In unzähligen Maschinen befinden sich lineare Bewegungssysteme, einschließlich Präzisionslaserschneidsystemen, Laborautomatisierungsgeräte, Halbleiterfabrikmaschinen, CNC -Maschinen, Fabrikautomatisierung und vielen anderen zu zahlreichen, um sie aufzulisten. Sie reichen von relativ einfach wie ein kostengünstiger Sitzantrieb in einem Passagierfahrzeug bis hin zu einem komplexen Multi-Achs-Koordinatensystem mit Steuer- und Antriebselektronik für die Positionierung mit geschlossenen Schleife. Unabhängig davon, wie einfach oder komplex das lineare Bewegungssystem auf der grundlegendsten Ebene haben, haben sie alle eines gemeinsam: eine Last in einer bestimmten Zeit durch einen linearen Abstand zu bewegen.

Eine der häufigsten Fragen bei der Gestaltung eines linearen Bewegungssystems dreht sich auf die Motorechnologie. Sobald die Technologie ausgewählt ist, muss der Motor dimensioniert werden, um den Anforderungen der Lastbeschleunigung, der Überwindung der Reibung im System und der Überwindung der Wirkung der Schwerkraft, gleichzeitig eine sichere maximale Betriebstemperatur zu überwinden. Das Drehmoment, die Geschwindigkeit, die Leistung und die Positionierungsfähigkeit des Motors sind eine Funktion des Motordesigns, gepaart mit Antrieb und Steuerung.

Mit welchem ​​Motor soll ich beginnen?

Bei der Gestaltung eines linearen Bewegungssystems mit einer bestimmten Motorechnologie sind viele Anwendungsfragen zu berücksichtigen. Eine erschöpfende Erklärung des gesamten Prozesses liegt außerhalb des Rahmens dieses Artikels. Die Absicht ist es, Sie darüber nachzudenken, die richtigen Fragen zu stellen, wenn Sie mit einem Motorlieferanten sprechen.

Es gibt nicht den besten Motor für jede Anwendung, sondern den besten Motor für eine bestimmte Anwendung. In der überwiegenden Mehrheit der inkrementellen Bewegungsanwendungen ist die Auswahl entweder ein Schrittmotor, ein Bürstenmotor oder ein bürstenloser Gleichstrommotor. Die komplexesten Bewegungssysteme können lineare Motoren verwenden, die direkt an die Last gekoppelt sind, wodurch die Notwendigkeit einer mechanischen Leistungsumwandlung vermieden wird. Es besteht keine Übersetzung durch eine Blei-/Kugelschraube, ein Getriebe oder eine Riemenscheibe -System. Obwohl maximale Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Positionierungsauflösung mit linearen Direktantriebs-Servosystemen aus Coreless erreicht werden können, sind sie im Vergleich zu Rotationsmotoren die höchsten Kosten und Komplexität. Eine Architektur mit Rotationsmotoren ist viel günstiger und erfüllt die meisten linearen Bewegungsanwendungen. Es ist jedoch einige Mittel zur Umwandlung von „Rotary-zu-linear“ (und infolgedessen eine Stromumrechnung) erforderlich, um die Last zu fahren.

Stepper, Bürsten und bürstenlose Motoren gelten alle als DC -Motoren. Es gibt jedoch Feinheiten, die dazu führen, dass ein Ingenieur in einer bestimmten Anwendung einen Typ gegenüber den beiden anderen bevorzugt. Es muss betont werden, dass diese Wahl in hohem Maße von den Entwurfsanforderungen des Systems abhängt, nicht nur in Bezug auf Geschwindigkeit und Drehmoment, sondern auch die Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit, Wiederholbarkeit und Auflösung. Für jede Anwendung gibt es keinen perfekten Motor, und alle Entscheidungen erfordern Design-Kompromisse. Auf der grundlegendsten Ebene arbeiten alle Motoren, unabhängig davon, ob sie AC oder DC, Pinsel, bürstenlos oder ein anderer Elektromotor in dieser Angelegenheit bezeichnet werden, unter demselben Physikprinzip, um Drehmoment zu erzeugen: die Wechselwirkung von Magnetfeldern. Es gibt jedoch dramatische Unterschiede in der Art und Weise, wie diese verschiedenen motorischen Technologien in bestimmten Anwendungen reagieren. Die Gesamtmotorleistung, die Reaktion und die Drehmomenterzeugung hängen von der Methode der Feldanregung und der Magnetkreisgeometrie ab, die dem physischen Motorkonstruktion inhärent ist, die Steuerung der Eingangsspannung und des Stroms durch den Controller/Laufwerk sowie die Methode der Geschwindigkeits- oder Position Feedback, falls die Anwendung erforderlich ist.

