I sistemi di movimento lineare si trovano all'interno di innumerevoli macchine tra cui sistemi di taglio laser di precisione, attrezzature di automazione in laboratorio, macchine per la fabbricazione di semiconduttori, macchine a CNC, automazione delle fabbriche e molti altri troppo numerosi per essere elencati. Vanno dal relativamente semplice come un attuatore di sedili economici in un veicolo passeggeri, a un sistema di coordinate multi-asse complesso completo di controllo e elettronica di guida per il posizionamento a circuito chiuso. Non importa quanto sia semplice o complesso il sistema di movimento lineare, al livello più elementare, hanno tutti una cosa in comune: spostare un carico attraverso una distanza lineare in un tempo specifico di tempo.

Una delle domande più comuni quando si progetta un sistema di movimento lineare si concentra sulla tecnologia motoria. Una volta scelta la tecnologia, il motore deve essere dimensionato per soddisfare le esigenze dell'accelerazione del carico, superare l'attrito nel sistema e superare l'effetto della gravità, il tutto mantenendo una temperatura operativa massima sicura. La capacità di coppia, velocità, potenza e posizionamento del motore è una funzione del design del motore, accoppiata con l'unità e il controllo.

Con quale motore dovrei iniziare?

Ci sono molte domande sull'applicazione da considerare quando si progetta un sistema di movimento lineare utilizzando una particolare tecnologia motoria. Una spiegazione esaustiva dell'intero processo va oltre lo scopo di questo articolo. L'intento è farti pensare di porre le domande giuste quando si parla con un fornitore di motori.

Non esiste il miglior motore per ogni applicazione, ma piuttosto il miglior motore per una particolare applicazione. Nella stragrande maggioranza delle applicazioni di movimento incrementale, la scelta sarà un motore passo -passo, un motore a spazzole a spazzole o un motore a CC senza spazzole. I sistemi di movimento più complessi possono utilizzare motori lineari accoppiati direttamente al carico, evitando la necessità di conversione di potenza meccanica; Non è necessario tradurre una traduzione tramite una vite a piombo/vite a sfera, cambio o sistema di puleggia. Sebbene la massima precisione, ripetibilità e risoluzione del posizionamento possano essere ottenute con sistemi di servo lineare a guida diretta senza cori, sono i costi e la complessità più elevati rispetto ai motori rotanti. Un'architettura che utilizza motori rotanti è molto meno costosa e soddisferà la maggior parte delle applicazioni di movimento lineare; Tuttavia, per guidare il carico sono necessari alcuni mezzi di conversione "da rotazione a lineare" (e di conseguenza).

I motori a passo di passo, pennello e spazzole sono tutti considerati motori DC; Tuttavia, esistono sottigliezze che farà favorire un ingegnere un tipo rispetto agli altri due in una particolare applicazione. Va sottolineato che questa scelta dipende fortemente dai requisiti di progettazione del sistema, non solo in termini di velocità e coppia, ma anche dalla precisione di posizionamento, dalla ripetibilità e dai requisiti di risoluzione. Non esiste un motore perfetto per ogni applicazione e tutte le decisioni richiederanno compromessi di progettazione. Al livello più elementare, tutti i motori, siano essi chiamati AC o DC, Brush, Brushless o qualsiasi altro motore elettrico per quella materia, funzionano con lo stesso principio di fisica per generare coppia: l'interazione di campi magnetici. Ci sono differenze drammatiche, tuttavia, nel modo in cui queste varie tecnologie motorie rispondono in particolari applicazioni. Le prestazioni complessive del motore, la risposta e la generazione di coppia dipendono dal metodo di eccitazione del campo e dalla geometria del circuito magnetico inerente alla progettazione del motore fisico, al controllo della tensione di ingresso e alla corrente da parte del controller/unità e del metodo di velocità o feedback della posizione, se l'applicazione richiede.

DC Stepper, Brush Serve e Servo Motor Technologies utilizzano una fornitura DC per alimentarli. Per applicazioni di movimento lineare, ciò non significa che una fonte fissa di DC possa essere applicata direttamente agli avvolgimenti del motore; L'elettronica è necessaria per controllare la corrente di avvolgimento (relativa alla coppia di uscita) e alla tensione di avvolgimento (relativa alla velocità di uscita). Di seguito è elencato un riepilogo dei punti di forza e di debolezza delle 3 tecnologie.

La progettazione del sistema lineare inizia con la massa di carico e la velocità con cui la massa deve attraversare dal punto A al punto B. Tipo di motore, dimensioni e progettazione meccanica inizia con la potenza (WATTS) necessaria per spostare il carico. A partire dal carico e alla fine lavorando indietro attraverso tutti i componenti all'alimentazione dell'unità, l'analisi è una serie di passaggi per comprendere la conversione di potenza da una parte all'altra del sistema considerando le varie efficienze dei componenti in mezzo. I watt sotto forma di tensione e corrente nell'unità alla fine si tradurranno in watt di uscita meccanica che spostano un determinato carico in un tempo specifico di tempo.

