Für eine präzise automatisierte Positionierung denken Sie an mit Stepper-Motor-basierte lineare Aktuatoren.

Lineare Aktuatoren erzeugen im Wesentlichen Kraft und Bewegung durch eine gerade Linie. In einem typischen mechanischen System liefert die Ausgangswelle eines Geräts eine lineare Bewegung unter Verwendung eines Drehmotors durch Zahnräder, einen Riemen und eine Riemenscheibe oder andere mechanische Komponenten. Das Problem ist, dass diese Komponenten gekoppelt und ausgerichtet sein müssen. Schlimmer noch, sie verleihen einem System Verschleißelemente wie Reibung und Gegenreaktion. Für feinere Positionierungsbedürfnisse stammt eine effektivere und unkompliziertere Alternative von linearen Aktuatoren auf Steppermotorbasis.

Diese Geräte vereinfachen das Design einer Maschine oder eines Mechanismus, die eine präzise lineare Positionierung erfordert, da sie eine Rotary-zu-Linie-Umwandlung direkt im Motor liefern. Die Aktuatoren bewegen einen bestimmten Grad der Drehbewegung für jeden Impuls im elektrischen Eingang. Diese sogenannte „Tritt“ -Funktion und die Verwendung einer präzisen Lead-Schraube bieten eine präzise und wiederholbare Positionierung.

Stepper-Motor-Grundlagen
Um zu sehen, wie die Aktuatoren funktionieren, ist es hilfreich, die Grundlagen von Schrittmotoren zu verstehen. Verschiedene Arten von Steppermotoren umfassen variable Zurückhaltung (VR), Permanentmagnet (PM) und Hybrid. Diese Diskussion dreht sich um den Hybrid -Stepper, der ein hohes Drehmoment und eine feine Positionierungsauflösung bietet (1,8 oder 0,9 ° Schritt). In linearen Aktuatorsystemen finden sich Hybriden in Geräten wieXyTabellen, Blutanalysatoren, HLK-Geräte, kleine Gantry-Roboter, Ventilkontrollmechanismen und automatisierte Bühnenbeleuchtungssysteme.

Unter der Motorhaube eines Hybrid-Steppers sitzt ein Permanentmagnet-Rotor und ein mit einer Spulenwicklung eingewickelter Stahlstator. Das Energieversorgung der Spule erzeugt ein elektromagnetisches Feld mit Nord- und Südpolen. Das Stator führt das Magnetfeld durch und veranlasst den Rotor, sich mit dem Feld auszurichten. Da nacheinander annehmende Spulenwickungen das Magnetfeld verändert und jeder Eingangsimpuls oder -schritt veranlasst, dass sich der Rotor je nach Hybridmodell 0,9 oder 1,8 Rotationsgrad bewegt. In einem linearen Stepper-Motor-Aktuator beteiligt sich eine in den Rotor eingebettete Präzisionsmutter mit der Bleischraube (die eine herkömmliche Welle ersetzt).

Die Bleischraube bietet eine lineare Kraft unter Verwendung des einfachen mechanischen Prinzips der geneigten Ebene. Stellen Sie sich eine Stahlwelle mit einer Rampe oder einer geneigten Ebene vor. Der mechanische Vorteil oder die Kraftverstärkung wird durch den Winkel der Rampe bestimmt, der eine Funktion des Schraubendurchmessers, der Blei (axialer Abstand ein Schraubengewinde in einer einzigen Revolution) und der Tonhöhe (axialer Abstand zwischen benachbarten Gewindeformen).

