正確な自動化されたポジショニングについては、ステッパーモーターベースの線形アクチュエーターを考えてください。

線形アクチュエーターは、本質的に直線を介して力と動きを生成します。典型的な機械システムでは、デバイスの出力シャフトは、ギア、ベルトとプーリー、またはその他の機械的成分を介した回転モーターを使用して線形運動を提供します。問題は、これらのコンポーネントを結合して整列する必要があることです。さらに悪いことに、彼らは摩擦やバックラッシュなどの摩耗要素をシステムに追加します。より細かいポジショニングのニーズのために、より効果的で簡単な代替手段は、ステッパーモーターベースの線形アクチュエーターから得られます。

これらのデバイスは、モーター内で直接回転から線形への変換を提供するため、正確な線形位置を必要とするマシンまたはメカニズムの設計を簡素化します。アクチュエーターは、すべての電気入力パルスに対して特定の程度の回転動きを移動します。このいわゆる「ステッピング」機能と正確なリードスクリューの使用は、正確で再現可能なポジショニングを提供します。

ステッパーモーターの基本
アクチュエーターがどのように機能するかを確認するには、ステッパーモーターズの基本を理解することが役立ちます。さまざまな種類のステッピングモーターには、可変不本意（VR）、永久磁石（PM）、およびハイブリッドが含まれます。この議論は、高トルクと微細な位置決め解像度（1.8または0.9°ステップ）を提供するハイブリッドステッパーに集中しています。線形アクチュエータシステムでは、ハイブリッドは次のようなデバイスにありますxyテーブル、血液分析装置、HVAC機器、小さなガントリーロボット、バルブ制御メカニズム、および自動段階照明システム。

ハイブリッドステッパーのボンネットの下には、永久マグネットローターとコイル巻線で包まれたスチールステーターがあります。コイルを通電すると、北極と南極に電磁場が作成されます。ステーターは磁場を導入し、ローターがフィールドに整列します。コイル巻線を連続的にエネルギー化して生成すると磁場が変化するため、すべての入力パルスまたはステップにより、ハイブリッドモデルに応じて、ローターが0.9または1.8の回転度を徐々に移動させます。ステッパーモーター線形アクチュエーターでは、ローターに埋め込まれたねじれた精度ナットがリードスクリュー（従来のシャフトを置き換える）に関与します。

鉛路は、傾斜面の単純な機械的原理を使用して線形力を提供します。ランプまたは傾斜面が巻かれたスチールシャフトを想像してください。機械的利点または力の増幅は、ネジ径、鉛の関数（軸方向距離が単一の革命で進行する）、およびピッチ（隣接する糸の間で測定された軸距離）の関数であるランプの角度によって決定されます。

リードスクリュースレッドは、ランプの急勾配（スレッドリード）に応じて、小さな回転力を大きな負荷能力に変換します。小さなリードは、より高い力を提供しますが、線形速度が低くなります。大きな鉛は力が低くなりますが、同じ回転出力のソースからより高い線形速度を与えます。一部のデザインでは、ローターに埋め込まれたパワーナットは、内部スレッドの加工に役立つベアリンググレードのブロンズでできています。しかし、青銅は潤滑性と物理的安定性の間の工学的妥協です。より良い材料は、ナットスクリュースレッドインターフェイスではるかに低い摩擦係数を備えた潤滑された熱可塑性です。

ステッピングシーケンス
ステッピングモーターを駆動するためのスキームには、「1つのフェーズオン」ステッピングと「2フェーズオン」ステッピングが含まれます。

単純化された2相モーターの「1フェーズオン」シーケンスでは、ステップ1にエネルギー化されたステーターのフェーズAを示しています。これは、極とは異なり、ローターを磁気的にロックします。 OおよびBがオンになると、ローターが時計回りに90°移動します（ステップ2）。ステップ3では、フェーズBはOとフェーズAのオンですが、ステップ1から極性が逆転します。ローターはさらに90°回転します。ステップ4では、フェーズAがOを回し、フェーズBがオンになり、ステップ2から極性が逆転します。このシーケンスの繰り返しにより、ローターは90°ステップで時計回りに移動します。

「2フェーズオン」シーケンスでは、両方の運動相が常にエネルギー化され、1つの相の極性のみがエネルギー化されます。これにより、ローターは「平均」北部と「平均」南磁極の間にそれ自体を整列させます。両方のフェーズが常にオンになっているため、この方法は「1つのフェーズオン」ステッピングよりも41.4％多くのトルクを提供します。

