Denken Sie für eine präzise automatisierte Positionierung an schrittmotorbasierte Linearantriebe.

Linearaktuatoren erzeugen Kraft und Bewegung im Wesentlichen geradlinig. In einem typischen mechanischen System sorgt die Ausgangswelle eines Geräts mithilfe eines Drehmotors über Zahnräder, einen Riemen und eine Riemenscheibe oder andere mechanische Komponenten für eine lineare Bewegung. Das Problem ist, dass diese Komponenten gekoppelt und ausgerichtet werden müssen. Schlimmer noch: Sie fügen einem System Verschleißelemente wie Reibung und Spiel hinzu. Für feinere Positionierungsanforderungen sind schrittmotorbasierte Linearantriebe eine effektivere und einfachere Alternative.

Diese Geräte vereinfachen die Konstruktion einer Maschine oder eines Mechanismus, die eine präzise lineare Positionierung erfordert, da sie die Umwandlung von Rotation in Linear direkt im Motor ermöglichen. Die Aktuatoren bewegen sich bei jedem elektrischen Eingangsimpuls um einen bestimmten Grad an Drehbewegung. Diese sogenannte „Stepping“-Funktion und die Verwendung einer präzisen Leitspindel sorgen für eine präzise und wiederholbare Positionierung.

Grundlagen des Schrittmotors
Um zu verstehen, wie die Aktoren funktionieren, ist es hilfreich, die Grundlagen von Schrittmotoren zu verstehen. Zu den verschiedenen Arten von Schrittmotoren gehören variable Reluktanzmotoren (VR), Permanentmagnetmotoren (PM) und Hybridmotoren. Diese Diskussion konzentriert sich auf den Hybrid-Schrittmotor, der ein hohes Drehmoment und eine feine Positionierungsauflösung (1,8 oder 0,9° Schritt) bietet. In linearen Aktuatorsystemen finden sich Hybride in Geräten wie zXYTische, Blutanalysegeräte, HVAC-Geräte, kleine Portalroboter, Ventilsteuerungsmechanismen und automatisierte Bühnenbeleuchtungssysteme.

Unter der Haube eines Hybrid-Schrittmotors sitzen ein Permanentmagnetrotor und ein mit einer Spulenwicklung umwickelter Stahlstator. Durch Erregen der Spule entsteht ein elektromagnetisches Feld mit Nord- und Südpolen. Der Stator leitet das Magnetfeld, wodurch sich der Rotor nach dem Feld ausrichtet. Da die sequentielle Erregung und Entregung der Spulenwicklungen das Magnetfeld verändert, führt jeder Eingangsimpuls oder Schritt dazu, dass sich der Rotor je nach Hybridmodell schrittweise um 0,9 oder 1,8 Grad dreht. Bei einem Schrittmotor-Linearantrieb greift eine im Rotor eingebettete Präzisionsmutter mit Gewinde in die Leitspindel ein (die eine herkömmliche Welle ersetzt).

Die Leitspindel sorgt mithilfe des einfachen mechanischen Prinzips der schiefen Ebene für eine lineare Kraft. Stellen Sie sich einen Stahlschacht vor, um den eine Rampe oder eine schiefe Ebene gewickelt ist. Der mechanische Vorteil oder die Kraftverstärkung wird durch den Winkel der Rampe bestimmt, der eine Funktion des Schraubendurchmessers, der Steigung (axialer Abstand, den ein Schraubengewinde bei einer einzelnen Umdrehung vorrückt) und der Steigung (axialer Abstand, gemessen zwischen benachbarten Gewindeformen) ist.

