Системы линейного движения находятся внутри бесчисленного множества машин, включая системы точной лазерной резки, лабораторное автоматизированное оборудование, машины для производства полупроводников, станки с ЧПУ, автоматизацию производства и многие другие, слишком многочисленные, чтобы перечислить их. Они варьируются от относительно простых, таких как недорогой привод сиденья в легковом автомобиле, до сложной многоосевой системы координат, укомплектованной электроникой управления и привода для позиционирования с замкнутым контуром. Независимо от того, насколько проста или сложна система линейного движения, на самом базовом уровне у них всех есть одна общая черта: перемещение груза на линейное расстояние за определенное время.

Один из наиболее распространенных вопросов при проектировании линейной системы движения касается технологии двигателя. После выбора технологии двигатель должен быть рассчитан на требования ускорения нагрузки, преодоления трения в системе и преодоления эффекта гравитации, при этом поддерживая безопасную максимальную рабочую температуру. Крутящий момент, скорость, мощность и позиционные возможности двигателя зависят от конструкции двигателя в сочетании с приводом и управлением.

С КАКОГО ДВИГАТЕЛЯ НАЧАТЬ?

При проектировании системы линейного движения с использованием определенной технологии двигателя необходимо учитывать множество прикладных вопросов. Исчерпывающее объяснение всего процесса выходит за рамки этой статьи. Цель состоит в том, чтобы заставить вас задуматься о том, как задавать правильные вопросы при общении с поставщиком двигателя.

Не существует лучшего двигателя для каждого приложения, но есть лучший двигатель для конкретного приложения. В подавляющем большинстве приложений с пошаговым движением выбор будет либо шаговым двигателем, либо щеточным двигателем постоянного тока, либо бесщеточным двигателем постоянного тока. Самые сложные системы движения могут использовать линейные двигатели, соединенные напрямую с нагрузкой, избегая необходимости механического преобразования энергии; нет необходимости в перемещении через ходовой винт/шариковый винт, коробку передач или систему шкивов. Хотя максимальная точность, повторяемость и разрешение позиционирования могут быть достигнуты с помощью линейных сервосистем с прямым приводом без сердечника, они являются самыми дорогими и сложными по сравнению с роторными двигателями. Архитектура, использующая роторные двигатели, намного менее затратна и будет соответствовать большинству приложений с линейным движением; однако для управления нагрузкой необходимы некоторые средства преобразования «вращательного движения в линейное» (и, как следствие, преобразования энергии).

Шаговые, щеточные и бесщеточные двигатели считаются двигателями постоянного тока; однако существуют тонкости, которые заставят инженера отдать предпочтение одному типу перед двумя другими в конкретном приложении. Необходимо подчеркнуть, что этот выбор в значительной степени зависит от требований к конструкции системы, не только с точки зрения скорости и крутящего момента, но и точности позиционирования, повторяемости и требований к разрешению. Не существует идеального двигателя для каждого приложения, и все решения потребуют компромиссов в конструкции. На самом базовом уровне все двигатели, называются ли они двигателями переменного или постоянного тока, щеточными, бесщеточными или любыми другими электродвигателями, работают по одному и тому же принципу физики для создания крутящего момента: взаимодействие магнитных полей. Однако существуют существенные различия в том, как эти различные технологии двигателей реагируют в конкретных приложениях. Общая производительность двигателя, отклик и создание крутящего момента зависят от метода возбуждения поля и геометрии магнитной цепи, заложенных в физической конструкции двигателя, управления входным напряжением и током контроллером/приводом и метода обратной связи по скорости или положению, если это требуется приложением.

Технологии шаговых двигателей постоянного тока, щеточных сервоприводов и бесщеточных сервоприводов используют источник постоянного тока для питания. Для приложений линейного движения это не означает, что фиксированный источник постоянного тока может быть подан непосредственно на обмотки двигателя; электроника необходима для управления током обмотки (связанным с выходным крутящим моментом) и напряжением обмотки (связанным с выходной скоростью). Ниже приведено краткое изложение сильных и слабых сторон трех технологий.

Проектирование линейной системы начинается с массы нагрузки и того, как быстро масса должна перемещаться из точки А в точку В. Тип двигателя, размер и механическая конструкция начинаются с мощности (Вт), необходимой для перемещения нагрузки. Начиная с нагрузки и в конечном итоге проходя через все компоненты к источнику питания привода, анализ представляет собой ряд шагов для понимания преобразования мощности из одной части системы в другую, принимая во внимание различные КПД компонентов между ними. Ватты в форме напряжения и тока в приводе в конечном итоге преобразуются в механические выходные ватты, перемещающие заданную нагрузку за определенное время.