残念ながら、プラスチックはスレッドに適していますが、ハイブリッドステッパーのデザインのベアリングジャーナルにとって十分に安定していません。これは、継続的なフルロード状態の下で、プラスチックジャーナルが真鍮のジャーナルの4倍を拡大できるためです。モーターの設計では、ステーターから回転のエアギャップがわずか数千インチであることを必要とするため、この量は受け入れられません。この問題を回避する方法は、永久磁石ローターに挿入される真鍮のスリーブ内の射出型プラスチックスレッドです。このアプローチにより、運動寿命が向上し、ベアリングジャーナルの安定性を維持しながら、低摩擦を提供します。

さまざまな種類のHaydonアクチュエーターのうち、「キャプティブ」デバイスには組み込みの反抗メカニズムがあります。この構成は、最大2.5インチの最大ストロークを提供し、精密流体分配、スロットル制御、バルブの動きなどのアプリケーションに適しています。他の種類ハイドン線形アクチュエーターは、小さなガントリーロボットによる血液チューブの移動など、より長いストロークを必要とするアプリケーションに合わせた「非キャプチャ」および「外線線形」です。xyモーションシステム、およびイメージングシステム。

アクチュエータのサイジング
アプリケーションの例は、アクチュエータのサイズの方法を最もよく示しています。次のパラメーターを検討してください。

負荷を動かすのに必要な線形力= 15 lb（67 n）
線形距離、m、負荷を移動する必要があります= 3インチ（0.0762 m）
時間、t、数秒で負荷を移動する必要があります= 6秒
ターゲット数サイクル= 1,000,000

ステッパーモーターの線形アクチュエータをサイジングするには4つのステップがあります。1）必要な寿命を満たすために必要なアクチュエーターの初期力の定格を決定します。 2）ミリメートル/秒で速度を決定します。 3）適切なアクチュエータフレームサイズを選択します。 4）力の要件に基づいて適切なネジ分解能を決定します。

人生を予測する最良の方法は、アプリケーションテストを使用することです。これは強くお勧めします。を使用したテクニック荷重とサイクルの数曲線は、良い最初の近似として機能します。ステッピングモーターには摩耗するブラシがなく、正確な長寿命のボールベアリングを使用しているため、メインウェアコンポーネントはパワーナットです。したがって、設計仕様を満たしている間、デバイスが持続するサイクル数は負荷の関数です。

を参照してください荷重とサイクルの数チャートアクチュエーターが1,000,000サイクルに耐える正しいサイジング係数を決定するためのチャート。これは50％であることが判明しました - 0.5因子。したがって、1,000,000サイクル後に負荷を満たすために必要な初期定格の力nは、15 lb/0.5 = 30 lbまたは133 Nです。

次に、必要な線形機械的電力をワットで決定します。

P_リニア=（n×m）/t

この例では、これは（133×0.0762）/6 = 1.7 wになります

このデータを使用して、を使用しますアクチュエータフレームサイズ正しいフレームサイズを選択するテーブル。すべてのステッパーモーター線形アクチュエーターは、モーターにパルスを送信するためのドライブが必要です。テーブルには、L/Rドライブ（一定電圧）とチョッパードライブ（定電流）の両方の電力がリストされていることに注意してください。アプリケーションが（ハンドヘルドポータブルデバイスのように）バッテリー駆動型でない限り、メーカーは最大のパフォーマンスを得るためにチョッパードライブを強くお勧めします。この例では、テーブル内のチョッパードライブパワースペックのレビューでは、Haydon 43000シリーズ（サイズ17ハイブリッド）が1.7-Wの要件を最も密接に満たしていることが明らかになりました。この選択は、システムを過度に設計することなく負荷要件を満たしています。

次に、線形速度（IPS）を計算します。これはによって与えられますm/t3インチ/6秒= 0.5 ipsになります。最適化されたフレームサイズ（サイズ17ハイブリッド）と線形速度（0.5 ips）を手にして、適切なものを使用します力対線形速度アクチュエータリードスクリューの適切な解像度を決定するための曲線。この場合、必要なリードスクリューの解像度は0.00048インチです。

LeadSwewは、モーターへの入力ステップの数に基づいて進歩していることを思い出してください。パフォーマンス曲線は、「IPS」と「Steps/Sec」の両方で表されます。選択を確認するには、次のように参照して、必要なステップレートで力を確認してください力とパルス速度曲線、ここで：解像度が選択された解像度= 0.00048インチ/step必要な線形速度= 0.5 ips必要なステップレート=（0.5 ips）/（0.00048インチ/step）= 1,041ステップ。

x軸値（パルス速度）として1,041をプロットし、このポイントから曲線まで垂直線を描画すると、y軸値（力）が30であることがわかります。したがって、選択は正しいです。