Per un posizionamento automatizzato preciso, pensa agli attuatori lineari basati su motore 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 rotativo attraverso 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 deriva dagli attuatori lineari basati su motore passo-passo.

Questi dispositivi semplificano la progettazione di una macchina o di un meccanismo che richiede un posizionamento lineare preciso perché forniscono la conversione da rotativo a lineare direttamente all'interno del motore. Gli attuatori muovono un dato grado di movimento rotatorio per ogni impulso di ingresso elettrico. Questa cosiddetta funzione "a gradino" e l'uso di una vite di comando precisa forniscono un posizionamento preciso e ripetibile.

Nozioni di base sui motori passo-passo
Per vedere come funzionano gli attuatori, è utile comprendere le basi dei motori passo-passo. Diversi tipi di motori passo-passo includono riluttanza variabile (VR), magnete permanente (PM) e ibrido. Questa discussione è incentrata sullo stepper ibrido, che fornisce coppia elevata e 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 automatizzati di illuminazione scenica.

Sotto il cofano di uno stepper ibrido si trovano un rotore a magnete permanente e uno statore in acciaio avvolto da una bobina. Eccitando la bobina si crea un campo elettromagnetico con poli nord e sud. Lo statore conduce il campo magnetico, facendo sì che il rotore si allinei al campo. Poiché l'eccitazione e la diseccitazione sequenziale degli avvolgimenti della bobina alterano il campo magnetico, ogni impulso o passo di ingresso fa sì che il rotore si muova 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 (che sostituisce un albero convenzionale).

La vite fornisce una forza lineare sfruttando il semplice principio meccanico del piano inclinato. Immagina un albero d'acciaio con una rampa o un piano inclinato avvolto attorno ad esso. Il vantaggio meccanico o amplificazione della forza è determinato dall'angolo della rampa che è una funzione del diametro della vite, del passo (distanza assiale che avanza la filettatura di una vite in un singolo giro) e del passo (distanza assiale misurata tra forme di filettatura adiacenti).

Le filettature della vite traducono una piccola forza di rotazione in una grande capacità di carico, a seconda della pendenza della rampa (passo della filettatura). Un piccolo passo fornisce una forza maggiore ma velocità lineari inferiori. Un passo grande fornisce una forza inferiore ma una velocità lineare maggiore dalla stessa fonte di potenza rotatoria. In alcuni modelli, la chiocciola incorporata nel rotore è realizzata in bronzo per cuscinetti che si presta alla lavorazione di filettature interne. Ma il bronzo è un compromesso ingegneristico tra potere lubrificante e stabilità fisica. Un materiale migliore è un materiale termoplastico lubrificato con un coefficiente di attrito molto più basso sull'interfaccia della filettatura della madrevite.

Sequenze di passi
Gli schemi per l'azionamento di un motore passo-passo includono il passo "a una fase" e il passo "a due fasi".

In una sequenza "una fase attiva" per un motore bifase semplificato, il passaggio 1 mostra la fase A dello statore energizzato. Questo blocca magneticamente il rotore poiché a differenza dei poli si attraggono. L'attivazione delle fasi A o e B fa sì che il rotore si muova di 90° in senso orario (fase 2). Nel passaggio 3, la Fase B è spenta e la Fase A accesa, ma con la polarità invertita rispetto al Passo 1. Ciò fa ruotare il rotore di altri 90°. Nel passaggio 4, la fase A viene disattivata e la fase B viene attivata, con la polarità invertita rispetto al passaggio 2. La ripetizione di questa sequenza fa sì che il rotore si muova in senso orario a passi di 90°.

Nella sequenza “due fasi accese”, entrambe le fasi del motore sono sempre energizzate e solo la polarità di una fase cambia. Ciò fa sì che il rotore si allinei tra i poli magnetici nord “medi” e sud “medi”. Poiché entrambe le fasi sono sempre attive, questo metodo fornisce il 41,4% di coppia in più rispetto all'attivazione con una sola fase.

Sfortunatamente, sebbene la plastica funzioni bene per le filettature, non è abbastanza stabile per i perni dei cuscinetti nel design dello stepper ibrido. Questo perché in condizioni continue di pieno carico, i perni di plastica possono espandersi quattro volte di più dei perni di ottone. Questa quantità è inaccettabile perché il design del motore richiede che il traferro tra statore e rotore sia solo di pochi millesimi di pollice. Un modo per aggirare questo problema è stampare a iniezione fili di plastica all'interno di un manicotto di ottone che verrà inserito nel rotore del magnete permanente. Questo approccio aumenta la durata del motore e fornisce un basso attrito mantenendo la stabilità del perno del cuscinetto.

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

Dimensionamento di un attuatore
Un esempio applicativo mostra al meglio come dimensionare un attuatore. Considera i seguenti parametri:

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

Il dimensionamento di un attuatore lineare con motore passo-passo prevede quattro passaggi: 1) Determinare la forza nominale iniziale dell'attuatore necessaria per soddisfare la durata richiesta; 2) Determinare la velocità in millimetri/secondo; 3) Scegliere la dimensione corretta 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 il test delle applicazioni, che è altamente raccomandato. Una tecnica che utilizza ilCarico percentuale rispetto al numero di cicliLa curva costituisce una buona prima approssimazione. I motori passo-passo non hanno spazzole soggette a usura e utilizzano cuscinetti a sfere di precisione e di lunga durata, quindi il principale componente soggetto a usura è il dado di potenza. Pertanto, il numero di cicli di durata di un dispositivo pur rispettando le specifiche di progettazione è una funzione del carico.

Fare riferimento alCarico percentuale rispetto al numero di cicligrafico per determinare il fattore di dimensionamento corretto affinché l'attuatore possa resistere a 1.000.000 di cicli. Questo risulta essere il 50% – un fattore di 0,5. La forza nominale iniziale, N, richiesta per sostenere il carico dopo 1.000.000 di cicli è quindi 15 lb/0,5 = 30 lb o 133 N.

Determinare ora 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 il fileDimensioni del telaio dell'attuatoretabella per selezionare la dimensione corretta del telaio. 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), i produttori consigliano vivamente un chopper per ottenere le massime prestazioni. In questo esempio, un esame delle specifiche di potenza dell'azionamento del chopper nella tabella rivela che la serie Haydon 43000 (dimensione 17 ibrida) soddisfa maggiormente il requisito di 1,7 W. Questa selezione soddisfa i requisiti di carico senza progettare eccessivamente il sistema.

Successivamente, calcola la velocità lineare (ips). Questo è dato dam/te arriva a 3 pollici/6 sec = 0,5 ips. Con le dimensioni del frame ottimizzate (dimensione 17 ibrida) e la velocità lineare (0,5 ips) a portata di mano, utilizza il sensore appropriatoForza contro velocità linearecurva per determinare la corretta risoluzione della vite dell'attuatore. In questo caso, la risoluzione della vite necessaria è 0,00048 pollici.

Ricordiamo che la vite 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 velocità di passo richiesta facendo riferimento aForza rispetto alla frequenza del polsocurva, dove: Risoluzione scelta = 0,00048 pollici/passo Velocità lineare richiesta = 0,5 ips Frequenza passo richiesta = (0,5 ips)/ (0,00048 pollici/passo) = 1.041 passi.

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