Sistemas de movimento linear são encontrados em inúmeras máquinas, incluindo sistemas de corte a laser de precisão, equipamentos de automação de laboratório, máquinas de fabricação de semicondutores, máquinas CNC, automação industrial e muitas outras, inúmeras demais para listar. Eles variam de algo relativamente simples, como um atuador de assento barato em um veículo de passeio, a um complexo sistema de coordenadas multieixos completo com controle e acionamento eletrônico para posicionamento em malha fechada. Não importa quão simples ou complexo seja o sistema de movimento linear, no nível mais básico, todos eles têm uma coisa em comum: mover uma carga por uma distância linear em um tempo específico.

Uma das perguntas mais comuns ao projetar um sistema de movimento linear gira em torno da tecnologia do motor. Uma vez escolhida a tecnologia, o motor precisa ser dimensionado para atender às demandas de aceleração da carga, superar o atrito no sistema e superar o efeito da gravidade, mantendo uma temperatura máxima de operação segura. O torque, a velocidade, a potência e a capacidade de posicionamento do motor são uma função do projeto do motor, juntamente com o acionamento e o controle.

COM QUAL MOTOR DEVO COMEÇAR?

Há muitas questões de aplicação a serem consideradas ao projetar um sistema de movimento linear utilizando uma tecnologia de motor específica. Uma explicação exaustiva de todo o processo está além do escopo deste artigo. O objetivo é fazer com que você pense em como fazer as perguntas certas ao conversar com um fornecedor de motores.

Não existe o melhor motor para cada aplicação, mas sim o melhor motor para uma aplicação específica. Na grande maioria das aplicações de movimento incremental, a escolha será entre um motor de passo, um motor CC com escovas ou um motor CC sem escovas. Os sistemas de movimento mais complexos podem usar motores lineares acoplados diretamente à carga, evitando a necessidade de conversão mecânica de potência; não há necessidade de translação por meio de um fuso de esferas/fuso de avanço, caixa de engrenagens ou sistema de polias. Embora a máxima precisão, repetibilidade e resolução de posicionamento possam ser alcançadas com sistemas servo lineares de acionamento direto sem núcleo, eles apresentam o maior custo e complexidade quando comparados aos motores rotativos. Uma arquitetura que utiliza motores rotativos é muito mais barata e atenderá à maioria das aplicações de movimento linear; no entanto, algum meio de conversão "rotativo para linear" (e, como resultado, conversão de potência) é necessário para acionar a carga.

Motores de passo, com escovas e sem escovas são considerados motores CC; no entanto, existem sutilezas que farão com que um engenheiro prefira um tipo em detrimento dos outros dois em uma aplicação específica. Deve-se enfatizar que essa escolha depende muito dos requisitos de projeto do sistema, não apenas em termos de velocidade e torque, mas também da precisão de posicionamento, repetibilidade e requisitos de resolução. Não existe um motor perfeito para cada aplicação, e todas as decisões exigirão compensações de projeto. No nível mais básico, todos os motores, sejam eles CA ou CC, com escovas, sem escovas ou qualquer outro motor elétrico, operam sob o mesmo princípio da física para gerar torque: a interação de campos magnéticos. Existem diferenças drásticas, no entanto, na maneira como essas diversas tecnologias de motores respondem em aplicações específicas. O desempenho geral do motor, a resposta e a geração de torque dependem do método de excitação de campo e da geometria do circuito magnético inerentes ao projeto físico do motor, do controle da tensão e da corrente de entrada pelo controlador/drive e do método de realimentação de velocidade ou posição, se a aplicação exigir.

As tecnologias de motores de passo CC, servomotores com escovas e servomotores sem escovas utilizam uma fonte CC para alimentá-los. Para aplicações de movimento linear, isso não significa que uma fonte CC fixa possa ser aplicada diretamente aos enrolamentos do motor; a eletrônica é necessária para controlar a corrente do enrolamento (relacionada ao torque de saída) e a tensão do enrolamento (relacionada à velocidade de saída). Abaixo, um resumo dos pontos fortes e fracos das três tecnologias.

