정밀한 자동 위치 지정을 위해서는 스테퍼 모터 기반 선형 액추에이터를 생각해 보세요.

선형 액추에이터는 본질적으로 직선을 따라 힘과 운동을 생성합니다. 일반적인 기계 시스템에서 장치의 출력축은 기어, 벨트 및 풀리 또는 기타 기계 부품을 통해 회전 모터를 사용하여 선형 운동을 제공합니다. 문제는 이러한 부품들을 연결하고 정렬해야 한다는 것입니다. 더 심각한 것은 시스템에 마찰이나 백래시와 같은 마모 요소를 추가한다는 것입니다. 더 정밀한 위치 제어가 필요한 경우, 스테퍼 모터 기반 선형 액추에이터가 더 효과적이고 간단한 대안이 될 수 있습니다.

이 장치는 모터 내부에서 회전-선형 변환을 직접 제공하므로 정밀한 선형 위치 제어가 필요한 기계 또는 메커니즘의 설계를 간소화합니다. 액추에이터는 모든 전기 입력 펄스에 대해 주어진 회전 각도로 움직입니다. 이른바 "스테핑" 기능과 정밀 리드스크류를 사용하면 정밀하고 반복 가능한 위치 제어가 가능합니다.

스테퍼 모터 기본 사항
액추에이터의 작동 방식을 이해하려면 스테퍼 모터의 기본 원리를 이해하는 것이 좋습니다. 스테퍼 모터에는 가변 릴럭턴스(VR), 영구 자석(PM), 하이브리드 등이 있습니다. 본 논의에서는 높은 토크와 정밀한 위치 결정 분해능(1.8° 또는 0.9° 스텝)을 제공하는 하이브리드 스테퍼 모터에 중점을 둡니다. 선형 액추에이터 시스템에서 하이브리드는 다음과 같은 장치에 사용됩니다.XY테이블, 혈액 분석기, HVAC 장비, 소형 간트리 로봇, 밸브 제어 장치, 자동 무대 조명 시스템.

하이브리드 스테퍼 모터의 후드 아래에는 영구 자석 로터와 코일 권선으로 감긴 강철 스테이터가 있습니다. 코일에 전원을 공급하면 북극과 남극을 가진 전자기장이 생성됩니다. 스테이터는 자기장을 유도하여 로터가 자기장과 정렬되도록 합니다. 코일 권선에 전원을 공급하고 차단하는 과정을 순차적으로 반복하면 자기장이 변하기 때문에, 모든 입력 펄스 또는 스텝은 하이브리드 모델에 따라 로터를 0.9 또는 1.8 회전 각도씩 점진적으로 이동시킵니다. 스테퍼 모터 선형 액추에이터에서는 로터에 내장된 나사산 정밀 너트가 리드스크류(기존 샤프트를 대체)와 맞물립니다.

리드스크류는 경사면의 간단한 기계적 원리를 이용하여 선형적인 힘을 제공합니다. 경사면이나 경사면이 감겨 있는 강철 샤프트를 상상해 보세요. 기계적 이점 또는 힘 증폭은 경사면의 각도에 의해 결정되는데, 경사면의 각도는 나사 직경, 리드(나사산이 한 바퀴 회전할 때 전진하는 축 방향 거리), 그리고 피치(인접한 나사산 형태 사이의 축 방향 거리)의 함수입니다.

리드스크류 나사산은 램프 경사도(나사산 리드)에 따라 작은 회전력을 큰 하중 용량으로 변환합니다. 리드가 작을수록 힘은 커지지만 선형 속도는 낮아집니다. 리드가 클수록 힘은 작아지지만 동일한 회전 동력원에서 선형 속도는 높아집니다. 일부 설계에서는 로터에 내장된 파워 너트가 베어링 등급 청동으로 제작되어 내부 나사산 가공에 적합합니다. 그러나 청동은 윤활성과 물리적 안정성 사이의 공학적 절충안입니다. 더 나은 소재는 너트와 나사산 경계면에서 마찰 계수가 훨씬 낮은 윤활 처리된 열가소성 수지입니다.

스테핑 시퀀스
스테퍼 모터를 구동하는 방식에는 "1상 켜짐" 스테핑과 "2상 켜짐" 스테핑이 있습니다.

단순화된 2상 모터의 "단상 켜짐" 시퀀스에서 1단계는 전원이 공급된 고정자의 A상을 보여줍니다. 이는 서로 다른 극이 서로 끌어당기기 때문에 회전자를 자기적으로 고정합니다. A상을 끄고 B상을 켜면 회전자가 시계 방향으로 90° 회전합니다(2단계). 3단계에서는 B상이 끄고 A상이 켜지지만, 극성은 1단계와 반대입니다. 이로 인해 회전자가 다시 90° 회전합니다. 4단계에서는 A상을 끄고 B상을 켜지만, 극성은 2단계와 반대입니다. 이 시퀀스가 ​​반복되면 회전자가 시계 방향으로 90°씩 회전합니다.

"2상 켜짐" 시퀀스에서는 모터의 두 상 모두 항상 전원이 공급되고 한 상의 극성만 전환됩니다. 이로 인해 회전자는 "평균" N극과 "평균" S극 사이에 정렬됩니다. 두 상 모두 항상 켜져 있기 때문에 이 방식은 "1상 켜짐" 스테핑 방식보다 41.4% 더 높은 토크를 제공합니다.

