Para un posicionamiento automatizado preciso, piense en actuadores lineales basados ​​en el motor paso a paso.

Los actuadores lineales generan esencialmente fuerza y ​​movimiento a través de una línea recta. En un sistema mecánico típico, el eje de salida de un dispositivo proporcionaría un movimiento lineal utilizando un motor giratorio a través de engranajes, una correa y una polea, u otros componentes mecánicos. El problema es que estos componentes deben estar acoplados y alineados. Peor aún, agregan elementos de desgaste como fricción y reacción a un sistema. Para las necesidades de posicionamiento más finas, una alternativa más efectiva y directa proviene de actuadores lineales basados ​​en motores paso a paso.

Estos dispositivos simplifican el diseño de una máquina o mecanismo que requiere un posicionamiento lineal preciso porque proporcionan conversión de rotación a lineal directamente dentro del motor. Los actuadores mueven un grado dado de movimiento rotativo para cada pulso de entrada eléctrica. Esta llamada característica de "paso" y el uso de un tornillo de plomo preciso proporciona un posicionamiento preciso y repetible.

Conceptos básicos paso a paso
Para ver cómo funcionan los actuadores, es útil comprender los conceptos básicos de los motores paso a paso. Los diferentes tipos de motores paso a paso incluyen reticencia variable (VR), imán permanente (PM) e híbrido. Esta discusión se centra en el paso híbrido, que proporciona un alto torque y una resolución de posicionamiento fino (paso de 1.8 o 0.9 °). En los sistemas de actuadores lineales, los híbridos se encuentran en dispositivos comoXyTablas, analizadores de sangre, equipos de HVAC, robots de pórtico pequeños, mecanismos de control de válvulas y sistemas automatizados de iluminación de etapa.

Debajo del capó de un paso paso a paso híbrido se encuentra un rotor de imán permanente y un estator de acero envuelto con un devanado de bobina. Energizando la bobina crea un campo electromagnético con polos norte y sur. El estator conduce el campo magnético, lo que hace que el rotor se alinee con el campo. Debido a que la energía secuencialmente energizante y la desertización de los devanados de la bobina altera el campo magnético, cada pulso o paso de entrada hace que el rotor mueva incrementalmente 0.9 o 1.8 grados de rotación, dependiendo del modelo híbrido. En un actuador lineal-motor paso a paso, una tuerca de precisión roscada incrustada en el rotor se involucra con el tornillo de plomo (que reemplaza un eje convencional).

El tornillo de plomo proporciona una fuerza lineal utilizando el principio mecánico simple del plano inclinado. Imagine un eje de acero con una rampa o plano inclinado envuelto alrededor. La ventaja mecánica o la amplificación de la fuerza está determinada por el ángulo de la rampa que es una función del diámetro del tornillo, el cable (distancia axial de la rosca de tornillo avanza en una sola revolución) y el paso (distancia axial medida entre las formas de rosca adyacentes).

Los roscas del tornillo de plomo traducen una pequeña fuerza de rotación en una gran capacidad de carga, dependiendo de la inclinación de la rampa (plomo de hilo). Un cable pequeño proporciona una fuerza más alta pero velocidades lineales más bajas. Un cable grande proporciona una fuerza más baja pero una velocidad lineal más alta desde la misma fuente de potencia rotativa. En algunos diseños, la tuerca de alimentación incrustada en el rotor está hecha de un bronce de grado de rodamiento que se presta al mecanizado de hilos internos. Pero el bronce es un compromiso de ingeniería entre lubricidad y estabilidad física. Un mejor material es un termoplástico lubricado con un coeficiente de fricción mucho más bajo en la interfaz de rosca de tornillo de tuerca.

Secuencias de paso
Los esquemas para conducir un motor paso a paso incluyen el paso de paso "One Fase On" y "Two Fase On".

En una secuencia "One Fase On" para un motor de dos fases simplificado, el paso 1 muestra la fase A del estator energizado. Esto bloquea magnéticamente el rotor ya que a diferencia de los polos atraen. La fase de giro A O y B enciende hace que el rotor se mueva a 90 ° en el sentido de las agujas del reloj (paso 2). En el paso 3, la fase B es O y la fase A ON, pero con la polaridad invertida del paso 1. El rotor hace que el rotor gire otros 90 °. En el paso 4, la fase A se gira O y la fase B se enciende, con la polaridad invertida desde el paso 2. La repetición de esta secuencia hace que el rotor se mueva en sentido horario en pasos de 90 °.

En la secuencia "Dos fase sobre", ambas fases motoras siempre están energizadas, y solo la polaridad de los interruptores de una fase. Esto hace que el rotor se alinee entre los postes magnéticos del norte "promedio" del norte y los "promedio" del sur. Debido a que ambas fases siempre están activadas, este método proporciona 41.4% más de torque que el paso de "una fase sobre".

