Os sistemas de movimento linear são encontrados dentro de inúmeras máquinas, incluindo sistemas de corte a laser de precisão, equipamentos de automação de laboratório, máquinas de fabricação de semicondutores, máquinas CNC, automação de fábrica e muitos outros numerosos demais para serem listados. Eles variam de relativamente simples, como um atuador de assento barato em um veículo de passageiros, a um sistema complexo de coordenadas com vários eixos, completo com controle e eletrônica de acionamento para posicionamento de circuito fechado. Não importa quão simples ou complexo o sistema de movimento linear, no nível mais básico, todos eles têm uma coisa em comum: movendo uma carga por uma distância linear em um período específico de tempo.

Uma das perguntas mais comuns ao projetar um sistema de movimento linear centra -se em tecnologia motor. Depois que a tecnologia é escolhida, o motor precisa ser dimensionado para atender às demandas de aceleração da carga, superando o atrito no sistema e superando o efeito da gravidade, mantendo uma temperatura operacional máxima segura. A capacidade de torque, velocidade, energia e posicionamento do motor são uma função do design do motor, juntamente com a unidade e o controle.

Com que motor devo começar?

Há muitas perguntas sobre o aplicativo a serem consideradas ao projetar um sistema de movimento linear usando uma tecnologia motora específica. Uma explicação exaustiva de todo o processo está além do escopo deste artigo. A intenção é fazer você pensar em fazer as perguntas certas ao conversar com um fornecedor de motor.

Não existe o melhor motor para cada aplicação, mas o melhor motor para um aplicativo específico. Na grande maioria das aplicações de movimento incremental, a opção será um motor de passo, o motor da escova ou o motor DC sem escova. Os sistemas de movimento mais complexos podem usar motores lineares acoplados diretamente à carga, evitando a necessidade de conversão de energia mecânica; Não há necessidade de tradução através de um parafuso de chumbo/parafuso de bola, caixa de engrenagens ou sistema de polia. Embora a precisão máxima, a repetibilidade e a resolução de posicionamento possam ser alcançadas com sistemas de servo linear de direção direta, eles são o maior custo e complexidade quando comparados aos motores rotativos. Uma arquitetura usando motores rotativos é muito mais barata e atenderá à maioria das aplicações de movimento linear; No entanto, são necessários alguns meios de conversão "rotativa para linear" (e, como resultado, conversão de energia) para acionar a carga.

Motores de passo, escova e escova são todos considerados motores DC; No entanto, existem sutilezas que farão com que um engenheiro favoreça um tipo em relação aos outros dois em um aplicativo específico. Deve -se enfatizar que essa opção depende dos requisitos de projeto do sistema, não apenas em termos de velocidade e torque, mas também os requisitos de precisão, repetibilidade e resolução de posicionamento. Não há um motor perfeito para cada aplicação, e todas as decisões exigirão trade-offs de projeto. No nível mais básico, todos os motores, sejam chamados AC ou CC, pincel, sem escova ou qualquer outro motor elétrico, operam sob o mesmo princípio da física para gerar torque: a interação dos campos magnéticos. Existem diferenças dramáticas, no entanto, na maneira como essas várias tecnologias motoras respondem em aplicativos específicos. O desempenho geral do motor, a resposta e a geração de torque depende do método de excitação de campo e geometria do circuito magnético inerente ao projeto do motor físico, do controle da tensão de entrada e da corrente pelo controlador/acionamento e método de velocidade ou feedback da posição, se o aplicativo exigir.

DC Stepper, pincel servo e tecnologias de motor sem servo sem escova usam uma fonte de CC para alimentá -los. Para aplicações de movimento linear, isso não significa que uma fonte fixa de CC possa ser aplicada diretamente aos enrolamentos do motor; São necessários eletrônicos para controlar a corrente de enrolamento (relacionada ao torque de saída) e tensão de enrolamento (relacionada à velocidade de saída). Listado abaixo está um resumo dos pontos fortes e fracos das três tecnologias.

O design do sistema linear começa com a massa de carga e a rapidez com que a massa precisa atravessar do ponto A ao ponto B. O tipo de motor, tamanho e design mecânico começam com a potência (watts) necessária para mover a carga. Começando com a carga e, finalmente, trabalhando de volta em todos os componentes da fonte de alimentação de acionamento, a análise é uma série de etapas para entender a conversão de energia de uma parte do sistema para a outra, considerando as várias eficiências dos componentes intermediários. Os watts na forma de tensão e corrente na unidade se traduzirão em watts de saída mecânica movendo uma determinada carga em uma quantidade específica de tempo.

