Системи лінійного руху знаходяться в незліченних машинах, включаючи прецизійні системи лазерного різання, обладнання для автоматизації лабораторій, верстати для виготовлення напівпровідників, верстати з ЧПК, засоби автоматизації фабрик та багато інших, яких так багато, щоб перерахувати. Вони варіюються від відносно простих, таких як недорогий привід сидіння в пасажирському транспортному засобі, до складної багатоосьової системи координат, укомплектованої електронікою керування та приводу для замкнутого позиціонування. Незалежно від того, наскільки проста чи складна система лінійного руху, на самому базовому рівні всі вони мають одну спільну рису: переміщення вантажу на лінійну відстань за певний проміжок часу.

Одне з найпоширеніших питань при проектуванні системи лінійного руху зосереджується на технології двигунів. Після того, як технологію вибрано, розмір двигуна повинен відповідати вимогам прискорення навантаження, подолання тертя в системі та подолання впливу сили тяжіння, зберігаючи при цьому безпечну максимальну робочу температуру. Крутний момент, швидкість, потужність і можливість позиціонування двигуна є функцією конструкції двигуна в поєднанні з приводом і керуванням.

З ЯКОГО МОТОРА ПОЧАТИ?

Існує багато питань застосування, які слід враховувати під час проектування системи лінійного руху з використанням певної технології двигуна. Вичерпне пояснення всього процесу виходить за рамки цієї статті. Мета полягає в тому, щоб змусити вас задуматися про правильні запитання під час розмови з постачальником двигунів.

Немає такого поняття, як найкращий двигун для кожного застосування, а скоріше найкращий двигун для конкретного застосування. У переважній більшості додатків з поступовим рухом вибір буде або кроковим двигуном, щітковим двигуном постійного струму, або безщітковим двигуном постійного струму. Найскладніші системи руху можуть використовувати лінійні двигуни, підключені безпосередньо до навантаження, уникаючи необхідності механічного перетворення енергії; немає потреби в трансмісії через ходовий гвинт/кульковий гвинт, коробку передач або систему шківів. Незважаючи на те, що максимальна точність, повторюваність і роздільна здатність позиціонування можуть бути досягнуті за допомогою безсерцевих лінійних сервосистем із прямим приводом, вони мають найвищу вартість і складність порівняно з роторними двигунами. Архітектура з використанням роторних двигунів є набагато дешевшою та відповідатиме більшості додатків лінійного руху; однак, для керування навантаженням необхідні деякі засоби «обертального перетворення в лінійне» (і, як результат, перетворення потужності).

Крокові, щіткові та безщіточні двигуни вважаються двигунами постійного струму; однак існують тонкощі, які змусять інженера віддати перевагу одному типу над двома іншими в конкретному застосуванні. Необхідно підкреслити, що цей вибір сильно залежить від вимог до конструкції системи, не тільки з точки зору швидкості та крутного моменту, але також вимог до точності позиціонування, повторюваності та роздільної здатності. Не існує ідеального двигуна для кожного застосування, і всі рішення потребуватимуть компромісів у дизайні. На самому базовому рівні всі двигуни, незалежно від того, називаються вони змінним або постійним струмом, щітковими, безщітковими чи будь-якими іншими електродвигунами, генерують крутний момент за одним і тим же принципом фізики: взаємодія магнітних полів. Однак існують значні відмінності в тому, як ці різні моторні технології реагують на певні програми. Загальна продуктивність двигуна, відповідь і генерація крутного моменту залежать від методу збудження поля та геометрії магнітного кола, властивої фізичній конструкції двигуна, керування вхідною напругою та струмом контролером/приводом і методу зворотного зв’язку за швидкістю чи положенням, якщо заявка вимагає.

Технології крокового двигуна постійного струму, щіткового сервоприводу та безщіткового серводвигуна використовують джерело постійного струму для живлення. Для застосувань лінійного руху це не означає, що постійне джерело постійного струму можна застосовувати безпосередньо до обмоток двигуна; електроніка необхідна для керування струмом обмотки (що стосується вихідного крутного моменту) і напругою обмотки (щодо вихідної швидкості). Нижче наведено короткий перелік сильних і слабких сторін трьох технологій.

