Para um posicionamento automatizado preciso, pense em atuadores lineares baseados em motores de passo.

Os atuadores lineares geram essencialmente força e movimento através de uma linha reta. Em um sistema mecânico típico, o eixo de saída de um dispositivo forneceria movimento linear usando um motor rotativo através de engrenagens, correia e polia ou outros componentes mecânicos. O problema é que esses componentes devem ser acoplados e alinhados. Pior ainda, eles adicionam elementos de desgaste, como fricção e folga, a um sistema. Para necessidades de posicionamento mais precisas, uma alternativa mais eficaz e direta vem dos atuadores lineares baseados em motores de passo.

Esses dispositivos simplificam o projeto de uma máquina ou mecanismo que requer posicionamento linear preciso porque fornecem conversão rotativa para linear diretamente dentro do motor. Os atuadores movem um determinado grau de movimento rotativo para cada pulso de entrada elétrica. Este chamado recurso de “passo” e o uso de um parafuso de avanço preciso proporcionam um posicionamento preciso e repetível.

Noções básicas de motor de passo
Para ver como funcionam os atuadores, é útil compreender os fundamentos dos motores de passo. Diferentes tipos de motores de passo incluem relutância variável (VR), ímã permanente (PM) e híbridos. Esta discussão centra-se no stepper híbrido, que fornece alto torque e resolução de posicionamento preciso (passos de 1,8 ou 0,9°). Em sistemas de atuadores lineares, os híbridos são encontrados em dispositivos comoXYmesas, analisadores de sangue, equipamentos HVAC, pequenos robôs de pórtico, mecanismos de controle de válvulas e sistemas automatizados de iluminação de palco.

Sob o capô de um motor de passo híbrido há um rotor de ímã permanente e um estator de aço enrolado em bobina. Energizar a bobina cria um campo eletromagnético com pólos norte e sul. O estator conduz o campo magnético, fazendo com que o rotor se alinhe com o campo. Como a energização e desenergização sequencial dos enrolamentos da bobina altera o campo magnético, cada pulso ou passo de entrada faz com que o rotor se mova incrementalmente 0,9 ou 1,8 graus de rotação, dependendo do modelo híbrido. Em um atuador linear de motor de passo, uma porca de precisão rosqueada embutida no rotor engata no parafuso de avanço (que substitui um eixo convencional).

O parafuso de avanço fornece uma força linear usando o princípio mecânico simples do plano inclinado. Imagine um eixo de aço com uma rampa ou plano inclinado enrolado nele. A vantagem mecânica ou amplificação de força é determinada pelo ângulo da rampa que é uma função do diâmetro do parafuso, avanço (distância axial que uma rosca do parafuso avança em uma única revolução) e passo (distância axial medida entre formas de rosca adjacentes).

As roscas do parafuso de avanço traduzem uma pequena força rotacional em uma grande capacidade de carga, dependendo da inclinação da rampa (avanço da rosca). Um avanço pequeno fornece uma força maior, mas velocidades lineares mais baixas. Um avanço grande proporciona uma força menor, mas uma velocidade linear mais alta da mesma fonte de potência rotativa. Em alguns projetos, a porca de força embutida no rotor é feita de bronze para rolamentos que se presta à usinagem de roscas internas. Mas o bronze é um compromisso de engenharia entre lubricidade e estabilidade física. Um material melhor é um termoplástico lubrificado com um coeficiente de atrito muito menor na interface porca-rosca do parafuso.

Sequências de passos
Esquemas para acionar um motor de passo incluem piso de “uma fase ligada” e passo de “duas fases ligado”.

Em uma sequência de “uma fase ligada” para um motor bifásico simplificado, a Etapa 1 mostra a Fase A do estator energizado. Isso bloqueia magneticamente o rotor, uma vez que pólos diferentes se atraem. Ligar as Fases A o e B faz com que o rotor se mova 90° no sentido horário (etapa 2). Na Etapa 3, a Fase B está desligada e a Fase A ligada, mas com a polaridade invertida da Etapa 1. Isso faz com que o rotor gire outros 90°. Na Etapa 4, a Fase A é desligada e a Fase B é ligada, com a polaridade invertida da Etapa 2. A repetição desta sequência faz com que o rotor se mova no sentido horário em passos de 90°.

Na sequência “duas fases ligadas”, ambas as fases do motor estão sempre energizadas e apenas a polaridade de uma fase é comutada. Isso faz com que o rotor se alinhe entre os pólos magnéticos norte “médio” e sul “médio”. Como ambas as fases estão sempre ligadas, este método fornece 41,4% mais torque do que a etapa “uma fase ligada”.

