Hassas otomatik konumlandırma için step-motor tabanlı doğrusal aktüatörleri düşünün.

Doğrusal aktüatörler esasen düz bir çizgiden kuvvet ve hareket üretir. Tipik bir mekanik sistemde, bir cihazın çıkış mili, dişliler, bir kayış ve kasnak veya diğer mekanik bileşenlerden bir döner motor kullanarak doğrusal hareket sağlayacaktır. Sorun şu ki, bu bileşenler birleştirilmeli ve hizalanmalıdır. Daha da kötüsü, bir sisteme sürtünme ve tepki gibi aşınma elemanları eklerler. Daha ince konumlandırma ihtiyaçları için, step-motor tabanlı doğrusal aktüatörlerden daha etkin ve açık bir alternatif gelir.

Bu cihazlar, doğrudan motorun içinde döner-doğrusal dönüşüm sağladıkları için hassas doğrusal konumlandırma gerektiren bir makinenin veya mekanizmanın tasarımını basitleştirir. Aktüatörler, her elektrik giriş darbesi için belirli bir döner hareket derecesini hareket ettirir. Bu “basamak” özelliği ve kesin bir kurşun vidalı kullanımı, hassas ve tekrarlanabilir konumlandırma sağlar.

Step-motor temelleri
Aktüatörlerin nasıl çalıştığını görmek için step motorların temellerini anlamak yararlıdır. Farklı step motorlar arasında değişken isteksizlik (VR), kalıcı mıknatıs (PM) ve hibrid bulunur. Bu tartışma, yüksek tork ve ince konumlandırma çözünürlüğü (1.8 veya 0.9 ° adım) sağlayan hibrid step üzerine odaklanmaktadır. Doğrusal aktüatör sistemlerinde, melezlerXYTablolar, kan analizörleri, HVAC ekipmanı, küçük portal robotları, valf kontrol mekanizmaları ve otomatik sahne ışık sistemleri.

Hibrit bir step kaputunun altında, kalıcı bir moza rotoru ve bir bobin sargısı ile sarılmış bir çelik stator oturur. Bobine enerji vermek, kuzey ve güney kutupları ile bir elektromanyetik alan oluşturur. Stator manyetik alanı yönetir ve rotorun kendisini alanla hizalamasına neden olur. Bobin sargılarını sırayla enerji vermek ve tanımlamak manyetik alanı değiştirdiğinden, her giriş darbesi veya adım rotorun hibrid modele bağlı olarak 0.9 veya 1.8 dönme derecesini aşamalı olarak hareket ettirmesine neden olur. Step-motor doğrusal aktüatörde, rotor içine gömülü dişli bir hassas somun kurşun vidalı (geleneksel bir şaftın yerini alır) ile bağlantı kurar.

Kurşun vidalı, eğimli düzlemin basit mekanik prensibini kullanarak doğrusal bir kuvvet sağlar. Bir rampa veya eğimli düzlemi olan çelik bir şaft hayal edin. Mekanik avantaj veya kuvvet amplifikasyonu, vida çapının bir fonksiyonu olan rampanın açısı, kurşun (eksenel mesafe, tek bir devrimde vida ipliği ilerler) ve zift (bitişik iplik formları arasında ölçülen eksenel mesafe) ile belirlenir.

Kurşun vidalı dişler, rampa dikliğine (iplik kurşun) bağlı olarak küçük bir dönme kuvvetini büyük bir yük kapasitesine dönüştürür. Küçük bir kurşun daha yüksek kuvvet ancak daha düşük doğrusal hızlar sağlar. Büyük bir kurşun daha düşük bir kuvvet verir, ancak aynı döner güç kaynağından daha yüksek bir doğrusal hız verir. Bazı tasarımlarda, rotora gömülü güç somunu, iç dişlerin işlenmesine katılan bir yatak dereceli bronzdan yapılmıştır. Ancak bronz, yağlılık ve fiziksel istikrar arasında bir mühendislik uzlaşmasıdır. Daha iyi bir malzeme, fındık vidalı iplik arayüzünde çok daha düşük bir sürtünme katsayısına sahip yağlanmış bir termoplastiktir.

Basamak dizileri
Bir step motoru sürme şemaları arasında “bir faz açık” basamak ve “iki faz açık” basamak bulunur.

Basit iki fazlı bir motor için “bir faz açık” dizisinde, Adım 1 enerjili statorun A fazını gösterir. Kutupların aksine manyetik olarak rotoru kilitler. A O ve B'nin dönüşü rotorun saat yönünde 90 ° hareket ettirmesini sağlar (Adım 2). Adım 3'te, B fazı O ve Faz A açıktır, ancak polarite 1. adımdan tersine çevrilir. Rotorun 90 ° başka bir dönmesine neden olur. Adım 4'te A fazı O'ya dönüşür ve Faz B açılır, polarite 2. adımdan tersine çevrilir. Bu dizinin tekrarlanması rotorun 90 ° adımlarla saat yönünde hareket etmesine neden olur.

“İki faz açık” dizisinde, her iki motor fazına her zaman enerjilendirilir ve sadece bir faz anahtarlarının polaritesidir. Bu, rotorun kendisini “ortalama” kuzey ve “ortalama” güney manyetik kutuplar arasında hizalamasına neden olur. Her iki aşama daima açık olduğundan, bu yöntem “bir faz açık” basamaktan% 41.4 daha fazla tork sağlar.

