Лінійні двигуни поширюються. Вони надають машинам найвищу точність і динамічні характеристики.

Лінійні двигуни дуже швидкі й точні для позиціонування, але також здатні розвивати повільну постійну швидкість переміщення головок машин і салазок, а також систем транспортування інструментів і деталей. У різноманітних сферах застосування — лазерна хірургія, візуальний огляд, обробка пляшок і багажу — використовуються лінійні двигуни, оскільки вони надзвичайно надійні, не потребують технічного обслуговування та покращують виробничі цикли.

Вища швидкість і сила

Лінійні двигуни безпосередньо з’єднані зі своїм навантаженням, що усуває безліч з’єднувальних компонентів — механічні муфти, шківи, ​​зубчасті паси, кулькові гвинти, ланцюгові передачі, зубчасті рейки та шестерні тощо. Це в свою чергу зменшує витрати і навіть люфт. Лінійні двигуни також забезпечують постійний рух, точне позиціонування протягом сотень мільйонів циклів і вищі швидкості.

Типові швидкості, яких можна досягти за допомогою лінійних двигунів, відрізняються: машини для підбирання та розміщення (які роблять багато коротких ходів) і використання обладнання для перевіркилінійні степперизі швидкостями до 60 дюймів/сек; використання літаючих ножиць і машин для підбирання та розміщення, які роблять довші ходибез зубців без щітоклінійні двигуни для швидкостей до 200 дюймів/сек; американські гірки, пускові установки транспортних засобів і транспортні засоби використовують лінійнііндукція змінного струмудвигуни для досягнення швидкості до 2000 дюймів/сек.

Ще один фактор, який визначає найкращу технологію лінійного двигуна: сила, необхідна для переміщення прикладеного вантажу. Навантаження або маса разом із профілем прискорення програми остаточно визначають цю силу.

Кожна програма представляє різні виклики; однак, як правило, у системах часткової передачі використовуються лінійні крокові кроки з силою до 220 Н або 50 фунтів; напівпровідник, лазерне різання, водоструминне різання та робототехніка використовують безщіточні беззубчасті двигуни до 2500 Н; конвеєрні системи використовують лінійні асинхронні двигуни змінного струму до 2200 Н; а в транспортних лініях і верстатах використовуються безщіточні двигуни із залізним сердечником до 14 000 Н. Майте на увазі, що кожне застосування відрізняється, і інженери виробника зазвичай надають допомогу на цьому етапі специфікації.

Крім швидкості та сили існують інші фактори. Наприклад, у конвеєрних системах використовуються лінійні асинхронні двигуни змінного струму через їх велику довжину ходу та переваги наявності пасивної вторинної обмотки без постійних магнітів. У таких сферах застосування, як лазерна хірургія очей і виробництво напівпровідників, використовуються безщіточні беззубчасті пристрої для точності та плавності ходу.

Основна операція

Лінійні двигуни працюють через взаємодію двох електромагнітних сил — ту саму основну взаємодію, яка створює крутний момент у роторному двигуні.

Уявіть, що ви розрізаєте роторний двигун, а потім розплющуєте його: це дає приблизне уявлення про геометрію лінійного двигуна. Замість того, щоб з’єднувати навантаження з обертовим валом для крутного моменту, навантаження з’єднується з плоскою рухомою машиною для лінійного руху та сили. Коротше кажучи, крутний момент є вираженням роботи, яку забезпечує обертовий двигун, тоді як сила є вираженням лінійної роботи двигуна.

Точність

Давайте спершу розглянемо традиційну ротаційну крокову систему: з’єднана з гвинтом із кроком 5 обертів на дюйм, точність становить приблизно 0,004–0,008 дюйма, або 0,1–0,2 мм. Ротаційна система, що працює від сервомотора, має точність від 0,001 до 0,0001 дюйма.

Навпаки, лінійний двигун, з’єднаний безпосередньо з його навантаженням, дає точність у діапазоні від 0,0007 до 0,000008 дюйма. Зауважте, що муфта та люфт кулькового гвинта не включені в ці цифри, і вони ще більше погіршують точність поворотних систем.

Відносна точність різна: типовий поворотний степпер, який ми тут детально описуємо, все ще може точно позиціонуватись із точністю до діаметра людської волосини. Тим не менш, сервоприводи покращують це у 80 разів, тоді як лінійний двигун може покращити це ще більше — до 500 разів менше, ніж діаметр людського волосся.

Іноді технічне обслуговування та вартість (протягом терміну служби обладнання) важливіші міркування, ніж точність. Лінійні двигуни також перевершують тут: витрати на технічне обслуговування зазвичай зменшуються з використанням лінійних двигунів, оскільки безконтактні частини покращують роботу машини та збільшують середній час між відмовами. Крім того, нульовий люфт лінійних двигунів усуває удари, що ще більше продовжує термін служби машини. Інші переваги: ​​час між циклами технічного обслуговування можна збільшити, що забезпечує більший робочий процес. Менше технічне обслуговування та залучення персоналу покращують кінцевий результат — прибуток — і знижують вартість володіння протягом усього терміну служби обладнання.