Infelizmente, embora o plástico funcione bem para as roscas, ele não é estável o suficiente para os mancais do projeto de passo híbrido. Isso ocorre porque, sob uma condição contínua de carga total, os munhões de plástico podem se expandir quatro vezes mais que os munhões de latão. Esta quantidade é inaceitável porque o projeto do motor exige que o entreferro entre o estator e o rotor seja de apenas alguns milésimos de polegada. Uma maneira de contornar esse problema é moldar por injeção fios de plástico dentro de uma luva de latão que será inserida no rotor de ímã permanente. Essa abordagem aumenta a vida útil do motor e proporciona baixo atrito, ao mesmo tempo que mantém a estabilidade do mancal do rolamento.

Dos diferentes tipos de atuadores Haydon, os dispositivos “cativos” possuem um mecanismo anti-rotação integrado. Esta configuração fornece um curso máximo de até 2,5 pol. e é adequada para aplicações como distribuição precisa de fluidos, controle de aceleração e movimento de válvula. Outros tipos deHaydonos atuadores lineares são os “não cativos” e os “lineares externos” que atendem a aplicações que necessitam de um curso mais longo, como a transferência de tubos de sangue por pequenos robôs de pórtico,XYsistemas de movimento e sistemas de imagem.

Dimensionando um atuador
Um exemplo de aplicação mostra melhor como dimensionar um atuador. Considere os seguintes parâmetros:

Força linear necessária para mover a carga = 15 lb (67 N)
Distância linear, m, a carga precisa ser movida = 3 pol. (0,0762 m)
Tempo,t, necessário para mover a carga em segundos = 6 seg.
Número alvo de ciclos = 1.000.000

Existem quatro etapas para dimensionar um atuador linear de motor de passo: 1) Determinar a classificação de força inicial do atuador necessária para atender à vida útil exigida; 2) Determine a velocidade em milímetros/segundo; 3) Escolha o tamanho adequado da estrutura do atuador; e 4) Determine a resolução adequada do parafuso com base nos requisitos de força.

A melhor forma de prever a vida é por meio de testes de aplicativos, o que é altamente recomendado. Uma técnica que utilizaCarga percentual versus número de cicloscurva serve como uma boa primeira aproximação. Os motores de passo não têm escovas que se desgastem e usam rolamentos de esferas de precisão e longa vida útil, de modo que o principal componente de desgaste é a porca de força. Portanto, o número de ciclos que um dispositivo dura enquanto ainda atende às especificações do projeto é uma função da carga.

Consulte oCarga percentual versus número de ciclosgráfico para determinar o fator de dimensionamento correto para o atuador suportar 1.000.000 de ciclos. Isso resulta em 50% – um fator de 0,5. A força nominal inicial, N, necessária para atender a carga após 1.000.000 de ciclos é, portanto, 15 lb/0,5 = 30 lb ou 133 N.

Agora determine a potência mecânica linear necessária em watts:

P_linear= (N × m)/t

No nosso exemplo, isso se torna (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W

Com esses dados, use oTamanho da estrutura do atuadortabela para selecionar o tamanho correto do quadro. Todos os atuadores lineares de motor de passo requerem um inversor para enviar pulsos ao motor. Observe que a tabela lista a potência para um inversor L/R (tensão constante) e um inversor (corrente constante). A menos que o aplicativo seja alimentado por bateria (como em um dispositivo portátil), os fabricantes recomendam enfaticamente um acionador de helicóptero para desempenho máximo. Neste exemplo, uma análise das especificações de potência do acionamento do helicóptero na tabela revela que a série Haydon 43000 (híbrido tamanho 17) atende melhor ao requisito de 1,7 W. Esta seleção atende aos requisitos de carga sem projetar demais o sistema.

A seguir, calcule a velocidade linear (ips). Isto é dado porm/te chega a 3 pol./6 seg = 0,5 ips. Com tamanho de quadro otimizado (tamanho 17 híbrido) e velocidade linear (0,5 ips) em mãos, use o apropriadoForça versus velocidade linearcurva para determinar a resolução adequada do parafuso de avanço do atuador. Neste caso, a resolução necessária do parafuso de avanço é de 0,00048 pol.

Lembre-se de que o fuso avança com base no número de passos de entrada do motor. As curvas de desempenho são expressas em “ips” e “passos/s”. Para verificar sua seleção, verifique a força na taxa de passo necessária consultando oForça versus taxa de pulsocurva, onde: Resolução escolhida = 0,00048 pol./passo Velocidade linear necessária = 0,5 ips Taxa de passos necessária = (0,5 ips)/ (0,00048 pol./passo) = 1.041 passos.

Traçar 1.041 como o valor do eixo X (taxa de pulso) e desenhar uma linha perpendicular deste ponto até a curva mostra que o valor do eixo Y (força) é 30. Portanto, a seleção está correta.