Per un posizionamento automatico preciso, pensa agli attuatori lineari basati su motori a passo passo.

Gli attuatori lineari generano essenzialmente forza e movimento attraverso una linea retta. In un tipico sistema meccanico, l'albero di uscita di un dispositivo fornirebbe un movimento lineare utilizzando un motore rotante attraverso ingranaggi, cinghia e 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 reazione a un sistema. Per le esigenze di posizionamento più fini, un'alternativa più efficace e diretta proviene da attuatori lineari basati su motori.

Questi dispositivi semplificano la progettazione di una macchina o un meccanismo che richiede un posizionamento lineare preciso perché forniscono una conversione da rotante a lineare direttamente all'interno del motore. Gli attuatori spostano un determinato grado di movimento rotante per ogni impulso di input elettrico. Questa cosiddetta funzione di "passo" e l'uso di una vite di piombo precisa fornisce un posizionamento preciso e ripetibile.

Nozioni di base sul motor di passo
Per vedere come funzionano gli attuatori, è utile comprendere le basi dei motori Stepper. Diversi tipi di motori passo -passo includono riluttanza variabile (VR), magnete permanente (PM) e ibrido. Questa discussione è incentrata sul passo ibrido, che fornisce una risoluzione elevata di coppia e posizionamento fine (passo 1,8 o 0,9 °). Nei sistemi di attuatori lineari, gli ibridi si trovano in dispositivi comeXYTabelle, analizzatori di sangue, attrezzature HVAC, piccoli robot a cavalletto, meccanismi di controllo delle valvole e sistemi automatizzati di illuminazione dello stadio.

Sotto il cofano di un passo ibrido si trova un rotore a magnete permanente e uno statore in acciaio avvolto con un'avvolgimento della bobina. L'energizzare la bobina crea un campo elettromagnetico con i poli nord e sud. Lo statore conduce il campo magnetico, facendo allineare il rotore con il campo. Poiché energizzando e deenergizzare sequenzialmente gli avvolgimenti della bobina alterano il campo magnetico, ogni impulso di ingresso o gradino 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 a motori a passo, un dado di precisione filettato incorporato nel rotore si impegna con la vite di piombo (che sostituisce un albero convenzionale).

La vite di piombo fornisce una forza lineare usando il semplice principio meccanico del piano inclinato. Immagina un albero in acciaio con una rampa o un piano inclinato avvolto. Il vantaggio meccanico o l'amplificazione della forza è determinato dall'angolo della rampa che è una funzione del diametro della vite, del piombo (distanza assiale una filettatura a vite avanza in una singola rivoluzione) e il tono (distanza assiale misurata tra le forme di fila adiacenti).

I fili di vite di piombo traducono una piccola forza di rotazione in una grande capacità di carico, a seconda della ripido rampa (cavo del filo). Un piccolo piombo fornisce una forza più alta ma velocità lineari più basse. Un grande piombo dà una forza inferiore ma una velocità lineare più elevata dalla stessa fonte di potenza rotante. In alcuni design, il dado di alimentazione incorporato nel rotore è realizzato in un bronzo di livello cuscinetto che si presta alla lavorazione dei fili interni. Ma il bronzo è un compromesso ingegneristico tra lubrificienza e stabilità fisica. Un materiale migliore è un termoplastico lubrificato con un coefficiente di attrito molto più basso nell'interfaccia della filettatura a vite da dado.

Sequenze di passo
Gli schemi per la guida di un motore passo -passo includono un passo avanti e "una fase su" e "due fasi su".

In una sequenza "una fase su" per un motore a due fasi semplificato, il passaggio 1 mostra la fase A dello statore energizzato. Questo blocca magneticamente il rotore poiché, a differenza dei pali. La fase di fase A O e B su fa muovere il rotore a 90 ° in senso orario (passaggio 2). Nel passaggio 3, la fase B è O e Fase A ON, ma con la polarità invertita dal passaggio 1. I cause il rotore ruotano un altro 90 °. Nel passaggio 4, la fase A è girata O e la fase B è attivata, con polarità invertita dal passaggio 2. La ripetizione di questa sequenza fa muovere il rotore in senso orario in passaggi a 90 °.

Nella sequenza "due fasi on", entrambe le fasi motorie sono sempre energizzate e solo la polarità di interruttori di fase. Ciò fa sì che il rotore si allineasse tra i poli "medi" a nord e i poli magnetici sud "medi". Poiché entrambe le fasi sono sempre accese, questo metodo fornisce il 41,4% in più di coppia di "una fase su".

