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, cinto 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 atrito e reação a um sistema. Para necessidades de posicionamento mais finas, uma alternativa mais eficaz e direta vem de atuadores lineares baseados em motores de passo.

Esses dispositivos simplificam o design 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. Esse chamado recurso de "passo" e o uso de um parafuso de chumbo preciso fornece um posicionamento preciso e repetível.

Noções básicas-motores de passo
Para ver como os atuadores funcionam, é útil entender o básico dos motores de passo. Diferentes tipos de motores de passo incluem relutância variável (VR), ímã permanente (PM) e híbrido. Essa discussão se concentra no passo híbrido, que fornece alta resolução de torque e posicionamento fino (etapa de 1,8 ou 0,9 °). Nos sistemas de atuadores lineares, híbridos são encontrados em dispositivos comoXYTabelas, analisadores de sangue, equipamentos HVAC, pequenos robôs de pórtico, mecanismos de controle de válvulas e sistemas automatizados de iluminação de estágio.

Sob o capô de um passo híbrido, fica um rotor de ímã permanente e um estator de aço embrulhado com um enrolamento da bobina. A energização da 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 a deenergização sequencial dos enrolamentos da bobina altera o campo magnético, todo pulso ou etapa de entrada faz com que o rotor se mova incrementalmente 0,9 ou 1,8 graus rotacionais, dependendo do modelo híbrido. Em um atuador linear-motor de passo, uma porca de precisão rosqueada embutida no rotor se envolve com o parafuso de chumbo (que substitui um eixo convencional).

O parafuso de chumbo fornece uma força linear usando o princípio mecânico simples do plano inclinado. Imagine um eixo de aço com uma rampa ou um plano inclinado envolto em torno dele. A vantagem mecânica ou a amplificação de força é determinada pelo ângulo da rampa, que é uma função do diâmetro do parafuso, do chumbo (distância axial de um parafuso avança em uma única revolução) e pitch (distância axial medida entre os formulários de rosca adjacente).

Os fios do parafusos de chumbo traduzem uma pequena força de rotação em uma grande capacidade de carga, dependendo da inclinação da rampa (chumbo da linha). Um pequeno chumbo fornece uma força mais alta, mas em velocidades lineares mais baixas. Uma grande chumbo fornece uma força mais baixa, mas uma velocidade linear mais alta da mesma fonte de potência rotativa. Em alguns projetos, a porca de potência embutida no rotor é feita de um bronze de grau de rolamento que se presta à usinagem de roscas internas. Mas o bronze é um compromisso de engenharia entre lubrificação e estabilidade física. Um material melhor é um termoplástico lubrificado, com um coeficiente de atrito muito menor na interface do parafuso de lama.

Sequências de passo
Os esquemas para dirigir um motor de passo incluem pisos de “uma fase on” e um passo de “duas fases”.

Em uma sequência "uma fase on" para um motor simplificado em duas fases, a etapa 1 mostra a fase A do estator energizado. Isso trava magneticamente o rotor, pois, diferentemente dos pólos, atraem. A fase A e B ligada faz com que o rotor se mova 90 ° no sentido horário (Etapa 2). Na etapa 3, a fase B é O e a fase A, mas com a polaridade revertida da etapa 1. A causa que o rotor gira mais 90 °. Na etapa 4, a fase A é girada e a fase B é ativada, com a polaridade revertida a partir da etapa 2. A repetição dessa sequência faz com que o rotor se mova no sentido horário em etapas de 90 °.

Na sequência "duas fases on", ambas as fases do motor são sempre energizadas e apenas a polaridade de uma fase comutadores. Isso faz com que o rotor se alinhe entre o norte "médio" e os pólos magnéticos sul "médios". Como ambas as fases estão sempre ligadas, esse método fornece 41,4% mais torque do que o passo de "uma fase".

Infelizmente, embora o plástico funcione bem para os threads, não é estável o suficiente para os diários de rolamentos no design de passo híbridos. Isso ocorre porque, sob uma condição contínua de carga total, os periódicos plásticos podem expandir quatro vezes mais que os diários de bronze. Esse valor é inaceitável porque o design do motor requer que a lacuna de ar estator-rotor seja apenas alguns milésimos de polegada. Uma maneira de contornar esse problema é injeção de fios plásticos de molde dentro de uma luva de latão que será inserida no rotor de ímã permanente. Essa abordagem aumenta a vida útil e fornece baixo atrito, mantendo a estabilidade do contorno do rolamento.

Dos diferentes tipos de atuadores de Haydon, os dispositivos "cativos" têm um mecanismo anti-virrotação interno. Essa configuração fornece um golpe máximo de até 2,5 pol. E se adapta a aplicações como distribuição de fluido de precisão, controle do acelerador e movimento da válvula. Outros tipos deHaydonOs atuadores lineares são os "não captativos" e "lineares externos", que se encaixam em aplicações que precisam de um derrame 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 aplicativo 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 = 0,0762 m)
Tempo,t, precisava mover a carga em segundos = 6 s
Número alvo de ciclos = 1.000.000

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

A melhor maneira de prever a vida é através do teste de aplicativos, o que é altamente recomendado. Uma técnica usando oPorcentagem de carga versus número de ciclosA curva serve como uma boa primeira aproximação. Os motores de passo não têm escovas para se desgastar e usam rolamentos de esferas de longa vida de precisão, para que o componente principal de desgaste é a porca de potência. Portanto, o número de ciclos que um dispositivo dura enquanto ainda atende às especificações do 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 acaba sendo 50% - um fator de 0,5. A força nominal inicial, n, necessária para atender à carga após 1.000.000 de ciclos é, portanto, 15 lb/0,5 = 30 lb ou 133 N.

Agora determine a energia mecânica linear necessária em Watts:

P_linear= (N × m)/t

Em nosso exemplo, isso se torna (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W

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

Em seguida, calcule a velocidade linear (IPS). Isso é dado porm/te chega a 3 in./6 s = 0,5 ips. Com tamanho otimizado do quadro (tamanho 17 híbrido) e velocidade linear (0,5 ips) em mãos, use o apropriadoVelocidade de força versus linearcurva para determinar a resolução adequada do parafuso de chumbo do atuador. Nesse caso, a resolução do parafuso de chumbo necessária é de 0,00048 pol.

Lembre -se de que o parafuso de chumbo avança com base no número de etapas de entrada para o motor. As curvas de desempenho são expressas em "IPS" e "etapas/s". Para verificar sua seleção, verifique a força na taxa de etapa necessária, referindo -se aoTaxa de força versus pulsocurva, onde: resolução escolhida = 0,00048 in./STep necessou velocidade linear de velocidade = 0,5 IPS Taxa de etapa necessária = (0,5 ips)/(0,00048 pol./Step) = 1.041 etapas.

Plotendo 1.041 como o valor do eixo x (taxa de pulso) e desenhando uma linha perpendicular deste ponto para a curva mostra o valor do eixo y (força) é 30. Portanto, a seleção está correta.