Doğrusal hareket sistemleri, hassas lazer kesme sistemleri, laboratuvar otomasyon ekipmanları, yarı iletken üretim makineleri, CNC makineleri, fabrika otomasyonu ve listelenemeyecek kadar çok sayıda makine dahil olmak üzere sayısız makinede bulunur. Bunlar, bir binek araçtaki ucuz bir koltuk aktüatörü gibi nispeten basit bir sistemden, kapalı döngü konumlandırma için kontrol ve tahrik elektroniği ile tamamlanan karmaşık, çok eksenli bir koordinat sistemine kadar uzanır. Doğrusal hareket sistemi ne kadar basit veya karmaşık olursa olsun, en temel düzeyde hepsinin ortak bir yanı vardır: bir yükü belirli bir sürede doğrusal bir mesafe boyunca hareket ettirmek.

Doğrusal bir hareket sistemi tasarlarken en sık sorulan sorulardan biri motor teknolojisine odaklanır. Teknoloji seçildikten sonra motorun, güvenli maksimum çalışma sıcaklığını korurken, yük ivmesi, sistemdeki sürtünmenin üstesinden gelme ve yer çekimi etkisinin üstesinden gelme taleplerini karşılayacak şekilde boyutlandırılması gerekir. Motorun torku, hızı, gücü ve konumlandırma kapasitesi, sürücü ve kontrol ile birlikte motor tasarımının bir fonksiyonudur.

HANGİ MOTORLA BAŞLAMALIYIM?

Belirli bir motor teknolojisini kullanarak doğrusal hareket sistemi tasarlarken dikkate alınması gereken birçok uygulama sorusu vardır. Tüm sürecin kapsamlı bir açıklaması bu makalenin kapsamı dışındadır. Amaç, bir motor tedarikçisiyle konuşurken doğru soruları sormayı düşünmenizi sağlamaktır.

Her uygulama için en iyi motor diye bir şey yoktur; belirli bir uygulama için en iyi motor vardır. Artımlı hareket uygulamalarının büyük çoğunluğunda tercih, kademeli motor, fırçalı DC motor veya fırçasız DC motor olacaktır. En karmaşık hareket sistemlerinde, mekanik güç dönüşümü ihtiyacını ortadan kaldırarak doğrudan yüke bağlı doğrusal motorlar kullanılabilir; kurşun vida/bilyalı vida, dişli kutusu veya kasnak sistemi aracılığıyla çeviriye gerek yoktur. Maksimum doğruluk, tekrarlanabilirlik ve konumlandırma çözünürlüğü çekirdeksiz doğrudan tahrikli lineer servo sistemlerle elde edilebilmesine rağmen, bunlar döner motorlarla karşılaştırıldığında en yüksek maliyet ve karmaşıklığa sahiptir. Döner motorların kullanıldığı bir mimari çok daha ucuzdur ve doğrusal hareket uygulamalarının çoğunu karşılayacaktır; ancak yükü yönlendirmek için bazı "dönerden doğrusala" dönüşüm araçlarına (ve bunun sonucunda güç dönüşümüne) ihtiyaç vardır.

Kademeli, fırçalı ve fırçasız motorların tümü DC motorlar olarak kabul edilir; ancak, belirli bir uygulamada bir mühendisin bir türü diğer ikisine tercih etmesine neden olacak incelikler mevcuttur. Bu seçimin sadece hız ve tork açısından değil, aynı zamanda konumlandırma doğruluğu, tekrarlanabilirlik ve çözünürlük gereksinimleri açısından da sistemin tasarım gereksinimlerine büyük ölçüde bağlı olduğu vurgulanmalıdır. Her uygulama için mükemmel bir motor yoktur ve tüm kararlar tasarımda ödün verilmesini gerektirir. En temel düzeyde, ister AC, ister DC, fırçalı, fırçasız veya başka bir elektrik motoru olarak adlandırılsın tüm motorlar, tork üretmek için aynı fizik prensibine göre çalışır: manyetik alanların etkileşimi. Bununla birlikte, bu çeşitli motor teknolojilerinin belirli uygulamalara yanıt verme biçiminde dramatik farklılıklar vardır. Genel motor performansı, yanıtı ve tork üretimi, fiziksel motor tasarımında bulunan alan uyarma yöntemine ve manyetik devre geometrisine, giriş voltajı ve akımının kontrolör/sürücü tarafından kontrolüne ve hız veya konum geri besleme yöntemine bağlıdır. uygulama gerektirir.