Чтобы получить представление о выходной мощности, необходимой при нагрузке, простой расчет мощности поможет приблизительно оценить двигатель. После того, как вы поймете среднюю необходимую выходную мощность, завершите анализ требований к мощности, вернувшись к двигателю и пройдя через различные элементы преобразования мощности. Следует ссылаться на данные производителей, чтобы учесть эффективность различных компонентов, так как это в конечном итоге определит размер двигателя и источника питания. Это личное предпочтение относительно того, с какими единицами работать, но настоятельно рекомендуется использовать единицы СИ. Работа в единицах СИ позволяет избежать необходимости запоминать несколько констант преобразования, а конечный результат всегда можно преобразовать обратно в английские единицы.

КАКАЯ МОЩНОСТЬ НУЖНА ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРУЗА ЗА НЕОБХОДИМОЕ ВРЕМЯ?

Для поднятия груза массой 9 кг против силы тяжести потребуется сила около 88 Н. Расчет ватт, необходимых для перемещения груза, даст отправную точку для определения компонентов в остальной части системы. Это средняя мощность, необходимая для перемещения груза массой 9 кг по вертикали из точки А в точку В за 1 секунду. Потери системы, такие как трение, не включены. Требуемая мощность вала двигателя будет несколько выше и зависит от других компонентов, используемых в системе, таких как редуктор и ходовой винт.

П = (Ф × С) / т

P = (88Н × 0,2м) / 1,0с = 17,64w

Это отличается от пиковой мощности, которая потребуется от системы. Если принять во внимание ускорение и замедление, мгновенная мощность во время профиля движения будет несколько выше; однако средняя выходная мощность, необходимая при нагрузке, составляет около 18 Вт. После тщательного анализа всех компонентов, такой системе, как эта, потребуется около 37 Вт пиковой мощности для выполнения работы. Эта информация, наряду с различными другими спецификациями применения, теперь поможет выбрать наиболее подходящую технологию двигателя.

КАКУЮ ТЕХНОЛОГИЮ ДВИГАТЕЛЯ МНЕ СЛЕДУЕТ РАССМАТРИВАТЬ?

Превосходная способность позиционирования и относительно простое управление заставили бы конструктора рассмотреть возможность использования шагового двигателя в первую очередь. Шаговый двигатель, однако, не отвечал бы требованию малого механического следа при одновременном удовлетворении требований нагрузки. Пиковая потребность в мощности в 37 Вт потребовала бы очень большого шагового двигателя. Хотя шаговые двигатели обладают очень высоким крутящим моментом на низких скоростях, пиковая скорость и, следовательно, потребность в мощности профиля перемещения превышают возможности всех, кроме самых больших шаговых двигателей.

Щеточный серводвигатель постоянного тока будет соответствовать требованиям нагрузки, иметь небольшой механический след и иметь очень плавное вращение на низких скоростях; однако из-за строгих требований ЭМС, вероятно, лучше избегать щеточного двигателя для этого конкретного применения. Это будет менее дорогой альтернативой по сравнению с бесщеточной системой, но это может вызвать трудности в прохождении любых строгих требований ЭМС.

Бесщеточный двигатель постоянного тока, использующий синусоидальную систему привода, будет первым выбором для удовлетворения всех требований приложения, включая профиль нагрузки и движения (высокая плотность мощности); плавное движение без заеданий на низких скоростях; и небольшой механический след. В этом случае все еще будет существовать потенциал сигнатуры ЭМП из-за высокочастотного переключения электроники привода; однако это можно смягчить с помощью встроенной фильтрации из-за более узкой полосы частот. Щеточный двигатель постоянного тока демонстрирует более широкую полосу сигнатуры ЭМП, что затрудняет его фильтрацию.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА ДВИГАТЕЛЯ — ЭТО ТОЛЬКО НАЧАЛО

Эта статья была кратким обсуждением, чтобы познакомить проектировщика с различными соображениями при выборе технологии двигателя для относительно простого приложения линейного перемещения. Хотя принципы идентичны для более сложной системы, такой как стол XY или многоосевой прецизионный механизм захвата и размещения, каждую ось необходимо будет проанализировать на предмет нагрузки независимо. Еще одно соображение, выходящее за рамки этой статьи, заключается в том, как выбрать подходящий коэффициент безопасности, чтобы обеспечить желаемый срок службы системы (количество циклов). Срок службы системы зависит не только от размера двигателя, но и от других механических элементов в системе, таких как редуктор и узел ходового винта. Другие факторы, такие как точность позиционирования, разрешение, повторяемость, максимальный крен, тангаж и рыскание и т. д., являются важными соображениями для обеспечения того, чтобы система линейного перемещения соответствовала или превосходила цели приложения.