Lineaarisia liikejärjestelmiä löytyy lukemattomista koneista, mukaan lukien tarkkuuslaserleikkausjärjestelmät, laboratorioautomaatiolaitteet, puolijohteiden valmistuskoneet, CNC-koneet, tehdasautomaatio ja monet muut, joita ei ole lueteltu. Ne vaihtelevat suhteellisen yksinkertaisista, kuten edullinen istuimen toimilaite matkustajaajoneuvossa, monimutkaiseen, moniakseliseen koordinaattijärjestelmään, jossa on ohjaus- ja käyttöelektroniikka suljetun silmukan paikannusta varten. Riippumatta siitä, kuinka yksinkertainen tai monimutkainen lineaarinen liikejärjestelmä on, yksinkertaisimmalla tasolla niillä kaikilla on yksi yhteinen piirre: kuorman siirtäminen lineaarisen etäisyyden läpi tietyssä ajassa.

Yksi yleisimmistä kysymyksistä lineaarista liikejärjestelmää suunniteltaessa keskittyy moottoritekniikkaan. Kun tekniikka on valittu, moottori on mitoitettava vastaamaan kuorman kiihtyvyyden, järjestelmän kitkan ja painovoiman vaikutuksen voittamista koskevia vaatimuksia, samalla kun säilytetään turvallinen enimmäiskäyttölämpötila. Moottorin vääntömomentti, nopeus, teho ja paikannuskyky ovat moottorin suunnittelun funktio yhdistettynä taajuusmuuttajaan ja ohjaukseen.

MILLÄ MOOTTORILLA MINUN TULISI ALOITTAA?

On olemassa monia sovelluskysymyksiä, jotka on otettava huomioon suunniteltaessa lineaarista liikejärjestelmää käyttämällä tiettyä moottoritekniikkaa. Kattava selitys koko prosessista ei kuulu tämän artikkelin piiriin. Tarkoituksena on saada sinut ajattelemaan oikeiden kysymysten esittämistä puhuessasi moottoritoimittajan kanssa.

Ei ole olemassa parasta moottoria jokaiseen käyttötarkoitukseen, vaan paras moottori tiettyyn sovellukseen. Suurimmassa osassa inkrementtiliikesovelluksista valitaan joko askelmoottori, harjallinen tasavirtamoottori tai harjaton tasavirtamoottori. Monimutkaisimmissa liikejärjestelmissä voidaan käyttää lineaarisia moottoreita, jotka on kytketty suoraan kuormaan, jolloin vältetään mekaanisen tehon muuntamisen tarve; ei tarvitse kääntää johtoruuvin/palloruuvin, vaihteiston tai hihnapyöräjärjestelmän kautta. Vaikka suurin tarkkuus, toistettavuus ja paikannusresoluutio voidaan saavuttaa ytimettömillä suoravetoisilla lineaarisilla servojärjestelmillä, ne ovat kustannuksiltaan ja monimutkaisimpia pyöriviin moottoreihin verrattuna. Pyöriviä moottoreita käyttävä arkkitehtuuri on paljon halvempi, ja se täyttää suurimman osan lineaarisen liikkeen sovelluksista; Kuorman ohjaamiseen tarvitaan kuitenkin joitain keinoja "pyörimisestä lineaariseen" muuntamiseen (ja sen seurauksena tehon muuntamiseen).

