Для точного автоматизованого позиціонування подумайте про лінійні приводи на основі крокового двигуна.

Лінійні приводи по суті генерують силу та рух по прямій лінії. У типовій механічній системі вихідний вал пристрою забезпечував би лінійний рух за допомогою роторного двигуна через шестерні, ремінь і шків або інші механічні компоненти. Проблема в тому, що ці компоненти повинні бути з’єднані та вирівняні. Що ще гірше, вони додають до системи елементи зносу, такі як тертя та люфт. Лінійні приводи на основі крокового двигуна пропонують більш ефективну та просту альтернативу для більш точного позиціонування.

Ці пристрої спрощують конструкцію машини чи механізму, які потребують точного лінійного позиціонування, оскільки забезпечують перетворення повороту в лінійне безпосередньо всередині двигуна. Приводи переміщують заданий ступінь обертального руху для кожного вхідного електричного імпульсу. Ця так звана «крокова» функція та використання точного ходового гвинта забезпечують точне та повторюване позиціонування.

Основи крокового двигуна
Щоб побачити, як працюють приводи, корисно зрозуміти основи крокових двигунів. Різні типи крокових двигунів включають змінну реактивність (VR), постійні магніти (PM) і гібридні. Це обговорення зосереджено на гібридному кроковому двигуні, який забезпечує високий крутний момент і точну роздільну здатність позиціонування (крок 1,8 або 0,9°). У системах лінійних приводів гібриди зустрічаються в таких пристроях, якXYстоли, аналізатори крові, обладнання HVAC, малі портальні роботи, механізми керування клапанами та автоматизовані системи сценічного освітлення.

Під кришкою гібридного крокового кроку сидить ротор з постійним магнітом і сталевий статор, обмотаний обмоткою котушки. Подача напруги на котушку створює електромагнітне поле з північним і південним полюсами. Статор проводить магнітне поле, змушуючи ротор вирівнюватися з полем. Оскільки послідовне ввімкнення та вимикання обмоток котушки змінює магнітне поле, кожен вхідний імпульс або крок змушує ротор поступово рухатися на 0,9 або 1,8 градуса обертання, залежно від гібридної моделі. У лінійному приводі з кроковим двигуном прецизійна гайка з різьбленням, вбудована в ротор, з’єднується з ходовим гвинтом (який замінює звичайний вал).

Ходовий гвинт створює лінійну силу, використовуючи простий механічний принцип похилої площини. Уявіть собі сталеву шахту з рампою або похилою площиною, обгорнутою навколо неї. Механічна перевага або посилення сили визначається кутом нахилу, який є функцією діаметра гвинта, випередження (осьова відстань, на яку різьба просувається за один оберт) і крок (осьова відстань, виміряна між сусідніми формами різьби).

Різьба ходового гвинта перетворює невелику обертальну силу на велику здатність навантаження, залежно від крутизни рампи (виступ різьби). Невелике випередження забезпечує вищу силу, але меншу лінійну швидкість. Велике випередження дає меншу силу, але вищу лінійну швидкість від того самого джерела обертової потужності. У деяких конструкціях силова гайка, вбудована в ротор, виготовлена ​​з бронзи підшипника, яка піддається механічній обробці внутрішньої різьби. Але бронза — це інженерний компроміс між змащуючою здатністю та фізичною стабільністю. Кращим матеріалом є змащений термопласт із значно нижчим коефіцієнтом тертя на межі різьблення гайки та гвинта.

Покрокова послідовність
Схеми для приводу крокового двигуна включають кроковий крок «одна фаза» та «двофазний».

У послідовності «ввімкнення однієї фази» для спрощеного двофазного двигуна крок 1 показує фазу А статора під напругою. Це магнітно блокує ротор, оскільки на відміну від полюсів притягується. Увімкнення фаз A o та B змушує ротор рухатися на 90° за годинниковою стрілкою (крок 2). На кроці 3 фаза B вимкнена, а фаза A увімкнена, але полярність змінена порівняно з кроком 1. Це призводить до того, що ротор обертається ще на 90°. На кроці 4 фаза A вимикається, а фаза B вмикається, причому полярність змінюється порівняно з кроком 2. Повторення цієї послідовності змушує ротор рухатися за годинниковою стрілкою з кроком 90°.

У послідовності «ввімкнення двох фаз» обидві фази двигуна завжди під напругою, і перемикається лише полярність однієї фази. Це змушує ротор вирівнюватись між «середнім» північним і «середнім» південним магнітними полюсами. Оскільки обидві фази завжди ввімкнені, цей метод забезпечує на 41,4% більше крутного моменту, ніж «одна фаза ввімкнена».