안타깝게도 플라스틱은 나사산에는 적합하지만, 하이브리드 스테퍼 모터 설계의 베어링 저널에는 충분히 안정적이지 않습니다. 연속적인 만재하중 조건에서 플라스틱 저널은 황동 저널보다 4배 더 팽창할 수 있기 때문입니다. 모터 설계상 고정자와 회전자 사이의 공극이 수천 분의 1인치(약 1.2mm)에 불과해야 하기 때문에 이 정도의 팽창은 용납할 수 없습니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 영구자석 회전자에 삽입될 황동 슬리브 내부에 플라스틱 나사산을 사출 성형하는 것입니다. 이 방법은 모터 수명을 늘리고 베어링 저널의 안정성을 유지하면서 마찰을 줄이는 효과를 제공합니다.

다양한 유형의 Haydon 액추에이터 중 "캡티브" 장치에는 회전 방지 메커니즘이 내장되어 있습니다. 이 구성은 최대 2.5인치의 스트로크를 제공하며 정밀 유체 분배, 스로틀 제어 및 밸브 작동과 같은 용도에 적합합니다. 다른 종류의헤이든선형 액추에이터는 소형 갠트리 로봇을 통한 혈액 튜브 이송과 같이 더 긴 스트로크가 필요한 애플리케이션에 적합한 "비고정형" 및 "외부 선형"입니다.XY모션 시스템, 이미징 시스템.

액추에이터 크기 조정
액추에이터 크기를 조정하는 방법을 가장 잘 보여주는 적용 사례입니다. 다음 매개변수를 고려하세요.

하중을 이동시키는 데 필요한 선형력 = 15 lb(67 N)
선형 거리, m, 하중을 이동해야 함 = 3인치(0.0762m)
시간,t, 하중을 몇 초 안에 이동해야 함 = 6초
목표 사이클 수 = 1,000,000

스테퍼 모터 선형 액추에이터의 크기를 조정하는 데는 4단계가 있습니다. 1) 필요한 수명을 충족하는 데 필요한 액추에이터의 초기 힘 정격을 결정합니다. 2) 밀리미터/초 단위로 속도를 결정합니다. 3) 적절한 액추에이터 프레임 크기를 선택합니다. 4) 힘 요구 사항에 따라 적절한 나사 분해능을 결정합니다.

수명을 예측하는 가장 좋은 방법은 애플리케이션 테스트를 통해서이며, 이는 강력히 권장됩니다.부하율 대비 사이클 수곡선은 좋은 첫 번째 근사치로 사용됩니다. 스테퍼 모터는 마모될 브러시가 없고 정밀하고 수명이 긴 볼 베어링을 사용하므로 주요 마모 부품은 파워 너트입니다. 따라서 장치가 설계 사양을 충족하면서 지속되는 사이클 수는 부하의 함수입니다.

를 참조하세요부하율 대비 사이클 수액추에이터가 1,000,000 사이클을 견딜 수 있는 올바른 크기 계수를 결정하기 위한 차트입니다. 이는 50%, 즉 0.5배입니다. 따라서 1,000,000 사이클 후 하중을 충족하는 데 필요한 초기 정격 힘(N)은 15 lb/0.5 = 30 lb 또는 133 N입니다.

이제 필요한 선형 기계적 전력을 와트 단위로 결정하세요.

P_선의= (N × m)/t

우리의 예에서 이는 (133 × 0.0762)/6 = 1.7W가 됩니다.

이 데이터를 사용하여액추에이터 프레임 크기표를 참조하여 올바른 프레임 크기를 선택하십시오. 모든 스테퍼 모터 선형 액추에이터는 모터에 펄스를 전송하는 드라이브가 필요합니다. 표에는 L/R 드라이브(정전압)와 초퍼 드라이브(정전류)의 전력이 모두 나와 있습니다. 배터리로 구동되는 애플리케이션(휴대용 기기처럼)이 아닌 경우, 제조업체는 최대 성능을 위해 초퍼 드라이브를 적극 권장합니다. 이 예에서 표에 나와 있는 초퍼 드라이브 전력 사양을 검토하면 Haydon 43000 시리즈(사이즈 17 하이브리드)가 1.7W 요구 사항을 가장 잘 충족하는 것을 알 수 있습니다. 이 선택은 시스템을 과도하게 설계하지 않고도 부하 요구 사항을 충족합니다.

다음으로, 선형 속도(ips)를 계산합니다. 이는 다음과 같습니다.월/티3인치/6초 = 0.5ips가 됩니다. 최적화된 프레임 크기(사이즈 17 하이브리드)와 선속도(0.5ips)를 사용하여 적절한힘 대 선형 속도액추에이터 리드스크류의 적정 분해능을 결정하는 곡선입니다. 이 경우 필요한 리드스크류 분해능은 0.00048인치입니다.

리드스크류는 모터에 입력되는 스텝 수에 따라 전진합니다. 성능 곡선은 "ips"와 "steps/sec"로 표시됩니다. 선택 사항을 확인하려면 다음을 참조하여 필요한 스텝 속도에서 힘을 확인하십시오.힘 대 맥박수곡선, 여기서: 선택한 해상도 = 0.00048인치/단계 필요한 선형 속도 = 0.5ips 필요한 단계 비율 = (0.5ips)/(0.00048인치/단계) = 1,041단계.

X축 값(맥박수)을 1,041로 표시하고 이 지점에서 곡선에 수직선을 그으면 Y축 값(힘)은 30입니다. 따라서 선택은 맞습니다.