정확한 자동 위치를 위해 스테퍼 모터 기반 선형 액추에이터를 생각해보십시오.

선형 액추에이터는 본질적으로 직선을 통해 힘과 움직임을 생성합니다. 일반적인 기계 시스템에서 장치의 출력 샤프트는 기어, 벨트 및 풀리 또는 기타 기계적 구성 요소를 통해 로터리 모터를 사용하여 선형 운동을 제공합니다. 문제는 이러한 구성 요소를 결합하고 정렬해야한다는 것입니다. 더 나쁜 것은, 시스템에 마찰 및 반발과 같은 마모 요소를 추가합니다. 더 미세한 포지셔닝 요구의 경우,보다 효과적이고 간단한 대안은 Stepper-Motor 기반 선형 액추에이터에서 나옵니다.

이 장치는 모터 내부의 로터리 간 변환을 제공하기 때문에 정확한 선형 위치를 필요로하는 기계 또는 메커니즘의 설계를 단순화합니다. 액추에이터는 모든 전기 입력 펄스에 대해 주어진 정도의 회전 운동을 움직입니다. 이 소위 "스테핑"기능과 정확한 리드 스크류의 사용은 정확하고 반복 가능한 포지셔닝을 제공합니다.

스피퍼 운동 기본
액추에이터의 작동 방식을 보려면 Stepper Motors의 기본 사항을 이해하는 것이 도움이됩니다. 다양한 종류의 스테퍼 모터에는 가변 꺼려 (VR), 영구 자석 (PM) 및 하이브리드가 포함됩니다. 이 논의는 하이브리드 스테퍼를 중심으로 높은 토크와 미세 포지셔닝 해상도 (1.8 또는 0.9 ° 단계)를 제공합니다. 선형 액추에이터 시스템에서 하이브리드는 다음과 같은 장치에서 발견됩니다.xy테이블, 혈액 분석기, HVAC 장비, 소형 갠트리 로봇, 밸브 제어 메커니즘 및 자동화 단계 조명 시스템.

하이브리드 스테퍼의 후드 아래에는 영구 매그넷 로터와 코일 와인딩으로 감싸는 강철 고정자가 있습니다. 코일에 활력을 불어 넣으면 북쪽 및 남쪽으로 전자기장이 생성됩니다. 고정자는 자기장을 전도시켜 로터가 필드와 정렬됩니다. 코일 와인딩이 순차적으로 활력을주고 디 에너지 화하기 때문에 자기장이 변경되기 때문에 모든 입력 펄스 또는 단계는 로터가 하이브리드 모델에 따라 0.9 또는 1.8 회전 정도를 점진적으로 움직입니다. 스테퍼 모터 선형 액추에이터에서 로터에 내장 된 나사 정밀도는 리드 스크류 (기존 샤프트를 대체)와 관련이 있습니다.

리드 스크류는 경사면의 간단한 기계적 원리를 사용하여 선형 힘을 제공합니다. 경사로 또는 경사 비행기가있는 강철 샤프트를 상상해보십시오. 기계적 이점 또는 힘 증폭은 나사 직경, 리드 (축 방향 거리의 스크류 스레드가 단일 혁명에서 발전 함) 및 피치 (인접한 나사산 형태 사이에서 측정 된 축 거리)의 함수 인 램프의 각도에 의해 결정됩니다.

리드 스크류 스레드는 램프 가파른 (스레드 리드)에 따라 작은 회전력을 큰 하중 기능으로 변환합니다. 작은 리드는 더 높은 힘을 제공하지만 선형 속도는 낮습니다. 큰 리드는 더 낮은 힘을 제공하지만 동일한 로터리 파워 공급원에서 더 높은 선형 속도를 제공합니다. 일부 디자인에서는 로터에 내장 된 파워 너트는 내부 스레드의 가공에 적합한 베어링 등급 청동으로 만들어집니다. 그러나 Bronze는 윤활성과 물리적 안정성 사이의 엔지니어링 타협입니다. 더 나은 재료는 너트 스크류 스레드 인터페이스에서 마찰 계수가 훨씬 낮은 윤활한 열가소성입니다.

스테핑 시퀀스
스테퍼 모터를 운전하기위한 체계에는 "1 단계"스테핑과 "2 단계"스테핑이 포함됩니다.

단순화 된 2 상 모터에 대한 "1 단계 온"시퀀스에서, 1 단계는 에너지 고정자의 상 A를 보여준다. 이것은 기둥이 끌리는 것과는 달리 로터를 자성적으로 잠그는 것입니다. 위상 A O 및 B를 켜면 로터가 시계 방향으로 90 ° 이동합니다 (2 단계). 단계 3에서, 단계 B는 O 및 Phase A on이지만, 극성이 1 단계로부터 반전된다. 로터가 다른 90 ° 회전하게 된 원인. 단계 4에서, 상 A는 O를 돌리고 단계 B가 켜지고, 2 단계에서 극성이 반전되며,이 시퀀스의 반복은 로터가 90 ° 단계에서 시계 방향으로 이동하게한다.

"2 상 ON"시퀀스에서, 두 운동 단계 모두 항상 활성화되며, 하나의 위상 스위치의 극성 만 가능합니다. 이로 인해 로터는 북쪽과 "평균"남쪽 자기 기둥 사이에 자체적으로 정렬됩니다. 두 단계 모두 켜져 있기 때문에이 방법은 "1 단계 온"스테핑보다 41.4% 더 많은 토크를 제공합니다.

