Für eine präzise automatisierte Positionierung empfiehlt sich der Einsatz von linearen Aktuatoren auf Schrittmotorbasis.

Linearantriebe erzeugen Kraft und Bewegung geradlinig. In einem typischen mechanischen System wird die lineare Bewegung über die Abtriebswelle eines Geräts mithilfe eines Rotationsmotors und Zahnrädern, Riemenscheiben oder anderen mechanischen Komponenten erzeugt. Das Problem dabei ist, dass diese Komponenten gekoppelt und ausgerichtet werden müssen. Erschwerend kommt hinzu, dass sie Verschleißelemente wie Reibung und Spiel verursachen. Für präzisere Positionierungsanforderungen bieten schrittmotorbasierte Linearantriebe eine effektivere und einfachere Alternative.

Diese Vorrichtungen vereinfachen die Konstruktion von Maschinen oder Mechanismen, die eine präzise lineare Positionierung erfordern, da sie die Dreh- in Linearbewegung direkt im Motor umwandeln. Die Aktuatoren führen bei jedem elektrischen Eingangsimpuls eine bestimmte Drehbewegung aus. Diese sogenannte Schrittfunktion und die Verwendung einer präzisen Gewindespindel gewährleisten eine genaue und wiederholbare Positionierung.

Grundlagen von Schrittmotoren
Um die Funktionsweise der Aktuatoren zu verstehen, ist es hilfreich, die Grundlagen von Schrittmotoren zu kennen. Zu den verschiedenen Arten von Schrittmotoren gehören Reluktanzmotoren (VR), Permanentmagnetmotoren (PM) und Hybridmotoren. Diese Erläuterung konzentriert sich auf den Hybrid-Schrittmotor, der ein hohes Drehmoment und eine feine Positioniergenauigkeit (1,8° oder 0,9°-Schrittweite) bietet. In linearen Aktuatorsystemen werden Hybridmotoren beispielsweise in folgenden Geräten eingesetzt:XYTische, Blutanalysegeräte, HLK-Anlagen, kleine Portalroboter, Ventilsteuerungsmechanismen und automatisierte Bühnenbeleuchtungssysteme.

Im Inneren eines Hybrid-Schrittmotors befinden sich ein Permanentmagnetrotor und ein Stahlstator mit einer Spulenwicklung. Durch Anlegen einer Spannung an die Spule entsteht ein elektromagnetisches Feld mit Nord- und Südpol. Der Stator leitet das Magnetfeld und richtet den Rotor entsprechend aus. Da das Magnetfeld durch das sequentielle An- und Abschalten der Spulenwicklung verändert wird, bewirkt jeder Eingangsimpuls bzw. Schritt eine schrittweise Drehung des Rotors um 0,9 oder 1,8 Grad, abhängig vom Hybridmodell. Bei einem linearen Schrittmotorantrieb greift eine im Rotor eingebettete Präzisionsmutter in die Gewindespindel ein (die eine herkömmliche Welle ersetzt).

Die Gewindespindel erzeugt eine lineare Kraft mithilfe des einfachen mechanischen Prinzips der schiefen Ebene. Man kann sich eine Stahlwelle vorstellen, um die eine Rampe oder schiefe Ebene gewickelt ist. Die mechanische Übersetzung bzw. die Kraftverstärkung wird durch den Winkel der Rampe bestimmt, der wiederum vom Spindeldurchmesser, der Steigung (axiale Strecke, die ein Gewindegang pro Umdrehung zurücklegt) und der Gewindesteigung (axialer Abstand zwischen benachbarten Gewindegängen) abhängt.

Die Gewinde der Leitspindel wandeln eine geringe Drehkraft in eine hohe Tragfähigkeit um, abhängig von der Steigung (Gewindesteigung). Eine geringe Steigung ermöglicht eine höhere Kraft, aber niedrigere Umfangsgeschwindigkeiten. Eine große Steigung hingegen ermöglicht eine geringere Kraft, aber eine höhere Umfangsgeschwindigkeit bei gleicher Drehkraft. Bei manchen Konstruktionen besteht die im Rotor integrierte Antriebsmutter aus Wälzlagerbronze, die sich gut für die Bearbeitung von Innengewinden eignet. Bronze stellt jedoch einen Kompromiss zwischen Schmierfähigkeit und Stabilität dar. Ein besserer Werkstoff ist ein geschmierter Thermoplast mit einem deutlich niedrigeren Reibungskoeffizienten an der Kontaktfläche zwischen Mutter und Gewinde.

