Des systèmes de mouvement linéaire se trouvent à l'intérieur d'innombrables machines, notamment des systèmes de découpe au laser de précision, des équipements d'automatisation de laboratoire, des machines de fabrication de semi-conducteurs, des machines CNC, une automatisation d'usine et bien d'autres trop nombreux à énumérer. Ils vont de l'actionneur de siège relativement simple, comme un actionneur de siège bon marché dans un véhicule de tourisme à un système de coordonnées complexes et multi-axes avec une électronique de contrôle et de conduite pour le positionnement en boucle fermée. Peu importe à quel point le système de mouvement linéaire est simple ou complexe, au niveau le plus élémentaire, ils ont tous une chose en commun: déplacer une charge à une distance linéaire dans un délai spécifique.

L'une des questions les plus courantes lors de la conception d'un système de mouvement linéaire se concentre sur la technologie moteur. Une fois la technologie choisie, le moteur doit être dimensionné pour répondre aux exigences de l'accélération de la charge, surmonter la friction dans le système et surmonter l'effet de la gravité, tout en maintenant une température de fonctionnement maximale sûre. Le couple, la vitesse, la puissance et la capacité de positionnement du moteur sont fonction de la conception du moteur, couplé à la conduite et au contrôle.

Avec quel moteur dois-je commencer?

Il y a beaucoup de questions d'application à considérer lors de la conception d'un système de mouvement linéaire à l'aide d'une technologie motrice particulière. Une explication exhaustive de l'ensemble du processus dépasse le cadre de cet article. L'intention est de vous faire penser à poser les bonnes questions lorsque vous parlez avec un fournisseur de moteur.

Il n'existe pas le meilleur moteur pour chaque application, mais plutôt le meilleur moteur pour une application particulière. Dans la grande majorité des applications de mouvement incrémental, le choix sera soit un moteur pas à pas, un moteur à courant continu de brosse ou un moteur CC sans balais. Les systèmes de mouvement les plus complexes peuvent utiliser des moteurs linéaires couplés directement à la charge, évitant la nécessité de conversion mécanique de puissance; Il n'y a pas besoin de traduction via une vis de plomb / vis à billes, une boîte de vitesses ou un système de poulie. Bien que la précision maximale, la répétabilité et la résolution de positionnement puissent être obtenues avec des systèmes linéaires à entraînement direct directement, ils sont le coût et la complexité les plus élevés par rapport aux moteurs rotatifs. Une architecture utilisant des moteurs rotatives est beaucoup moins chère et répondra à la majorité des applications de mouvement linéaire; Cependant, certains moyens de conversion «rotative-linéaire» (et, par conséquent, la conversion de puissance) est nécessaire pour entraîner la charge.

Les moteurs pas à pas, aux brosses et sans balais sont tous considérés comme des moteurs CC; Cependant, des subtilités existent qui amèneront un ingénieur à favoriser un type sur les deux autres dans une application particulière. Il faut souligner que ce choix dépend fortement des exigences de conception du système, non seulement en termes de vitesse et de couple, mais également de la précision de positionnement, de la répétabilité et des exigences de résolution. Il n'y a pas de moteur parfait pour chaque application, et toutes les décisions nécessiteront des compromis de conception. Au niveau le plus élémentaire, tous les moteurs, qu'ils soient appelés AC ou DC, pinceau, sans balais ou tout autre moteur électrique d'ailleurs, fonctionnent sous le même principe de physique pour générer un couple: l'interaction des champs magnétiques. Il existe cependant des différences spectaculaires dans la façon dont ces différentes technologies motrices réagissent dans des applications particulières. Les performances globales du moteur, la réponse et la génération de couple dépend de la méthode d'excitation de champ et de géométrie du circuit magnétique inhérente à la conception du moteur physique, à la commande de la tension et du courant d'entrée par le contrôleur / lecteur, et la méthode de vitesse ou de rétroaction de position, si l'application nécessite.

Les technologies DC Stepper, Brush Servo et SERVO sans balais utilisent toutes une alimentation CC afin de les alimenter. Pour les applications de mouvement linéaire, cela ne signifie pas qu'une source fixe de DC peut être appliquée directement aux enroulements du moteur; L'électronique est nécessaire pour contrôler le courant d'enroulement (lié au couple de sortie) et la tension d'enroulement (liée à la vitesse de sortie). Ci-dessous est un résumé des forces et des faiblesses des 3 technologies.

La conception du système linéaire commence par la masse de charge et la vitesse à laquelle la masse doit traverser du point A au point B. Le type de moteur, la taille et la conception mécanique commencent par la puissance (watts) requise pour déplacer la charge. En commençant par la charge et en fin de compte à travers tous les composants de l'alimentation de l'alimentation du lecteur, l'analyse est une série d'étapes pour comprendre la conversion de puissance d'une partie du système à l'autre tout en considérant les diverses efficacités des composants entre les deux. Les watts sous forme de tension et de courant dans le lecteur se traduiront finalement par des watts de sortie mécanique se déplaçant une charge donnée dans un délai spécifique.