Sfortunatamente, sebbene la plastica funzioni bene per i fili, non è abbastanza stabile per le riviste dei cuscinetti nel design di stepper ibrido. Questo perché in una condizione continua a pieno carico, le riviste di plastica possono espandersi quattro volte più delle riviste di ottone. Questa quantità è inaccettabile perché il design del motore richiede che il gap d'aria da statore a rotore sia solo pochi millesimi di pollice. Un modo per aggirare questo problema è quello di iniezione di filettature in plastica di stampo all'interno di una manica in ottone che verrà inserito nel rotore a magnete permanente. Questo approccio aumenta la durata motoria e fornisce un basso attrito mantenendo la stabilità del cuscinetto.

Dei diversi tipi di attuatori di Haydon, i dispositivi "prigionieri" hanno un meccanismo di anirotazione integrata. Questa configurazione fornisce un tratto massimo fino a 2,5 pollici e si adatta a applicazioni come l'erogazione del fluido di precisione, il controllo dell'acceleratore e il movimento della valvola. Altri tipi diHaydonGli attuatori lineari sono i "non cattive" e "lineari esterni" che soddisfano le applicazioni che necessitano di un ictus più lungo come il trasferimento di tubi del sangue da parte di piccoli robot di cavalli,XYSistemi di movimento e sistemi di imaging.

Dimensionare un attuatore
Un esempio di applicazione mostra meglio come dimensionare un attuatore. Considera i seguenti parametri:

Forza lineare richiesta per spostare il carico = 15 lb (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

Esistono quattro passaggi per dimensionare un attuatore lineare a motori a passo: 1) determinare la valutazione della forza iniziale dell'attuatore necessaria per soddisfare la vita richiesta; 2) determinare la velocità in millimetri/secondo; 3) Scegli la dimensione del telaio dell'attuatore corretto; e 4) determinare la corretta risoluzione delle viti in base ai requisiti di forza.

Il modo migliore per prevedere la vita è attraverso i test dell'applicazione, che è altamente raccomandato. Una tecnica che utilizza ilCarico percentuale rispetto al numero di cicliLa curva funge da buona prima approssimazione. I motori a passo successivo non hanno pennelli da logorare e usano cuscinetti a sfera di precisione, quindi il componente di usura principale è il dado di potenza. Pertanto, il numero di cicli che un dispositivo dura anche mentre soddisfano le specifiche di progettazione è una funzione del carico.

Fare riferimento aCarico percentuale rispetto al numero di cicligrafico per determinare il fattore di dimensionamento corretto per l'attuatore per resistere ai 1.000.000 di cicli. Ciò risulta essere del 50%, un fattore di 0,5. La forza nominale iniziale, N, richiesta per soddisfare il carico dopo 1.000.000 di cicli è quindi 15 libbre/0,5 = 30 libbre o 133 N.

Ora determina la potenza meccanica lineare richiesta nei watt:

P_lineare= (N × m)/t

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

Con questi dati, utilizzare ilDimensione del telaio dell'attuatoreTabella per selezionare la dimensione del frame corretta. Tutti gli attuatori lineari a motori stepper richiedono un'unità per inviare impulsi al motore. Si noti che la tabella elenca l'alimentazione sia per un'unità L/R (tensione costante) sia per un'unità per chopper (corrente costante). A meno che l'applicazione non sia alimentata a batteria (come in un dispositivo portatile portatile), i produttori raccomandano altamente un azionamento per chopper per le massime prestazioni. In questo esempio, una recensione delle specifiche di potenza di Chopper Drive nella tabella rivela la serie Haydon 43000 (dimensione 17 ibrida) soddisfa più da vicino il requisito di 1,7 W. Questa selezione soddisfa i requisiti di carico senza progettare eccessivamente il sistema.

Quindi, calcola la velocità lineare (IPS). Questo è dato dam/te arriva a 3 in./6 sec = 0,5 IP. Con la dimensione del telaio ottimizzata (dimensione 17 ibrida) e la velocità lineare (0,5 IP) in mano, utilizzare l'appropriatoForza contro velocità linearecurva per determinare la corretta risoluzione del vite dell'attuatore. In questo caso, la risoluzione delle viti da testa necessaria è di 0,00048 in.

Ricordiamo che la vite di piombo avanza in base al numero di fasi di input per il motore. Le curve di performance sono espresse sia in "IPS" che in "Passaggi/sec". Per verificare la selezione, controllare la forza alla velocità di fase richiesta facendo riferimento alForza contro velocità di impulsoCurva, dove: risoluzione scelta = 0,00048 in./Step Velocità lineare richiesto = 0,5 IPS CASE COMMERCIALE = (0,5 IPS)/(0,00048 in./Step) = 1.041 passaggi.

La trama di 1.041 come valore dell'asse X (velocità di impulso) e il disegno di una linea perpendicolare da questo punto alla curva mostra che il valore dell'asse y (forza) è 30. Pertanto, la selezione è corretta.