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

Los actuadores lineales generan fuerza y ​​movimiento a través de una línea recta. En un sistema mecánico típico, el eje de salida de un dispositivo proporciona movimiento lineal mediante un motor rotatorio mediante engranajes, una correa y una polea, u otros componentes mecánicos. El problema radica en que estos componentes deben estar acoplados y alineados. Peor aún, añaden elementos de desgaste, como fricción y holgura, al sistema. Para necesidades de posicionamiento más precisas, una alternativa más eficaz y sencilla son los actuadores lineales basados ​​en motores paso a paso.

Estos dispositivos simplifican el diseño de máquinas o mecanismos que requieren un posicionamiento lineal preciso, ya que proporcionan una conversión de rotación a lineal directamente dentro del motor. Los actuadores alcanzan un grado determinado de movimiento rotatorio por cada pulso de entrada eléctrica. Esta función, denominada "escalonada", y el uso de un husillo preciso proporcionan un posicionamiento preciso y repetible.

Fundamentos del motor paso a paso
Para comprender el funcionamiento de los actuadores, es útil comprender los fundamentos de los motores paso a paso. Los diferentes tipos de motores paso a paso incluyen los de reluctancia variable (VR), los de imán permanente (PM) y los híbridos. Este análisis se centra en el motor paso a paso híbrido, que proporciona un alto par y una resolución de posicionamiento precisa (pasos de 1,8 o 0,9°). En los sistemas de actuadores lineales, los híbridos se encuentran en dispositivos como...XYmesas, analizadores de sangre, equipos HVAC, pequeños robots de pórtico, mecanismos de control de válvulas y sistemas automatizados de iluminación de escenarios.

Bajo el capó de un motor paso a paso híbrido se encuentran un rotor de imán permanente y un estator de acero envuelto en una bobina. Al activar la bobina se crea un campo electromagnético con polos norte y sur. El estator conduce el campo magnético, alineando el rotor con él. Dado que la activación y desactivación secuencial de los devanados de la bobina altera el campo magnético, cada pulso o paso de entrada hace que el rotor se mueva gradualmente 0,9 o 1,8 grados de rotación, según el modelo híbrido. En un actuador lineal de motor paso a paso, una tuerca de precisión roscada integrada en el rotor engrana con el husillo (que sustituye a un eje convencional).

El husillo proporciona una fuerza lineal mediante el sencillo principio mecánico del plano inclinado. Imagine un eje de acero con una rampa o plano inclinado alrededor. La ventaja mecánica, o amplificación de la fuerza, está determinada por el ángulo de la rampa, que es función del diámetro del husillo, el avance (distancia axial que avanza la rosca en una sola revolución) y el paso (distancia axial medida entre roscas adyacentes).

Las roscas del husillo convierten una pequeña fuerza de rotación en una gran capacidad de carga, dependiendo de la inclinación de la rampa (paso de la rosca). Un paso pequeño proporciona una mayor fuerza, pero velocidades lineales más bajas. Un paso grande proporciona una fuerza menor, pero una mayor velocidad lineal, con la misma fuente de potencia rotatoria. En algunos diseños, la tuerca de potencia integrada en el rotor está hecha de bronce apto para rodamientos, ideal para el mecanizado de roscas internas. Sin embargo, el bronce ofrece un equilibrio de ingeniería entre lubricidad y estabilidad física. Un material más adecuado es un termoplástico lubricado con un coeficiente de fricción mucho menor en la interfaz entre la tuerca y la rosca del husillo.

Secuencias de pasos
Los esquemas para accionar un motor paso a paso incluyen el modo paso a paso de “una fase activada” y el modo paso a paso de “dos fases activadas”.

En una secuencia de "activación de una fase" para un motor bifásico simplificado, el paso 1 muestra la fase A del estator energizado. Esto bloquea magnéticamente el rotor, ya que los polos opuestos se atraen. Al activar la fase A y la fase B, el rotor se mueve 90° en sentido horario (paso 2). En el paso 3, la fase B está desactivada y la fase A activada, pero con la polaridad invertida respecto al paso 1. Esto provoca que el rotor gire otros 90°. En el paso 4, la fase A se desactiva y la fase B se activa, con la polaridad invertida respecto al paso 2. La repetición de esta secuencia hace que el rotor se mueva en sentido horario en incrementos de 90°.

En la secuencia de "dos fases activadas", ambas fases del motor siempre están energizadas y solo cambia la polaridad de una de ellas. Esto provoca que el rotor se alinee entre los polos magnéticos norte y sur promedio. Dado que ambas fases están siempre activadas, este método proporciona un 41,4 % más de par que el escalonamiento de "una fase activada".