На жаль, хоча пластик добре підходить для різьби, він недостатньо стабільний для опорних цапф у гібридній кроковій конструкції. Це тому, що за умов безперервного повного навантаження пластикові цапфи можуть розширюватися в чотири рази більше, ніж латунні. Ця величина є неприйнятною, оскільки конструкція двигуна вимагає, щоб повітряний зазор між статором і ротором становив лише кілька тисячних дюйма. Спосіб вирішення цієї проблеми полягає в тому, щоб залити пластикові нитки всередину латунної гільзи, яка буде вставлена ​​в ротор із постійним магнітом. Такий підхід збільшує термін служби двигуна та забезпечує низьке тертя, зберігаючи стабільність підшипника та цапфи.

З різних типів актуаторів Haydon «захоплені» пристрої мають вбудований механізм запобігання повороту. Ця конфігурація забезпечує максимальний хід до 2,5 дюймів і підходить для таких застосувань, як точне дозування рідини, керування дросельною заслінкою та рух клапана. Інші видиХейдонлінійні приводи є «незахоплюючими» та «зовнішніми лінійними», які підходять для застосувань, що потребують більш тривалого ходу, наприклад, перенесення трубок з кров’ю невеликими портальними роботами,XYсистеми руху та системи зображення.

Розмір приводу
Приклад застосування найкраще показує, як визначити розмір приводу. Враховуйте такі параметри:

Лінійна сила, необхідна для переміщення вантажу = 15 фунтів (67 Н)
Лінійна відстань, м, вантаж потрібно перемістити = 3 дюйми (0,0762 м)
час,t, необхідний для переміщення вантажу в секундах = 6 сек
Цільова кількість циклів = 1 000 000

Існує чотири етапи визначення розміру лінійного приводу з кроковим двигуном: 1) Визначення початкового значення сили приводу, необхідного для забезпечення необхідного терміну служби; 2) Визначити швидкість у міліметрах/секунду; 3) Виберіть правильний розмір рами приводу; 4) Визначте правильну роздільну здатність гвинта на основі вимог до сили.

Найкращий спосіб передбачити життя — тестування додатків, яке настійно рекомендується. Техніка з використаннямВідсоток навантаження проти кількості циклівкрива служить хорошим першим наближенням. У крокових двигунах немає щіток, які зношуються, і вони використовують точні шарикопідшипники з тривалим терміном служби, тому основним компонентом, що зношується, є силова гайка. Таким чином, кількість циклів, протягом яких пристрій продовжує відповідати специфікаціям конструкції, є функцією навантаження.

Зверніться доВідсоток навантаження проти кількості циклівдіаграму, щоб визначити правильний коефіцієнт розміру для приводу, який витримує 1 000 000 циклів. Це виходить 50% — коефіцієнт 0,5. Таким чином, початкова номінальна сила, Н, необхідна, щоб витримати навантаження після 1 000 000 циклів, становить 15 фунтів/0,5 = 30 фунтів або 133 Н.

Тепер визначимо необхідну лінійну механічну потужність у ватах:

P_{лінійний}= (Н × м)/т

У нашому прикладі це стає (133 × 0,0762)/6 = 1,7 Вт

З цими даними використовуйтеРозмір рами приводутаблицю, щоб вибрати правильний розмір рами. Усі лінійні приводи з кроковим двигуном потребують приводу для надсилання імпульсів до двигуна. Зауважте, що в таблиці вказано потужність як для приводу L/R (постійна напруга), так і для приводу чоппера (постійний струм). Якщо додаток не живиться від батареї (як у портативному портативному пристрої), виробники настійно рекомендують привід подрібнювача для досягнення максимальної продуктивності. У цьому прикладі огляд специфікацій потужності приводу подрібнювача в таблиці показує, що серія Haydon 43000 (розмір 17 Hybrid) найбільше відповідає вимогам 1,7 Вт. Цей вибір відповідає вимогам до навантаження без надмірного проектування системи.

Далі обчисліть лінійну швидкість (ips). Це даєтьсям/ті досягає 3 дюймів/6 с = 0,5 дюймів на дюйм. Маючи під рукою оптимізований розмір кадру (розмір 17 Hybrid) і лінійну швидкість (0,5 ips), використовуйте відповіднийСила проти лінійної швидкостікривої для визначення належної роздільної здатності ходового гвинта приводу. У цьому випадку необхідна роздільна здатність ходового гвинта становить 0,00048 дюйма.

Згадайте, що ходовий гвинт просувається залежно від кількості вхідних кроків до двигуна. Криві продуктивності виражаються в «іпс» і «кроках/сек». Щоб перевірити свій вибір, перевірте силу на необхідній частоті кроків, звернувшись доСила проти частоти пульсукрива, де: Вибрана роздільна здатність = 0,00048 дюйма/крок. Необхідна лінійна швидкість = 0,5 дюймів на секунду. Необхідна швидкість кроку = (0.5 дюймів на секунду)/(0,00048 дюймів/крок) = 1041 крок.

Нанесення 1041 як значення осі Х (частота пульсу) і проведення перпендикулярної лінії від цієї точки до кривої показує, що значення осі Y (сила) дорівнює 30. Отже, вибір правильний.