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

Les actionneurs linéaires génèrent essentiellement force et mouvement en ligne droite. Dans un système mécanique classique, l'arbre de sortie d'un appareil assure un mouvement linéaire grâce à un moteur rotatif associé à 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 le frottement et le jeu au système. Pour des besoins de positionnement plus précis, les actionneurs linéaires à moteur pas à pas constituent une alternative plus efficace et plus simple.

Ces dispositifs simplifient la conception d'une machine ou d'un mécanisme nécessitant un positionnement linéaire précis, car ils assurent la conversion du mouvement rotatif au mouvement linéaire directement dans le moteur. Les actionneurs effectuent un mouvement rotatif d'un degré donné à chaque impulsion électrique d'entrée. Cette fonction dite « pas à pas » et l'utilisation d'une vis-mère précise assurent un positionnement précis et répétable.

Notions de base sur les moteurs pas à pas
Pour comprendre le fonctionnement des actionneurs, il est utile de comprendre les bases des moteurs pas à pas. Il existe différents types de moteurs pas à pas : à réluctance variable (VR), à aimant permanent (PM) et hybrides. Cet article se concentre sur le moteur pas à pas hybride, qui offre un couple élevé et une résolution de positionnement fine (pas de 1,8 ou 0,9°). Dans les systèmes d'actionneurs linéaires, les moteurs hybrides sont utilisés dans des dispositifs tels queXYtables, analyseurs de sang, équipements CVC, petits robots portiques, mécanismes de contrôle de vannes et systèmes d'éclairage de scène automatisés.

Sous le capot d'un moteur pas à pas hybride se trouvent un rotor à aimant permanent et un stator en acier enveloppé d'une bobine. L'excitation de la bobine crée un champ électromagnétique avec des pôles nord et sud. Le stator conduit le champ magnétique, ce qui permet au rotor de s'aligner sur ce champ. L'excitation et la désexcitation séquentielles des bobines modifiant le champ magnétique, chaque impulsion ou pas d'entrée provoque un déplacement incrémental du rotor de 0,9 ou 1,8 degré de rotation, selon le modèle hybride. Dans un actionneur linéaire de moteur pas à pas, un écrou de précision fileté intégré au rotor s'engage dans la vis-mère (qui remplace un arbre conventionnel).

La vis mère fournit une force linéaire grâce au principe mécanique simple du plan incliné. Imaginez un arbre en acier entouré d'une rampe ou d'un plan incliné. L'avantage mécanique, ou l'amplification de la force, est déterminé par l'angle de la rampe, qui dépend du diamètre de la vis, du pas (distance axiale parcourue par un filet en un tour) et du pas (distance axiale mesurée entre des filets adjacents).

Le filetage de la vis-mère transforme une faible force de rotation en une capacité de charge élevée, selon la pente de la rampe (pas du filetage). Un petit pas produit une force plus élevée, mais des vitesses linéaires plus faibles. Un grand pas produit une force plus faible, mais une vitesse linéaire plus élevée, pour la même source de puissance rotative. Dans certaines conceptions, l'écrou de puissance intégré au rotor est en bronze de qualité roulement, qui se prête à l'usinage de filetages internes. Cependant, le bronze représente un compromis technique entre lubrification et stabilité physique. Un matériau plus adapté est un thermoplastique lubrifié présentant un coefficient de frottement bien plus faible à l'interface écrou-filetage.

Séquences pas à pas
Les schémas de pilotage d'un moteur pas à pas incluent le pas « monophasé » et le pas « biphasé ».

Dans une séquence « monophasée activée » pour un moteur biphasé simplifié, l'étape 1 montre la phase A du stator sous tension. Ceci verrouille magnétiquement le rotor car les pôles opposés s'attirent. L'extinction de la phase A et l'activation de la phase B font tourner le rotor de 90° dans le sens horaire (étape 2). À l'étape 3, la phase B est désactivée et la phase A activée, mais avec une polarité inversée par rapport à l'étape 1. Cela entraîne une rotation supplémentaire du rotor de 90°. À l'étape 4, la phase A est désactivée et la phase B activée, avec une polarité inversée par rapport à l'étape 2. La répétition de cette séquence fait tourner le rotor dans le sens horaire par pas de 90°.

Dans la séquence « deux phases activées », les deux phases du moteur sont toujours sous tension et seule la polarité d'une phase change. Le rotor s'aligne alors entre les pôles magnétiques nord et sud. Comme les deux phases sont toujours activées, cette méthode produit un couple 41,4 % supérieur à celui de la séquence « une phase activée ».

