Per un posizionamento automatizzato di precisione, la soluzione ideale sono gli 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 il 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, introducono elementi di usura come attrito e gioco nel 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 compiono un determinato movimento rotatorio per ogni impulso elettrico in ingresso. Questa cosiddetta funzione "a passi" e l'utilizzo di una vite di precisione garantiscono un posizionamento preciso e ripetibile.

Nozioni di base sui motori passo-passo
Per capire come funzionano gli attuatori, è utile comprendere i principi di base dei motori passo-passo. Esistono diversi tipi di motori passo-passo, tra cui quelli a riluttanza variabile (VR), a magneti permanenti (PM) e ibridi. Questa discussione si concentra sul motore passo-passo ibrido, che offre 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 come:XYtavoli operatori, analizzatori del sangue, apparecchiature HVAC, piccoli robot a portale, meccanismi di controllo delle valvole e sistemi automatizzati di illuminazione scenica.

All'interno di un motore passo-passo ibrido si trovano un rotore a magneti permanenti e uno statore in acciaio avvolto da una 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 sequenziali degli avvolgimenti della bobina modificano il campo magnetico, ogni impulso o passo di ingresso provoca uno spostamento incrementale del rotore 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 senza fine (che sostituisce un albero convenzionale).

La vite senza fine fornisce una forza lineare utilizzando il semplice principio meccanico del piano inclinato. Immaginate un albero in acciaio con una rampa o un piano inclinato avvolto attorno ad esso. Il vantaggio meccanico o l'amplificazione della forza è determinato dall'angolo della rampa, che è funzione del diametro della vite, dell'avanzamento (distanza assiale percorsa dalla filettatura in una singola rotazione) e del passo (distanza assiale misurata tra filettature adiacenti).

La filettatura della vite senza fine trasforma 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 minore ma una velocità lineare maggiore a parità di potenza rotazionale. In alcuni progetti, il dado di trasmissione incorporato nel rotore è realizzato in bronzo per cuscinetti, materiale 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 inferiore all'interfaccia tra dado e filettatura della vite.

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

In una sequenza "monofase attiva" per un motore bifase semplificato, il passaggio 1 mostra la fase A dello statore eccitato. Questo blocca magneticamente il rotore poiché i poli opposti si attraggono. Disattivando la fase A e attivando la fase B, il rotore ruota di 90° in senso orario (passaggio 2). Nel passaggio 3, la fase B è disattivata e la fase A attiva, ma con la polarità invertita rispetto al passaggio 1. Ciò fa ruotare il rotore di altri 90°. Nel passaggio 4, la fase A è disattivata e la fase B è attivata, con la polarità invertita rispetto al passaggio 2. La ripetizione di questa sequenza fa ruotare il rotore in senso orario con incrementi di 90°.

Nella sequenza "a due fasi", entrambe le fasi del motore sono sempre alimentate e solo la polarità di una fase si inverte. Ciò fa sì che il rotore si allinei tra i poli magnetici "medi" nord e "medi" sud. Poiché entrambe le fasi sono sempre attive, questo metodo fornisce il 41,4% di coppia in più rispetto alla modalità "a una sola fase".

Purtroppo, sebbene la plastica funzioni bene per le filettature, non è sufficientemente stabile per i perni dei cuscinetti nel design ibrido del motore passo-passo. Questo perché, in condizioni di carico continuo a pieno regime, i perni in plastica possono espandersi fino a quattro volte di più rispetto a quelli in ottone. Tale espansione è inaccettabile poiché il design del motore richiede che il traferro tra statore e rotore sia di pochi millesimi di pollice. Una soluzione a questo problema consiste nello stampare a iniezione filettature in plastica all'interno di una boccola in ottone che verrà inserita nel rotore a magneti permanenti. 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 “captive” hanno un meccanismo antirotazione incorporato. Questa configurazione fornisce una corsa massima fino a 2,5 pollici ed è adatta ad applicazioni come l'erogazione di fluidi di precisione, il controllo dell'acceleratore e il movimento delle valvole. Altri tipi diHaydonGli attuatori lineari sono quelli “non vincolati” e “lineari esterni” adatti ad applicazioni che necessitano di una corsa più lunga, come il trasferimento di provette di sangue tramite 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 necessaria per spostare il carico = 15 lb (67 N)
Distanza lineare, in metri, di cui il carico deve essere spostato = 3 pollici (0,0762 m)
Tempo,t, necessario per spostare il carico in secondi = 6 sec
Numero di cicli previsto = 1.000.000

Il dimensionamento di un attuatore lineare con motore passo-passo si articola in quattro fasi: 1) Determinare la forza iniziale necessaria all'attuatore per garantire la durata richiesta; 2) Determinare la velocità in millimetri/secondo; 3) Scegliere la dimensione appropriata del telaio dell'attuatore; e 4) Determinare la corretta risoluzione della vite in base ai requisiti di forza.

Il modo migliore per prevedere la durata è attraverso il test dell'applicazione, che è altamente raccomandato. 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 sfera di precisione e di lunga durata, pertanto il componente principale soggetto a usura è il dado di trasmissione. Di conseguenza, il numero di cicli che un dispositivo può sopportare pur mantenendo le specifiche di progetto dipende dal carico.

Fare riferimento alPercentuale di carico rispetto al numero di cicliUtilizzando un grafico, è possibile determinare il fattore di dimensionamento corretto per l'attuatore, in modo da resistere a 1.000.000 di cicli. Il valore risulta essere del 50%, ovvero un fattore di 0,5. La forza nominale iniziale, in N, necessaria per sopportare il carico dopo 1.000.000 di cicli è quindi pari a 15 lb/0,5 = 30 lb, ovvero 133 N.

Ora determina 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'attuatoreConsultare la tabella 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 raccomandano vivamente un azionamento chopper per ottenere le massime prestazioni. In questo esempio, un'analisi delle specifiche di potenza dell'azionamento chopper nella tabella rivela che la serie Haydon 43000 (taglia 17 Hybrid) soddisfa al meglio il requisito di 1,7 W. Questa scelta 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 le dimensioni del telaio ottimizzate (dimensione 17 Hybrid) e la velocità lineare (0,5 ips) a disposizione, utilizzare l'appropriatoForza contro velocità linearecurva per determinare la risoluzione corretta della vite senza fine dell'attuatore. In questo caso, la risoluzione della vite senza fine necessaria è di 0,00048 pollici.

Ricorda che la vite senza fine avanza in base al numero di passi di ingresso al motore. Le curve di prestazione sono espresse sia in "ips" che in "passi/sec". Per verificare la tua selezione, controlla la forza alla velocità di passo richiesta facendo riferimento aForza 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.

Rappresentando il valore 1.041 sull'asse X (frequenza cardiaca) e tracciando una linea perpendicolare da questo punto alla curva, si ottiene che il valore sull'asse Y (forza) è 30. Pertanto, la selezione è corretta.