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

Los actuadores lineales esencialmente generan 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 mediante 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, 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 una máquina o mecanismo que requiere un posicionamiento lineal preciso porque proporcionan conversión de rotación a lineal directamente dentro del motor. Los actuadores realizan un grado determinado de movimiento giratorio por cada pulso de entrada eléctrica. Esta característica denominada "paso a paso" y el uso de un tornillo de avance preciso proporcionan un posicionamiento preciso y repetible.

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

Debajo del capó de un paso a paso híbrido se encuentra un rotor de imán permanente y un estator de acero envuelto con una bobina. Al energizar la bobina se crea un campo electromagnético con los polos norte y sur. El estator conduce el campo magnético, haciendo que el rotor se alinee con el campo. Debido a que activar y desactivar secuencialmente los devanados de la bobina altera el campo magnético, cada pulso o paso de entrada hace que el rotor se mueva incrementalmente 0,9 o 1,8 grados de rotación, según el modelo híbrido. En un actuador lineal de motor paso a paso, una tuerca roscada de precisión incrustada en el rotor se acopla con el tornillo de avance (que reemplaza un eje convencional).

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

Las roscas del husillo traducen una pequeña fuerza de rotación en una gran capacidad de carga, dependiendo de la inclinación de la rampa (avance de la rosca). Un cable pequeño proporciona una fuerza mayor pero velocidades lineales más bajas. Un cable grande proporciona una fuerza menor pero una velocidad lineal mayor desde la misma fuente de potencia giratoria. En algunos diseños, la tuerca de potencia incrustada en el rotor está hecha de bronce apto para rodamientos que se presta para mecanizar roscas internas. 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 menor en la interfaz rosca tuerca-tornillo.

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

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 encender las fases A o y B, el rotor se mueve 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, se apaga la Fase A y se enciende la Fase B, con la polaridad invertida respecto al Paso 2. La repetición de esta secuencia hace que el rotor se mueva en el sentido de las agujas del reloj en pasos de 90°.

En la secuencia de “encendido de dos fases”, ambas fases del motor siempre están energizadas y solo cambia la polaridad de una fase. Esto hace que el rotor se alinee entre los polos magnéticos norte "promedio" y sur "promedio". Debido a que ambas fases están siempre encendidas, este método proporciona un 41,4% más de torque que el paso a paso de “una fase encendida”.

Desafortunadamente, aunque el plástico funciona bien para las roscas, no es lo suficientemente estable para los muñones de los cojinetes en el diseño híbrido paso a paso. Esto se debe a que, en condiciones continuas de carga completa, los muñones de plástico pueden expandirse cuatro veces más que los muñones de latón. Esta cantidad es inaceptable porque el diseño del motor requiere que el entrehierro entre el estator y el rotor sea sólo de unas pocas milésimas de pulgada. Una forma de solucionar este problema es moldear por inyección hilos de plástico dentro de un manguito de latón que se insertará en el rotor de imán permanente. Este enfoque aumenta la vida útil del motor y proporciona baja fricción mientras mantiene la estabilidad del muñón del rodamiento.

De los diferentes tipos de actuadores Haydon, los dispositivos “cautivos” tienen un mecanismo antirotación 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 deHaydónLos actuadores lineales son los "no cautivos" y los "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 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, necesario para mover la carga en segundos = 6 seg
Número objetivo de ciclos = 1.000.000

Hay cuatro pasos para dimensionar un actuador lineal de motor paso a paso: 1) Determinar la clasificación de fuerza inicial del actuador necesaria para cumplir con la vida útil requerida; 2) Determinar la velocidad en milímetros/segundo; 3) Elija el tamaño de marco del actuador adecuado; y 4) Determinar la resolución adecuada del tornillo según 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 elCarga porcentual 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, la cantidad de ciclos que dura un dispositivo mientras cumple con las especificaciones de diseño es una función de la carga.

Consulte elCarga porcentual versus número de ciclostabla para determinar el factor de tamaño correcto para que el actuador resista 1.000.000 de ciclos. Esto resulta ser el 50%, un factor de 0,5. Por lo tanto, la fuerza nominal inicial, N, requerida para soportar la carga después de 1.000.000 de ciclos es 15 lb/0,5 = 30 lb o 133 N.

Ahora determine la potencia mecánica lineal requerida en vatios:

P_lineal= (norte × metro)/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 marco correcto. Todos los actuadores lineales de motor paso a paso requieren un variador para enviar pulsos al motor. Tenga en cuenta que la tabla enumera la alimentación tanto para un variador L/R (voltaje constante) como para un variador chopper (corriente constante). A menos que la aplicación funcione con batería (como en un dispositivo portátil), los fabricantes recomiendan encarecidamente una unidad chopper para obtener el máximo rendimiento. En este ejemplo, una revisión de las especificaciones de potencia de accionamiento del helicóptero en la tabla revela que la serie Haydon 43000 (tamaño 17 híbrido) cumple mejor 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 está dado pormontey llega a 3 pulg./6 seg = 0,5 ips. Con un tamaño de fotograma optimizado (tamaño 17 híbrido) y una velocidad lineal (0,5 ips) en la mano, utilice elFuerza versus velocidad linealcurva para determinar la resolución adecuada del tornillo de avance del actuador. En este caso, la resolución necesaria del husillo es 0,00048 pulgadas.

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/seg”. Para verificar su selección, verifique la fuerza a la velocidad de paso requerida consultando laFuerza versus frecuencia de 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.

Trazar 1041 como valor del eje X (frecuencia del pulso) y dibujar una línea perpendicular desde este punto a la curva muestra que el valor del eje Y (fuerza) es 30. Por lo tanto, la selección es correcta.