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

Os atuadores lineares geram força e movimento em linha reta. Em um sistema mecânico típico, o eixo de saída de um dispositivo proporciona movimento linear por meio de um motor rotativo, engrenagens, 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 preciso, uma alternativa mais eficaz e simples são os atuadores lineares baseados em motores de passo.

Esses dispositivos simplificam o projeto de uma máquina ou mecanismo que requer posicionamento linear preciso, pois realizam a conversão de movimento rotativo para linear diretamente dentro do motor. Os atuadores realizam um determinado grau de movimento rotativo para cada pulso de entrada elétrica. Essa característica de "passo a passo", juntamente com o uso de um fuso de esferas de precisão, proporciona um posicionamento preciso e repetível.

Noções básicas de motores de passo
Para entender como os atuadores funcionam, é útil compreender os princípios básicos dos motores de passo. Os diferentes tipos de motores de passo incluem os de relutância variável (VR), de ímã permanente (PM) e híbridos. Esta discussão se concentra no motor de passo híbrido, que oferece alto torque e alta resolução de posicionamento (passo de 1,8° ou 0,9°). Em sistemas de atuadores lineares, os híbridos são encontrados em dispositivos como...XYmesas, analisadores de sangue, equipamentos de climatização, pequenos robôs pórticos, mecanismos de controle de válvulas e sistemas automatizados de iluminação de palco.

Sob o capô de um motor de passo híbrido, encontra-se um rotor de ímã permanente e um estator de aço envolto por uma 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 ele. Como a energização e desenergização sequenciais das bobinas alteram o campo magnético, cada pulso de entrada, ou passo, faz com que o rotor se mova incrementalmente 0,9 ou 1,8 graus de rotação, dependendo do modelo híbrido. Em um atuador linear com motor de passo, uma porca de precisão rosqueada, embutida no rotor, engata com o fuso (que substitui um eixo convencional).

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

As roscas do fuso de esferas convertem uma pequena força rotacional em uma grande capacidade de carga, dependendo da inclinação da rampa (passo da rosca). Um passo pequeno proporciona uma força maior, mas velocidades lineares menores. Um passo grande proporciona uma força menor, mas uma velocidade linear maior, a partir da mesma fonte de energia rotativa. Em alguns projetos, a porca de potência embutida no rotor é feita de bronze de grau rolamento, que permite a usinagem de roscas internas. No entanto, o bronze representa um compromisso de engenharia entre lubrificação e estabilidade física. Um material melhor seria um termoplástico lubrificado com um coeficiente de atrito muito menor na interface porca-rosca do fuso.

Sequências de passos
Os esquemas para acionar um motor de passo incluem o acionamento com "uma fase ligada" e o acionamento com "duas fases ligadas".

Em uma sequência de "uma fase ligada" para um motor bifásico simplificado, o Passo 1 mostra a Fase A do estator energizada. Isso trava magneticamente o rotor, já que polos opostos se atraem. Ligar a Fase A e a Fase B faz o rotor girar 90° no sentido horário (Passo 2). No Passo 3, a Fase B é desligada e a Fase A é ligada, mas com a polaridade invertida em relação ao Passo 1. Isso faz com que o rotor gire mais 90°. No Passo 4, a Fase A é desligada e a Fase B é ligada, com a polaridade invertida em relação ao Passo 2. A repetição dessa sequência faz com que o rotor gire no sentido horário em incrementos de 90°.

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

Infelizmente, embora o plástico funcione bem para as roscas, ele não é suficientemente estável para os mancais de apoio no projeto do motor de passo híbrido. Isso ocorre porque, sob condição de carga máxima contínua, os mancais de plástico podem expandir quatro vezes mais do que os mancais de latão. Essa expansão é inaceitável, pois o projeto do motor exige que o entreferro entre o estator e o rotor seja de apenas alguns milésimos de polegada. Uma solução para esse problema é moldar por injeção roscas de plástico dentro de uma bucha 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 dos mancais de apoio.

Dos diferentes tipos de atuadores Haydon, os dispositivos "cativos" possuem um mecanismo antirrotação integrado. Essa configuração proporciona um curso máximo de até 63,5 mm (2,5 pol.) e é adequada para aplicações como dosagem precisa de fluidos, controle de aceleração e movimentação de válvulas. Outros tipos de atuadores Haydon também podem ser utilizados.HaydonOs atuadores lineares são do tipo “não cativo” e “linear externo”, adequados para aplicações que necessitam de um curso mais longo, como a transferência de tubos de sangue por pequenos robôs pórticos.XYsistemas de movimento e sistemas de imagem.

Dimensionamento de um atuador
Um exemplo prático demonstra melhor como dimensionar um atuador. Considere os seguintes parâmetros:

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

Existem quatro etapas para dimensionar um atuador linear com motor de passo: 1) Determinar a força nominal inicial do atuador necessária para atender à vida útil requerida; 2) Determinar a velocidade em milímetros por 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 útil de um aplicativo é por meio de testes de aplicação, o que é altamente recomendável. Uma técnica que utiliza oPercentagem de carga versus número de ciclosA curva serve como uma boa primeira aproximação. Os motores de passo não possuem escovas sujeitas a desgaste e utilizam rolamentos de esferas de precisão e longa vida útil, portanto, o principal componente sujeito a desgaste é a porca de alimentação. Consequentemente, o número de ciclos que um dispositivo suporta, mantendo-se dentro das especificações de projeto, é uma função da carga.

Consulte oPercentagem de carga versus número de ciclosA tabela permite determinar o fator de dimensionamento correto para o atuador suportar 1.000.000 de ciclos. O resultado é 50% — um fator de 0,5. A força nominal inicial, em 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

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

Com esses dados, utilize oDimensões da estrutura do atuadorConsulte a tabela para selecionar o tamanho correto da estrutura. Todos os atuadores lineares com motor de passo requerem um driver para enviar pulsos ao motor. Observe que a tabela lista a potência para um driver L/R (tensão constante) e um driver chopper (corrente constante). A menos que a aplicação seja alimentada por bateria (como em um dispositivo portátil), os fabricantes recomendam fortemente um driver chopper para obter o máximo desempenho. Neste exemplo, uma análise das especificações de potência do driver chopper na tabela revela que o Haydon Série 43000 (Tamanho 17 Híbrido) atende melhor ao requisito de 1,7 W. Essa seleção atende aos requisitos de carga sem superdimensionar o sistema.

Em seguida, calcule a velocidade linear (ips). Esta é dada porm/te resulta em 3 pol./6 s = 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 esferas do atuador. Neste caso, a resolução necessária do fuso de esferas é de 0,00048 pol.

Lembre-se de que o avanço do fuso depende do 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 passos necessária consultando a tabela.Força versus frequência cardíacacurva, 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.

Ao plotar 1.041 como o valor do eixo X (frequência cardíaca) e traçar uma linha perpendicular desse ponto até a curva, observa-se que o valor do eixo Y (força) é 30. Portanto, a seleção está correta.