정밀한 자동 포지셔닝을 위해서는 스테퍼 모터 기반 선형 액추에이터를 생각해 보십시오.

선형 액추에이터는 기본적으로 직선을 통해 힘과 운동을 생성합니다. 일반적인 기계 시스템에서 장치의 출력 샤프트는 기어, 벨트 및 풀리 또는 기타 기계 구성 요소를 통해 회전 모터를 사용하여 선형 모션을 제공합니다. 문제는 이러한 구성 요소를 결합하고 정렬해야 한다는 것입니다. 더 나쁜 것은 마찰 및 백래시와 같은 마모 요소를 시스템에 추가한다는 것입니다. 더 미세한 위치 지정 요구 사항을 충족하려면 스테퍼 모터 기반 선형 액추에이터가 더 효과적이고 간단한 대안이 됩니다.

이러한 장치는 모터 내부에서 직접 회전-선형 변환을 제공하므로 정밀한 선형 위치 지정이 필요한 기계 또는 메커니즘의 설계를 단순화합니다. 액추에이터는 모든 전기 입력 펄스에 대해 지정된 회전 운동 정도를 움직입니다. 소위 "스테핑" 기능과 정밀한 리드스크류를 사용하면 정확하고 반복 가능한 위치 지정이 가능합니다.

스테퍼 모터 기본 사항
액추에이터가 어떻게 작동하는지 보려면 스테퍼 모터의 기본을 이해하는 것이 도움이 됩니다. 다양한 종류의 스테퍼 모터에는 가변 자기 저항(VR), 영구 자석(PM) 및 하이브리드가 포함됩니다. 이 논의는 높은 토크와 미세한 위치 결정 분해능(1.8 또는 0.9° 단계)을 제공하는 하이브리드 스테퍼에 중점을 두고 있습니다. 선형 액추에이터 시스템에서 하이브리드는 다음과 같은 장치에서 발견됩니다.XY테이블, 혈액 분석기, HVAC 장비, 소형 갠트리 로봇, 밸브 제어 메커니즘 및 자동화된 무대 조명 시스템.

하이브리드 스테퍼의 후드 아래에는 영구 자석 회전자와 코일 권선으로 감싼 강철 고정자가 있습니다. 코일에 전원을 공급하면 북극과 남극으로 전자기장이 생성됩니다. 고정자는 자기장을 전도하여 회전자가 자기장과 정렬되도록 합니다. 코일 권선에 순차적으로 전원을 공급하고 차단하면 자기장이 변경되므로 모든 입력 펄스 또는 단계로 인해 로터가 하이브리드 모델에 따라 0.9 또는 1.8 회전 각도씩 점진적으로 이동하게 됩니다. 스테퍼 모터 선형 액추에이터에서는 로터에 내장된 나사형 정밀 너트가 리드스크류(기존 샤프트를 대체함)와 맞물립니다.

리드스크류는 경사면의 간단한 기계적 원리를 사용하여 선형 힘을 제공합니다. 경사면이나 경사면이 둘러싸인 강철 샤프트를 상상해 보십시오. 기계적 이점 또는 힘 증폭은 나사 직경, 리드(나사 나사산이 1회전에서 전진하는 축 거리) 및 피치(인접한 나사산 사이에서 측정된 축 거리)의 함수인 램프 각도에 의해 결정됩니다.

리드스크류 스레드는 램프 경사도(스레드 리드)에 따라 작은 회전력을 큰 부하 용량으로 변환합니다. 작은 리드는 더 높은 힘을 제공하지만 선형 속도는 더 낮습니다. 큰 리드는 동일한 회전 동력원에서 더 낮은 힘을 제공하지만 더 높은 선형 속도를 제공합니다. 일부 설계에서는 로터에 내장된 파워 너트가 내부 나사 가공에 적합한 베어링 등급 청동으로 만들어졌습니다. 그러나 청동은 윤활성과 물리적 안정성 사이의 공학적 절충안입니다. 더 나은 재료는 너트-나사 스레드 인터페이스에서 마찰 계수가 훨씬 낮은 윤활 열가소성 수지입니다.

스테핑 시퀀스
스테퍼 모터를 구동하는 방식에는 "1상 온" 스테핑과 "2상 온" 스테핑이 포함됩니다.

단순화된 2상 모터의 "1상 켜기" 시퀀스에서 1단계는 전원이 공급되는 고정자의 위상 A를 보여줍니다. 서로 다른 극이 끌리기 때문에 이는 회전자를 자기적으로 잠급니다. A 단계와 B 단계를 켜면 로터가 시계 방향으로 90° 이동합니다(2단계). 3단계에서 위상 B는 0이고 위상 A는 켜져 있지만 극성은 1단계와 반대입니다. 이로 인해 로터가 90° 더 회전하게 됩니다. 4단계에서는 A상이 꺼지고 B상이 켜집니다. 이때 2단계와 극성이 반대가 됩니다. 이 시퀀스가 ​​반복되면 로터가 시계 방향으로 90°씩 움직입니다.

"2상 켜짐" 시퀀스에서는 두 모터 위상 모두에 항상 전원이 공급되고 한 위상의 극성만 전환됩니다. 이로 인해 로터가 "평균" 북극과 "평균" 남극 사이에 정렬됩니다. 두 단계가 모두 항상 켜져 있기 때문에 이 방법은 "1단계 켜짐" 스테핑보다 41.4% 더 많은 토크를 제공합니다.