O projeto do sistema linear começa com a massa da carga e a velocidade com que a massa precisa se deslocar do ponto A ao ponto B. O tipo, o tamanho e o projeto mecânico do motor começam com a potência (watts) necessária para mover a carga. Começando com a carga e, por fim, passando por todos os componentes até a fonte de alimentação do acionamento, a análise consiste em uma série de etapas para entender a conversão de potência de uma parte do sistema para outra, considerando as diversas eficiências dos componentes intermediários. Watts na forma de tensão e corrente no acionamento se traduzirão, em última análise, em watts de saída mecânica para mover uma determinada carga em um período de tempo específico.

Para obter uma indicação da potência de saída necessária na carga, um cálculo simples de potência ajudará a estimar um motor. Após compreender a potência média de saída necessária, finalize a análise dos requisitos de potência, voltando ao motor e analisando os diversos elementos de conversão de potência. Os dados dos fabricantes devem ser consultados para levar em consideração a eficiência dos diversos componentes, pois isso determinará, em última análise, o tamanho do motor e da fonte de alimentação. A escolha das unidades a serem utilizadas depende da preferência pessoal, mas as unidades do SI são altamente recomendadas. Trabalhar com unidades do SI evita a necessidade de memorizar múltiplas constantes de conversão, e o resultado final sempre pode ser convertido de volta para as unidades inglesas.

QUANTA POTÊNCIA É NECESSÁRIA PARA MOVER A CARGA NO TEMPO NECESSÁRIO?

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

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Isso é diferente da potência de pico que será exigida do sistema. Considerando a aceleração e a desaceleração, a potência instantânea durante o perfil de movimento 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 37 watts de potência de pico para realizar a tarefa. Essas informações, juntamente com as diversas outras especificações da aplicação, ajudarão a escolher a tecnologia de motor mais adequada.

QUAL TECNOLOGIA DE MOTOR DEVO CONSIDERAR?

Excelente capacidade de posicionamento e controles relativamente simples levariam um projetista a considerar a possibilidade de usar um motor de passo primeiro. Um motor de passo, no entanto, não atenderia ao requisito de um pequeno espaço mecânico ao mesmo tempo em que atenderia às demandas de carga. Uma potência de pico 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 potência necessária do perfil de movimento excedem a capacidade de todos os motores de passo, exceto os maiores.

Um servomotor CC com escovas atenderia aos requisitos de carga, ocuparia pouco espaço mecânico e teria uma rotação muito suave em baixas velocidades; no entanto, devido aos rigorosos requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC), provavelmente é melhor evitar o motor com escovas para esta aplicação específica. Esta seria uma alternativa mais barata em comparação com um sistema sem escovas, mas pode apresentar dificuldades para atender a quaisquer requisitos rigorosos de EMC.

O motor CC sem escovas com sistema de acionamento senoidal seria a primeira escolha para atender a todos os requisitos da aplicação, incluindo o perfil de carga e movimento (alta densidade de potência); movimento suave e sem engrenagens em baixas velocidades; e um pequeno espaço mecânico. Nesse caso, ainda haverá o potencial de uma assinatura EMI devido à comutação de alta frequência da eletrônica de acionamento; no entanto, isso pode ser mitigado usando filtragem em linha devido a uma banda de frequência mais estreita. Um motor CC com escovas exibe uma assinatura EMI de banda mais ampla, tornando a filtragem mais difícil.

O DIMENSIONAMENTO DO MOTOR É APENAS O COMEÇO

Este artigo foi uma breve discussão para apresentar ao projetista várias considerações ao escolher uma tecnologia de motor para uma aplicação de movimento linear relativamente simples. Embora os princípios sejam idênticos para um sistema mais complexo, como uma mesa XY ou um mecanismo de pick-and-place de precisão multieixo, 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 útil desejada do sistema (número de ciclos). A vida útil do sistema não é apenas uma função do tamanho do motor, mas também de outros elementos mecânicos no sistema, como a caixa de engrenagens e o conjunto do fuso de avanço. Outros fatores, como precisão de posicionamento, resolução, repetibilidade, rolagem, passo e guinada máximos, etc., são considerações importantes para garantir que o sistema de movimento linear atenda ou exceda os objetivos da aplicação.