Hassas otomatik konumlandırma için adım motoru tabanlı doğrusal aktüatörleri düşünün.

Doğrusal aktüatörler esas olarak 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 bir döner motor kullanarak doğrusal hareket sağlar. Sorun şu ki, bu bileşenlerin birleştirilmesi ve hizalanması gerekiyor. Daha da kötüsü, sisteme sürtünme ve boşluk gibi aşınma unsurları eklerler. Daha hassas konumlandırma ihtiyaçları için, adım motoru tabanlı doğrusal aktüatörlerden daha etkili ve basit bir alternatif gelir.

Bu cihazlar, doğrudan motorun içinde dönerden doğrusala dönüşüm sağladıklarından, hassas doğrusal konumlandırma gerektiren bir makine veya mekanizmanın tasarımını basitleştirir. Aktüatörler, her elektrik girişi darbesi için belirli bir derecedeki dönme hareketini hareket ettirir. Bu "adım atma" özelliği ve hassas bir kılavuz vidanın kullanılması, hassas ve tekrarlanabilir konumlandırma sağlar.

Step motor temelleri
Aktüatörlerin nasıl çalıştığını görmek için adım motorlarının temellerini anlamak faydalı olacaktır. Farklı kademeli motor türleri arasında değişken relüktans (VR), kalıcı mıknatıs (PM) ve hibrit bulunur. Bu tartışma, yüksek tork ve hassas konumlandırma çözünürlüğü (1,8 veya 0,9° adım) sağlayan hibrit adımlayıcıya odaklanmaktadır. Lineer aktüatör sistemlerinde hibritler aşağıdaki gibi cihazlarda bulunur:XYmasalar, kan analiz cihazları, HVAC ekipmanı, küçük portal robotları, valf kontrol mekanizmaları ve otomatik sahne aydınlatma sistemleri.

Hibrit bir step 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 oluşturur. Stator manyetik alanı ileterek rotorun alanla aynı hizada olmasını sağlar. Bobin sargılarına sırayla enerji verilmesi ve enerjinin kesilmesi manyetik alanı değiştirdiğinden, her giriş darbesi veya adımı, hibrit modele bağlı olarak rotorun artımlı olarak 0,9 veya 1,8 dönme derecesi hareket etmesine neden olur. Kademeli motorlu doğrusal aktüatörde, rotora gömülü dişli hassas bir somun, (geleneksel bir şaftın yerine geçen) kılavuz vidayla birleşir.

Kılavuz vida, eğimli düzlemin basit mekanik prensibini kullanarak doğrusal bir kuvvet sağlar. Etrafına rampa veya eğik düzlem sarılı çelik bir şaft düşünün. Mekanik avantaj veya kuvvet artışı, vida çapının, ilerlemenin (bir vida dişinin tek bir devirde ilerlediği eksenel mesafe) ve hatvenin (bitişik diş formları arasında ölçülen eksenel mesafe) bir fonksiyonu olan rampanın açısı ile belirlenir.

Kılavuz vida dişleri, rampanın dikliğine (diş ucu) bağlı olarak küçük bir dönme kuvvetini büyük bir yük kapasitesine dönüştürür. Küçük bir kurşun daha yüksek bir kuvvet sağlar ancak daha düşük doğrusal hızlar sağlar. Büyük bir uç, aynı dönme gücü kaynağından daha düşük bir kuvvet ancak daha yüksek bir doğrusal hız sağlar. Bazı tasarımlarda, rotora gömülü güç somunu, iç dişlerin işlenmesine uygun, yatak kalitesinde bronzdan yapılmıştır. Ancak bronz, kayganlık ve fiziksel stabilite arasında bir mühendislik uzlaşmasıdır. Daha iyi bir malzeme, somun-vida dişi arayüzünde çok daha düşük bir sürtünme katsayısına sahip, yağlanmış bir termoplastiktir.

Adım dizileri
Bir step motoru sürmeye yönelik şemalar, "tek fazlı" adımlamayı ve "iki fazlı" adımlamayı içerir.

Basitleştirilmiş iki fazlı bir motor için "tek faz açık" dizisinde Adım 1, enerji verilen statorun A Fazını gösterir. Bu, farklı kutupların birbirini çekmesi nedeniyle rotoru manyetik olarak kilitler. Faz A o ve B'nin açılması rotorun saat yönünde 90° hareket etmesini sağlar (adım 2). Adım 3'te, Faz B kapalı ve Faz A açıktır, ancak polarite Adım 1'e göre terstir. Bu, rotorun 90° daha dönmesine neden olur. Adım 4'te, Faz A kapatılır ve Faz B açılır, polarite Adım 2'ye göre tersine çevrilir. Bu dizinin tekrarlanması, rotorun 90°'lik adımlarla saat yönünde hareket etmesine neden olur.

"İki faz açık" dizisinde, her iki motor fazına da her zaman enerji verilir ve yalnızca bir fazın polaritesi anahtarlanır. 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" adımlamaya göre %41,4 daha fazla tork sağlar.