Abhängig von der Rampensteilheit (Gewindesteigung) übersetzen die Gewinde der Leitspindel eine kleine Rotationskraft in eine große Belastbarkeit. Eine kleine Steigung sorgt für eine höhere Kraft, aber geringere lineare Geschwindigkeiten. Eine große Steigung führt zu einer geringeren Kraft, aber einer höheren linearen Geschwindigkeit bei gleicher Drehkraftquelle. Bei einigen Konstruktionen besteht die im Rotor eingebettete Antriebsmutter aus einer Lagerbronze, die sich für die Bearbeitung von Innengewinden eignet. Aber Bronze ist ein technischer Kompromiss zwischen Gleitfähigkeit und physikalischer Stabilität. Ein besseres Material ist ein geschmierter Thermoplast mit einem viel niedrigeren Reibungskoeffizienten an der Mutter-Schrauben-Gewindeschnittstelle.

Schrittsequenzen
Zu den Schemata zum Antreiben eines Schrittmotors gehören „Ein-Phasen-Ein“-Schritte und „Zwei-Phasen-Ein“-Schritte.

In einer „Ein-Phasen-Ein“-Sequenz für einen vereinfachten Zweiphasenmotor zeigt Schritt 1 Phase A des bestromten Stators. Dadurch wird der Rotor magnetisch verriegelt, da sich ungleiche Pole anziehen. Durch Einschalten von Phase A und B bewegt 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. Dadurch dreht sich der Rotor um weitere 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 bewegt sich der Rotor in 90°-Schritten im Uhrzeigersinn.

In der „Zwei-Phasen-Ein“-Sequenz sind immer beide Motorphasen bestromt und nur die Polarität einer Phase wechselt. Dadurch richtet sich der Rotor zwischen dem „durchschnittlichen“ Nord- und dem „durchschnittlichen“ Südmagnetpol aus. Da beide Phasen immer eingeschaltet sind, liefert diese Methode 41,4 % mehr Drehmoment als das „Ein-Phasen-Einschalten“.

Leider eignet sich Kunststoff zwar gut für die Gewinde, ist aber für die Lagerzapfen im Hybrid-Stepper-Design nicht stabil genug. Das liegt daran, dass sich Kunststofflagerzapfen unter kontinuierlicher Volllast viermal so stark ausdehnen können wie Messinglagerzapfen. Dieser Wert ist nicht akzeptabel, da die Motorkonstruktion erfordert, dass der Luftspalt zwischen Stator und Rotor nur wenige Tausendstel Zoll beträgt. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, Kunststoffgewinde in eine Messinghülse zu spritzen, die in den Permanentmagnetrotor eingesetzt wird. Dieser Ansatz erhöht die Lebensdauer des Motors und sorgt für geringe Reibung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Stabilität des Lagerzapfens.

Von den verschiedenen Arten von Haydon-Aktuatoren verfügen die „Captive“-Geräte über einen eingebauten Antirotationsmechanismus. Diese Konfiguration bietet einen maximalen Hub von bis zu 2,5 Zoll und eignet sich für Anwendungen wie präzise Flüssigkeitsdosierung, Drosselklappensteuerung und Ventilbewegung. Andere Arten vonHaydonLinearantriebe sind „nicht gefangene“ und „externe lineare“ Antriebe, die für Anwendungen geeignet sind, die einen längeren Hub erfordern, wie z. B. die Übertragung von Blutröhrchen durch kleine Portalroboter.XYBewegungssysteme und Bildgebungssysteme.

Dimensionierung eines Aktuators
Ein Anwendungsbeispiel zeigt am besten, wie ein Aktuator dimensioniert wird. Berücksichtigen Sie die folgenden Parameter:

Zum Bewegen der Last erforderliche lineare Kraft = 15 lb (67 N)
Lineare Entfernung, m, die Last muss bewegt werden = 3 Zoll (0,0762 m)
Zeit,t, benötigt zum Bewegen der Last in Sekunden = 6 Sekunden
Zielanzahl der Zyklen = 1.000.000

Die Dimensionierung eines Schrittmotor-Linearaktuators erfolgt in vier Schritten: 1) Bestimmen Sie die anfängliche Nennkraft des Aktuators, die erforderlich ist, um die erforderliche Lebensdauer zu erreichen. 2) Bestimmen Sie die Geschwindigkeit in Millimetern/Sekunde; 3) Wählen Sie die richtige Rahmengröße des Stellantriebs; und 4) Bestimmen Sie die richtige Schraubenauflösung basierend auf den Kraftanforderungen.