Askel-, harja- ja harjattomat moottorit katsotaan kaikki tasavirtamoottoreiksi; On kuitenkin olemassa hienouksia, jotka saavat insinöörin suosimaan yhtä tyyppiä kahden muun sijaan tietyssä sovelluksessa. On korostettava, että tämä valinta riippuu suuresti järjestelmän suunnitteluvaatimuksista, ei vain nopeuden ja vääntömomentin, vaan myös paikannustarkkuuden, toistettavuuden ja resoluution vaatimuksista. Täydellistä moottoria ei ole jokaiseen käyttötarkoitukseen, ja kaikki päätökset edellyttävät suunnittelun kompromisseja. Alkeimmalla tasolla kaikki moottorit, olivatpa niitä AC- tai DC-, harja-, harjattomat tai mikä tahansa muu sähkömoottori, toimivat samalla fysiikan periaatteella vääntömomentin tuottamiseksi: magneettikenttien vuorovaikutuksen. Näiden erilaisten moottoritekniikoiden reagoinnissa tietyissä sovelluksissa on kuitenkin dramaattisia eroja. Moottorin kokonaissuorituskyky, vaste ja vääntömomentin muodostus riippuvat kentän herätemenetelmästä ja magneettipiirin geometriasta, joka on ominaista fyysisen moottorin suunnittelulle, syöttöjännitteen ja -virran ohjauksesta ohjaimen/käytön avulla sekä nopeuden tai asennon takaisinkytkentämenetelmästä, jos sovellus vaatii.

DC stepper-, harjaservo- ja harjattomat servomoottoritekniikat käyttävät kaikki tasavirtalähdettä saadakseen virran. Lineaarisen liikkeen sovelluksissa tämä ei tarkoita, että kiinteä DC-lähde voidaan syöttää suoraan moottorin käämeihin; elektroniikkaa tarvitaan ohjaamaan käämivirtaa (lähtömomentin suhteen) ja käämin jännitettä (liittyy lähtönopeuteen). Alla on yhteenveto kolmen tekniikan vahvuuksista ja heikkouksista.

Lineaarisen järjestelmän suunnittelu alkaa kuorman massasta ja siitä, kuinka nopeasti massan tulee kulkea pisteestä A pisteeseen B. Moottorin tyyppi, koko ja mekaaninen rakenne alkavat kuorman siirtämiseen tarvittavasta tehosta (watteista). Alkaen kuormituksesta ja lopulta palaamalla takaisin kaikkien komponenttien läpi taajuusmuuttajan virtalähteeseen. Analyysi on sarja vaiheita, joiden tarkoituksena on ymmärtää tehon muunnos järjestelmän yhdestä osasta toiseen samalla kun otetaan huomioon komponenttien erilaiset hyötysuhteet. Taajuusmuuttajaan tulevan jännitteen ja virran muodossa olevat watit muuttuvat lopulta mekaanisiksi tehowateiksi, jotka siirtävät tiettyä kuormaa tietyn ajan kuluessa.

Jotta saataisiin osoitus kuormituksella tarvittavasta lähtötehosta, yksinkertainen teholaskenta auttaa moottorin pyörittämään. Kun olet ymmärtänyt tarvittavan keskimääräisen lähtötehon, lopeta tehovaatimusten analysointi palaamalla takaisin moottoriin ja ajamalla eri tehonmuunnoselementtien läpi. Valmistajien tietoihin tulee viitata eri komponenttien tehokkuuden huomioon ottamiseksi, sillä se määrää viime kädessä moottorin ja virtalähteen koon. On henkilökohtainen valinta siitä, mitä yksiköitä käytetään, mutta SI-yksiköt ovat erittäin suositeltavia. SI-yksiköissä työskentely välttää tarpeen muistaa useita muunnosvakioita, ja lopputulos voidaan aina muuntaa takaisin englannin yksiköiksi.

KUINKA PALJON TEHOA TARVITTAAN KUORMAN SIIRRÄTTÄMISEKSI Vaaditussa ajassa?

Painovoimaa vastaan ​​nostettu 9 kg:n massa vaatii noin 88 N:n voiman. Kuorman siirtämiseen tarvittavien wattien laskeminen antaa lähtökohdan järjestelmän muun osan komponenttien määrittämiselle. Tämä on keskimääräinen teho, joka tarvitaan siirtämään 9 kg:n massa pystysuunnassa pisteestä A pisteeseen B 1 sekunnissa. Järjestelmähäviöitä, kuten kitkaa, ei lasketa mukaan. Tarvittava moottorin akseliteho on jonkin verran suurempi ja riippuu muista järjestelmässä käytetyistä komponenteista, kuten vaihteistosta ja johtoruuvista.