Die Bleischraubenfäden übersetzen eine kleine Rotationskraft in eine große Lastfähigkeit, abhängig von der Rampensteilheit (Fadenführung). Ein kleines Blei bietet eine höhere Kraft, aber niedrigere lineare Geschwindigkeiten. Eine große Blei ergibt eine niedrigere Kraft, aber eine höhere lineare Geschwindigkeit aus derselben Drehleistung. In einigen Konstruktionen besteht die in den Rotor eingebettete Power-Nuss aus einer Bronze mit Lagerqualität, die sich für die Bearbeitung von inneren Fäden eignet. Bronze ist jedoch ein technischer Kompromiss zwischen Schmierigkeit und physischer Stabilität. Ein besseres Material ist ein geschmiertes Thermoplastik mit einem viel geringeren Reibungskoeffizienten an der Nuss-Screw-Faden-Grenzfläche.

Sprungsequenzen
Zu den Schemata zum Fahren eines Schrittmotors gehören das Treten von „One Phase on“ und „Two Phase On“.

In einer "Einphase-on" -Sequenz für einen vereinfachten zweiphasigen Motor zeigt Schritt 1 Phase A des energiegeladenen Stators. Dies sperrt den Rotor magnetisch, da im Gegensatz zu Polen anziehen. Durch die Drehung der Phase A O und B auf den Rotor bewegt sich der Rotor 90 ° im Uhrzeigersinn (Schritt 2). In Schritt 3 ist Phase B O und Phase A eins, aber mit der Polarität von Schritt 1 umgekehrt. Der Rotor dreht sich um weitere 90 °. In Schritt 4 wird Phase A O gedreht und Phase B wird eingeschaltet, wobei die Polarität von Schritt 2 umgekehrt ist. Die Wiederholung dieser Sequenz bewirkt, dass sich der Rotor in 90 ° Schritten im Uhrzeigersinn bewegt.

In der Sequenz „Zweiphase on“ sind beide motorischen Phasen immer mit Energie versorgt, und nur die Polarität von einem Phasenschalter. Dies führt dazu, dass sich der Rotor zwischen dem „durchschnittlichen“ Norden und den „durchschnittlichen“ Südmagnetpolen ausrichtet. Da beide Phasen immer eingeschaltet sind, liefert diese Methode 41,4% mehr Drehmoment als eine Phase auf dem Schritt.

Obwohl Plastik für die Fäden gut funktioniert, ist es leider nicht stabil genug für die Lagerzeitschriften im Hybrid -Stepper -Design. Das liegt daran, dass plastische Zeitschriften unter einem kontinuierlichen Zustand der Plastik viermal so viel erweitern können wie Messingjournale. Diese Menge ist inakzeptabel, da für das Motordesign den Luftspalt von Stator zu rotor nur wenige Tausendstel Zoll betragen muss. Ein Umgang mit diesem Problem besteht darin, Kunststofffäden in einer Messinghülle zu injizieren, die in den Dauermagnetrotor eingeführt wird. Dieser Ansatz erhöht die Kraftlebensdauer und sorgt für eine geringe Reibung bei der Aufrechterhaltung der Stabilität der Lager-Journal.

Von den verschiedenen Arten von Haydon-Aktuatoren verfügen „Captive“ -Geräte über einen eingebauten Antirotationsmechanismus. Diese Konfiguration bietet einen maximalen Hub von bis zu 2,5 Zoll und entspricht Anwendungen wie Präzisionsflüssigkeitsabgabe, Gaskontrolle und Ventilbewegung. Andere Arten vonHaydonLineare Aktuatoren sind die „nicht faufe“ und „externe lineare“, die Anwendungen entsprechen, die einen längeren Schlaganfall benötigen, z.XyBewegungssysteme und Bildgebungssysteme.

Einen Aktuator dimensionieren
Ein Anwendungsbeispiel zeigt am besten, wie ein Aktuator gegrüßt. Betrachten Sie die folgenden Parameter:

Lineare Kraft, die erforderlich ist, um die Last = 15 lb (67 n) zu bewegen
Lineare Abstand, m, die Last muss bewegt werden.
Zeit,t, um die Last in Sekunden zu bewegen = 6 Sekunden
Zielzahl von Zyklen = 1.000.000

Es gibt vier Schritte, um einen linearen Stepper-Motor-Aktuator zu dienen: 1) Bestimmen Sie die anfängliche Kraftbewertung des Aktuators, die erforderlich ist, um die erforderliche Lebensdauer zu erfüllen. 2) die Geschwindigkeit in Millimetern/Sekunde bestimmen; 3) Wählen Sie die ordnungsgemäße Größe der Aktuatorrahmen; und 4) die ordnungsgemäße Schraubenauflösung basierend auf Kraftanforderungen bestimmen.