Desafortunadamente, aunque el plástico funciona bien para los hilos, no es lo suficientemente estable para los diarios de los rodamientos en el diseño de paso a paso híbrido. Esto se debe a que bajo una condición continua de carga completa, las revistas de plástico pueden expandirse cuatro veces más que las revistas de latón. Esta cantidad es inaceptable porque el diseño del motor requiere que el espacio de aire de estator a rotor sea solo unas pocas milésimas de pulgada. Una forma de alrededor de este problema es a la inyección de roscas de plástico de molde dentro de una manga de latón que se insertará en el rotor de imán permanente. Este enfoque aumenta la vida motora y proporciona baja fricción mientras se mantiene la estabilidad de la periodista.

De los diferentes tipos de actuadores de Haydon, los dispositivos "cautivos" tienen un mecanismo antirrotation incorporado. Esta configuración proporciona una carrera máxima de hasta 2.5 pulgadas y se adapta a aplicaciones como dispensación de fluidos de precisión, control del acelerador y movimiento de válvulas. Otros tipos deHaydonLos actuadores lineales son "no captivos" y "lineales externos" que se adaptan a las aplicaciones que necesitan un accidente cerebrovascular más largo, como la transferencia de tubos de sangre por pequeños pórticos, robots,XySistemas de movimiento y sistemas de imágenes.

Dimensionamiento de un actuador
Un ejemplo de aplicación muestra mejor cómo dimensionar un actuador. Considere los siguientes parámetros:

Fuerza lineal requerida para mover la carga = 15 lb (67 n)
Distancia lineal, M, la carga debe moverse = 3 pulg. (0.0762 m)
Tiempo,t, necesitaba mover la carga en segundos = 6 segundos
Número objetivo de ciclos = 1,000,000

Hay cuatro pasos para dimensionar un actuador lineal-motor paso a paso: 1) determinar la calificación de fuerza inicial del actuador necesaria para cumplir con la vida requerida; 2) determinar la velocidad en milímetros/segundo; 3) Elija el tamaño del marco del actuador adecuado; y 4) determinar la resolución de tornillo adecuada basada en los requisitos de fuerza.

La mejor manera de predecir la vida es a través de pruebas de aplicación, lo cual es muy recomendable. Una técnica que utiliza elPorcentaje de carga versus número de ciclosLa curva sirve como una buena primera aproximación. Los motores paso a paso no tienen pinceles para desgastar, y usan rodamientos de bolas de precisión de larga vida, por lo que el componente de desgaste principal es la tuerca de alimentación. Por lo tanto, el número de ciclos que dura un dispositivo mientras cumple con las especificaciones de diseño es una función de la carga.

Consulte elPorcentaje de carga versus número de ciclosGráfico para determinar el factor de dimensionamiento correcto para que el actuador resistirá los 1,000,000 de ciclos. Esto resulta ser del 50%, un factor de 0.5. La fuerza nominal inicial, N, requerida para cumplir con la carga después de 1,000,000 de ciclos es, por lo tanto, 15 lb/0.5 = 30 lb o 133 N.

Ahora determine la potencia mecánica lineal requerida en Watts:

P_lineal= (N × m)/t

En nuestro ejemplo, esto se convierte (133 × 0.0762)/6 = 1.7 W

Con estos datos, use elTamaño del marco del actuadorTabla para seleccionar el tamaño de marco correcto. Todos los actuadores lineales-motores paso a paso requieren una unidad para enviar pulsos al motor. Tenga en cuenta que la tabla enumera la alimentación para una unidad L/R (voltaje constante) y una unidad de helicóptero (corriente constante). A menos que la aplicación esté alimentada por la batería (como en un dispositivo portátil portátil), los fabricantes recomiendan encarecidamente una unidad de helicóptero para el máximo rendimiento. En este ejemplo, una revisión de las especificaciones de potencia de la unidad Chopper en la tabla revela la serie Haydon 43000 (tamaño 17 híbrido) más cumple con el requisito de 1.7 W. Esta selección cumple con los requisitos de carga sin diseñar demasiado el sistema.

A continuación, calcule la velocidad lineal (IPS). Esto se da pormontey llega a 3 in./6 segundos = 0.5 IPS. Con tamaño de marco optimizado (tamaño 17 híbrido) y velocidad lineal (0.5 ips) en la mano, use el apropiadoFuerza versus velocidad linealcurva para determinar la resolución adecuada del tornillo de plomo del actuador. En este caso, la resolución de tornillo de plomo necesaria es 0.00048 pulg.

Recuerde que el tornillo de plomo avanza en función del número de pasos de entrada al motor. Las curvas de rendimiento se expresan tanto en "IPS" como en "Pasos/seg". Para verificar su selección, verifique la fuerza a la velocidad de paso requerida refiriéndose a laFuerza versus ritmo de pulsocurva, donde: resolución elegida = 0.00048 in./step Velocidad lineal requerida = 0.5 IPS Tasa de paso requerida = (0.5 IPS)/(0.00048 in./step) = 1,041 pasos.

Trazar 1.041 como el valor del eje X (frecuencia de pulso) y dibujar una línea perpendicular desde este punto hasta la curva muestra que el valor del eje y (fuerza) es 30. Por lo tanto, la selección es correcta.