Pour un positionnement automatisé précis, pensez aux actionneurs linéaires basés sur un moteur pas à pas.

Les actionneurs linéaires génèrent essentiellement de la force et du mouvement à travers une ligne droite. Dans un système mécanique typique, l'arbre de sortie d'un appareil fournirait un mouvement linéaire à l'aide d'un moteur rotatif à travers des engrenages, une courroie et une poulie ou d'autres composants mécaniques. Le problème est que ces composants doivent être couplés et alignés. Pire encore, ils ajoutent des éléments d'usure tels que la friction et le contrecoup à un système. Pour les besoins de positionnement plus fins, une alternative plus efficace et simple provient d'actionneurs linéaires basés sur un moteur pas à pas.

Ces appareils simplifient la conception d'une machine ou d'un mécanisme qui nécessite un positionnement linéaire précis car ils fournissent une conversion rotative à linéaire directement à l'intérieur du moteur. Les actionneurs déplacent un degré de mouvement rotatif donné pour chaque impulsion d'entrée électrique. Cette soi-disant fonctionnalité «Stepping» et l'utilisation d'une vis de plomb précise fournissent un positionnement précis et reproductible.

Bases de passages stimulants
Pour voir comment les actionneurs fonctionnent, il est utile de comprendre les bases des moteurs pas à pas. Différents types de moteurs pas à pas comprennent la réticence variable (VR), l'aimant permanent (PM) et l'hybride. Cette discussion se concentre sur le stepper hybride, qui fournit un couple élevé et une résolution de positionnement fin (1,8 ou 0,9 °). Dans les systèmes d'actionneur linéaire, les hybrides se trouvent dans des appareils tels queXyTables, analyseurs sanguins, équipement CVC, petits robots de portique, mécanismes de contrôle des soupapes et systèmes automatisés d'éclairage de scène.

Sous le capot d'un stepper hybride se trouve un rotor aimant permanent et un stator en acier enveloppé d'un enroulement de la bobine. L'énergie de la bobine crée un champ électromagnétique avec des pôles nord et sud. Le stator mène le champ magnétique, faisant s'aligner le rotor sur le champ. Étant donné que les enroulements séquentiellement énergisants et déviation des enroulements modifient le champ magnétique, chaque impulsion d'entrée ou pas fait que le rotor déplace progressivement 0,9 ou 1,8 degrés de rotation, selon le modèle hybride. Dans un actionneur linéaire-moteur pas à pas, un écrou de précision fileté incrusté dans le rotor s'engage avec la vis de plomb (qui remplace un arbre conventionnel).

La vis de plomb fournit une force linéaire en utilisant le principe mécanique simple du plan incliné. Imaginez un arbre en acier avec une rampe ou un plan incliné enroulé autour de lui. L'avantage mécanique ou l'amplification de force est déterminé par l'angle de la rampe qui est fonction du diamètre de la vis, du plomb (distance axiale Un fil de vis avance en une seule révolution) et de la hauteur (distance axiale mesurée entre les formes de filetage adjacentes).

Les filetages à carre de plomb traduisent une petite force de rotation en une grande capacité de charge, selon la pente de rampe (fil de filetage). Une petite avance offre une force plus élevée mais des vitesses linéaires plus faibles. Une grande avance donne une force inférieure mais une vitesse linéaire plus élevée à partir de la même source de puissance rotative. Dans certaines conceptions, l'écrou de puissance incrusté dans le rotor est fait d'un bronze de qualité routier qui se prête à l'usinage des filetages internes. Mais le bronze est un compromis d'ingénierie entre la lubricité et la stabilité physique. Un meilleur matériau est un thermoplastique lubrifié avec un coefficient de frottement beaucoup plus faible à l'interface du filetage à l'écriture d'écrou.

Séquences de pas
Les schémas de conduite d'un moteur pas à pas comprennent le pas «une phase sur» et la marche «à deux phases».

Dans une séquence «une phase ON» pour un moteur à deux phases simplifié, l'étape 1 montre la phase A du stator énergisé. Cet magnétiquement verrouille le rotor car contrairement aux poteaux attire. La phase de virage A O et B sur fait se déplacer du rotor à 90 ° dans le sens des aiguilles d'une montre (étape 2). À l'étape 3, la phase B est O et la phase A ON, mais avec la polarité inversée à partir de l'étape 1. Le rotor tourne encore 90 °. À l'étape 4, la phase A est tournée O et la phase B est activée, avec la polarité inversée à partir de l'étape 2. La répétition de cette séquence fait bouger le rotor dans le sens horaire en étapes de 90 °.

Dans la séquence «à deux phases ON», les deux phases du moteur sont toujours sous tension et seule la polarité des commutateurs d'une phase. Cela fait que le rotor s'aligne entre le nord «moyen» nord et les pôles magnétiques sud «moyens». Parce que les deux phases sont toujours activées, cette méthode fournit 41,4% de couple de plus que le pas «une phase sur».