Der beste Weg, um das Leben vorherzusagen, besteht darin, dass Bewerbungstests sehr empfohlen werden. Eine Technik mit derProzentuale Last gegen die Anzahl der ZyklenKurve dient als gute erste Annäherung. Steppermotoren haben keine Bürsten, die sich abnutzen können, und sie verwenden Präzisions-Langzeitkugellager, sodass die Hauptkomponente der Hauptverschleiß die Kraftmutter ist. Daher ist die Anzahl der Zyklen, die ein Gerät dauert, während die Entwurfspezifikationen erfüllt werden, eine Funktion der Last.

Beziehen Sie sich auf dieProzentuale Last gegen die Anzahl der ZyklenDiagramm, um den korrekten Größenfaktor für den Aktuator zu bestimmen, um den 1.000.000 Zyklen standzuhalten. Dies stellt sich als 50% heraus - ein Faktor von 0,5. Die anfängliche Nennleistung N, die zur Erfüllung der Last nach 1.000.000 Zyklen erforderlich ist, beträgt daher 15 lb/0,5 = 30 lb oder 133 N.

Bestimmen Sie nun die erforderliche lineare mechanische Leistung in Watts:

P_linear= (N × m)/t

In unserem Beispiel wird dies (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W

Verwenden Sie mit diesen Daten dieAktuatorrahmengrößeTabelle, um die richtige Rahmengröße auszuwählen. Alle linearen Stepper-Motor-Aktuatoren benötigen ein Laufwerk, um Impulse an den Motor zu senden. Beachten Sie, dass in der Tabelle die Leistung sowohl für ein L/R -Laufwerk (konstante Spannung) als auch für einen Chopper -Antrieb (konstanter Strom) aufgeführt ist. Sofern die Anwendung nicht batteriebetrieben wird (wie bei einem handgehaltenen tragbaren Gerät), empfehlen Hersteller einen Hubschrauberlaufwerk für maximale Leistung. In diesem Beispiel zeigt eine Überprüfung der Chopper-Antriebsstromspezifikationen in der Tabelle die Haydon 43000-Serie (Größe 17 Hybrid) am engsten der 1,7-W-Anforderung. Diese Auswahl entspricht den Lastanforderungen, ohne das System zu entwerfen.

Berechnen Sie als nächstes die lineare Geschwindigkeit (IPS). Dies ist gegeben durchm/tund kommt zu 3 in.6 Sek. = 0,5 iPs. Verwenden Sie mit optimierter Rahmengröße (Größe 17 Hybrid) und linearer Geschwindigkeit (0,5 IPS) in der Hand das entsprechendeKraft gegen lineare GeschwindigkeitKurve, um die ordnungsgemäße Auflösung der Leitschraube der Aktuator zu bestimmen. In diesem Fall beträgt die benötigte Leitschraubenauflösung 0,00048 Zoll.

Erinnern Sie sich daran, dass die Lead -Wechsel auf der Grundlage der Anzahl der Eingangsschritte zum Motor vorschaltet. Leistungskurven werden sowohl in "IPS" als auch in "Schritten/Sekunden" ausgedrückt. Überprüfen Sie die Kraft, um Ihre Auswahl zu überprüfenKraft gegen PulsfrequenzKurve, wobei: Auflösung gewählt = 0,00048 in

Das Aufstellen von 1.041 als X-Achse-Wert (Pulsfrequenz) und das Zeichnen einer senkrechten Linie von diesem Punkt zur Kurve zeigt den y-Achsewert (Kraft) 30. Daher ist die Auswahl korrekt.