Для точного автоматического позиционирования подумайте о линейных приводах на базе шаговых двигателей.

Линейные приводы по существу генерируют силу и движение по прямой линии. В типичной механической системе выходной вал устройства будет обеспечивать линейное движение с помощью вращающегося двигателя через шестерни, ремень и шкив или другие механические компоненты. Проблема в том, что эти компоненты должны быть соединены и выровнены. Хуже того, они добавляют в систему такие элементы износа, как трение и люфт. Для более точного позиционирования более эффективной и простой альтернативой являются линейные приводы на базе шаговых двигателей.

Эти устройства упрощают конструкцию машины или механизма, требующего точного линейного позиционирования, поскольку они обеспечивают преобразование вращательного движения в линейное непосредственно внутри двигателя. Приводы перемещают заданную степень вращательного движения для каждого входного электрического импульса. Эта так называемая «шаговая» функция и использование точного ходового винта обеспечивают точное и повторяемое позиционирование.

Основы шагового двигателя
Чтобы понять, как работают приводы, полезно понять основы шаговых двигателей. Различные типы шаговых двигателей включают двигатели с переменным сопротивлением (VR), двигатели с постоянными магнитами (PM) и гибридные. В центре внимания данного обсуждения находится гибридный шаговый двигатель, который обеспечивает высокий крутящий момент и точное разрешение позиционирования (шаг 1,8 или 0,9°). В системах линейных приводов гибриды встречаются в таких устройствах, какXYстолы, анализаторы крови, оборудование HVAC, небольшие портальные роботы, механизмы управления клапанами и автоматизированные системы освещения сцены.

Под капотом гибридного шагового двигателя находится ротор с постоянными магнитами и стальной статор, обернутый катушечной обмоткой. Подача питания на катушку создает электромагнитное поле с северным и южным полюсами. Статор проводит магнитное поле, заставляя ротор выравниваться по полю. Поскольку последовательное включение и выключение обмотки катушки изменяет магнитное поле, каждый входной импульс или шаг заставляет ротор постепенно перемещаться на 0,9 или 1,8 градуса вращения, в зависимости от гибридной модели. В линейном приводе с шаговым двигателем прецизионная гайка с резьбой, встроенная в ротор, входит в зацепление с ходовым винтом (который заменяет обычный вал).

Ходовой винт создает линейную силу, используя простой механический принцип наклонной плоскости. Представьте себе стальную шахту, вокруг которой обернута рампа или наклонная плоскость. Механическое преимущество или усиление силы определяется углом наклона, который зависит от диаметра винта, шага (осевое расстояние, на которое резьба продвигается за один оборот) и шага (осевое расстояние, измеренное между соседними формами резьбы).

Резьба ходового винта преобразует небольшую вращающую силу в большую грузоподъемность, в зависимости от крутизны наклона (шага резьбы). Небольшой шаг обеспечивает более высокую силу, но более низкую линейную скорость. Большой шаг дает меньшую силу, но более высокую линейную скорость от того же источника вращательной мощности. В некоторых конструкциях приводная гайка, встроенная в ротор, изготовлена ​​из подшипниковой бронзы, подходящей для обработки внутренней резьбы. Но бронза — это инженерный компромисс между смазывающей способностью и физической стабильностью. Лучшим материалом является смазанный термопласт с гораздо меньшим коэффициентом трения на границе резьбы гайка-винт.

Шаговые последовательности
Схемы управления шаговым двигателем включают в себя шаговый режим «одна фаза» и «двухфазный шаг».

В последовательности «одна фаза включена» для упрощенного двухфазного двигателя на шаге 1 показана фаза А статора под напряжением. Это магнитно блокирует ротор, поскольку разные полюса притягиваются. Включение фаз A o и B заставляет ротор вращаться на 90° по часовой стрелке (шаг 2). На этапе 3 фаза B отключена, а фаза A включена, но с обратной полярностью по сравнению с шагом 1. Это заставляет ротор вращаться еще на 90 °. На этапе 4 фаза A выключается, а фаза B включается с обратной полярностью по сравнению с шагом 2. Повторение этой последовательности заставляет ротор двигаться по часовой стрелке с шагом 90°.

В последовательности «две фазы включены» обе фазы двигателя всегда находятся под напряжением, и меняется только полярность одной фазы. Это заставляет ротор выравниваться между «средним» северным и «средним» южным магнитными полюсами. Поскольку обе фазы всегда включены, этот метод обеспечивает на 41,4% больший крутящий момент, чем шаговый режим «одна фаза включена».