Schrittfolgen
Zu den Schaltungen für den Ansteuern eines Schrittmotors gehören das „Einphasen-Schrittverfahren“ und das „Zweiphasen-Schrittverfahren“.

Bei einem vereinfachten Zweiphasenmotor mit einphasigem Betrieb zeigt Schritt 1 die Bestromung von Phase A des Stators. Dadurch wird der Rotor magnetisch blockiert, da sich ungleiche Pole anziehen. Durch das Abschalten von Phase A und das Einschalten von Phase B dreht sich der Rotor um 90° im Uhrzeigersinn (Schritt 2). In Schritt 3 ist Phase B ausgeschaltet und Phase A eingeschaltet, jedoch mit umgekehrter Polarität gegenüber Schritt 1. Dies bewirkt eine weitere Drehung des Rotors um 90°. In Schritt 4 wird Phase A ausgeschaltet und Phase B eingeschaltet, wobei die Polarität gegenüber Schritt 2 umgekehrt ist. Durch die Wiederholung dieser Sequenz dreht sich der Rotor in 90°-Schritten im Uhrzeigersinn.

Bei der „Zweiphasen-Ansteuerung“ sind beide Motorphasen stets bestromt, lediglich die Polarität einer Phase ändert sich. Dadurch richtet sich der Rotor zwischen dem mittleren Nord- und Südpol aus. Da beide Phasen permanent eingeschaltet sind, liefert dieses Verfahren 41,4 % mehr Drehmoment als die Einphasen-Ansteuerung.

Leider eignet sich Kunststoff zwar gut für die Gewinde, ist aber für die Lagerzapfen im Hybrid-Schrittmotor nicht stabil genug. Denn unter Dauerlast dehnen sich Kunststoffzapfen bis zu viermal so stark aus wie Messingzapfen. Diese Ausdehnung ist inakzeptabel, da der Luftspalt zwischen Stator und Rotor laut Motorkonstruktion nur wenige Tausendstel Zoll betragen muss. Eine Lösung besteht darin, Kunststoffgewinde in eine Messinghülse einzuspritzen, die in den Permanentmagnetrotor eingesetzt wird. Dieses Verfahren erhöht die Lebensdauer des Motors, reduziert die Reibung und erhält gleichzeitig die Stabilität der Lagerzapfen.

Von den verschiedenen Haydon-Stellantrieben verfügen die „geführten“ über einen eingebauten Verdrehsicherungsmechanismus. Diese Bauart ermöglicht einen maximalen Hub von bis zu 63,5 mm (2,5 Zoll) und eignet sich für Anwendungen wie präzise Flüssigkeitsdosierung, Drosselklappensteuerung und Ventilbewegung. Andere Arten vonHaydonLineare Aktuatoren werden in „nicht-geführte“ und „externe lineare“ Aktuatoren unterteilt, die sich für Anwendungen eignen, die einen längeren Hub erfordern, wie beispielsweise den Transport von Blutröhrchen durch kleine Portalroboter.XYBewegungssysteme und Bildgebungssysteme.

Dimensionierung eines Aktuators
Ein Anwendungsbeispiel veranschaulicht am besten die Dimensionierung eines Aktuators. Berücksichtigen Sie die folgenden Parameter:

Lineare Kraft, die zum Bewegen der Last erforderlich ist = 15 lb (67 N)
Lineare Entfernung, m, die die Last bewegen muss = 3 Zoll (0,0762 m)
Zeit,t, benötigte Zeit zum Bewegen der Last = 6 Sekunden
Zielanzahl der Zyklen = 1.000.000

Die Dimensionierung eines Schrittmotor-Linearantriebs erfolgt in vier Schritten: 1) Ermittlung der Anfangskraft des Aktuators, die für die erforderliche Lebensdauer notwendig ist; 2) Ermittlung der Geschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde; 3) Auswahl der passenden Aktuator-Gehäusegröße; und 4) Ermittlung der passenden Spindelauflösung basierend auf den Kraftanforderungen.