Ne yazık ki, plastik dişler için iyi çalışsa da hibrit step tasarımında yatak muyluları için yeterince stabil değildir. Bunun nedeni, sürekli tam yük koşullarında plastik muyluların pirinç muylulardan dört kat daha fazla genişleyebilmesidir. Bu miktar kabul edilemez çünkü motor tasarımı, stator-rotor hava boşluğunun bir inçin yalnızca birkaç binde biri kadar olmasını gerektiriyor. Bu sorunu çözmenin bir yolu, kalıcı mıknatıslı rotorun içine yerleştirilecek olan pirinç bir manşonun içindeki plastik iplikleri enjeksiyonla kalıplamaktır. Bu yaklaşım motor ömrünü uzatır ve yatak yatağı stabilitesini korurken düşük sürtünme sağlar.

Haydon aktüatörlerinin farklı türlerinden "sabit" cihazlarda yerleşik bir dönme önleyici mekanizma bulunur. Bu konfigürasyon 2,5 inçe kadar maksimum strok sağlar ve hassas sıvı dağıtımı, gaz kelebeği kontrolü ve valf hareketi gibi uygulamalara uygundur. Diğer türlerHaydonLineer aktüatörler, kan tüplerinin küçük portal robotlarla aktarılması gibi daha uzun strok gerektiren uygulamalara uygun "sabit olmayan" ve "harici lineer"dir.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, yükün taşınması gerekiyor = 3 inç (0,0762 m)
Zaman,t, yükü saniyeler içinde taşımak için gereken = 6 saniye
Hedef döngü sayısı = 1.000.000

Bir kademeli motor doğrusal aktüatörünü boyutlandırmanın dört adımı vardır: 1) Aktüatörün gereken ömrü karşılamak için gereken başlangıç ​​kuvvet değerini belirleyin; 2) Hızı milimetre/saniye cinsinden 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. kullanan bir teknikDöngü Sayısına Karşı Yük Yüzdesieğrisi iyi bir ilk yaklaşım görevi görür. Kademeli motorların aşınacak fırçaları yoktur ve hassas, uzun ömürlü bilyalı rulmanlar kullanırlar, dolayısıyla ana aşınma bileşeni güç somunudur. Bu nedenle, bir cihazın tasarım özelliklerini karşılarken sürdürdüğü döngü sayısı yükün bir fonksiyonudur.

Şuraya bakın:Döngü Sayısına Karşı Yük YüzdesiAktüatörün 1.000.000 döngüye dayanabilmesi için doğru boyutlandırma faktörünü belirleyen tablo. Bunun %50 olduğu ortaya çıkıyor - 0,5 faktörü. Bu nedenle, 1.000.000 döngüden sonra yükü karşılamak için gereken başlangıç ​​nominal kuvveti N, 15 lb/0,5 = 30 lb veya 133 N'dir.

Şimdi gerekli doğrusal mekanik gücü watt cinsinden belirleyin:

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 tabloya bakın. Tüm adım motorlu doğrusal aktüatörler, motora darbe göndermek için bir sürücüye ihtiyaç duyar. Tablonun hem Sol/Sağ sürücü (sabit voltaj) hem de kıyıcı sürücü (sabit akım) için gücü listelediğini unutmayın. Uygulama pille çalıştırılmadığı sürece (elde taşınan taşınabilir bir cihazda olduğu gibi), üreticiler maksimum performans için bir kıyıcı sürücüyü şiddetle tavsiye eder. Bu örnekte, tablodaki kıyıcı tahrik güç özelliklerinin incelenmesi, Haydon 43000 Serisinin (Boyut 17 Hibrit) 1,7 W gereksinimini en iyi şekilde karşıladığını ortaya koymaktadır. Bu seçim, sistemi aşırı tasarlamadan yük gereksinimlerini karşılar.

Daha sonra doğrusal hızı (ips) hesaplayın. Bu tarafından verilmiştirm/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 kullanın.Kuvvet ve Doğrusal HızAktüatör kılavuz vidasının uygun çözünürlüğünü belirlemek için eğri. Bu durumda ihtiyaç duyulan vida dişi çözünürlüğü 0,00048 inçtir.

Kılavuz vidanın motora giden giriş adımlarının sayısına göre ilerlediğini hatırlayın. Performans eğrileri hem "ips" hem de "adım/sn" cinsinden ifade edilir. Seçiminizi doğrulamak için gerekli adım oranındaki kuvveti kontrol edin.Kuvvet ve Nabız Hızıeğri, burada: Seçilen çözünürlük = 0,00048 inç/adım Gerekli doğrusal hız = 0,5 ips Gerekli adım hızı = (0,5 ips)/ (0,00048 inç/adım) = 1.041 adım.

X ekseni değeri (nabız hızı) olarak 1.041 çizilir ve bu noktadan eğriye dik bir çizgi çizilirse Y ekseni değeri (kuvvet) 30 olur. Dolayısıyla seçim doğrudur.