불행히도, 플라스틱은 스레드에 적합하지만 하이브리드 스테퍼 디자인의 베어링 저널에는 충분하지 않습니다. 지속적인 풀로드 조건 하에서 플라스틱 저널은 황동 저널보다 4 배 확장 될 수 있기 때문입니다. 모터 설계에는 고정자 간 에어 갭이 1 천 분의 1 인치에 불과하기 때문에이 양은 용납 할 수 없습니다. 이 문제를 해결하는 방법은 영구-매그넷 로터에 삽입 될 황동 슬리브 내부의 플라스틱 실을 주입하는 것입니다. 이 접근법은 베어링 저널 안정성을 유지하면서 운동 수명을 높이고 마찰이 적습니다.

다양한 유형의 Haydon 액추에이터 중에서 "포로"장치에는 내장 방지 메커니즘이 내장되어 있습니다. 이 구성은 최대 2.5 인치의 최대 스트로크를 제공하며 정밀 유체 디스펜스, 스로틀 제어 및 밸브 이동과 같은 응용 프로그램에 적합합니다. 다른 종류의헤이든선형 액추에이터는 "비 캡티브"및 "외부 선형"이며, 작은 갠트리 로봇에 의한 혈관 전달과 같은 더 긴 스트로크가 필요한 응용 분야에 적합합니다.xy모션 시스템 및 이미징 시스템.

액추에이터 크기
응용 프로그램 예제는 액추에이터를 크기로 만드는 방법을 보여줍니다. 다음 매개 변수를 고려하십시오.

하중을 이동하는 데 필요한 선형 힘 = 15 lb (67 N)
선형 거리, m, 하중을 이동해야한다 = 3 인치 (0.0762 m)
시간,t, 부하를 초 안에 이동해야했습니다 = 6 초
목표주기 수 = 1,000,000

스테퍼 모터 선형 액추에이터를 사이징하는 4 가지 단계가 있습니다. 1) 필요한 수명을 충족시키는 데 필요한 액추에이터의 초기 힘 등급을 결정하십시오. 2) 밀리미터/초의 속도를 결정합니다. 3) 적절한 액추에이터 프레임 크기를 선택하십시오. 4) 힘 요구 사항에 따라 적절한 나사 해상도를 결정하십시오.

수명을 예측하는 가장 좋은 방법은 응용 프로그램 테스트를 통한 것입니다. The를 사용하는 기술부하 백분율 대 사이클 수곡선은 좋은 첫 번째 근사치 역할을합니다. 스테퍼 모터에는 마모 할 브러시가 없으며 정밀도의 긴 볼 베어링을 사용하므로 메인 마모 구성 요소는 파워 너트입니다. 따라서 장치가 지속되는주기 수는 여전히 설계 사양을 충족하는 것이 부하의 함수입니다.

참조부하 백분율 대 사이클 수차트 액추에이터가 1,000,000 사이클을 견딜 수있는 올바른 크기 요인을 결정합니다. 이것은 50% - 0.5의 계수로 밝혀졌습니다. 1,000,000 사이클 후 하중을 충족시키는 데 필요한 초기 정격 힘 N은 15 lb/0.5 = 30 lb 또는 133 N입니다.

이제 와트에서 필요한 선형 기계적 전력을 결정하십시오.

P_선의= (n × m)/t

이 예에서는 이것이 (133 × 0.0762)/6 = 1.7 W가됩니다.

이 데이터를 사용하면 사용하십시오액추에이터 프레임 크기테이블이 올바른 프레임 크기를 선택합니다. 모든 스테퍼 모터 선형 액추에이터는 모터로 펄스를 보내기 위해 드라이브가 필요합니다. 테이블에는 L/R 구동 (일정한 전압)과 헬리콥터 드라이브 (일정한 전류)에 대한 전원이 나와 있습니다. 핸드 헬드 휴대용 장치에서와 같이 애플리케이션이 배터리 전원으로 전원을 공급하지 않는 한 제조업체는 최대 성능을 위해 헬리콥터 드라이브를 강력히 권장합니다. 이 예에서, 테이블의 Chopper Drive 전력 사양에 대한 검토는 Haydon 43000 시리즈 (Size 17 Hybrid)가 1.7W 요구 사항을 가장 밀접하게 충족 시킨다는 것을 보여줍니다. 이 선택은 시스템을 지나치게 설계하지 않고로드 요구 사항을 충족합니다.

다음으로 선형 속도 (ips)를 계산하십시오. 이것은 주어집니다m/t3 in./6 sec = 0.5 ips에 이릅니다. 최적화 된 프레임 크기 (크기 17 하이브리드)와 선형 속도 (0.5 IP)를 사용하여 적절한 것을 사용하십시오.힘 대 선형 속도곡선 액추에이터 리드 스크류의 적절한 해상도를 결정합니다. 이 경우 필요한 납 스크류 해상도는 0.00048 in입니다.

리드 스크류는 모터에 대한 입력 단계의 수를 기준으로 발전한다는 것을 상기하십시오. 성능 곡선은 "IP"및 "Steps/Sec"로 표현됩니다. 선택을 확인하려면 필요한 단계 속도로 힘을 확인하여힘 대 맥박 속도곡선, 여기 : 해상도 선택 = 0.00048 in./step 필수 선형 속도 = 0.5 IPS 필수 단계 속도 = (0.5 IPS)/(0.00048 in./step) = 1,041 단계.

1,041을 x 축 값 (펄스 속도)으로 플로팅 하고이 지점에서 곡선까지 수직선을 그리는 것은 y 축 값 (힘)이 30임을 나타냅니다. 따라서 선택이 정확합니다.