Moment obrotowy działający na oś A5, gdy ramię jest ułożone równolegle do podłoża:

0.13m*0.5kg + 0.07m*0.25kg = 0,0825kgm * 9,81 = 0,8Nm

0.5kg to ciężar roboczy, 0.25kg to ciężar napędu osi A6. Wychodzi 0,8Nm momentu obrotowego. Potrajam(!) tą wartość - aby uwzględnić ciężar konstrukcji ramienia, śrub, kabli itd. oraz (prawie na pewno) praw fizyczno mechanicznych, o których nie mam pojęcia 😂 Mamy więc 2.4Nm momentu, który napęd w osi A5 musi być w stanie wygenerować.

II.

Do wykorzystania mam 3 rodzaje silników krokowych:

1. Nema 17 naleśnik, 130g, moment trzymający 0.13-0.17 Nm (różnie podają)
2. Nema 17, 322g, 0.42-0.45 Nm
3. Nema 23, 1022g, 1.85-1.89 Nm, big fucking mastodont 😉

III.

Gdybym użył najmniejszego silnika 0,13Nm to potrzebowałbym co najmniej przekładnię 18:1 - paskowa wyszłaby duża gabarytowo. Ale dla silnika 0.42Nm potrzebuję już tylko przekładnię 2,4Nm / 0,42Nm = 5,7:1 - to już można zrobić w stosunkowo zwartej konstrukcji.

IV

Ale moment obrotowy to jedno, przekładnia musi mi też zapewnić odpowiednią rozdzielczość ruchu. Wszystkie moje silniki mają 1.8° na krok. Ja potrzebuję uzyskać przesunięcie <=2mm na końcu ramienia. Skoro odległość od osi A5 do ciężaru roboczego wynosi 130mm to, ze wzoru na wysokość trójkąta prostokątnego przesunięcie na końcu ramienia dla każdego kroku silnika wyniesie:

130mm*tan(1.8° / 5.7) = 0.7mm

Czyli wystarczająco 😎

A teraz ciekawe gdzie się rąbnąłem w tych obliczeniach - na pewno okaże się to w praktyce 😉

EDIT:
Już widzę pierwszy błąd - nie uwzględniłem sprawności przekładni. Zakładam więc sprawność na poziomie 80% (dane z d.. powietrza). Więc muszę ją przewymiarować aby uwzględnić tę stratę: 5.7 / 0.8 = 7.1 : 1. To może dla świętego spokoju zbuduję 8:1 albo 9:1...

Edytowano 3 stycznia przez kubik

[kubik]

Oto ona, cała na biało. Przekładnia 9:1. Prze-myślana, prze-komplikowana, prze-inżynierowana. A na dodatek nie działa 😎

To znaczy działa, kręci się. Ale tak sobie, jest jeszcze kilka problemów do rozwiązania. Zasadniczy jest taki, że druk 3D - przynajmniej ten w moim wykonaniu - nie idzie zbytnio w parze z miniaturyzacją. A bardzo chciałem mieć ten mechanizm jak najmniejszy, cały czas pozostając przy paskach zębatych (bo są ciche, bo nie trzeba smarowania, bo mają mniejsze luzy niż drukowane koła zębate).

Konkretne problemy do rozwiązania:

1. Koło zębate ślizga mi się na osi silnika. Normalnie rozwiązywałem to tak, że wał dociskała śruba (albo i dwie) M5. Tutaj nie miałem na to miejsca, dałem tylko jeden pin M3 (widać dziurkę pod niego na zdjęciu poniżej). Miejsca nie miałem, bo ten hub odbiorczy z osi silnika, wchodzi z kolei w łożysko, na którym jest opasane koło wyjściowe. A to łożysko jest tam dlatego, żeby zaoszczędzić 10mm na wysokości przekładni.

2. Te duże koła zębate nie są okrągłe 🙄 Mają bardzo wyraźne bicie promieniowe. Co ciekawe, jak drukuję na drukarce zwykły okrągły krążek, albo kostkę XYZ, to wymiary są idealne, różnica <0.1mm pomiędzy osią X a Y. Drukuję koło zębate i nagle różnica wynosi 1mm. Jeszcze tego nie rozgryzłem.

3. Po zamontowaniu górnej pokrywy przekładnia prawie że przestaje się kręcić. Chociaż dolna i górna pokrywa na projekcie zgadzają się w wymiarach, to wszystkie niedokładności wydruku tutaj się sumują, tak że po wciśnięciu łożysk w górną pokrywę, słupki pod śruby nagle wychodzą o 3mm przesunięte względem siebie. To chyba rozwiążę w ten sposób, że podzielę górną pokrywę na dwa niezależne elementy - lewy i prawy. Stracę trochę na sztywności, ale w sumie dół jest wystarczająco sztywny sam w sobie.

Wszystkie składowe tworzące przekładnię:

I jeszcze poglądowo jak to w całości miało wyglądać:

Edytowano 7 stycznia przez kubik

[ethanak]

Skalibruj porządnie drukarkę (co to za model?) i usuń luzy - ja kółka zębate drukowałem z powodzeniem na Anetce A8.

[kubik]

Prusa Mini+. Będę musiał to zrobić, tylko nie daje mi spokoju dlaczego zwykłe okręgi się drukują dobrze 🙂

[ethanak]

1 godzinę temu, kubik napisał:

nie daje mi spokoju dlaczego zwykłe okręgi się drukują dobrze

To popatrz, co drukarka wyczynia drukując zębatkę 🙂 Luzy, zły naciąg pasków, ogólnie to sprawa mechaniki. Najlepiej zapytaj na reprapy.pl - tam trochę więcej wiedzą na ten temat.