Afin d'obtenir une indication de la puissance de sortie nécessaire à la charge, un calcul de puissance simple aidera le stade à un moteur. Après avoir compris la puissance de sortie moyenne nécessaire, terminez l'analyse des besoins en puissance en travaillant vers le moteur et en traversant les différents éléments de conversion de puissance. Les données des fabricants doivent être référencées pour prendre en compte l'efficacité des différents composants, car cela déterminera finalement la taille du moteur et l'alimentation. C'est une préférence personnelle concernant les unités avec lesquelles travailler, mais les unités SI sont fortement recommandées. Travailler dans des unités SI évite la nécessité de se souvenir de plusieurs constantes de conversion, et le résultat final peut toujours être reconverti en unités anglaises.

Combien de puissance est nécessaire pour déplacer la charge dans le temps requis?

Une masse de 9 kg levée contre la gravité nécessitera une force d'environ 88n. Le calcul des watts nécessaires pour déplacer la charge fournira un point de départ pour déterminer les composants dans le reste du système. Il s'agit de la puissance moyenne nécessaire pour déplacer une masse de 9 kg verticalement du point A au point B en 1 seconde. Les pertes de système telles que la friction ne sont pas incluses. La puissance de l'arbre du moteur requise sera un peu plus élevée et dépend des autres composants utilisés dans le système tels que la boîte de vitesses et la vis de lead.

P = (f × s) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0S = 17,64W

Ceci est différent de la puissance de crête qui sera nécessaire du système. Une fois l'accélération et la décélération prises en compte, la puissance instantanée pendant le profil de déplacement sera quelque peu plus élevée; Cependant, la puissance de sortie moyenne nécessaire à la charge est d'environ 18 watts. Après une analyse approfondie de tous les composants, un système comme celui-ci nécessitera environ 37 W PIED POWER pour accomplir le travail. Ces informations, ainsi que les différentes autres spécifications d'application, aideront désormais à choisir la technologie motrice la plus appropriée.

Quelle technologie moteur dois-je considérer?

Une excellente capacité de positionnement et des contrôles relativement simples conduiraient un concepteur à examiner la possibilité d'utiliser d'abord un moteur pas à pas. Un moteur pas à pas, cependant, ne répondrait pas à l'exigence d'une petite empreinte mécanique tout en répondant aux demandes de charge. Une exigence de puissance de pointe de 37 watts nécessiterait un très grand moteur pas à pas. Bien que les moteurs pas à pas possèdent un couple très élevé à basse vitesse, la vitesse de pointe et donc les besoins en puissance du profil de déplacement dépassent la capacité de tous les moteurs pas à pas, sauf les plus grands.

Un servomoteur de pinceau DC répondrait aux exigences de charge, une petite empreinte mécanique, et aurait une rotation très fluide à basse vitesse; Cependant, en raison des exigences de CEM strictes, il est probablement préférable d'éviter le moteur de la brosse pour cette application particulière. Ce serait une alternative moins coûteuse par rapport à un système sans pinceau, mais cela pourrait présenter des difficultés à répondre à toutes les exigences EMC rigoureuses.

Le moteur CC sans balais utilisant un système d'entraînement sinusoïdal serait le premier choix pour répondre à toutes les exigences de l'application, y compris le profil de charge et de mouvement (densité de puissance élevée); Mouvement lisse et sans COG à basse vitesse; et une petite empreinte mécanique. Dans ce cas, il y aura toujours le potentiel d'une signature EMI en raison de la commutation à haute fréquence de l'électronique d'entraînement; Cependant, cela peut être atténué en utilisant un filtrage en ligne en raison d'une bande de fréquence plus étroite. Un moteur CC Brush présente une signature EMI plus large, ce qui le rend plus difficile à filtrer.

Le dimensionnement du moteur n'est que le début

Cet article a été une brève discussion pour présenter un concepteur à diverses considérations lors du choix d'une technologie motrice pour une application de mouvement linéaire relativement simple. Bien que les principes soient identiques pour un système plus complexe tel qu'une table XY ou un mécanisme de pick-and-place de précision multi-axe, chaque axe devra être analysé pour la charge indépendamment. Une autre considération en dehors de la portée de cet article est de savoir comment choisir un facteur de sécurité approprié afin de respecter la durée de vie souhaitée du système (nombre de cycles). La durée de vie du système n'est pas seulement une fonction de la taille du moteur, mais aussi les autres éléments mécaniques du système tels que la boîte de vitesses et l'ensemble de vis de plomb. D'autres facteurs tels que la précision du positionnement, la résolution, la répétabilité, le jet maximal, la hauteur et le lacet, etc. sont toutes des considérations importantes pour s'assurer que le système de mouvement linéaire atteint ou dépasse les objectifs de demande.