DC -Stepper-, Bürstenservo- und bürstenloser Servo -Motorechnologien verwenden alle eine DC -Versorgung, um sie mit Strom zu versorgen. Für lineare Bewegungsanwendungen bedeutet dies nicht, dass eine feste DC -Quelle direkt auf die motorischen Wicklungen angewendet werden kann. Elektronik wird benötigt, um den Wickelstrom (im Zusammenhang mit Ausgangsdrehmoment) und Wickelspannung (im Zusammenhang mit der Ausgangsgeschwindigkeit) zu steuern. Nachfolgend sind eine Zusammenfassung der Stärken und Schwächen der 3 Technologien aufgeführt.

Das Design des linearen Systems beginnt mit der Lastmasse und wie schnell die Masse von Punkt A bis Punkt B überqueren muss. Motortyp, Größe und mechanisches Design beginnen mit der Leistung (Watt), die zum Bewegen der Last erforderlich ist. Beginnend mit der Last und letztendlich arbeiten alle Komponenten zur Antriebsstromversorgung zurück, und die Analyse ist eine Reihe von Schritten, um die Leistungsumwandlung von einem Teil des Systems zum anderen zu verstehen und gleichzeitig die verschiedenen Effizienz der Komponenten dazwischen zu berücksichtigen. Watts in Form von Spannung und Strom in das Laufwerk werden letztendlich auf mechanische Ausgangswatts übertragen, die eine bestimmte Last in einer bestimmten Zeitspanne bewegen.

Um einen Hinweis auf die bei der Last benötigte Ausgangsleistung zu erhalten, hilft eine einfache Leistungsberechnung beim Ballpark als Motor. Nach dem Verständnis der durchschnittlichen Ausgangsleistung analysieren Sie die Leistungsanforderungen, indem Sie zum Motor zurückgearbeitet und die verschiedenen Stromumrechnungselemente durchlaufen. Die Daten der Hersteller sollten darauf hingewiesen werden, dass die Effizienz der verschiedenen Komponenten berücksichtigt wird, da dies letztendlich die Größe des Motors und die Stromversorgung bestimmt. Es ist persönlich bevorzugt, mit welchen Einheiten sie arbeiten sollen, aber SI -Einheiten werden dringend empfohlen. Das Arbeiten in SI -Einheiten vermeidet die Notwendigkeit, mehrere Konversionskonstanten zu erinnern, und das Endergebnis kann immer wieder in englische Einheiten umgewandelt werden.

Wie viel Strom wird benötigt, um die Last in der erforderlichen Zeit zu verschieben?

Eine gegen die Schwerkraft angehobene 9-kg-Masse erfordert eine Kraft von etwa 88 n. Die Berechnung der zum Verschieben der Last erforderlichen Watts bietet einen Ausgangspunkt für die Bestimmung der Komponenten im Rest des Systems. Dies ist die durchschnittliche Leistung, die erforderlich ist, um eine Masse von 9 kg von Punkt A bis Punkt B in 1 Sekunde vertikal zu bewegen. Systemverluste wie Reibung sind nicht enthalten. Die erforderliche Motorwellenleistung ist etwas höher und hängt von den anderen im System verwendeten Komponenten wie dem Getriebe und der Bleischraube ab.