Die beste Methode zur Vorhersage der Lebensdauer ist die Durchführung von Anwendungstests, die dringend empfohlen werden. Eine Technik, die Folgendes nutzt:Prozentuale Belastung im Verhältnis zur Anzahl der ZyklenDie Kurve dient als gute erste Näherung. Schrittmotoren haben keine verschleißanfälligen Bürsten und verwenden präzise, ​​langlebige Kugellager; daher ist die Antriebsmutter das Hauptverschleißteil. Die Anzahl der Zyklen, die ein Gerät durchhält und dabei die Konstruktionsspezifikationen noch erfüllt, ist daher von der Last abhängig.

Siehe dieProzentuale Belastung im Verhältnis zur Anzahl der ZyklenAnhand einer Tabelle lässt sich der korrekte Dimensionierungsfaktor für den Aktor ermitteln, der 1.000.000 Zyklen standhält. Dieser beträgt 50 % – ein Faktor von 0,5. Die anfängliche Nennkraft N, die erforderlich ist, um die Last nach 1.000.000 Zyklen zu bewältigen, beträgt somit 15 lb / 0,5 = 30 lb oder 133 N.

Ermitteln Sie nun die benötigte lineare mechanische Leistung in Watt:

P_linear= (N × m)/t

In unserem Beispiel ergibt sich daraus (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W.

Verwenden Sie mit diesen Daten dieAktuatorrahmengrößeTabelle zur Auswahl der passenden Baugröße. Alle Linearantriebe mit Schrittmotor benötigen einen Treiber zur Ansteuerung des Motors. Die Tabelle enthält die Leistungsangaben für einen L/R-Treiber (Konstantspannung) und einen Chopper-Treiber (Konstantstrom). Sofern die Anwendung nicht batteriebetrieben ist (z. B. bei einem tragbaren Gerät), empfehlen Hersteller für maximale Leistung dringend einen Chopper-Treiber. In diesem Beispiel zeigt ein Blick auf die Leistungsdaten des Chopper-Treibers in der Tabelle, dass die Haydon 43000 Serie (Baugröße 17 Hybrid) die Anforderung von 1,7 W am besten erfüllt. Diese Wahl erfüllt die Lastanforderungen, ohne das System zu überdimensionieren.

Berechnen Sie als Nächstes die lineare Geschwindigkeit (ips). Diese ergibt sich ausm/tund entspricht 3 Zoll/6 Sekunden = 0,5 ips. Mit der optimierten Rahmengröße (Größe 17 Hybrid) und der linearen Geschwindigkeit (0,5 ips) verwenden Sie die entsprechendeKraft versus lineare GeschwindigkeitAnhand einer Kurve wird die geeignete Auflösung der Aktuatorspindel ermittelt. In diesem Fall beträgt die benötigte Spindelauflösung 0,00048 Zoll.

Beachten Sie, dass die Spindelbewegung von der Anzahl der Eingangsschritte des Motors abhängt. Die Leistungskennlinien werden sowohl in „ips“ als auch in „Schritten/s“ angegeben. Um Ihre Auswahl zu überprüfen, messen Sie die Kraft bei der erforderlichen Schrittfrequenz anhand der folgenden Angaben:Kraft versus PulsfrequenzKurve, wobei: Gewählte Auflösung = 0,00048 Zoll/Schritt Erforderliche lineare Geschwindigkeit = 0,5 ips Erforderliche Schrittrate = (0,5 ips)/ (0,00048 Zoll/Schritt) = 1.041 Schritte.

Trägt man 1041 als Wert auf der X-Achse (Pulsfrequenz) auf und zieht von diesem Punkt aus eine Senkrechte zur Kurve, so ergibt sich ein Wert von 30 auf der Y-Achse (Kraft). Daher ist die Auswahl korrekt.