Hassas otomatik konumlandırma için adım motor tabanlı doğrusal aktüatörleri düşünün.

Doğrusal aktüatörler esasen düz bir çizgi boyunca kuvvet ve hareket üretir. Tipik bir mekanik sistemde, bir cihazın çıkış mili, dişliler, kayış ve kasnak veya diğer mekanik bileşenler aracılığıyla döner bir motor kullanarak doğrusal hareket sağlar. Sorun şu ki, bu bileşenler birleştirilmeli ve hizalanmalıdır. Daha da kötüsü, bir sisteme sürtünme ve boşluk gibi aşınma elemanları eklerler. Daha ince konumlandırma ihtiyaçları için, daha etkili ve basit bir alternatif, adım motoru tabanlı doğrusal aktüatörlerden 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 derecelik döner hareketi hareket ettirir. Bu sözde "adımlama" özelliği ve hassas bir vidalı mil kullanımı hassas ve tekrarlanabilir konumlandırma sağlar.

Adım motoru temelleri
Aktüatörlerin nasıl çalıştığını görmek için, adım motorlarının temellerini anlamak faydalıdır. Farklı adım motoru türleri arasında değişken relüktans (VR), kalıcı mıknatıs (PM) ve hibrit bulunur. Bu tartışma, yüksek tork ve ince konumlandırma çözünürlüğü (1,8 veya 0,9° adım) sağlayan hibrit adım motoruna odaklanır. Doğrusal aktüatör sistemlerinde, hibritler şu cihazlarda bulunur:XYmasalar, kan analiz cihazları, HVAC ekipmanları, küçük gantry robotları, vana kontrol mekanizmaları ve otomatik sahne aydınlatma sistemleri.

Hibrit bir adım motorunun kaputunun altında kalıcı mıknatıslı bir rotor ve bobin sargısıyla sarılmış bir çelik stator bulunur. Bobine enerji verilmesi, kuzey ve güney kutupları olan bir elektromanyetik alan yaratır. Stator manyetik alanı iletir ve rotorun kendisini alanla hizalamasına neden olur. Bobin sargılarına sırayla enerji verilmesi ve enerjisinin kesilmesi manyetik alanı değiştirdiğinden, her giriş darbesi veya adımı rotorun hibrit modele bağlı olarak 0,9 veya 1,8 dönüş derecesi artımlı olarak hareket etmesine neden olur. Bir adım motoru doğrusal aktüatöründe, rotora gömülü dişli bir hassas somun, vidalı mil ile etkileşime girer (bu, geleneksel bir şaftın yerini alır).

Vidalı mil, eğimli düzlemin basit mekanik ilkesini kullanarak doğrusal bir kuvvet sağlar. Etrafına bir rampa veya eğimli düzlem sarılmış bir çelik şaft düşünün. Mekanik avantaj veya kuvvet amplifikasyonu, vida çapı, vida dişinin tek bir devirde ilerlediği eksenel mesafe ve hatvenin (bitişik diş formları arasında ölçülen eksenel mesafe) bir fonksiyonu olan rampa açısı tarafından belirlenir.

Vida dişi dişleri, rampa dikliğine (diş başı) bağlı olarak küçük bir dönme kuvvetini büyük bir yük kapasitesine dönüştürür. Küçük bir baş daha yüksek bir kuvvet ancak daha düşük doğrusal hızlar sağlar. Büyük bir baş aynı döner güç kaynağından daha düşük bir kuvvet ancak daha yüksek doğrusal hız sağlar. Bazı tasarımlarda, rotora gömülü güç somunu, iç dişlerin işlenmesine elverişli olan rulman sınıfı bir bronzdan yapılır. Ancak bronz, kayganlık ve fiziksel stabilite arasında bir mühendislik uzlaşmasıdır. Daha iyi bir malzeme, somun-vida diş arayüzünde çok daha düşük bir sürtünme katsayısına sahip yağlanmış bir termoplastiktir.

Adım dizileri
Bir adım motorunu sürme şemaları arasında "bir faz açık" adımlama ve "iki faz açık" adımlama yer alır.

Basitleştirilmiş iki fazlı bir motor için "bir faz açık" dizisinde, Adım 1 enerjili statorun A fazını gösterir. Bu, zıt kutuplar birbirini çektiğinden rotoru manyetik olarak kilitler. A fazını kapalı ve B fazını açık konuma getirmek rotorun saat yönünde 90° hareket etmesini sağlar (adım 2). Adım 3'te, B fazı kapalı ve A fazı açıktır, ancak kutupluluk Adım 1'deki gibi tersine çevrilmiştir. Bu, rotorun 90° daha dönmesine neden olur. Adım 4'te, A fazı kapalı ve B fazı açıktır, kutupluluk Adım 2'deki gibi tersine çevrilmiştir. Bu dizinin tekrarlanması, rotorun saat yönünde 90°'lik adımlarla hareket etmesine neden olur.

"İki faz açık" dizisinde, her iki motor fazı da her zaman enerjilidir ve yalnızca bir fazın polaritesi değişir. Bu, rotorun kendisini "ortalama" kuzey ve "ortalama" güney manyetik kutupları arasında hizalamasına neden olur. Her iki faz da her zaman açık olduğundan, bu yöntem "tek faz açık" adımlamadan %41,4 daha fazla tork sağlar.