불행하게도 플라스틱은 스레드에는 잘 작동하지만 하이브리드 스테퍼 설계의 베어링 저널에는 충분히 안정적이지 않습니다. 지속적인 풀로드 조건에서 플라스틱 저널은 황동 저널보다 4배나 팽창할 수 있기 때문입니다. 모터 설계에서는 고정자-회전자 에어 갭이 수천분의 1인치에 불과해야 하기 때문에 이 양은 허용될 수 없습니다. 이 문제를 해결하는 방법은 영구 자석 회전자에 삽입될 황동 슬리브 내부에 플라스틱 나사산을 사출 성형하는 것입니다. 이러한 접근 방식은 모터 수명을 늘리고 베어링 저널 안정성을 유지하면서 낮은 마찰을 제공합니다.

다양한 유형의 Haydon 액츄에이터 중에서 "캡티브" 장치에는 회전 방지 메커니즘이 내장되어 있습니다. 이 구성은 최대 2.5인치의 최대 스트로크를 제공하며 정밀 유체 분배, 스로틀 제어 및 밸브 이동과 같은 응용 분야에 적합합니다. 다른 종류의헤이든선형 액추에이터는 소형 갠트리 로봇에 의한 혈액 튜브 이송과 같이 더 긴 스트로크가 필요한 응용 분야에 적합한 "비캡티브" 및 "외부 선형"입니다.XY모션 시스템 및 이미징 시스템.

액추에이터 크기 조정
응용 사례는 액추에이터의 크기를 결정하는 방법을 가장 잘 보여줍니다. 다음 매개변수를 고려하십시오.

부하를 이동하는 데 필요한 선형 힘 = 15lb(67N)
선형 거리, m, 이동해야 하는 하중 = 3인치(0.0762m)
시간,t, 초 단위로 부하를 이동하는 데 필요함 = 6초
목표 주기 수 = 1,000,000

스테퍼 모터 선형 액추에이터의 크기를 결정하는 4가지 단계가 있습니다. 1) 필요한 수명을 충족하는 데 필요한 액추에이터의 초기 힘 등급을 결정합니다. 2) 속도를 밀리미터/초 단위로 결정합니다. 3) 적절한 액추에이터 프레임 크기를 선택하십시오. 4) 힘 요구사항에 따라 적절한 나사 분해능을 결정합니다.

수명을 예측하는 가장 좋은 방법은 애플리케이션 테스트를 이용하는 것이며, 이는 적극 권장됩니다. 을 이용한 기술이다로드율 대 사이클 수곡선은 좋은 첫 번째 근사치 역할을 합니다. 스테퍼 모터에는 마모될 브러시가 없으며 정밀하고 수명이 긴 볼 베어링을 사용하므로 주요 마모 구성 요소는 파워 너트입니다. 따라서 설계 사양을 충족하면서 장치가 지속되는 사이클 수는 부하의 함수입니다.

다음을 참조하세요.로드율 대 사이클 수1,000,000 사이클을 견딜 수 있는 액추에이터의 올바른 크기 계수를 결정하기 위한 차트입니다. 이는 50%(0.5배)로 나타납니다. 따라서 1,000,000주기 후 하중을 충족하는 데 필요한 초기 정격 힘 N은 15lb/0.5 = 30lb 또는 133N입니다.

이제 필요한 선형 기계적 전력(와트)을 결정합니다.

P_선의= (N × m)/t

이 예에서는 (133 × 0.0762)/6 = 1.7W가 됩니다.

이 데이터를 사용하여액추에이터 프레임 크기올바른 프레임 크기를 선택하는 표입니다. 모든 스테퍼 모터 선형 액추에이터에는 모터에 펄스를 보내기 위한 드라이브가 필요합니다. 표에는 L/R 드라이브(정전압)와 초퍼 드라이브(정전류) 모두에 대한 전력이 나열되어 있습니다. 애플리케이션이 배터리로 구동되는 경우를 제외하고(예: 휴대용 휴대용 장치) 제조업체는 최대 성능을 위해 초퍼 드라이브를 적극 권장합니다. 이 예에서 표의 초퍼 드라이브 전력 사양을 검토하면 Haydon 43000 시리즈(사이즈 17 하이브리드)가 1.7W 요구 사항을 가장 근접하게 충족한다는 것을 알 수 있습니다. 이 선택은 시스템을 과도하게 설계하지 않고도 부하 요구 사항을 충족합니다.

다음으로 선형 속도(ips)를 계산합니다. 이것은 다음과 같이 주어진다:m/t3인치/6초 = 0.5ips가 됩니다. 최적화된 프레임 크기(크기 17 하이브리드)와 선형 속도(0.5ips)를 사용하여 적절한힘 대 선형 속도액추에이터 리드스크류의 적절한 분해능을 결정하기 위한 곡선입니다. 이 경우 필요한 리드스크류 분해능은 0.00048인치입니다.

모터에 대한 입력 단계 수에 따라 리드스크류가 전진한다는 점을 기억하십시오. 성능 곡선은 "ips"와 "steps/sec"로 표현됩니다. 선택을 확인하려면 다음을 참조하여 필요한 단계 속도로 힘을 확인하십시오.힘 대 맥박수곡선, 여기서: 선택한 분해능 = 0.00048인치/단계 필요한 선형 속도 = 0.5ips 필요한 단계 속도 = (0.5ips)/(0.00048in./단계) = 1,041단계.

X축 값(맥박수)을 1,041로 플롯하고 이 점에서 곡선에 수직선을 그리면 Y축 값(힘)이 30이므로 선택이 정확합니다.