Ne yazık ki, plastik iplikler için iyi çalışsa da, hibrid step tasarımındaki yatak dergileri için yeterince kararlı değildir. Bunun nedeni, sürekli bir tam yük koşulunda, plastik dergiler pirinç dergilerin dört katına kadar genişleyebilir. Bu miktar kabul edilemez, çünkü motor tasarımı stator-rotor hava boşluğunun bir inçten sadece birkaç binde biri olmasını gerektirir. Bu sorunun etrafında bir yol, kalıcı moza rotoruna yerleştirilecek pirinç bir manşon içindeki plastik iplikleri enjeksiyon yapmaktır. Bu yaklaşım motor ömrünü arttırır ve yatak-journal stabilitesini korurken düşük sürtünme sağlar.

Farklı Haydon aktüatörleri arasında, “esir” cihazların yerleşik bir antirotasyon mekanizması vardır. Bu konfigürasyon, maksimum 2,5 inç'e kadar bir strok sağlar ve hassas sıvı dağıtım, gaz kelebeği kontrolü ve valf hareketi gibi uygulamalara uygun uygulamalar sağlar. Diğer türlerHaydonDoğrusal aktüatörler, kan tüplerinin küçük portal robotları tarafından transferi gibi daha uzun bir inme gerektiren uygulamalara uygun “kaplanabilir olmayan” ve “dış doğrusal” dır.XYhareket sistemleri ve görüntüleme sistemleri.

Bir Aktüatör Boyutlandırma
Bir uygulama örneği en iyi bir aktüatörün nasıl boyutlandırılacağını gösterir. Aşağıdaki parametreleri düşünün:

Yükü hareket ettirmek için gerekli doğrusal kuvvet = 15 lb (67 n)
Doğrusal mesafe, m, yükün taşınması gerekiyor = 3 inç (0.0762 m)
Zaman,t, yükü saniyeler içinde hareket ettirmek için gerekli = 6 saniye
Hedef döngü sayısı = 1.000.000

Step-motor doğrusal aktüatörün boyutlandırılmasının dört adımı vardır: 1) Aktüatörün gerekli ömrü karşılamak için gereken başlangıç ​​kuvvet derecesini belirleyin; 2) hızı milimetre/saniye cinsinden belirleyin; 3) uygun aktüatör çerçeve boyutunu seçin; ve 4) kuvvet gereksinimlerine göre uygun vida çözünürlüğünü belirleyin.

Hayatı tahmin etmenin en iyi yolu, şiddetle tavsiye edilen uygulama testidir. Kullanan bir teknikYüzde yük ve döngü sayısıEğri, iyi bir ilk yaklaşım görevi görür. Step motorların yıpranacak fırçaları yoktur ve hassas, uzun ömürlü bilyalı rulmanlar kullanırlar, bu nedenle ana aşınma bileşeni güç somunudur. Bu nedenle, tasarım özelliklerini karşılarken bir cihazın sürdüğü döngü sayısı yükün bir fonksiyonudur.

Şuraya bakınYüzde yük ve döngü sayısı1.000.000 döngüye dayanacak aktüatörün doğru boyutlandırma faktörünü belirlemek için grafik. Bu% 50 olarak ortaya çıkıyor - 0,5 faktörü. 1000.000 döngüden sonra yükü karşılamak için gerekli olan ilk nominal kuvvet olan n, bu nedenle 15 lb/0.5 = 30 lb veya 133 N'dir.

Şimdi watt'larda gerekli doğrusal mekanik gücü belirleyin:

P_doğrusal= (N × m)/t

Örneğimizde, bu (133 × 0.0762)/6 = 1.7 W olur

Bu verilerle,Aktüatör çerçeve boyutuTablo doğru çerçeve boyutunu seçmek için. Tüm step-motor doğrusal aktüatörler, motora darbeler göndermek için bir sürücü gerektirir. Tablonun hem bir L/R sürücüsü (sabit voltaj) hem de bir kıyıcı sürücü (sabit akım) için gücü listelediğini unutmayın. Uygulama pille çalışan olmadıkça (el taşınabilir bir cihazda olduğu gibi), üreticiler maksimum performans için bir kıyıcı sürücü önerir. Bu örnekte, tablodaki helikopter sürücü güç özelliklerinin gözden geçirilmesi, Haydon 43000 serisinin (17 beden hibrid) en yakından 1.7-w gereksinimini karşıladığını ortaya koymaktadır. Bu seçim, sistemi aşırı tasarlamadan yük gereksinimlerini karşılar.

Ardından, doğrusal hızı (IPS) hesaplayın. Bu tarafından verilirM/Tve 3 inç/6 sn = 0.5 IPS'ye gelir. Optimize edilmiş çerçeve boyutu (17 hibrit) ve elinde doğrusal hız (0.5 IPS) ile uygun olanı kullanınKuvvete karşı doğrusal hızAktüatör kurşun vidasının uygun çözünürlüğünü belirlemek için eğri. Bu durumda, gereken kurşun vidalı çözünürlük 0.00048 inçtir.

Kurşun vidalı, motora giriş adımlarının sayısına göre ilerlediğini hatırlayın. Performans eğrileri hem “IPS” hem de “Steps/Sec” de ifade edilir. Seçiminizi doğrulamak için, gerekli adım oranında kuvveti kontrol edin.Kuvvet ve nabız hızına karşıEğri, nerede: Seçilen çözünürlük = 0.00048 in.

X ekseni değeri (nabız hızı) olarak 1.041'i çizmek ve bu noktadan eğriye dik bir çizgi çekmek Y ekseni değerinin (kuvvet) 30 olduğunu gösterir. Bu nedenle seçim doğrudur.