DC step, fırçalı servo ve fırçasız servo motor teknolojilerinin tümü, onlara güç sağlamak için bir DC kaynağı kullanır. Doğrusal hareket uygulamaları için bu, sabit bir DC kaynağının doğrudan motor sargılarına uygulanabileceği anlamına gelmez; Sargı akımını (çıkış torkuyla ilgili olarak) ve sarma voltajını (çıkış hızıyla ilişkili olarak) kontrol etmek için elektroniklere ihtiyaç vardır. Aşağıda listelenen 3 teknolojinin güçlü ve zayıf yönlerinin bir özetidir.

Doğrusal sistemin tasarımı yük kütlesiyle ve kütlenin A noktasından B noktasına ne kadar hızlı geçmesi gerektiğiyle başlar. Motor tipi, boyutu ve mekanik tasarımı, yükü hareket ettirmek için gereken güçle (watt) başlar. Yükle başlayan ve sonuçta tüm bileşenler üzerinden sürücü güç kaynağına kadar uzanan analiz, sistemin bir kısmından diğerine güç dönüşümünü anlamak ve aradaki bileşenlerin çeşitli verimliliklerini göz önünde bulundurmak için bir dizi adımdan oluşur. Sürücüye voltaj ve akım biçimindeki watt, sonuçta belirli bir süre içinde belirli bir yükü hareket ettiren mekanik çıkış wattına dönüşecektir.

Yükte ihtiyaç duyulan çıkış gücünün bir göstergesini elde etmek için basit bir güç hesaplaması, motorun top parkına yardımcı olacaktır. İhtiyaç duyulan ortalama çıkış gücünü anladıktan sonra, motor üzerinde çalışarak güç gereksinimlerini analiz etmeyi bitirin ve çeşitli güç dönüştürme elemanlarını kullanın. Üreticilerin verilerine, çeşitli bileşenlerin verimliliği dikkate alınarak başvurulmalıdır; çünkü bu, sonuçta motorun ve güç kaynağının boyutunu belirleyecektir. Hangi birimlerle çalışılacağı kişisel tercihtir ancak SI birimleri şiddetle tavsiye edilir. SI birimlerinde çalışmak, birden fazla dönüştürme sabitini hatırlama ihtiyacını ortadan kaldırır ve nihai sonuç her zaman tekrar İngiliz birimlerine dönüştürülebilir.

YÜKÜ GEREKLİ SÜRE İÇİNDE TAŞIMAK İÇİN NE KADAR GÜÇ GEREKLİDİR?

Yer çekimine karşı kaldırılan 9 kg'lık bir kütle, yaklaşık 88 N'luk bir kuvvet gerektirecektir. Yükü hareket ettirmek için gereken watt miktarının hesaplanması, sistemin geri kalanındaki bileşenlerin belirlenmesi için bir başlangıç ​​noktası sağlayacaktır. Bu, 9 kg'lık bir kütleyi 1 saniyede A noktasından B noktasına dikey olarak hareket ettirmek için gereken ortalama güçtür. Sürtünme gibi sistem kayıpları dahil değildir. Gereken motor şaftı gücü biraz daha yüksek olacaktır ve dişli kutusu ve kılavuz vida gibi sistemde kullanılan diğer bileşenlere bağlıdır.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Bu, sistemden ihtiyaç duyulacak tepe gücünden farklıdır. Hızlanma ve yavaşlama hesaba katıldığında hareket profili sırasındaki anlık güç biraz daha yüksek olacaktır; ancak yükte ihtiyaç duyulan ortalama çıkış gücü yaklaşık 18 watt'tır. Tüm bileşenlerin kapsamlı bir analizinden sonra, bunun gibi bir sistemin işi başarmak için yaklaşık 37w tepe güce ihtiyacı olacaktır. Bu bilgi, diğer çeşitli uygulama özellikleriyle birlikte artık en uygun motor teknolojisinin seçilmesine yardımcı olacaktır.