Malheureusement, bien que le plastique soit adapté aux filetages, il n'est pas suffisamment stable pour les tourillons du moteur pas à pas hybride. En effet, sous pleine charge continue, les tourillons en plastique peuvent se dilater quatre fois plus que les tourillons en laiton. Cette valeur est inacceptable, car la conception du moteur exige un entrefer stator-rotor de seulement quelques millièmes de pouce. Une solution consiste à mouler par injection des filetages en plastique à l'intérieur d'un manchon en laiton qui sera inséré dans le rotor à aimant permanent. Cette approche augmente la durée de vie du moteur et réduit les frottements tout en préservant la stabilité du tourillon.

Parmi les différents types d'actionneurs Haydon, les dispositifs « captifs » sont dotés d'un mécanisme antirotation intégré. Cette configuration offre une course maximale de 6,35 cm (2,5 po) et convient à des applications telles que la distribution précise de fluides, la commande d'accélérateur et le mouvement de vannes. Autres types deHaydonles actionneurs linéaires sont les « non captifs » et les « linéaires externes » qui conviennent aux applications nécessitant une course plus longue telles que le transfert de tubes sanguins par de petits robots à portique,XYsystèmes de mouvement et systèmes d'imagerie.

Dimensionnement d'un actionneur
Un exemple d'application illustre parfaitement le dimensionnement d'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

Le dimensionnement d'un actionneur linéaire à moteur pas à pas comporte quatre étapes : 1) Déterminer la force nominale initiale de l'actionneur nécessaire pour répondre à la durée de vie requise ; 2) Déterminer la vitesse en millimètres/seconde ; 3) Choisir la taille de cadre d'actionneur appropriée ; et 4) Déterminer la résolution de vis appropriée en fonction des exigences de force.

La meilleure façon de prédire la vie est de procéder à des tests d'application, ce qui est fortement recommandé. Une technique utilisantPourcentage de charge par rapport au nombre de cyclesCette courbe constitue une bonne première approximation. Les moteurs pas à pas ne comportent pas de balais susceptibles de s'user et utilisent des roulements à billes de précision et durables. Le principal composant d'usure est donc l'écrou de commande. Par conséquent, le nombre de cycles qu'un appareil peut supporter tout en respectant les spécifications de conception dépend de la charge.

Se référer à laPourcentage de charge par rapport au nombre de cyclesUtilisez un tableau pour déterminer le facteur de dimensionnement correct permettant à l'actionneur de résister à 1 000 000 de cycles. Ce facteur est de 50 %, soit 0,5. La force nominale initiale, N, requise pour supporter la charge après 1 000 000 de cycles est donc de 15 lb/0,5 = 30 lb, soit 133 N.

Déterminez maintenant la puissance mécanique linéaire requise en 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 taille de châssis appropriée. Tous les actionneurs linéaires à moteur pas à pas nécessitent un variateur pour envoyer des impulsions au moteur. Notez que le tableau indique la puissance d'un variateur G/D (tension constante) et d'un variateur à découpage (courant constant). Sauf si l'application est alimentée par batterie (comme pour un appareil portable), les fabricants recommandent fortement un variateur à découpage pour des performances optimales. Dans cet exemple, l'examen des spécifications de puissance du variateur à découpage dans le tableau révèle que la série Haydon 43000 (hybride taille 17) répond le mieux à l'exigence de 1,7 W. Ce choix répond aux exigences de charge sans surdimensionner le système.

Ensuite, calculez la vitesse linéaire (ips). Elle est donnée parm/tet atteint 3 pouces/6 secondes = 0,5 ips. Avec une taille de cadre optimisée (taille 17 hybride) et une vitesse linéaire (0,5 ips) en main, utilisez leForce versus vitesse linéaireCourbe pour déterminer la résolution appropriée de la vis mère de l'actionneur. Dans ce cas, la résolution de la vis mère requise est de 0,00048 po.

Rappelons que la vis-mère avance en fonction du nombre de pas d'entrée du moteur. Les courbes de performance sont exprimées en « ips » et en « pas/s ». Pour vérifier votre sélection, vérifiez la force à la fréquence de pas requise en vous référant à la sectionForce versus fréquence du poulscourbe, où : Résolution choisie = 0,00048 po/pas Vitesse linéaire requise = 0,5 ips Fréquence de pas requise = (0,5 ips)/(0,00048 po/pas) = ​​1 041 pas.

En traçant 1 041 comme valeur de l'axe X (fréquence du pouls) et en traçant une ligne perpendiculaire de ce point à la courbe, on constate que la valeur de l'axe Y (force) est de 30. Par conséquent, la sélection est correcte.