P = (F × S) / t

P = (88 N × 0,2 m) / 1,0 s = 17,64 w

Tämä on erilainen kuin järjestelmältä vaadittava huipputeho. Kun kiihtyvyys ja hidastuvuus on otettu huomioon, hetkellinen teho liikeprofiilin aikana on jonkin verran suurempi; kuormituksella tarvittava keskimääräinen lähtöteho on kuitenkin noin 18 wattia. Kaikkien komponenttien perusteellisen analyysin jälkeen tämän kaltainen järjestelmä vaatii noin 37 watin huipputehon työn suorittamiseen. Nämä tiedot ja monet muut sovellustiedot auttavat nyt valitsemaan sopivimman moottoritekniikan.

MITÄ MOOTTORITEKNIIKKAA MINUN PITÄISI HAKUA?

Erinomainen paikannuskyky ja suhteellisen yksinkertaiset hallintalaitteet saisivat suunnittelijan tarkastelemaan ensin askelmoottorin käyttöä. Askelmoottori ei kuitenkaan täyttäisi pienen mekaanisen jalanjäljen vaatimusta, vaikka se täyttäisi kuormitusvaatimukset. Huipputehotarve 37 wattia vaatisi erittäin suuren askelmoottorin. Vaikka askelmoottoreilla on erittäin suuri vääntömomentti pienillä nopeuksilla, liikeprofiilin huippunopeus ja siten tehotarve ylittää kaikkien paitsi suurimpien askelmoottoreiden kyvyn.

Harjalla toimiva DC-servomoottori täyttäisi kuormitusvaatimukset, pienen mekaanisen jalanjäljen, ja sen pyöriminen olisi erittäin tasaista alhaisilla nopeuksilla; Kuitenkin tiukkojen EMC-vaatimusten vuoksi on luultavasti parasta välttää harjamoottoria tässä sovelluksessa. Tämä olisi halvempi vaihtoehto verrattuna harjattomaan järjestelmään, mutta se voi aiheuttaa vaikeuksia tiukkojen EMC-vaatimusten täyttämisessä.

Sinimuotoista käyttöjärjestelmää käyttävä harjaton tasavirtamoottori olisi ensimmäinen valinta, joka täyttää kaikki sovelluksen vaatimukset, mukaan lukien kuormitus- ja liikeprofiili (suuri tehotiheys); tasainen, hampaaton liike alhaisilla nopeuksilla; ja pieni mekaaninen jalanjälki. Tässä tapauksessa EMI-allekirjoituksen mahdollisuus on edelleen olemassa käyttöelektroniikan suurtaajuuskytkennän vuoksi; tätä voidaan kuitenkin lieventää käyttämällä in-line-suodatusta kapeamman taajuuskaistan vuoksi. Harjalla toimivassa tasavirtamoottorissa on leveämpi EMI-merkki, mikä tekee sen suodattamisesta haastavampaa.

MOOTTORIN KOKO ON VAIN ALKUA

Tämä artikkeli oli lyhyt keskustelu, jonka tarkoituksena oli esitellä suunnittelija erilaisiin näkökohtiin valittaessa moottoritekniikkaa suhteellisen yksinkertaiseen lineaariseen liikesovellukseen. Vaikka periaatteet ovat identtiset monimutkaisemmassa järjestelmässä, kuten XY-taulukossa tai moniakselisessa tarkkuushakumekanismissa, jokainen akseli on analysoitava kuormituksen suhteen erikseen. Toinen tämän artikkelin soveltamisalan ulkopuolinen näkökohta on se, kuinka valita sopiva turvatekijä järjestelmän halutun käyttöiän (jaksojen lukumäärän) saavuttamiseksi. Järjestelmän käyttöikä ei ole vain moottorin koon funktio, vaan myös järjestelmän muut mekaaniset elementit, kuten vaihdelaatikko ja lyijyruuvikokoonpano. Muut tekijät, kuten paikannustarkkuus, resoluutio, toistettavuus, suurin kallistus, nousu ja kiertosuunta jne. ovat kaikki tärkeitä näkökohtia sen varmistamiseksi, että lineaarinen liikejärjestelmä täyttää tai ylittää sovelluksen tavoitteet.