Per un posizionamento automatizzato preciso, si pensi agli attuatori lineari basati su motori passo-passo.

Gli attuatori lineari generano essenzialmente forza e movimento lungo una linea retta. In un tipico sistema meccanico, l'albero di uscita di un dispositivo fornisce movimento lineare utilizzando un motore rotativo tramite ingranaggi, una cinghia e una puleggia o altri componenti meccanici. Il problema è che questi componenti devono essere accoppiati e allineati. Peggio ancora, aggiungono elementi di usura come attrito e gioco al sistema. Per esigenze di posizionamento più precise, un'alternativa più efficace e semplice è rappresentata dagli attuatori lineari basati su motori passo-passo.

Questi dispositivi semplificano la progettazione di macchine o meccanismi che richiedono un posizionamento lineare preciso, poiché forniscono la conversione da rotativo a lineare direttamente all'interno del motore. Gli attuatori eseguono un determinato grado di movimento rotatorio per ogni impulso elettrico in ingresso. Questa cosiddetta funzione "stepping" e l'utilizzo di una vite madre precisa garantiscono un posizionamento preciso e ripetibile.

Nozioni di base sui motori passo-passo
Per comprendere il funzionamento degli attuatori, è utile comprendere le basi dei motori passo-passo. Tra i diversi tipi di motori passo-passo troviamo quelli a riluttanza variabile (VR), a magnete permanente (PM) e ibridi. Questa analisi si concentra sui motori passo-passo ibridi, che offrono una coppia elevata e una risoluzione di posizionamento precisa (passo di 1,8 o 0,9°). Nei sistemi di attuatori lineari, gli ibridi si trovano in dispositivi comeXYtavoli, analizzatori del sangue, apparecchiature HVAC, piccoli robot a portale, meccanismi di controllo delle valvole e sistemi automatici di illuminazione scenica.

Sotto il cofano di un motore passo-passo ibrido si trovano un rotore a magnete permanente e uno statore in acciaio avvolto da un avvolgimento a bobina. L'eccitazione della bobina crea un campo elettromagnetico con poli nord e sud. Lo statore conduce il campo magnetico, facendo sì che il rotore si allinei con esso. Poiché l'eccitazione e la diseccitazione sequenziale degli avvolgimenti della bobina alterano il campo magnetico, ogni impulso o passo in ingresso fa muovere il rotore in modo incrementale di 0,9 o 1,8 gradi di rotazione, a seconda del modello ibrido. In un attuatore lineare con motore passo-passo, un dado di precisione filettato incorporato nel rotore si innesta con la vite di comando (che sostituisce un albero convenzionale).

La vite madre fornisce una forza lineare sfruttando il semplice principio meccanico del piano inclinato. Immaginate un albero in acciaio con una rampa o un piano inclinato che lo circonda. Il vantaggio meccanico, o amplificazione della forza, è determinato dall'angolo della rampa, che è funzione del diametro della vite, dell'avanzamento (distanza assiale percorsa da una filettatura in un singolo giro) e del passo (distanza assiale misurata tra filettature adiacenti).

Le filettature della vite madre traducono una piccola forza di rotazione in una grande capacità di carico, a seconda della pendenza della rampa (passo della filettatura). Un passo piccolo fornisce una forza maggiore ma velocità lineari inferiori. Un passo grande fornisce una forza inferiore ma una velocità lineare maggiore a parità di potenza rotativa. In alcuni progetti, la madrevite incorporata nel rotore è realizzata in bronzo per cuscinetti che si presta alla lavorazione di filettature interne. Tuttavia, il bronzo rappresenta un compromesso ingegneristico tra lubrificazione e stabilità fisica. Un materiale migliore è un termoplastico lubrificato con un coefficiente di attrito molto più basso all'interfaccia madrevite-filettatura.

Sequenze di passi
Gli schemi per azionare un motore passo-passo includono il comando "una fase accesa" e il comando "due fasi accese".

In una sequenza "one phase on" per un motore bifase semplificato, il Passo 1 mostra la Fase A dello statore sotto tensione. Questa blocca magneticamente il rotore poiché i poli opposti si attraggono. Spegnendo la Fase A e accendendo la Fase B, il rotore si muove di 90° in senso orario (passo 2). Nel Passo 3, la Fase B è spenta e la Fase A accesa, ma con la polarità invertita rispetto al Passo 1. Questo fa ruotare il rotore di altri 90°. Nel Passo 4, la Fase A viene spenta e la Fase B viene accesa, con la polarità invertita rispetto al Passo 2. La ripetizione di questa sequenza fa muovere il rotore in senso orario a passi di 90°.

Nella sequenza "a due fasi accese", entrambe le fasi del motore sono sempre alimentate e solo la polarità di una fase cambia. Questo fa sì che il rotore si allinei tra il polo magnetico nord e il polo magnetico sud. Poiché entrambe le fasi sono sempre accese, questo metodo fornisce una coppia superiore del 41,4% rispetto alla sequenza "a una fase accesa".