Der beste Weg, die Lebensdauer vorherzusagen, sind Anwendungstests, die dringend empfohlen werden. Eine Technik, die das verwendetProzentuale Belastung im Verhältnis zur Anzahl der ZyklenDie Kurve dient als gute erste Näherung. Schrittmotoren haben keine Bürsten, die sich abnutzen könnten, und sie verwenden präzise, ​​langlebige Kugellager, sodass die Hauptverschleißkomponente die Antriebsmutter ist. Daher ist die Anzahl der Zyklen, die ein Gerät durchhält, ohne die Designspezifikationen zu erfüllen, eine Funktion der Last.

Siehe dieProzentuale Belastung im Verhältnis zur Anzahl der ZyklenMithilfe der Tabelle können Sie den richtigen Dimensionierungsfaktor ermitteln, damit der Aktuator den 1.000.000 Zyklen standhält. Dies ergibt 50 % – ein Faktor von 0,5. Die anfängliche Nennkraft N, die erforderlich ist, um die Last nach 1.000.000 Zyklen zu erfüllen, beträgt daher 15 lb/0,5 = 30 lb oder 133 N.

Bestimmen Sie nun die benötigte lineare mechanische Leistung in Watt:

P_linear= (N × m)/t

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

Verwenden Sie mit diesen Daten dieGröße des AktuatorrahmensTabelle zur Auswahl der richtigen Rahmengröße. Alle Schrittmotor-Linearaktuatoren benötigen einen Antrieb, um Impulse an den Motor zu senden. Beachten Sie, dass in der Tabelle die Leistung sowohl für einen L/R-Antrieb (Konstantspannung) als auch für einen Chopper-Antrieb (Konstantstrom) aufgeführt ist. Sofern die Anwendung nicht batteriebetrieben ist (wie bei einem tragbaren Handgerät), empfehlen die Hersteller dringend einen Chopper-Antrieb für maximale Leistung. In diesem Beispiel zeigt eine Überprüfung der Leistungsspezifikationen des Häckslerantriebs in der Tabelle, dass die Haydon 43000-Serie (Größe 17 Hybrid) die 1,7-W-Anforderung am besten erfüllt. Diese Auswahl erfüllt die Lastanforderungen, ohne das System zu überdimensionieren.

Berechnen Sie als Nächstes die lineare Geschwindigkeit (ips). Dies ist gegeben durchm/tund beträgt 3 Zoll/6 Sek. = 0,5 ips. Verwenden Sie bei optimierter Rahmengröße (Größe 17 Hybrid) und linearer Geschwindigkeit (0,5 ips) die entsprechendeKraft versus lineare GeschwindigkeitKurve, um die richtige Auflösung der Antriebsspindel zu bestimmen. In diesem Fall beträgt die erforderliche Spindelauflösung 0,00048 Zoll.

Denken Sie daran, dass sich die Leitspindel basierend auf der Anzahl der Eingangsschritte zum Motor vorwärtsbewegt. Leistungskurven werden sowohl in „IPS“ als auch in „Schritten/Sek.“ ausgedrückt. Um Ihre Auswahl zu überprüfen, überprüfen Sie die Kraft bei der erforderlichen Schrittfrequenz anhand derKraft 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.

Wenn Sie 1.041 als X-Achsenwert (Pulsfrequenz) eintragen und eine senkrechte Linie von diesem Punkt zur Kurve zeichnen, ergibt sich, dass der Y-Achsenwert (Kraft) 30 beträgt. Daher ist die Auswahl korrekt.