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

Les actionneurs linéaires génèrent essentiellement une force et un mouvement via 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 via 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 jeu au système. Pour des besoins de positionnement plus précis, une alternative plus efficace et plus simple vient des actionneurs linéaires basés sur un moteur pas à pas.

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

Bases du moteur pas à pas
Pour voir comment fonctionnent les actionneurs, il est utile de comprendre les bases des moteurs pas à pas. Différents types de moteurs pas à pas incluent la réluctance variable (VR), l'aimant permanent (PM) et l'hybride. Cette discussion 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 hybrides se trouvent dans des dispositifs tels queXYtables, analyseurs de sang, équipements CVC, petits robots à portique, mécanismes de contrôle des 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'un enroulement de bobine. La mise sous tension de la bobine crée un champ électromagnétique avec les pôles nord et sud. Le stator conduit le champ magnétique, ce qui amène le rotor à s'aligner avec le champ. Étant donné que l'activation et la désexcitation séquentielles des enroulements de la bobine modifient le champ magnétique, chaque impulsion ou étape d'entrée entraîne un déplacement incrémentiel du rotor de 0,9 ou 1,8 degrés de rotation, selon le modèle hybride. Dans un actionneur linéaire à moteur pas à pas, un écrou de précision fileté intégré dans le rotor s'engage avec la vis mère (qui remplace un arbre conventionnel).

La vis mère fournit une force linéaire en utilisant le principe mécanique simple du plan incliné. Imaginez un puits 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 est fonction du diamètre de la vis, de l'avance (distance axiale d'un filetage de vis avance en un seul tour) et du pas (distance axiale mesurée entre les formes de filetage adjacentes).

Les filetages de vis traduisent une faible force de rotation en une grande capacité de charge, en fonction de la pente de la rampe (pas de filetage). Un petit pas fournit une force plus élevée mais des vitesses linéaires plus faibles. Une avance importante 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 intégré dans le rotor est constitué d'un bronze de qualité roulement qui se prête à l'usinage de filetages internes. Mais le bronze est un compromis technique entre pouvoir lubrifiant et stabilité physique. Un meilleur matériau est un thermoplastique lubrifié avec un coefficient de friction beaucoup plus faible à l’interface écrou-filetage.

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

Dans une séquence « monophasé activé » pour un moteur biphasé simplifié, l'étape 1 montre la phase A du stator sous tension. Cela verrouille magnétiquement le rotor puisque les pôles différents s'attirent. L'activation des phases A o et B fait bouger le rotor de 90° dans le sens des aiguilles d'une montre (étape 2). À l'étape 3, la phase B est éteinte et la phase A est activée, mais avec la polarité inversée par rapport à l'étape 1. Cela fait tourner le rotor de 90° supplémentaires. À l'étape 4, la phase A est désactivée et la phase B est activée, avec une polarité inversée par rapport à l'étape 2. La répétition de cette séquence entraîne le déplacement du rotor dans le sens des aiguilles d'une montre par pas de 90°.

Dans la séquence « biphasé activé », les deux phases du moteur sont toujours alimentées et seule la polarité d'une phase commute. Cela amène le rotor à s’aligner entre les pôles magnétiques nord « moyen » et sud « moyen ». Étant donné que les deux phases sont toujours activées, cette méthode fournit 41,4 % de couple en plus que le pas à pas « une phase activée ».

Malheureusement, bien que le plastique fonctionne bien pour les filetages, il n'est pas assez stable pour les tourillons de la conception du moteur pas à pas hybride. En effet, dans des conditions continues de pleine charge, les tourillons en plastique peuvent se dilater quatre fois plus que les tourillons en laiton. Cette quantité est inacceptable car la conception du moteur nécessite que l'entrefer stator-rotor ne soit que de quelques millièmes de pouce. Une solution à ce problème consiste à mouler par injection des fils de 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 offre un faible frottement tout en maintenant la stabilité du tourillon.

Parmi les différents types d'actionneurs Haydon, les dispositifs « captifs » disposent d'un mécanisme antirotation intégré. Cette configuration offre une course maximale allant jusqu'à 2,5 pouces et convient à des applications telles que la distribution de fluide de précision, le contrôle de l'accélérateur et le mouvement des vannes. D'autres types deHaydonles actionneurs linéaires sont les « non captifs » et les « linéaires externes » qui conviennent aux applications nécessitant une course plus longue comme le transfert de tubes sanguins par de petits robots portiques,XYles systèmes de mouvement et les systèmes d’imagerie.

Dimensionner un actionneur
Un exemple d'application montre 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 à moteur pas à pas : 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) Choisissez 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 consiste à tester les applications, ce qui est fortement recommandé. Une technique utilisant lePourcentage de charge par rapport au nombre de cyclesLa courbe constitue une bonne première approximation. Les moteurs pas à pas n'ont pas de balais susceptibles de s'user et ils utilisent des roulements à billes de précision et longue durée, de sorte que le principal composant d'usure est l'écrou d'alimentation. Par conséquent, le nombre de cycles qu'un appareil dure tout en répondant aux spécifications de conception est fonction de la charge.

Référez-vous auPourcentage de charge par rapport au nombre de cyclestableau pour déterminer le facteur de dimensionnement correct pour que l'actionneur puisse résister aux 1 000 000 de cycles. Cela s’avère être 50 %, soit un facteur de 0,5. La force nominale initiale, N, requise pour répondre à la charge après 1 000 000 de cycles est donc de 15 lb/0,5 = 30 lb ou 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 châssis de l'actionneurtableau pour sélectionner la taille de cadre correcte. Tous les actionneurs linéaires à moteur pas à pas nécessitent un variateur pour envoyer des impulsions au moteur. Notez que le tableau répertorie la puissance pour un variateur L/R (tension constante) et un variateur hacheur (courant constant). À moins que l'application ne soit alimentée par batterie (comme dans un appareil portable), les fabricants recommandent fortement un entraînement par hacheur pour des performances maximales. Dans cet exemple, un examen des spécifications de puissance d'entraînement du hacheur dans le tableau révèle que la série Haydon 43000 (hybride de taille 17) répond le mieux à l'exigence de 1,7 W. Cette sélection répond aux exigences de charge sans surconcevoir le système.

Ensuite, calculez la vitesse linéaire (ips). Ceci est donné parm/tet arrive à 3 pouces/6 sec = 0,5 ips. Avec une taille d'image optimisée (taille 17 hybride) et une vitesse linéaire (0,5 ips) en main, utilisez leForce contre vitesse linéairecourbe pour déterminer la résolution appropriée de la vis-mère de l’actionneur. Dans ce cas, la résolution de la vis mère nécessaire est de 0,00048 pouces.

Rappelez-vous que la vis mère avance en fonction du nombre de pas d'entrée dans le moteur. Les courbes de performances sont exprimées en « ips » et en « pas/sec ». Pour vérifier votre sélection, vérifiez la force au taux de pas requis en vous référant auForce par rapport à la 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 sur l'axe X (fréquence du pouls) et en traçant une ligne perpendiculaire à partir de ce point jusqu'à la courbe, la valeur sur l'axe Y (force) est 30. Par conséquent, la sélection est correcte.