Malheureusement, bien que le plastique fonctionne bien pour les fils, il n'est pas assez stable pour les journaux de roulements dans la conception de stepper hybride. En effet, dans une condition continue à pleine charge, les journaux en plastique peuvent se développer quatre fois plus que les journaux en laiton. Cette quantité est inacceptable car la conception du moteur nécessite que l'espace d'air stator à rotor ne soit que quelques millièmes de pouce. Un moyen de contourner ce problème consiste à injection des filetages en plastique à injection à l'intérieur d'un manchon en laiton qui sera inséré dans le rotor aimant permanent. Cette approche augmente la durée de vie des moteurs et offre une faible frottement tout en maintenant la stabilité des journaux de roulement.

Parmi les différents types d'actionneurs de Haydon, les appareils «captifs» ont un mécanisme anti-antirotation intégré. Cette configuration fournit une course maximale allant jusqu'à 2,5 po et convient aux applications telles que la distribution de fluide de précision, le contrôle des gaz et le mouvement de la valve. Autres types deFoinLes actionneurs linéaires sont les «non captifs» et «linéaires externes» qui conviennent aux applications nécessitant un AVC plus long comme le transfert de tubes sanguins par de petits robots de portique,XySystèmes de mouvement et systèmes d'imagerie.

Dimensionner un actionneur
Un exemple d'application montre le mieux comment dimensionner un actionneur. Considérez les paramètres suivants:

Force linéaire requise pour déplacer la charge = 15 lb (67 N)
Distance linéaire, M, la charge doit être déplacée = 3 po (0,0762 m)
Temps,t, nécessaire pour déplacer la charge en secondes = 6 sec
Nombre cible de cycles = 1 000 000

Il y a quatre étapes pour dimensionner un actionneur linéaire-moteur pas à pas: 1) Déterminez la cote de force initiale de l'actionneur nécessaire pour respecter la durée de vie requise; 2) Déterminer la vitesse en millimètres / seconde; 3) Choisissez la taille du cadre de l'actionneur approprié; et 4) Déterminer la bonne résolution des vis en fonction des exigences de force.

La meilleure façon de prédire la vie est par le biais de tests d'application, ce qui est fortement recommandé. Une technique utilisant lePourcentage de charge par rapport au nombre de cyclesLa courbe sert de bonne première approximation. Les moteurs pas à pas n'ont pas de pinceaux à épuiser, et ils utilisent des roulements à billes de longue durée de précision, de sorte que le composant d'usure principal est l'écrou de puissance. Par conséquent, le nombre de cycles d'un appareil dure tout en répondant aux spécifications de conception est fonction de la charge.

Reportez-vous auPourcentage de charge par rapport au nombre de cyclesTableau pour déterminer le facteur de dimensionnement correct pour que l'actionneur résiste aux 1 000 000 cycles. Cela se révèle être de 50% - un facteur de 0,5. La force nominale initiale, n, requise pour respecter la charge après 1 000 000 cycles est donc de 15 lb / 0,5 = 30 lb ou 133 N.

Déterminez maintenant la puissance mécanique linéaire requise dans Watts:

P_linéaire= (N × m) / t

Dans notre exemple, cela devient (133 × 0,0762) / 6 = 1,7 W

Avec ces données, utilisez leTaille du cadre de l'actionneurTableau pour sélectionner la bonne taille de trame. Tous les actionneurs linéaires de moteur pasteur nécessitent un lecteur pour envoyer des impulsions au moteur. Notez que la table répertorie l'alimentation pour un lecteur L / R (tension constante) et un entraînement à hachoir (courant constant). À moins que l'application ne soit alimentée par batterie (comme dans un appareil portable portable), les fabricants recommandent fortement un lecteur de hachoir pour des performances maximales. Dans cet exemple, un examen des spécifications de puissance de conduite Chopper dans le tableau révèle que la série Haydon 43000 (Hybride de taille 17) répond le plus étroitement aux exigences de 1,7 W. Cette sélection répond aux exigences de charge sans trop de conception du système.

Ensuite, calculez la vitesse linéaire (IPS). Ceci est donné parm / tet arrive à 3 pouces / 6 sec = 0,5 IPS. Avec une taille de trame optimisée (taille 17 hybride) et une vitesse linéaire (0,5 IPS) en main, utilisez le appropriéForce contre vitesse linéairecourbe pour déterminer la résolution appropriée de l'actionneur de la vis de plomb. Dans ce cas, la résolution de creillet nécessaire est de 0,00048 po.

Rappelez-vous que la cire de plomb progresse en fonction du nombre d'étapes d'entrée vers le moteur. Les courbes de performance sont exprimées à la fois dans «IPS» et «étapes / sec». Pour vérifier votre sélection, vérifiez la force à la fréquence étape requise en faisant référence auForce contre le taux de poulsCourbe, où: Résolution choisie = 0,00048 po. / STEP Besoin de vitesse linéaire = 0,5 IPS Tate de pas requise = (0,5 IPS) / (0,00048 pouces/step) = 1 041 étapes.

Le traçage de 1 041 comme valeur de l'axe X (taux d'impulsion) et le dessin d'une ligne perpendiculaire de ce point à la courbe montre que la valeur de l'axe y (force) est de 30. Par conséquent, la sélection est correcte.