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

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 por meio de engrenagens, uma correia e polia, ou outros componentes mecânicos. O problema é que esses componentes precisam ser acoplados e alinhados. Pior ainda, eles adicionam elementos de desgaste, como atrito e folga, ao sistema. Para necessidades de posicionamento mais precisas, uma alternativa mais eficaz e direta são os atuadores lineares baseados em motor de passo.

Esses dispositivos simplificam o projeto de máquinas ou mecanismos que exigem posicionamento linear preciso, pois proporcionam conversão de rotação para linear diretamente dentro do motor. Os atuadores realizam um determinado grau de movimento rotativo para cada pulso elétrico de entrada. Esse recurso, chamado de "escalonamento", e o uso de um fuso de avanço preciso proporcionam um posicionamento preciso e repetível.

Noções básicas sobre motores de passo
Para entender como os atuadores funcionam, é útil entender os princípios básicos dos motores de passo. Os diferentes tipos de motores de passo incluem relutância variável (VR), ímã permanente (PM) e híbrido. Esta discussão se concentra no motor de passo híbrido, que oferece alto torque e resolução de posicionamento precisa (passo 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, encontram-se um rotor de ímã permanente e um estator de aço envolto em um enrolamento de bobina. A energização da bobina cria um campo eletromagnético com polos norte e sul. O estator conduz o campo magnético, fazendo com que o rotor se alinhe com o campo. Como a energização e a desenergização sequencial dos enrolamentos da bobina alteram o campo magnético, cada pulso ou passo de entrada faz com que o rotor se mova incrementalmente em 0,9 ou 1,8 graus de rotação, dependendo do modelo híbrido. Em um atuador linear de motor de passo, uma porca de precisão roscada embutida no rotor engata no fuso de avanço (que substitui um eixo convencional).

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

As roscas do fuso de avanço convertem uma pequena força rotacional em uma grande capacidade de carga, dependendo da inclinação da rampa (avanço da rosca). Um avanço pequeno proporciona uma força maior, mas velocidades lineares mais baixas. Um avanço maior proporciona uma força menor, mas uma velocidade linear mais alta, a partir da mesma fonte de potência rotativa. Em alguns projetos, a porca de potência embutida no rotor é feita de um bronze próprio para rolamentos, que se presta à usinagem de roscas internas. Mas o bronze representa 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 da rosca da porca com o parafuso.

Sequências de passos
Os esquemas para acionar um motor de passo incluem o passo “monofásico ligado” e o passo “bifásico ligado”.

Em uma sequência de "uma fase ligada" para um motor bifásico simplificado, a Etapa 1 mostra a Fase A do estator energizado. Isso trava magneticamente o rotor, visto que polos opostos se atraem. Ligar a Fase A e a Fase B faz o rotor se mover 90° no sentido horário (etapa 2). Na Etapa 3, a Fase B está desligada e a Fase A está ligada, mas com a polaridade invertida da Etapa 1. Isso faz com que o rotor gire mais 90°. Na Etapa 4, a Fase A é desligada e a Fase B é ligada, com a polaridade invertida da Etapa 2. A repetição dessa 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 muda. Isso faz com que o rotor se alinhe entre os polos magnéticos norte "médio" e sul "médio". Como ambas as fases estão sempre ligadas, esse método proporciona 41,4% mais torque do que o passo a passo "uma fase ligada".

Infelizmente, embora o plástico funcione bem para as roscas, ele não é estável o suficiente para os munhões de rolamento no projeto do motor de passo híbrido. Isso ocorre porque, sob carga total contínua, os munhões de plástico podem se expandir quatro vezes mais do que os de latão. Essa quantidade é inaceitável, pois o projeto do motor exige que a folga entre o estator e o rotor seja de apenas alguns milésimos de polegada. Uma maneira de contornar esse problema é moldar por injeção roscas 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, mantendo a estabilidade do mancal e do mancal.

Dos diferentes tipos de atuadores Haydon, os dispositivos “cativos” possuem um mecanismo antirrotação integrado. Essa configuração proporciona um curso máximo de até 6,3 cm (2,5 pol.) e é adequada para aplicações como distribuição de fluidos de precisão, controle de aceleração e movimentação de válvulas. Outros tipos deHaydonOs atuadores lineares são os “não cativos” e os “lineares externos”, que se adaptam 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.

Dimensionamento de um atuador
Um exemplo de aplicação demonstra 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 s
Número alvo de ciclos = 1.000.000

Há 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) Determinar a velocidade em milímetros/segundo; 3) Escolher o tamanho adequado da estrutura do atuador; e 4) Determinar a resolução adequada do parafuso com base nos requisitos de força.

A melhor maneira de prever a vida é por meio de testes de aplicativos, o que é altamente recomendado. Uma técnica que utiliza oPorcentagem de carga versus número de ciclosA curva serve como uma boa primeira aproximação. Motores de passo não possuem escovas que se desgastam e utilizam rolamentos de esferas de precisão e longa vida útil, portanto, o principal componente de desgaste é a porca de potência. Portanto, o número de ciclos que um dispositivo dura enquanto ainda atende às especificações de projeto é uma função da carga.

Consulte oPorcentagem de carga versus número de ciclosgráfico para determinar o fator de dimensionamento correto para o atuador suportar os 1.000.000 de ciclos. Isso resulta em 50% — um fator de 0,5. A força nominal inicial, N, necessária para suportar 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, utilize oTamanho da estrutura do atuadortabela para selecionar o tamanho correto da estrutura. Todos os atuadores lineares com motor de passo requerem um inversor para enviar pulsos ao motor. Observe que a tabela lista a potência tanto para um inversor L/R (tensão constante) quanto para um inversor chopper (corrente constante). A menos que a aplicação seja alimentada por bateria (como em um dispositivo portátil), os fabricantes recomendam fortemente um inversor chopper para desempenho máximo. Neste exemplo, uma análise das especificações de potência do inversor chopper na tabela revela que a Série Haydon 43000 (Híbrido Tamanho 17) atende mais de perto ao requisito de 1,7 W. Esta seleção atende aos requisitos de carga sem sobreprojetar o sistema.

Em seguida, calcule a velocidade linear (ips). Esta é dada porm/te chega a 3 pol./6 seg = 0,5 ips. Com o tamanho de quadro otimizado (tamanho 17 híbrido) e a velocidade linear (0,5 ips) em mãos, use o apropriadoForça versus Velocidade LinearCurva para determinar a resolução adequada do fuso de avanço do atuador. Neste caso, a resolução necessária do fuso 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/seg". Para verificar sua seleção, verifique a força na taxa de passo necessária consultando aForça versus frequência de pulsocurva, onde: Resolução escolhida = 0,00048 pol./passo Velocidade linear necessária = 0,5 ips Taxa de passo necessária = (0,5 ips)/ (0,00048 pol./passo) = 1.041 passos.

Traçando 1.041 como o valor do eixo X (frequência de pulso) e desenhando uma linha perpendicular deste ponto até a curva, vemos que o valor do eixo Y (força) é 30. Portanto, a seleção está correta.