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

Les actionneurs linéaires génèrent essentiellement une force et un mouvement rectilignes. Dans un système mécanique classique, l'arbre de sortie d'un appareil assure un mouvement linéaire grâce à un moteur rotatif, via des engrenages, une courroie et une poulie, ou d'autres composants mécaniques. Le problème est que ces composants doivent être accouplés et alignés. De plus, ils introduisent des facteurs d'usure tels que le frottement et le jeu dans le système. Pour des besoins de positionnement plus précis, une alternative plus efficace et plus simple consiste à utiliser des actionneurs linéaires à moteur pas à pas.

Ces dispositifs simplifient la conception des machines et mécanismes nécessitant un positionnement linéaire précis, car ils assurent la conversion rotationnelle-linéaire directement au sein du moteur. Les actionneurs effectuent une rotation d'un angle donné pour chaque impulsion électrique. Ce fonctionnement par pas, associé à l'utilisation d'une vis-mère de précision, garantit un positionnement précis et répétable.

Principes de base des moteurs pas à pas
Pour comprendre le fonctionnement des actionneurs, il est utile de connaître les principes de base des moteurs pas à pas. Il existe différents types de moteurs pas à pas, notamment à réluctance variable (VR), à aimant permanent (PM) et hybrides. Cette discussion porte 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, on trouve des moteurs hybrides dans des dispositifs tels que…XYtables, analyseurs de sang, équipements de CVC, petits robots portiques, mécanismes de commande de vannes et systèmes d'éclairage scénique automatisés.

Sous le capot d'un moteur pas à pas hybride se trouvent un rotor à aimant permanent et un stator en acier recouvert d'un enroulement. L'alimentation de la bobine crée un champ électromagnétique possédant un pôle nord et un pôle sud. Le stator conduit ce champ magnétique, ce qui aligne le rotor avec lui. L'alimentation et la mise hors tension successives des enroulements de la bobine modifiant le champ magnétique, chaque impulsion ou pas d'entrée entraîne un déplacement incrémental du rotor de 0,9 ou 1,8 degré de rotation, selon le modèle hybride. Dans un actionneur linéaire à moteur pas à pas, un écrou de précision fileté, intégré au rotor, s'engage avec la vis-mère (qui remplace un arbre conventionnel).

La vis-mère génère une force linéaire grâce au principe mécanique simple du plan incliné. Imaginez un arbre en acier autour duquel est enroulée une rampe ou un plan incliné. L'avantage mécanique, ou 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 de vis en un tour) et du pas de vis (distance axiale mesurée entre deux filets adjacents).

Le filetage de la vis-mère convertit une faible force de rotation en une capacité de charge importante, en fonction de la pente du pas de vis. Un pas faible génère une force plus élevée, mais une vitesse linéaire plus faible. À l'inverse, un pas important génère une force plus faible, mais une vitesse linéaire plus élevée, à partir de la même source de puissance de rotation. Dans certaines conceptions, l'écrou de puissance intégré au rotor est fabriqué en bronze de qualité palier, matériau adapté à l'usinage de filetages internes. Cependant, le bronze représente un compromis entre lubrification et stabilité mécanique. Un matériau plus performant est un thermoplastique lubrifié présentant un coefficient de frottement nettement inférieur à l'interface écrou-vis.

Séquences de pas
Les schémas de commande d'un moteur pas à pas comprennent la commande « monophasée » et la commande « biphasée ».

Dans une séquence de démarrage « une phase sous tension » pour un moteur biphasé simplifié, l'étape 1 correspond à la mise sous tension de la phase A du stator. Ceci bloque magnétiquement le rotor, les pôles opposés s'attirant. La mise hors tension des phases A et sous tension de la phase B entraîne une rotation du rotor de 90° dans le sens horaire (étape 2). À l'étape 3, la phase B est mise hors tension et la phase A sous tension, mais avec la polarité inversée par rapport à l'étape 1. Ceci provoque une nouvelle rotation du rotor de 90°. À l'étape 4, la phase A est mise hors tension et la phase B sous tension, avec la polarité inversée par rapport à l'étape 2. La répétition de cette séquence entraîne une rotation du rotor par incréments de 90° dans le sens horaire.