Para obter uma indicação da potência de saída necessária na carga, um cálculo de energia simples ajudará a onda de um motor. Depois de entender a potência média de saída necessária, termine a análise dos requisitos de energia trabalhando de volta ao motor e direciona pelos vários elementos de conversão de energia. Os dados dos fabricantes devem ser referenciados para levar em consideração a eficiência dos vários componentes, pois isso determinará o tamanho do motor e da fonte de alimentação. É uma preferência pessoal sobre quais unidades trabalhar, mas as unidades de SI são altamente recomendadas. Trabalhar em unidades SI evita a necessidade de lembrar várias constantes de conversão, e o resultado final sempre pode ser convertido de volta às unidades em inglês.

Quanta energia é necessária para mover a carga no tempo necessário?

Uma massa de 9 kg levantada contra a gravidade exigirá uma força de cerca de 88N. O cálculo dos watts necessário para mover a carga fornecerá um ponto de partida para determinar os componentes no restante do sistema. Esse é o poder médio necessário para mover uma massa de 9 kg verticalmente do ponto A ao ponto B em 1 segundo. Perdas do sistema como o atrito não estão incluídas. A energia do eixo do motor necessária será um pouco maior e depende dos outros componentes usados ​​no sistema, como a caixa de engrenagens e o parafuso de chumbo.

P = (f × s) / t

P = (88n × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Isso é diferente do pico de potência que será necessária do sistema. Depois que a aceleração e a desaceleração são levados em consideração, o poder instantâneo durante o perfil de movimentação será um pouco maior; No entanto, a potência média de saída necessária na carga é de cerca de 18 watts. Após uma análise completa de todos os componentes, um sistema como este exigirá cerca de 37W de pico de energia para realizar o trabalho. Essas informações, juntamente com as várias outras especificações de aplicativos, agora ajudarão a escolher a tecnologia motora mais apropriada.

Que tecnologia motora devo considerar?

Excelente capacidade de posicionamento e controles relativamente simples levariam um designer a examinar a possibilidade de usar um motor de passo primeiro. Um motor de passo, no entanto, não atendia à exigência de uma pequena pegada mecânica enquanto atende às demandas de carga. Um requisito de pico de potência de 37 watts exigiria um motor de passo muito grande. Embora os motores de passo possuam torque muito alto em baixas velocidades, a velocidade de pico e, portanto, a exigência de potência do perfil de movimento excede a capacidade de todos, exceto os maiores motores de passo.

Um motor servo de escova CC atenderia aos requisitos de carga, uma pequena pegada mecânica e teria rotação muito suave em baixas velocidades; No entanto, devido aos requisitos estritos de EMC, provavelmente é melhor evitar o motor da escova para esse aplicativo específico. Essa seria uma alternativa mais barata em comparação com um sistema sem escova, mas pode apresentar dificuldade em passar qualquer requisito rigoroso do EMC.

O motor CC sem escova usando um sistema de acionamento sinusoidal seria a primeira opção de atender a todos os requisitos de aplicação, incluindo o perfil de carga e movimento (alta densidade de potência); Movimento liso e sem engrenagem em baixas velocidades; e uma pequena pegada mecânica. Nesse caso, ainda haverá o potencial de uma assinatura da EMI devido à comutação de alta frequência dos eletrônicos de acionamento; No entanto, isso pode ser atenuado usando a filtragem em linha devido a uma banda de frequência mais estreita. Um motor DC da escova exibe uma assinatura mais ampla da banda EMI, tornando mais desafiador filtrar.

O tamanho do motor é apenas o começo

Este artigo foi uma breve discussão para apresentar um designer a várias considerações ao escolher uma tecnologia motor para uma aplicação de movimento linear relativamente simples. Embora os princípios sejam idênticos para um sistema mais complexo, como uma tabela XY ou um mecanismo de escolha e local de precisão de vários eixos, cada eixo precisará ser analisado para carga de forma independente. Outra consideração fora do escopo deste artigo é como escolher um fator de segurança apropriado para atender à vida desejada do sistema (número de ciclos). A vida útil do sistema não é apenas uma função do tamanho do motor, mas também os outros elementos mecânicos no sistema, como a caixa de engrenagens e o conjunto do parafuso de chumbo. Outros fatores, como precisão de posicionamento, resolução, repetibilidade, rolagem máxima, pitch e guinada etc. são considerações importantes para garantir que o sistema de movimento linear cumpra ou exceda as metas de aplicação.