Purtroppo, sebbene la plastica funzioni bene per le filettature, non è sufficientemente stabile per i perni dei cuscinetti nel design del motore passo-passo ibrido. Questo perché, in condizioni di pieno carico continuo, i perni in plastica possono espandersi quattro volte di più rispetto ai perni in ottone. Questa quantità è inaccettabile perché il design del motore richiede che il traferro tra statore e rotore sia di soli pochi millesimi di pollice. Un modo per aggirare questo problema è quello di stampare a iniezione le filettature in plastica all'interno di una bussola in ottone che verrà inserita nel rotore a magnete permanente. Questo approccio aumenta la durata del motore e garantisce un basso attrito, mantenendo al contempo la stabilità dei perni dei cuscinetti.

Tra i diversi tipi di attuatori Haydon, i dispositivi "captivi" sono dotati di un meccanismo antirotazione integrato. Questa configurazione offre una corsa massima fino a 2,5 pollici ed è adatta ad applicazioni come l'erogazione di precisione di fluidi, il controllo dell'acceleratore e il movimento delle valvole. Altri tipi diHaydongli attuatori lineari sono quelli “non prigionieri” e “lineari esterni” che si adattano alle applicazioni che necessitano di una corsa più lunga come il trasferimento di provette per il sangue da parte di piccoli robot a portale,XYsistemi di movimento e sistemi di imaging.

Dimensionamento di un attuatore
Un esempio applicativo illustra al meglio come dimensionare un attuatore. Si considerino i seguenti parametri:

Forza lineare richiesta per spostare il carico = 15 libbre (67 N)
Distanza lineare, m, il carico deve essere spostato = 3 pollici (0,0762 m)
Tempo,t, necessario per spostare il carico in secondi = 6 sec
Numero target di cicli = 1.000.000

Per dimensionare un attuatore lineare con motore passo-passo si procede in quattro fasi: 1) Determinare la forza iniziale nominale dell'attuatore necessaria per soddisfare la durata richiesta; 2) Determinare la velocità in millimetri/secondo; 3) Scegliere la dimensione adeguata del telaio dell'attuatore; e 4) Determinare la corretta risoluzione della vite in base ai requisiti di forza.

Il modo migliore per prevedere la vita è attraverso i test delle applicazioni, che sono altamente raccomandati. Una tecnica che utilizza ilPercentuale di carico rispetto al numero di cicliLa curva rappresenta una buona prima approssimazione. I motori passo-passo non hanno spazzole soggette a usura e utilizzano cuscinetti a sfere di precisione a lunga durata, quindi il componente principale soggetto a usura è il dado di potenza. Pertanto, il numero di cicli che un dispositivo può effettuare pur rispettando le specifiche di progettazione è funzione del carico.

Fare riferimento alPercentuale di carico rispetto al numero di cicliTabella per determinare il fattore di dimensionamento corretto affinché l'attuatore resista a 1.000.000 di cicli. Questo risulta essere il 50%, ovvero un fattore di 0,5. La forza nominale iniziale, N, necessaria per sostenere il carico dopo 1.000.000 di cicli è quindi 15 lb/0,5 = 30 lb o 133 N.

Ora determiniamo la potenza meccanica lineare richiesta in watt:

P_lineare= (N × m)/t

Nel nostro esempio, questo diventa (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W

Con questi dati, utilizzare ilDimensioni del telaio dell'attuatoretabella per selezionare la taglia corretta. Tutti gli attuatori lineari con motore passo-passo richiedono un azionamento per inviare impulsi al motore. Si noti che la tabella elenca la potenza sia per un azionamento L/R (tensione costante) che per un azionamento chopper (corrente costante). A meno che l'applicazione non sia alimentata a batteria (come in un dispositivo portatile palmare), i produttori raccomandano vivamente un azionamento chopper per ottenere le massime prestazioni. In questo esempio, un esame delle specifiche di potenza dell'azionamento chopper nella tabella rivela che la serie Haydon 43000 (ibrida taglia 17) soddisfa al meglio il requisito di 1,7 W. Questa selezione soddisfa i requisiti di carico senza sovradimensionare il sistema.

Successivamente, calcola la velocità lineare (ips). Questa è data dam/te arriva a 3 pollici/6 sec = 0,5 ips. Con la dimensione del telaio ottimizzata (ibrido taglia 17) e la velocità lineare (0,5 ips) in mano, utilizzare l'appropriatoForza contro velocità linearecurva per determinare la risoluzione corretta della vite madre dell'attuatore. In questo caso, la risoluzione della vite madre necessaria è di 0,00048 pollici.

Ricorda che la vite madre avanza in base al numero di passi in ingresso al motore. Le curve di prestazione sono espresse sia in "ips" che in "passi/sec". Per verificare la selezione, controllare la forza alla frequenza di passo richiesta facendo riferimento allaForza contro frequenza cardiacacurva, dove: Risoluzione scelta = 0,00048 pollici/passo Velocità lineare richiesta = 0,5 ips Frequenza di passo richiesta = (0,5 ips)/ (0,00048 pollici/passo) = 1.041 passi.

Se si traccia 1.041 come valore sull'asse X (frequenza del polso) e si traccia una linea perpendicolare da questo punto alla curva, si nota che il valore sull'asse Y (forza) è 30. Pertanto, la selezione è corretta.