HANGİ MOTOR TEKNOLOJİSİNİ DİKKATE ALMALIYIM?

Mükemmel konumlandırma yeteneği ve nispeten basit kontroller, bir tasarımcının öncelikle bir step motor kullanma olasılığına bakmasına yol açacaktır. Ancak bir step motor, yük taleplerini karşılarken küçük bir mekanik ayak izi gereksinimini de karşılayamaz. 37 watt'lık bir tepe güç gereksinimi, çok büyük bir step motor gerektirir. Adım motorları düşük hızlarda çok yüksek torka sahip olmasına rağmen, hareket profilinin en yüksek hızı ve dolayısıyla güç gereksinimi, en büyük adım motorları hariç tümünün kapasitesini aşmaktadır.

Fırçalı bir DC servo motor, yük gereksinimlerini karşılar, küçük bir mekanik ayak izi sağlar ve düşük hızlarda çok düzgün bir dönüşe sahip olur; ancak katı EMC gereklilikleri nedeniyle, bu özel uygulama için fırça motorundan kaçınmak muhtemelen en iyisidir. Bu, fırçasız bir sistemle karşılaştırıldığında daha ucuz bir alternatif olabilir ancak sıkı EMC gerekliliklerini yerine getirmede zorluk yaratabilir.

Sinüzoidal tahrik sistemi kullanan fırçasız DC motor, yük ve hareket profili (yüksek güç yoğunluğu); düşük hızlarda düzgün, dişlisiz hareket; ve küçük bir mekanik ayak izi. Bu durumda, sürücü elektroniğinin yüksek frekanslı anahtarlaması nedeniyle hala bir EMI imzası potansiyeli mevcut olacaktır; ancak bu durum, daha dar bir frekans bandı nedeniyle hat içi filtreleme kullanılarak azaltılabilir. Fırçalı DC motor, daha geniş bantlı bir EMI imzası sergiler ve bu da filtrelemeyi daha zor hale getirir.

MOTOR BOYUTLANDIRMA SADECE BAŞLANGIÇ

Bu makale, nispeten basit bir doğrusal hareket uygulaması için bir motor teknolojisi seçerken bir tasarımcıya çeşitli hususları tanıtmayı amaçlayan kısa bir tartışmaydı. Her ne kadar XY tablası veya çok eksenli hassas alma ve yerleştirme mekanizması gibi daha karmaşık bir sistem için prensipler aynı olsa da, her eksenin yük açısından bağımsız olarak analiz edilmesi gerekecektir. Bu makalenin kapsamı dışındaki bir diğer husus, sistemin istenen ömrünü (döngü sayısı) karşılamak için uygun bir güvenlik faktörünün nasıl seçileceğidir. Sistem ömrü yalnızca motor boyutunun bir fonksiyonu değildir, aynı zamanda dişli kutusu ve kılavuz vida tertibatı gibi sistemdeki diğer mekanik elemanların da bir fonksiyonudur. Konumlandırma doğruluğu, çözünürlük, tekrarlanabilirlik, maksimum dönüş, eğim ve sapma gibi diğer faktörler, doğrusal hareket sisteminin uygulama hedeflerini karşılamasını veya aşmasını sağlamak için dikkate alınması gereken önemli hususlardır.