Порівняння переваг

Додатки вимагають лінійного руху. Якщо використовується роторний двигун, то для перетворення обертального руху в лінійний необхідний механізм механічного перетворення. Тут розробники вибирають механізм перетворення, який найбільше підходить для програми, зводячи до мінімуму обмеження.

• Лінійний двигун проти ременя та шківа:Щоб отримати лінійний рух від роторного двигуна, загальним підходом є використання ременя та шківа. Як правило, сила тяги обмежується міцністю на розтяг ременя; швидкі запуски та зупинки можуть спричинити розтягнення ременя та, отже, резонанс, що призведе до збільшення часу встановлення. Механічне намотування, люфт і розтягнення стрічки також знижують повторюваність, точність і пропускну здатність машини. Оскільки швидкість і повторюваність — це назва гри в серворуху, це не найкращий вибір. Там, де конструкція зі шківом може досягати 3 м/с, лінійна може досягати 10 м/с. Лінійні двигуни з прямим приводом без будь-якого люфту чи намотування ще більше підвищують повторюваність і точність.
• Лінійний двигун проти зубчатої рейки:Рейка та шестерні забезпечують більшу тягу та механічну жорсткість, ніж конструкції з ременем та шківом. Однак двонаправлене зношування з часом призводить до сумнівної повторюваності та неточностей — основних недоліків цього механізму. Люфт перешкоджає зворотному зв’язку двигуна від виявлення фактичного положення навантаження, що призводить до нестабільності — і призводить до нижчого підсилення та сповільнення загальної продуктивності. Навпаки, машини, що працюють від лінійних двигунів, працюють швидше та точніше позиціонуються.
• Лінійний двигун проти кулькового гвинта:Найпоширенішим підходом для перетворення обертального руху в лінійний є використання ходового або кулькового гвинта. Вони недорогі, але менш ефективні: ходові гвинти зазвичай становлять 50% або менше, а кулькові гвинти – близько 90%. Високе тертя виділяє тепло, а тривале зношування знижує точність. Відстань руху обмежена механічно. Крім того, лінійні обмеження швидкості можна розширити лише шляхом збільшення кроку, але це погіршує позиційну роздільну здатність; надмірно висока швидкість обертання також може призвести до хистування гвинтів, що призводить до вібрації. Лінійні двигуни забезпечують довгий необмежений хід. З кодувальником під навантаженням довготривала точність зазвичай становить ±5 мкм/300 мм.

Основні типи лінійних двигунів

Оскільки існують різні технології обертових двигунів, існує також кілька типів лінійних двигунів: кроковий, безщітковий та лінійний індукційний змінного струму, серед інших. Зауважте, що лінійна технологія використовує приводи (підсилювачі), а також позиціонери (контролери руху) і пристрої зворотного зв’язку (такі як датчики Холла та кодери), які зазвичай доступні в промисловості.

Багато конструкцій мають переваги від нестандартних лінійних двигунів, але стандартні конструкції зазвичай підходять.

Безщіточні лінійні двигуни із залізним сердечникомхарактеризуються розшаруванням сталі в рухомому силовому елементі, щоб направляти магнітний потік. Цей тип двигуна має вищу потужність і ефективніший, але важить у три-п’ять разів більше, ніж беззубові двигуни порівнянного розміру. Стаціонарний валик складається з багатополюсних постійних магнітів змінної полярності, з’єднаних з нікелевою холоднокатаною сталевою пластиною. Однак сталеві пластини на рухомому силовому елементі реагують з магнітами на нерухомій плиті, які розвивають силу «тяжіння» та виявляють невелику кількість зубців або пульсацій, коли двигун рухається від одного магнітного поля до іншого, що призводить до зміни швидкості.

Ці двигуни розвивають значну пікову силу, мають більшу термічну масу та тривалу термічну постійну часу, тому вони підходять для додатків із високим зусиллям, переривчастих робочих циклів, які переміщують дуже важкі вантажі, як-от у транспортних лініях та верстатах; вони розроблені для необмеженого пересування і можуть включати кілька рухомих плит із траєкторіями, що перекриваються.

Безщіточні беззубчасті двигунимають котушку в рухомому силовому елементі без сталевих пластин. Котушка складається з дроту, епоксидної смоли та немагнітної опорної структури. Цей агрегат значно легший за вагою. Основна конструкція створює меншу кількість сили, тому додаткові магніти вставляються на нерухому доріжку (щоб збільшити силу), і доріжка має U-подібну форму з магнітами з кожного боку від цієї U. Форсер вставляється в середину U-подібної доріжки. .

