Os motores lineares redefiniram as possibilidades do controle de movimento, oferecendo desempenho mais rápido, preciso e confiável em comparação aos atuadores lineares tradicionais acionados por motores rotativos. A principal característica de um motor linear é que a carga é movimentada sem componentes mecânicos de transmissão de potência. Em vez disso, a força linear gerada pelo campo magnético da bobina do motor é acoplada diretamente à carga. Isso elimina os dispositivos mecânicos que convertem o movimento rotativo em linear, aumentando assim a vida útil, a precisão, a velocidade e o desempenho geral do sistema.
Com a crescente demanda por maior produtividade, melhor qualidade de produto, desenvolvimento mais rápido e custos de engenharia reduzidos, a adoção da tecnologia de motores lineares está se tornando cada vez mais popular, graças aos seus designs modulares. Esses motores são encontrados em metrologia, sistemas de corte de precisão, equipamentos para fabricação de semicondutores e eletrônicos, manuseio de wafers, litografia, sistemas de inspeção por visão, equipamentos e dispositivos médicos, sistemas de teste, aeroespacial e defesa, automação de linhas de montagem, impressão e embalagem, e muitas outras aplicações que exigem alto rendimento e movimento linear de alta precisão.
Os componentes de um projeto de motor linear precisam ser usinados e montados com alta precisão e processos repetíveis. O alinhamento correto dessas peças é crucial e exige atenção aos detalhes do projeto e habilidade na montagem.
Hoje, a nova geração de motores lineares modulares revolucionou o setor. Os motores lineares modulares "prontos para uso" podem ser facilmente integrados a um sistema e estão prontos para operar imediatamente, reduzindo significativamente o tempo de engenharia. Os engenheiros agora podem aproveitar os poderosos benefícios da tecnologia de motores lineares modulares em seus projetos de máquinas em poucos dias, em vez de meses ou até anos.
Os sistemas de motores lineares são compostos por nove componentes principais:
- Uma placa de base
- Uma bobina de motor
- Uma trilha magnética permanente (normalmente ímãs de neodímio)
- Um suporte que conecta a bobina do motor à carga.
- Trilhos de rolamento linear sobre os quais o carro é guiado e que se conectam à base.
- Um codificador linear para feedback de posição
- Paradas finais
- Uma pista de cabos
- Fole opcional para proteger a pista magnética, o codificador e os trilhos lineares contra contaminação ambiental.
Malha de controle
Os componentes de um motor linear precisam ser usinados e montados com alta precisão e processos repetíveis. O alinhamento correto dessas peças é crucial e exige um projeto detalhado e habilidade de montagem excepcionais. Por exemplo, a pista magnética e a bobina móvel do motor devem ser planas, paralelas e montadas com um espaçamento específico entre elas. A bobina móvel desliza sobre um carro conectado a trilhos de rolamento linear de precisão paralelos, acima da pista magnética. O encoder de posição com escala linear e cabeçote de leitura é outra parte crítica de um motor linear que exige procedimentos de alinhamento adequados e um projeto de montagem robusto para suportar acelerações de até 5 Gs. Com motores lineares modulares, esses detalhes já estão contemplados e pré-projetados.
Sistemas modulares de motores lineares, como o mostrado na figura, são utilizados quando se necessita de movimentos lineares precisos, de alta velocidade e repetíveis. O sistema é uma alternativa aos atuadores de fuso de esferas, correia e cremalheira.
Controladores de movimento sofisticados e servomotores são usados para controlar o movimento do motor linear. Os motores lineares apresentam uma clara vantagem em relação à rigidez e à resposta em frequência. Em certas faixas de frequência, eles exibem uma rigidez que supera a dos fusos de esferas tradicionais por um fator notável de 10 ou mais. Com esse atributo, os motores lineares podem lidar com altas larguras de banda de posição e velocidade com impressionante precisão, mesmo com perturbações externas. Ao contrário dos fusos de esferas, que frequentemente encontram frequências de ressonância entre 10 e 100 Hz, os motores lineares operam em frequências mais altas, posicionando suas ressonâncias bem além da largura de banda do laço de posição.
