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

Los actuadores lineales generan fuerza y ​​movimiento en línea recta. En un sistema mecánico típico, el eje de salida de un dispositivo proporciona movimiento lineal mediante un motor rotativo con engranajes, una correa y polea, u otros componentes mecánicos. El problema es que estos componentes deben estar acoplados y alineados. Peor aún, introducen elementos de desgaste, como fricción y holgura, en el 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 la conversión de movimiento rotatorio a lineal directamente dentro del motor. Los actuadores realizan un movimiento rotatorio determinado por cada pulso eléctrico. Esta función, denominada "paso a paso", junto con el uso de un husillo de precisión, garantiza un posicionamiento exacto y repetible.

Conceptos básicos de los motores paso a paso
Para ver cómo funcionan los actuadores, es útil comprender los fundamentos de los motores paso a paso. Los diferentes tipos de motores paso a paso incluyen reluctancia variable (VR), imán permanente (PM) e híbridos. Esta discusión se centra en el motor paso a paso híbrido, que proporciona un alto par y una resolución de posicionamiento fina (paso de 1,8 o 0,9°). En los sistemas de actuadores lineales, los híbridos se encuentran en dispositivos comoXYmesas, analizadores de sangre, equipos de climatización, pequeños robots pórtico, mecanismos de control de válvulas y sistemas automatizados de iluminación escénica.

En un motor paso a paso híbrido, se encuentra un rotor de imán permanente y un estator de acero con bobina. Al energizar la bobina, se crea un campo electromagnético con polos norte y sur. El estator conduce este campo magnético, lo que provoca que el rotor se alinee con él. Dado que la energización y desenergización secuenciales de la bobina modifican 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, se acopla al husillo (que sustituye a un eje convencional).

El husillo proporciona una fuerza lineal mediante el sencillo principio mecánico del plano inclinado. Imagínese un eje de acero con una rampa o plano inclinado enrollado a su alrededor. La ventaja mecánica o amplificación de la fuerza viene determinada por el ángulo de la rampa, que a su vez depende del diámetro del husillo, el avance (distancia axial que recorre una rosca en una sola revolución) y el paso (distancia axial medida entre roscas adyacentes).

Las roscas del husillo transforman una pequeña fuerza de rotación en una gran capacidad de carga, dependiendo de la pendiente de la rampa (paso de la rosca). Un paso pequeño proporciona mayor fuerza, pero menor velocidad lineal. Un paso grande proporciona menor fuerza, pero mayor velocidad lineal con la misma fuente de potencia rotacional. En algunos diseños, la tuerca de potencia integrada en el rotor está hecha de bronce de grado para rodamientos, lo que facilita el mecanizado de roscas internas. Sin embargo, el bronce representa un compromiso de ingeniería entre lubricidad y estabilidad física. Un material mejor 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 control mediante "una fase activada" y el control mediante "dos fases activadas".

En una secuencia de “una fase encendida” 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 apagar la fase A y encender la fase B, el rotor gira 90° en el sentido de las agujas del reloj (paso 2). En el paso 3, la fase B está apagada y la fase A encendida, pero con la polaridad invertida respecto al paso 1. Esto hace que el rotor gire otros 90°. En el paso 4, la fase A está apagada y la fase B encendida, con la polaridad invertida respecto al paso 2. La repetición de esta secuencia hace que el rotor gire en el sentido de las agujas del reloj en pasos de 90°.

En la secuencia de “dos fases activadas”, ambas fases del motor están siempre 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 motor que el sistema de “una fase activada”.

Desafortunadamente, si bien el plástico funciona bien para las roscas, no es lo suficientemente estable para los cojinetes en el diseño híbrido del motor paso a paso. Esto se debe a que, bajo carga completa continua, los cojinetes de plástico pueden expandirse hasta cuatro veces más que los de latón. Esta expansión es inaceptable, ya que el diseño del motor requiere que la distancia entre el estator y el rotor sea de tan solo unas milésimas de pulgada. Una solución a este problema consiste en moldear por inyección las roscas de plástico dentro de un manguito de latón que se insertará en el rotor de imán permanente. Este método aumenta la vida útil del motor y proporciona baja fricción, manteniendo la estabilidad de los cojinetes.

De los diferentes tipos de actuadores Haydon, los dispositivos “cautivos” tienen un mecanismo antirrotación incorporado. Esta configuración proporciona una carrera máxima de hasta 2,5 pulgadas y es adecuada 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 un recorrido más largo, como la transferencia de tubos de sangre mediante pequeños robots pórtico.XYsistemas de movimiento y sistemas de imagen.

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

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

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

La mejor manera de predecir la vida es a través de pruebas de aplicaciones, lo cual es altamente recomendable. Una técnica que utiliza laPorcentaje de carga frente al 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 dura un dispositivo cumpliendo con las especificaciones de diseño depende de la carga.

Consulte elPorcentaje de carga frente al número de ciclosSe utilizó una tabla para determinar el factor de dimensionamiento correcto del actuador para soportar 1.000.000 de ciclos. Este factor resultó ser del 50%, es decir, un factor de 0,5. Por lo tanto, la fuerza nominal inicial, en N, necesaria para soportar la carga después de 1.000.000 de ciclos es de 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 bastidor del actuadorConsulte la tabla 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 muestra la potencia tanto para un controlador L/R (voltaje constante) como para un controlador chopper (corriente constante). A menos que la aplicación funcione con batería (como en un dispositivo portátil), los fabricantes recomiendan encarecidamente un controlador chopper para obtener el máximo rendimiento. En este ejemplo, al revisar las especificaciones de potencia del controlador chopper en la tabla, se observa que la serie Haydon 43000 (tamaño 17 híbrido) es la que mejor cumple con el requisito de 1,7 W. Esta selección satisface los requisitos de carga sin sobredimensionar el sistema.

A continuación, calcule la velocidad lineal (ips). Esta viene dada pormontey resulta en 3 pulg./6 s = 0,5 ips. Con el tamaño de fotograma optimizado (Tamaño 17 Híbrido) y la velocidad lineal (0,5 ips) en mano, utilice el apropiadoFuerza versus velocidad linealcurva para determinar la resolución adecuada del husillo del actuador. En este caso, la resolución del husillo necesaria es de 0,00048 pulgadas.

Recuerde que el husillo 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, compruebe la fuerza a la velocidad de paso requerida consultando laFuerza versus frecuencia cardíacacurva, donde: Resolución elegida = 0,00048 pulg./paso Velocidad lineal requerida = 0,5 ips Tasa de pasos requerida = (0,5 ips)/ (0,00048 pulg./paso) = 1.041 pasos.

Al representar gráficamente 1041 como valor del eje X (frecuencia cardíaca) y trazar una línea perpendicular desde este punto hasta la curva, se observa que el valor del eje Y (fuerza) es 30. Por lo tanto, la selección es correcta.