Dans la séquence « deux phases activées », les deux phases du moteur sont toujours alimentées, et seule la polarité d'une phase s'inverse. Le rotor s'aligne ainsi entre les pôles magnétiques nord et sud moyens. Grâce à cette alimentation simultanée des deux phases, ce mode offre un couple supérieur de 41,4 % à celui du mode « une seule phase activée ».

Malheureusement, bien que le plastique convienne parfaitement aux filetages, il n'est pas suffisamment stable pour les paliers des moteurs pas à pas hybrides. En effet, sous pleine charge continue, les paliers en plastique peuvent se dilater quatre fois plus que ceux en laiton. Cette dilatation 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 des paliers.

Parmi les différents types d'actionneurs Haydon, les dispositifs « captifs » sont dotés d'un mécanisme anti-rotation intégré. Cette configuration offre une course maximale de 63,5 mm (2,5 pouces) et convient à des applications telles que le dosage précis de fluides, la régulation de débit et la commande de vannes. D'autres types deHaydonLes actionneurs linéaires sont les actionneurs « non captifs » et « linéaires externes » qui conviennent aux applications nécessitant une course plus longue, telles que le transfert de tubes sanguins par de petits robots portiques.XYsystèmes de mouvement et systèmes d'imagerie.

Dimensionnement d'un actionneur
Un exemple d'application illustre au mieux comment dimensionner un actionneur. Prenons en compte 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 secondes
Nombre de cycles cible = 1 000 000

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

La meilleure façon de prédire la durée de vie est de procéder à des tests d'application, ce qui est fortement recommandé. Une technique utilisantPourcentage de charge en fonction du nombre de cyclesLa 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 à longue durée de vie ; l'écrou de puissance est donc la principale pièce d'usure. Par conséquent, le nombre de cycles qu'un appareil peut effectuer tout en respectant ses spécifications dépend de la charge.

Se référer àPourcentage de charge en fonction du nombre de cyclesUn tableau permet de déterminer le facteur de dimensionnement approprié pour que l'actionneur puisse supporter 1 000 000 de cycles. Ce facteur est de 50 %, soit 0,5. La force nominale initiale, en 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'actionneurLe tableau permet de 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 requise pour un variateur L/R (tension constante) et un variateur à hacheur (courant constant). Sauf si l'application est alimentée par batterie (comme dans un appareil portable), les fabricants recommandent fortement un variateur à hacheur pour des performances optimales. Dans cet exemple, l'examen des spécifications de puissance du variateur à hacheur dans le tableau révèle que le modèle Haydon série 43000 (taille 17 hybride) est celui qui répond le mieux à l'exigence de 1,7 W. Ce choix satisfait aux exigences de charge sans surdimensionner le système.

Ensuite, calculez la vitesse linéaire (ips). Celle-ci 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 de 0,5 ips, utilisez le matériel approprié.Force en fonction de la vitesse linéairecourbe permettant de déterminer la résolution appropriée de la vis-mère de l'actionneur. Dans ce cas, la résolution requise pour la vis-mère est de 0,00048 pouce.

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, contrôlez la force à la fréquence de pas requise en vous référant au tableau.Force en fonction du rythme cardiaquecourbe, où : Résolution choisie = 0,00048 po/pas Vitesse linéaire requise = 0,5 ips Taux de pas requis = (0,5 ips)/ (0,00048 po/pas) = ​​1 041 pas.

En traçant la valeur 1 041 sur l’axe des abscisses (fréquence cardiaque) et en traçant une ligne perpendiculaire à partir de ce point jusqu’à la courbe, on constate que la valeur sur l’axe des ordonnées (force) est de 30. Par conséquent, la sélection est correcte.