Ці двигуни підходять для застосувань, які вимагають безперебійної роботи без магнітних зубців, таких як обладнання для сканування або перевірки. Їхні вищі прискорення корисні для вибору та розміщення напівпровідників, сортування чіпів і дозування припою та клею. Ці двигуни розраховані на необмежену кількість подорожей.

Лінійні степперидоступні протягом тривалого часу; рухомий силовий елемент складається з ламінованих сталевих сердечників із точними пазами із зубцями, одного постійного магніту та котушок, вставлених у ламіноване осердя. (Зауважте, що дві котушки створюють двофазний кроковий крок.) Цей вузол укладено в алюмінієвий корпус.

Стаціонарний валик складається з фотохімічно витравлених зубців на сталевому бруску, відшліфованих і нікельованих. Його можна складати один до одного на необмежену довжину. Мотор поставляється в комплекті з форсатором, підшипниками і валиком. Сила притягання від магніту використовується як попередній натяг для підшипників; це також дозволяє використовувати пристрій у перевернутому положенні для різноманітних застосувань.

Асинхронні двигуни змінного струмускладаються з форсера, який є вузлом котушки, що складається зі сталевих шарів і фазних обмоток. Обмотки можуть бути як однофазними, так і трифазними. Це дозволяє здійснювати пряме онлайн-контроль або керування через інверторний чи векторний привод. Стаціонарний валик (званий реакційною пластиною) зазвичай складається з тонкого шару алюмінію або міді, прикріпленого до холоднокатаної сталі.

Після того, як на примусову котушку подається напруга, вона взаємодіє з реактивною пластиною та рухається. Вищі швидкості та необмежена довжина подорожі є сильними сторонами цієї конструкції; вони використовуються для обробки матеріалів, транспортування людей, конвеєрів і розсувних воріт.

Нові концепції дизайну

Деякі з останніх удосконалень дизайну було реалізовано за допомогою реінжинірингу. Наприклад, деякі лінійні крокові двигуни (спочатку розроблені для забезпечення руху в одній площині) тепер перероблені для забезпечення руху в двох площинах — для руху XY. Тут рухома сила складається з двох лінійних кроків, встановлених ортогонально під кутом 90°, так що одна забезпечує рух по осі X, а інша забезпечує рух по осі Y. Також можливі кілька форсерів із траєкторіями, що перекриваються.

У цих двоплощинних двигунах стаціонарна платформа (або плита) використовує нову композитну конструкцію для підвищення міцності. Жорсткість також покращена, тому прогин зменшено на 60-80% порівняно з попередніми серійними моделями. Площинність валика перевищує 14 мікрон на 300 мм для точного переміщення. Нарешті: оскільки степери мають природну силу притягання, ця концепція дозволяє монтувати валик лицьовою стороною вгору або перевернутим, що забезпечує універсальність і гнучкість для застосування.

Ще одна інженерна інновація — водяне охолодження — збільшує потужність лінійних асинхронних двигунів змінного струму на 25%. Завдяки цьому розширенню можливостей, а також перевагам необмеженої довжини ходу, асинхронні двигуни змінного струму забезпечують найвищу продуктивність для багатьох застосувань: атракціони, обробка багажу та перевезення людей. Швидкість змінна (від 6 до 2000 дюймів/с) за допомогою приводів із регульованою швидкістю, доступних у промисловості.

Ще один двигун містить нерухомий циліндричний корпус з лінійно рухомою частиною для забезпечення руху. Рухомою частиною може бути стрижень, що складається з обмідненої сталі, рухома котушка або рухомий магніт, як поршень у циліндрі.

Ці конструкції забезпечують переваги лінійного двигуна, а також діють подібно до лінійного приводу. Застосування включають біомедичні колоноскопії, камери з приводами з довгим затвором, телескопи, які вимагають гасіння вібрації, літографічні фокусувальні двигуни, перемикачі генераторів, які вмикають вимикачі, щоб увімкнути генератори, і пресування їжі — наприклад, коли штампують тортильї.

Повні пакети лінійних двигунів або ступені придатні для позиціонування корисного навантаження. Вони складаються з двигуна, датчика зворотного зв'язку, кінцевих вимикачів і кабеледержателя. Є можливість складати ступені для багатовісного переміщення.

Однією з переваг лінійних столиків є їхній нижчий профіль, що дозволяє їм розміщуватись у меншому просторі порівняно зі звичайними позиціонерами. Менша кількість компонентів забезпечує підвищену надійність. Тут двигун підключається до штатних приводів. У замкнутому циклі цикл позиції замикається за допомогою контролера руху.

Знову ж таки, окрім стандартних продуктів, існує безліч нестандартних і спеціальних конструкцій. Зрештою, найкраще переглянути потреби в обладнанні з інженером із застосування, щоб визначити оптимальний лінійний продукт, який підходить для потреб застосування.