No entanto, a remoção da transmissão mecânica acarreta uma desvantagem. Componentes mecânicos, como fusos de esferas, ajudam a diminuir as perturbações causadas por forças da máquina, frequências de ressonância naturais ou vibrações transversais. Sua eliminação deixa os motores lineares diretamente expostos a essas perturbações. Consequentemente, a compensação dessas perturbações torna-se responsabilidade do controlador de movimento e da eletrônica de acionamento, que devem enfrentá-las diretamente — atuando no servoeixo. É aí que entram em ação os sofisticados algoritmos de movimento em malha fechada atuais, para eliminar ressonâncias e proporcionar um controle de posição excepcional.
No âmbito dos atuadores lineares, os motores lineares oferecem um desempenho técnico excepcional. A capacidade desses motores de apresentarem rigidez superior e operarem em frequências mais altas os diferencia das alternativas tradicionais. Ao desafiarem as frequências de ressonância e manterem alta precisão mesmo na presença de perturbações externas, os motores lineares representam uma solução atraente.
Contudo, a ausência de transmissão mecânica exige estratégias de compensação robustas para neutralizar perturbações, garantindo o desempenho e a confiabilidade contínuos do sistema. As frequências de amostragem dos controladores de movimento para os laços de velocidade e posição normalmente começam em 5 kHz. Um eixo de motor linear pode ter uma largura de banda do laço de posição de cinco a dez vezes maior do que a de um eixo acionado por motor rotativo convencional, onde frequências de 1 ou 2 kHz são aceitáveis. Alguns controladores de movimento atuais podem atingir taxas de amostragem de 20 kHz ou superiores, o que possibilita controle de feedback em altíssima velocidade e controle de trajetória ultrapreciso.
Como a maioria dos fabricantes de motores lineares modulares também são especialistas em controle de movimento e servomotores, muitos desafios relacionados ao circuito de controle e preocupações com ressonância mecânica já foram cuidadosamente considerados, e soluções e ferramentas são fornecidas para mitigar esses desafios.
APLICAÇÃO DE MOTOR LINEAR
Adquiri experiência valiosa com motores lineares anos atrás, em uma equipe de engenheiros que embarcou em um projeto revolucionário: criar a primeira máquina de corte a laser do mundo baseada em motores lineares. O uso de motores lineares era a solução perfeita para desestabilizar o setor, já que as tecnologias tradicionais de atuadores lineares, acionadas por servomotores rotativos, não conseguiam oferecer o alto desempenho alcançável com motores lineares.
Implementar a tecnologia não foi uma tarefa fácil. Ao aprofundarmos o projeto, percebemos que nossa aplicação exigia especificações de desempenho para motores lineares que não estavam disponíveis comercialmente. Sem nos deixarmos abater, decidimos projetar motores lineares especificamente para nossa aplicação.
Enfrentamos inúmeros desafios, pois precisávamos movimentar um sistema de pórtico de 454 kg (1.000 lb) a uma velocidade de 2,5 m/s com aceleração de 1,5 G, o que significava que tínhamos que projetar um motor linear capaz de produzir forças extremas. Nossa equipe perseverou, dedicando incontáveis horas à pesquisa e ao desenvolvimento até finalmente concebermos um motor linear que atendesse às demandas de nossa máquina de corte a laser. Foi um momento de orgulho quando finalmente vimos nossos motores lineares em ação 14 meses depois, impulsionando o sistema de pórtico com incrível velocidade, facilidade e precisão. O desempenho alcançado foi sem precedentes. É notável pensar em quão mais rápido nosso conceito de máquina poderia ter sido concluído se motores lineares modulares prontos para uso estivessem disponíveis naquela época.
A tecnologia de motores lineares evoluiu muito desde que iniciamos nossa jornada de projeto de motores lineares na década de 90. Com a introdução de novos designs modulares, o potencial para inovação e progresso no projeto de movimento e motores lineares é maior do que nunca. Os motores lineares modulares estão redefinindo o que é possível, com recursos de controle de movimento mais rápidos, precisos e confiáveis, que podem ser implementados rapidamente para beneficiar uma ampla gama de aplicações em diversos setores.
Data da publicação: 14 de agosto de 2023