P = (f × s) / t

P = (88n × 0,2 m) / 1,0S = 17,64W

Dies unterscheidet sich von der Spitzenleistung, die vom System erforderlich ist. Sobald die Beschleunigung und Verzögerung berücksichtigt werden, ist die sofortige Leistung während des Bewegungsprofils etwas höher. Die bei der Last benötigte durchschnittliche Ausgangsleistung beträgt jedoch etwa 18 Watt. Nach einer gründlichen Analyse aller Komponenten erfordert ein System wie dieses etwa 37W Spitzenleistung, um den Job zu erledigen. Diese Informationen werden zusammen mit den verschiedenen anderen Anwendungsspezifikationen nun dazu beitragen, die am besten geeignete Motorechnologie zu wählen.

Welche Motorechnologie sollte ich berücksichtigen?

Eine hervorragende Positionierungsfähigkeit und relativ einfache Bedienelemente würden einen Designer dazu veranlassen, zuerst die Möglichkeit zu betrachten, einen Schrittmotor zu verwenden. Ein Schrittmotor würde jedoch nicht die Erfordernis eines kleinen mechanischen Fußabdrucks erfüllen und gleichzeitig die Lastanforderungen erfüllen. Eine Spitzenleistung von 37 Watt würde einen sehr großen Schrittmotor erfordern. Obwohl Schrittmotoren bei niedrigen Geschwindigkeiten ein sehr hohes Drehmoment besitzen, übertrifft die Spitzengeschwindigkeit und damit die Leistungsbedarf des Bewegungsprofils die Fähigkeit aller bis auf die größten Schrittmotoren.

Ein Pinsel -DC -Servomotor würde die Lastanforderungen erfüllen, eine kleine mechanische Fußabdruck, und hätte bei niedrigen Geschwindigkeiten eine sehr glatte Drehung. Aufgrund der strengen EMC -Anforderungen ist es jedoch wahrscheinlich am besten, den Bürstenmotor für diese spezielle Anwendung zu vermeiden. Dies wäre eine günstigere Alternative im Vergleich zu einem bürstenlosen System, kann jedoch Schwierigkeiten bei der Übergabe strenger EMC -Anforderungen darstellen.

Der bürstenlose Gleichstrommotor mit einem sinusförmigen Antriebssystem wäre die erste Wahl, die alle Anwendungsanforderungen einschließlich Last und Bewegungsprofil (hohe Stromdichte) erfüllt. glatte, cog-freie Bewegung bei niedrigen Geschwindigkeiten; und eine kleine mechanische Fußabdruck. In diesem Fall wird es aufgrund des Hochfrequenzwechsels der Antriebselektronik immer noch das Potenzial einer EMI -Signatur geben. Dies kann jedoch unter Verwendung der Inline-Filterung aufgrund eines engeren Frequenzbandes gemindert werden. Ein Pinsel -DC -Motor zeigt eine breitere Band -EMI -Signatur, die es schwieriger macht, zu filtern.

Motorgrößen ist nur der Anfang

Dieser Artikel war eine kurze Diskussion, um einen Designer in verschiedene Überlegungen einzuführen, wenn eine Motorechnologie für eine relativ einfache lineare Bewegungsanwendung ausgewählt wurde. Obwohl die Prinzipien für ein komplexeres System wie eine XY-Tabelle oder einen multi-achse-Präzisions-Pick-and-Place-Mechanismus identisch sind, muss jede Achse unabhängig von der Last analysiert werden. Eine weitere Überlegung außerhalb des Rahmens dieses Artikels ist die Auswahl eines geeigneten Sicherheitsfaktors, um die gewünschte Lebensdauer des Systems (Anzahl der Zyklen) zu erreichen. Die Lebensdauer ist nicht nur eine Funktion der Motorgröße, sondern auch der anderen mechanischen Elemente im System wie der Getriebe- und Bleischristenbaugruppe. Andere Faktoren wie Positionierungsgenauigkeit, Auflösung, Wiederholbarkeit, maximale Rolle, Tonhöhe und Gier usw. sind wichtige Überlegungen, um sicherzustellen, dass das lineare Bewegungssystem die Anwendungsziele erfüllt oder übertrifft.