[etet100]

Może trzeba dać silnik z osią ściętą? Albo w tym co masz lekko naciąć/spłaszczyć za pomocą szlifierki kątowej? Poza tym dlaczego tych śrubek nie dasz więcej na obwodzie? I ja bym metalowy gwint dał raczej blisko osi. Wtedy po pierwsze śruba będzie stabilniejsza blisko osi, po drugie siła dokręcenia jej nie wyrwie aż tak łatwo. No i te śruby ustalające mają różny kąt. Jedne w danym zastosowaniu trzymają mocniej, inne słabiej.

[kubik]

Dnia 7.01.2024 o 18:32, ethanak napisał:

Najlepiej zapytaj na reprapy.pl - tam trochę więcej wiedzą na ten temat.

Tak też zrobiłem, i faktycznie - okazało się, że miałem krzywo osie drukarki. Po skalibrowaniu jest ok 🙂

23 godziny temu, etet100 napisał:

Może trzeba dać silnik z osią ściętą? Albo w tym co masz lekko naciąć/spłaszczyć za pomocą szlifierki kątowej? Poza tym dlaczego tych śrubek nie dasz więcej na obwodzie? I ja bym metalowy gwint dał raczej blisko osi. Wtedy po pierwsze śruba będzie stabilniejsza blisko osi, po drugie siła dokręcenia jej nie wyrwie aż tak łatwo. No i te śruby ustalające mają różny kąt. Jedne w danym zastosowaniu trzymają mocniej, inne słabiej.

Ośka w kształcie D byłaby super, ale te silniki mają tylko okrągłe. A zmieniać silnik tylko z powodu problemu z odbiorem mocy, to dla mnie bez sensu.

Ale zrobię jak piszesz, daję drugą śrubkę w odległości 90 stopni od pierwszej + wydrukuję ten element nieco ciaśniejszy. A jak dalej się będzie ślizgać, to dam większe łożysko, co z kolei pozwoli wcisnąć większe śruby tam.

Kolega z reprapy.pl sugeruje jeszcze inne rozwiązanie - a mianowicie osadzenie wydrukowanego plastikowego koła na jakimkolwiek metalowym hubie z kołem zębatym (wtedy metalowy hub trzyma się mocno osi silnika, a plastikowe koło trzyma się mocno metalowego). Ale ja tutaj chciałbym aby moje rozwiązanie było łatwo powtarzalne - drukujesz elementy, montujesz i ci działa. Stąd też odpada szlifowanie osi.

[etet100]

27 minut temu, kubik napisał:

Ośka w kształcie D byłaby super, ale te silniki mają tylko okrągłe. A zmieniać silnik tylko z powodu problemu z odbiorem mocy, to dla mnie bez sensu.

TYLKO? Przecież porządne osadzenie tego koła to jest być albo nie być projektu.

[kubik]

No tak, "tylko". Bo przecież trzeba ten problem rozwiązać, a nie go pominąć 😉 Skoro silnik zaprojektowany pod 0.42N ma okrągłą oś, to zakładam że producent wie co robi i taka oś jest wystarczająca. Problem jest po mojej stronie. I chyba już go rozwiązałem, pierwsza próba z dwoma śrubami i ciasnym spasowaniem przeszła OK.

Swoją drogą nie byłem świadom co to znaczy takie niewinne 2.4Nm. To kurde w dłoni ciężko utrzymać, tak wykręca.

[etet100]

15 minut temu, kubik napisał:

Skoro silnik zaprojektowany pod 0.42N ma okrągłą oś, to zakładam że producent wie co robi i taka oś jest wystarczająca.

Może jest wystarczająca o ile koło wykonane jest "zgodnie ze sztuką". Tu mamy przypadkowy materiał, przypadkową technologię wykonania, przypadkowe tolerancje, przypadkowo sposób osadzania. Ma niestety prawo działać nieco gorzej niż planował producent.

[kubik]

Dowiedziałem się czegoś nowego odnośnie łożysk 😎 Są one tak zaprojektowane, że domyślnie mają pewien standardowy luz, który eliminuje się poprzez wprowadzenie do układu wstępnego obciążenia. Mówiąc krótko, aby pozbyć się luzów łożysko przy montażu trzeba zgnieść przeciwnymi siłami:

Niby to człowiek gdzieś tam podświadomie wiedział, ale mimo to gniazdo łożyskowe zaprojektowałem niepoprawnie - podpierało ono niepoprawnie oba pierścienie łożyska:

Tu widać zbyt małą średnicę otworu po środku (łożysko jest wciśnięte od drugiej strony), przez co wewnętrzny pierścień nie może się przesunąć względem zewnętrznego. Otwór po środku powinien mieć średnicę większą od średnicy pierścienie wewnętrznego łożyska. W tym miejscu poprawka to drobiazg, zabawniejsze jest za to moje rozwiązanie po drugiej stronie, gdzie na hub osi silnika wymyśliłem sobie, że wcisnę łożysko, a na nie z kolei nałożę koło zębate wyjściowe:

(pomarańczowe to hub, białe łożysko, szare koło wyjściowe)

Więc tutaj łożysko "wisi sobie w powietrzu", a ja jestem zdziwiony niepomiernie dlaczego mam takie duże luzy i wszystko mi lata 🙂

Edytowano 10 stycznia przez kubik