К сожалению, хотя пластик хорошо подходит для резьбы, он недостаточно стабилен для шеек подшипников гибридной конструкции шагового двигателя. Это связано с тем, что при постоянной полной нагрузке пластиковые шейки могут расширяться в четыре раза больше, чем латунные. Эта сумма неприемлема, поскольку конструкция двигателя требует, чтобы воздушный зазор между статором и ротором составлял всего несколько тысячных дюйма. Способом решения этой проблемы является литьевое формование пластиковой резьбы внутри латунной втулки, которая будет вставлена ​​в ротор с постоянными магнитами. Такой подход увеличивает срок службы двигателя и обеспечивает низкое трение, сохраняя при этом стабильность шеек подшипника.

Из разных типов приводов Haydon «невыпадающие» устройства имеют встроенный механизм предотвращения вращения. Эта конфигурация обеспечивает максимальный ход до 2,5 дюймов и подходит для таких применений, как прецизионное дозирование жидкости, управление дроссельной заслонкой и перемещение клапана. Другие видыХейдонлинейные приводы — это «нефиксирующие» и «внешние линейные» приводы, которые подходят для применений, требующих более длинного хода, таких как перемещение пробирок с кровью небольшими портальными роботами,XYсистемы движения и системы визуализации.

Выбор размера привода
Пример применения лучше всего показывает, как подобрать размер привода. Учитывайте следующие параметры:

Линейная сила, необходимая для перемещения груза = 15 фунтов (67 Н).
Линейное расстояние, м, груз необходимо переместить = 3 дюйма (0,0762 м)
Время,t, необходимое для перемещения груза за секунды = 6 сек.
Целевое количество циклов = 1 000 000.

Чтобы определить размер линейного привода с шаговым двигателем, необходимо выполнить четыре шага: 1) Определить начальную номинальную силу привода, необходимую для обеспечения требуемого срока службы; 2) Определить скорость в миллиметрах/секунду; 3) Выберите подходящий размер рамы привода; и 4) Определите подходящее разрешение винта в зависимости от требований к усилию.

Лучший способ предсказать жизнь — это тестирование приложений, которое настоятельно рекомендуется. Техника, использующаяПроцент нагрузки в зависимости от количества цикловкривая служит хорошим первым приближением. Шаговые двигатели не имеют щеток, которые могут изнашиваться, и используют прецизионные, долговечные шарикоподшипники, поэтому основным изнашиваемым компонентом является силовая гайка. Таким образом, количество циклов, в течение которых устройство работает при соблюдении проектных характеристик, является функцией нагрузки.

Обратитесь кПроцент нагрузки в зависимости от количества цикловТаблица, позволяющая определить правильный размерный коэффициент привода, способный выдержать 1 000 000 циклов. Получается 50% — коэффициент 0,5. Таким образом, начальная номинальная сила Н, необходимая для того, чтобы выдержать нагрузку после 1 000 000 циклов, составляет 15 фунтов/0,5 = 30 фунтов или 133 Н.

Теперь определим необходимую линейную механическую мощность в ваттах:

P_{линейный}= (Н × м)/т

В нашем примере это будет (133 × 0,0762)/6 = 1,7 Вт.

Используя эти данные, используйтеРазмер корпуса приводатаблицу, чтобы выбрать правильный размер рамы. Всем линейным приводам с шаговым двигателем требуется привод для отправки импульсов на двигатель. Обратите внимание, что в таблице указана мощность как для привода L/R (постоянное напряжение), так и для привода прерывателя (постоянный ток). Если приложение не питается от батареи (как в портативном устройстве), производители настоятельно рекомендуют использовать преобразователь для максимальной производительности. В этом примере анализ характеристик мощности привода прерывателя в таблице показывает, что серия Haydon 43000 (гибрид размера 17) наиболее точно соответствует требованию 1,7 Вт. Этот выбор соответствует требованиям нагрузки без перепроектирования системы.

Затем рассчитайте линейную скорость (ips). Это даном/ти достигает 3 дюймов/6 с = 0,5 дюймов в секунду. Имея под рукой оптимизированный размер кадра (гибридный размер 17) и линейную скорость (0,5 дюйма в секунду), используйте соответствующийСила против линейной скоростикривая для определения правильного разрешения ходового винта привода. В этом случае необходимое разрешение ходового винта составляет 0,00048 дюйма.

Напомним, что ходовой винт перемещается в зависимости от количества входных сигналов двигателя. Кривые производительности выражаются как в «ips», так и в «шагах в секунду». Чтобы проверить свой выбор, проверьте силу при требуемой скорости шага, обратившись кСила и частота пульсакривая, где: Выбранное разрешение = 0,00048 дюйма/шаг Требуемая линейная скорость = 0,5 дюйма в секунду Требуемая скорость шага = (0,5 дюйма в секунду)/ (0,00048 дюйма/шаг) = 1041 шаг.

Если отобразить 1041 как значение по оси X (частота пульса) и провести перпендикулярную линию из этой точки к кривой, видно, что значение по оси Y (сила) равно 30. Следовательно, выбор правильный.