Al fine di ottenere un'indicazione della potenza di uscita necessaria al carico, un semplice calcolo di potenza aiuterà a far calling un motore. Dopo aver compreso la potenza media di uscita necessaria, termina l'analisi dei requisiti di alimentazione lavorando al motore e guidando attraverso i vari elementi di conversione di potenza. I dati dei produttori dovrebbero essere referenziati per tenere conto dell'efficienza dei vari componenti, in quanto ciò determinerà in definitiva le dimensioni del motore e dell'alimentazione. È una preferenza personale riguardo alle unità con cui lavorare, ma le unità SI sono altamente raccomandate. Lavorare in unità SI evita la necessità di ricordare più costanti di conversione e il risultato finale può sempre essere convertito in unità inglesi.

Quanta potenza è necessaria per spostare il carico nel tempo richiesto?

Una massa di 9 kg sollevata contro la gravità richiederà una forza di circa 88 N. Il calcolo dei watt necessari per spostare il carico fornirà un punto di partenza per determinare i componenti nel resto del sistema. Questa è la potenza media necessaria per spostare una massa di 9 kg in verticale dal punto A al punto B in 1 secondo. Le perdite di sistema come l'attrito non sono incluse. La potenza dell'albero del motore richiesto sarà leggermente più alta e dipende dagli altri componenti utilizzati nel sistema come il cambio e la vite di piombo.

P = (f × s) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64W

Questo è diverso dalla potenza di picco che sarà richiesta dal sistema. Una volta presi in considerazione l'accelerazione e la decelerazione, la potenza istantanea durante il profilo di spostamento sarà leggermente più elevata; Tuttavia, la potenza di uscita media necessaria al carico è di circa 18 watt. Dopo un'analisi approfondita di tutti i componenti, un sistema come questo richiederà una potenza di picco di circa 37 W per svolgere il lavoro. Queste informazioni, insieme alle varie altre specifiche dell'applicazione, ora aiuteranno a scegliere la tecnologia motoria più appropriata.

Quale tecnologia motoria dovrei considerare?

Eccellente capacità di posizionamento e controlli relativamente semplici porterebbero un designer a guardare prima la possibilità di utilizzare un motore passo -passo. Un motore passo -passo, tuttavia, non soddisfare il requisito di una piccola impronta meccanica mentre soddisfa le richieste di carico. Un requisito di alimentazione di picco di 37 watt richiederebbe un motore passo -passo molto grande. Sebbene i motori stepper possiedano una coppia molto elevata a basse velocità, la velocità di picco e quindi il requisito di alimentazione del profilo di mossa supera la capacità di tutti tranne i più grandi motori a passo passo.

Un motore servo a pennello DC soddisferebbe i requisiti di carico, una piccola impronta meccanica e avrebbe una rotazione molto regolare a basse velocità; Tuttavia, a causa dei rigidi requisiti EMC, è probabilmente meglio evitare il motore a pennello per questa particolare applicazione. Questa sarebbe un'alternativa meno costosa rispetto a un sistema senza spazzole, ma potrebbe presentare difficoltà a soddisfare eventuali requisiti EMC rigorosi.

Il motore DC senza spazzole che utilizza un sistema di azionamento sinusoidale sarebbe la prima scelta per soddisfare tutti i requisiti dell'applicazione tra cui il profilo di carico e movimento (alta densità di potenza); Moto liscio e senza ingranaggi a basse velocità; e una piccola impronta meccanica. In questo caso, ci sarà ancora il potenziale di una firma EMI a causa della commutazione ad alta frequenza dell'elettronica di azionamento; Tuttavia, questo può essere mitigato usando il filtro in linea a causa di una banda di frequenza più ristretta. Un motore a spazzole DC mostra una firma EMI più ampia, rendendo più difficile filtrare.

Il dimensionamento del motore è solo l'inizio

Questo articolo è stato una breve discussione per introdurre un designer a varie considerazioni nella scelta di una tecnologia motoria per un'applicazione di movimento lineare relativamente semplice. Sebbene i principi siano identici per un sistema più complesso come una tabella XY o un meccanismo di selezione di precisione multi-asse, ogni asse dovrà essere analizzato per il carico in modo indipendente. Un'altra considerazione al di fuori dell'ambito di questo articolo è come scegliere un fattore di sicurezza appropriato per soddisfare la vita desiderata del sistema (numero di cicli). La durata del sistema non è solo una funzione della dimensione del motore, ma anche degli altri elementi meccanici nel sistema come il cambio e il gruppo a vite di piombo. Altri fattori come l'accuratezza del posizionamento, la risoluzione, la ripetibilità, il massimo rotolo, il pitch e l'ardata, ecc. Sono tutte considerazioni importanti per garantire che il sistema di movimento lineare soddisfi o supera gli obiettivi dell'applicazione.