Для точного автоматического позиционирования используйте линейные приводы на основе шаговых двигателей.

Линейные приводы по сути 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 элементы износа, такие как трение и люфт. Для более точных потребностей позиционирования более эффективной и простой альтернативой являются линейные приводы на основе шагового двигателя.

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 электрического входного импульса. Эта так называемая «шаговая» функция и использование точного ходового винта обеспечивают точное и повторяемое позиционирование.

Основы шагового двигателя
Чтобы увидеть, как работают приводы, полезно понять основы шаговых двигателей. Различные типы шаговых двигателей включают в себя двигатели с переменным магнитным сопротивлением (VR), с постоянным магнитом (PM) и гибридные. Это обсуждение сосредоточено на гибридном шаговом двигателе, который обеспечивает высокий крутящий момент и точное разрешение позиционирования (шаг 1,8 или 0,9°). В системах линейных приводов гибриды встречаются в таких устройствах, какИКСИстолы, анализаторы крови, оборудование HVAC, небольшие портальные роботы, механизмы управления клапанами и автоматизированные системы сценического освещения.

Под капотом гибридного шагового двигателя находится ротор с постоянным магнитом и стальной статор, обернутый обмоткой катушки. Включение катушки создает электромагнитное поле с северным и южным полюсами. Статор проводит магнитное поле, заставляя ротор выравниваться с полем. Поскольку последовательное включение и выключение обмоток катушки изменяет магнитное поле, каждый входной импульс или шаг заставляет ротор пошагово перемещаться на 0,9 или 1,8 градуса вращения, в зависимости от гибридной модели. В линейном приводе шагового двигателя резьбовая прецизионная гайка, встроенная в ротор, входит в зацепление с ходовым винтом (который заменяет обычный вал).

Ходовой винт обеспечивает линейную силу, используя простой механический принцип наклонной плоскости. Представьте себе стальной вал с наклонной плоскостью или наклонной плоскостью, обернутой вокруг него. Механическое преимущество или усиление силы определяется углом наклонной плоскости, который является функцией диаметра винта, шага (осевого расстояния, которое резьба винта проходит за один оборот) и шага (осевого расстояния, измеренного между соседними формами резьбы).

Резьба ходового винта преобразует небольшое вращательное усилие в большую грузоподъемность в зависимости от крутизны наклонной плоскости (шага резьбы). Малый шаг обеспечивает большую силу, но меньшие линейные скорости. Большой шаг обеспечивает меньшую силу, но большую линейную скорость от того же источника вращательной мощности. В некоторых конструкциях силовая гайка, встроенная в ротор, изготовлена ​​из подшипниковой бронзы, которая пригодна для обработки внутренней резьбы. Но бронза является инженерным компромиссом между смазываемостью и физической стабильностью. Лучшим материалом является смазанный термопластик с гораздо меньшим коэффициентом трения на границе гайки и резьбы винта.

Последовательности шагов
Схемы управления шаговым двигателем включают в себя «однофазный» шаговый режим и «двухфазный» шаговый режим.

В последовательности «одна фаза включена» для упрощенного двухфазного двигателя Шаг 1 показывает фазу A возбужденного статора. Это магнитно блокирует ротор, поскольку разноименные полюса притягиваются. Включение фазы A и включение фазы B заставляет ротор двигаться на 90° по часовой стрелке (шаг 2). На Шаге 3 фаза B выключена, а фаза A включена, но с полярностью, обратной по сравнению с Шагом 1. Это заставляет ротор поворачиваться еще на 90°. На Шаге 4 фаза A выключается, а фаза B включается, с полярностью, обратной 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 включены, и переключается полярность только 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% больше крутящего момента, чем шаговое управление «одна фаза включена».

К сожалению, хотя пластик хорошо подходит для резьбы, он недостаточно стабилен для опорных шеек в конструкции гибридного шагового двигателя. Это связано с тем, что при непрерывной полной нагрузке пластиковые шейки могут расширяться в четыре раза больше, чем латунные. Такая величина неприемлема, поскольку конструкция двигателя требует, чтобы воздушный зазор между статором и ротором составлял всего несколько тысячных дюйма. Способом решения этой проблемы является литье пластиковых нитей внутрь латунной втулки, которая будет вставлена ​​в ротор с постоянным магнитом. Такой подход увеличивает срок службы двигателя и обеспечивает низкое трение при сохранении стабильности опорной шейки.

Из различных типов приводов Haydon, «захваченные» устройства имеют встроенный механизм предотвращения вращения. Такая 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 «незахваченные» и «внешние линейные», которые подходят для применений, требующих более длинного хода, например, для перемещения пробирок с кровью небольшими портальными роботами.ИКСИсистемы движения и системы визуализации.

Определение размера привода
Пример применения лучше всего показывает, как определить размер привода. Рассмотрите следующие параметры:

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

Для определения размера 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 в секунду; 3) выбрать правильный размер рамы привода; и 4) определить правильное разрешение винта на основе требований к усилию.

Лучший способ предсказать срок службы — это тестирование приложений, что настоятельно рекомендуется. Методика, 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, которое устройство выдерживает, при этом соответствуя проектным характеристикам, является функцией нагрузки.

Обратитесь кПроцент нагрузки в зависимости от количества цикловдиаграмма для определения правильного коэффициента размера привода, чтобы выдержать 1 000 000 циклов. Это составляет 50% — коэффициент 0,5. Начальная номинальная сила, Н, необходимая для удовлетворения нагрузки после 1 000 000 циклов, составляет, таким образом, 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 рамы приводатаблицу для выбора правильного размера рамы. Все линейные приводы с шаговым двигателем требуют привода для отправки импульсов на двигатель. Обратите внимание, что в таблице указана мощность как для привода L/R (постоянное напряжение), так и для привода с прерывателем (постоянный ток). Если приложение не работает от батареи (как в портативном устройстве), производители настоятельно рекомендуют привод с прерывателем для максимальной производительности. В этом примере обзор характеристик мощности привода с прерывателем в таблице показывает, что серия Haydon 43000 (размер 17, гибрид) наиболее близко соответствует требованию 1,7 Вт. Этот выбор соответствует требованиям нагрузки без избыточного проектирования системы.

Далее вычисляем линейную скорость (ips). Она определяется по формулем/ти составляет 3 дюйма/6 сек = 0,5 ips. С оптимизированным размером кадра (Размер 17 Гибрид) и линейной скоростью (0,5 ips) используйте соответствующийСила против линейной скоростикривая для определения правильного разрешения ходового винта привода. В этом случае необходимое разрешение ходового винта составляет 0,00048 дюйма.

Вспомните, что ходовой винт продвигается в зависимости от количества шагов на входе двигателя. Кривые производительности выражаются как в «ips», так и в «steps/sec». Чтобы проверить свой выбор, проверьте силу при требуемой скорости шага, обратившись кСила против частоты 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.

Отложив 1041 в качестве значения оси X (частота пульса) и проведя перпендикулярную линию из этой точки к кривой, мы получим значение оси Y (сила), равное 30. Следовательно, выбор правильный.