Desafortunadamente, aunque el plástico es adecuado para las roscas, no es lo suficientemente estable para los cojinetes en el diseño híbrido de motores paso a paso. Esto se debe a que, bajo carga completa continua, los cojinetes de plástico pueden expandirse cuatro veces más que los de latón. Esta cantidad es inaceptable, ya que el diseño del motor requiere que el entrehierro entre el estator y el rotor sea de tan solo unas pocas milésimas de pulgada. Una solución a este problema es moldear por inyección las roscas de plástico dentro de un manguito de latón que se insertará en el rotor de imán permanente. Este método prolonga la vida útil del motor y proporciona baja fricción, a la vez que mantiene la estabilidad del cojinete.

De los diferentes tipos de actuadores Haydon, los dispositivos "cautivos" incorporan un mecanismo antirrotación. Esta configuración proporciona una carrera máxima de hasta 2,5 pulgadas y es ideal para aplicaciones como la dosificación precisa de fluidos, el control del acelerador y el movimiento de válvulas. Otros tipos deHaydonLos actuadores lineales son los “no cautivos” y “lineales externos” que se adaptan a aplicaciones que necesitan una carrera más larga, como la transferencia de tubos de sangre mediante pequeños robots de pórtico.XYsistemas de movimiento y sistemas de imágenes.

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

Fuerza lineal requerida para mover la carga = 15 lb (67 N)
Distancia lineal, m, que se necesita mover la carga = 3 pulg. (0,0762 m)
Tiempo,t, necesario para mover la carga en segundos = 6 seg
Número objetivo de ciclos = 1.000.000

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

La mejor manera de predecir la vida es mediante pruebas de aplicaciones, lo cual es muy recomendable. Una técnica que utiliza laPorcentaje de carga versus número de ciclosLa curva sirve como una buena primera aproximación. Los motores paso a paso no tienen escobillas que se desgasten y utilizan rodamientos de bolas de precisión y larga duración, por lo que el principal componente de desgaste es la tuerca de potencia. Por lo tanto, el número de ciclos que un dispositivo dura sin dejar de cumplir las especificaciones de diseño depende de la carga.

Consulte laPorcentaje de carga versus número de ciclosTabla para determinar el factor de dimensionamiento correcto para que el actuador soporte el millón de ciclos. Este resulta ser del 50 %, un factor de 0,5. La fuerza nominal inicial, N, necesaria para soportar la carga después de 1 millón de ciclos es, por lo tanto, 15 lb/0,5 = 30 lb o 133 N.

Ahora determine la potencia mecánica lineal requerida en vatios:

P_lineal= (N × m)/t

En nuestro ejemplo, esto se convierte en (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W

Con estos datos, utilice elTamaño del marco del actuadorTabla para seleccionar el tamaño de bastidor correcto. Todos los actuadores lineales con motor paso a paso requieren un controlador para enviar pulsos al motor. Tenga en cuenta que la tabla indica la potencia tanto para un controlador L/R (tensión constante) como para un controlador chopper (corriente constante). A menos que la aplicación se alimente con baterías (como en un dispositivo portátil), los fabricantes recomiendan encarecidamente un controlador chopper para obtener el máximo rendimiento. En este ejemplo, una revisión de las especificaciones de potencia del controlador chopper en la tabla revela que la serie Haydon 43000 (tamaño 17 híbrido) es la que mejor se ajusta al requisito de 1,7 W. Esta selección cumple con los requisitos de carga sin sobrediseñar el sistema.

A continuación, calcule la velocidad lineal (ips). Esta se obtiene mediantemontey llega a 3 pulgadas/6 segundos = 0,5 ips. Con un tamaño de fotograma optimizado (tamaño 17 híbrido) y una velocidad lineal (0,5 ips) en la mano, utilice el...Fuerza versus velocidad linealCurva para determinar la resolución adecuada del husillo del actuador. En este caso, la resolución necesaria es de 0,00048 pulg.

Recuerde que el husillo avanza según el número de pasos de entrada al motor. Las curvas de rendimiento se expresan tanto en "ips" como en "pasos/s". Para verificar su selección, compruebe la fuerza a la velocidad de paso requerida consultando laFuerza versus frecuencia del pulsocurva, donde: Resolución elegida = 0,00048 pulg./paso Velocidad lineal requerida = 0,5 ips Velocidad de paso requerida = (0,5 ips)/ (0,00048 pulg./paso) = 1041 pasos.

Al trazar 1,041 como valor del eje X (frecuencia del pulso) y dibujar una línea perpendicular desde este punto hasta la curva, se muestra que el valor del eje Y (fuerza) es 30. Por lo tanto, la selección es correcta.