Ne yazık ki, plastik dişler için iyi çalışsa da, hibrit adım motoru tasarımındaki yatak milleri için yeterince kararlı değildir. Bunun nedeni, sürekli tam yük koşulunda plastik millerin pirinç millerden dört kat daha fazla genişleyebilmesidir. Bu miktar kabul edilemezdir çünkü motor tasarımı stator-rotor hava boşluğunun yalnızca birkaç bin inç olmasını gerektirir. Bu sorunu aşmanın bir yolu, kalıcı mıknatıslı rotora yerleştirilecek bir pirinç manşonun içine plastik dişleri enjeksiyon kalıplamaktır. Bu yaklaşım, motor ömrünü artırır ve yatak-mil kararlılığını korurken düşük sürtünme sağlar.

Haydon aktüatörlerinin farklı tiplerinden "tutsak" cihazlar yerleşik bir antirotasyon mekanizmasına sahiptir. Bu yapılandırma 2,5 inçe kadar maksimum strok sağlar ve hassas sıvı dağıtımı, gaz kontrolü ve valf hareketi gibi uygulamalara uygundur. Diğer türlerHaydondoğrusal aktüatörler, küçük gantry robotları tarafından kan tüplerinin transferi gibi daha uzun bir strok gerektiren uygulamalara uygun olan "tutsak olmayan" ve "harici doğrusal" aktüatörlerdir,XYhareket sistemleri ve görüntüleme sistemleri.

Bir aktüatörün boyutlandırılması
Bir uygulama örneği bir aktüatörün nasıl boyutlandırılacağını en iyi şekilde gösterir. Aşağıdaki parametreleri göz önünde bulundurun:

Yükü hareket ettirmek için gereken doğrusal kuvvet = 15 lb (67 N)
Doğrusal mesafe, m, taşınması gereken yük = 3 inç (0,0762 m)
Zaman,t, yükü saniyeler içinde taşımak için gereken süre = 6 sn
Hedef döngü sayısı = 1.000.000

Bir adım motorlu doğrusal aktüatörün boyutlandırılmasında dört adım vardır: 1) Gerekli ömrü karşılamak için gereken aktüatörün başlangıç ​​kuvvet derecesini belirleyin; 2) Milimetre/saniye cinsinden hızı belirleyin; 3) Uygun aktüatör çerçeve boyutunu seçin; ve 4) Kuvvet gereksinimlerine göre uygun vida çözünürlüğünü belirleyin.

Yaşamı tahmin etmenin en iyi yolu, şiddetle tavsiye edilen uygulama testidir.Yüzde Yük ve Döngü Sayısıeğrisi iyi bir ilk yaklaşım görevi görür. Adım motorlarının aşınacak fırçaları yoktur ve hassas, uzun ömürlü bilyalı rulmanlar kullanırlar, bu nedenle ana aşınma bileşeni güç somunudur. Bu nedenle, bir cihazın tasarım özelliklerini karşılarken dayandığı döngü sayısı yükün bir fonksiyonudur.

Şuna bakın:Yüzde Yük ve Döngü SayısıAktüatörün 1.000.000 çevrime dayanması için doğru boyutlandırma faktörünü belirlemek üzere çizelge. Bu, %50 — 0,5 faktörü olarak ortaya çıkıyor. Bu nedenle, 1.000.000 çevrimden sonra yükü karşılamak için gereken ilk nominal kuvvet, N, 15 lb/0,5 = 30 lb veya 133 N'dir.

Şimdi gerekli doğrusal mekanik gücü watt cinsinden belirleyelim:

P_doğrusal= (N × m)/t

Örneğimizde bu (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W olur

Bu verilerle şunu kullanın:Aktüatör çerçeve boyutuDoğru çerçeve boyutunu seçmek için tablo. Tüm adım motoru doğrusal aktüatörleri, motora darbeler göndermek için bir sürücü gerektirir. Tablonun hem bir L/R sürücüsü (sabit voltaj) hem de bir kıyıcı sürücüsü (sabit akım) için gücü listelediğine dikkat edin. Uygulama pille çalıştırılmadığı sürece (taşınabilir taşınabilir bir cihazda olduğu gibi), üreticiler maksimum performans için bir kıyıcı sürücüsünü şiddetle tavsiye eder. Bu örnekte, tabloda kıyıcı sürücüsünün güç özelliklerinin incelenmesi, Haydon 43000 Serisinin (Boyut 17 Hibrit) 1,7 W gereksinimini en yakından karşıladığını ortaya koymaktadır. Bu seçim, sistemi aşırı tasarlamadan yük gereksinimlerini karşılar.

Sonra, doğrusal hızı (ips) hesaplayın. Bu, şu şekilde verilir:erkek/tve 3 inç/6 sn = 0,5 ips'ye gelir. Optimize edilmiş çerçeve boyutu (Boyut 17 Hibrit) ve doğrusal hız (0,5 ips) elinizdeyken, uygun olanı kullanınKuvvet ve Doğrusal Hızaktüatör vidalı milinin uygun çözünürlüğünü belirlemek için eğri. Bu durumda, vidalı milin gereken çözünürlüğü 0,00048 inçtir.

Vidalı milin motora giriş adımlarının sayısına göre ilerlediğini hatırlayın. Performans eğrileri hem "ips" hem de "adım/sn" olarak ifade edilir. Seçiminizi doğrulamak için, gerekli adım oranındaki kuvveti şu şekilde kontrol edin:Kuvvet ve Nabız Oranıeğri, burada: Seçilen çözünürlük = 0,00048 inç/adım Gerekli doğrusal hız = 0,5 ips Gerekli adım oranı = (0,5 ips)/ (0,00048 inç/adım) = 1.041 adım.

X ekseni değeri (nabız hızı) olarak 1.041'i seçip bu noktadan eğriye dik bir çizgi çizdiğimizde Y ekseni değeri (kuvvet) 30 olarak görülmektedir. Dolayısıyla seçim doğrudur.