Конструкція лінійної системи починається з маси вантажу та швидкості руху маси від точки A до точки B. Тип двигуна, розмір і механічна конструкція починаються з потужності (ват), необхідної для переміщення вантажу. Починаючи з навантаження та зрештою повертаючись через усі компоненти до джерела живлення приводу, аналіз являє собою серію кроків для розуміння перетворення електроенергії від однієї частини системи до іншої, враховуючи різні показники ефективності компонентів між ними. Вати у формі напруги та струму, що надходять у привід, зрештою перетворюються на механічні вихідні вати, які переміщують дане навантаження за певний проміжок часу.

Щоб отримати індикацію вихідної потужності, необхідної на навантаженні, простий розрахунок потужності допоможе приміряти двигун. Зрозумівши середню необхідну вихідну потужність, завершіть аналіз вимог до потужності, повернувшись до двигуна та пройшовши різні елементи перетворення потужності. Слід посилатися на дані виробників, щоб врахувати ефективність різних компонентів, оскільки це остаточно визначатиме розмір двигуна та джерела живлення. Це особисті переваги щодо того, з якими одиницями працювати, але одиниці СІ настійно рекомендуються. Робота в одиницях СІ дозволяє уникнути необхідності запам’ятовувати кілька констант перетворення, а кінцевий результат завжди можна перетворити назад в англійські одиниці.

ЯКА СИЛА ПОТРІБНА, ЩОБ ПЕРЕМІСТИТИ ВАНТАЖ ЗА ПОТРІБНИЙ ЧАС?

Маса вагою 9 кг, піднята проти сили тяжіння, вимагатиме сили приблизно 88 Н. Обчислення ват, необхідних для переміщення навантаження, стане відправною точкою для визначення компонентів решти системи. Це середня потужність, необхідна для переміщення маси 9 кг по вертикалі з точки А в точку В за 1 секунду. Системні втрати, такі як тертя, не включені. Необхідна потужність на валу двигуна буде дещо вищою і залежить від інших компонентів, що використовуються в системі, таких як коробка передач і ходовий гвинт.

P = (F × S) / т

P = (88 Н × 0,2 м) / 1,0 с = 17,64 Вт

Це відрізняється від пікової потужності, яка буде потрібна від системи. Після врахування прискорення та уповільнення миттєва потужність під час профілю руху буде дещо вищою; однак середня вихідна потужність, необхідна при навантаженні, становить близько 18 Вт. Після ретельного аналізу всіх компонентів система, подібна до цієї, потребуватиме приблизно 37 Вт пікової потужності для виконання роботи. Ця інформація разом із різноманітними специфікаціями застосування тепер допоможе вибрати найбільш відповідну технологію двигуна.

ЯКУ МОТОРНУ ТЕХНОЛОГІЮ СЛІД ЗВАРИТИ?

Чудова здатність до позиціонування та відносно прості елементи керування спонукали б дизайнера спочатку розглянути можливість використання крокового двигуна. Проте кроковий двигун не відповідатиме вимогам щодо невеликої механічної площі, водночас відповідаючи вимогам щодо навантаження. Пікова потреба в потужності 37 Вт потребує дуже великого крокового двигуна. Хоча крокові двигуни мають дуже високий крутний момент на низьких швидкостях, пікова швидкість і, отже, вимоги до потужності профілю руху перевищують можливості всіх крокових двигунів, крім найбільших.

Щітковий серводвигун постійного струму відповідав би вимогам до навантаження, малий механічний слід і мав би дуже плавне обертання на низьких швидкостях; однак, через суворі вимоги до електромагнітної сумісності, ймовірно, краще уникати щіткового двигуна для цього конкретного застосування. Це була б менш дорога альтернатива порівняно з безщітковою системою, але вона може спричинити труднощі з проходженням будь-яких суворих вимог ЕМС.

Безщітковий двигун постійного струму з синусоїдальною системою приводу буде першим вибором для задоволення всіх вимог застосування, включаючи профіль навантаження та руху (висока щільність потужності); плавний беззубчастий рух на малих швидкостях; і невеликий механічний слід. У цьому випадку все ще буде існувати потенціал EMI через високочастотне перемикання електроніки приводу; однак це можна пом’якшити за допомогою вбудованої фільтрації через більш вузький діапазон частот. Щітковий двигун постійного струму демонструє ширшу смугу електромагнітних перешкод, що ускладнює фільтрацію.

РОЗМІР ДВИГУНА – ЦЕ ЛИШЕ ПОЧАТОК

Ця стаття була коротким обговоренням, щоб познайомити дизайнера з різними міркуваннями при виборі технології двигуна для відносно простого застосування лінійного руху. Хоча принципи є ідентичними для більш складної системи, такої як XY-стіл або багатоосьовий прецизійний механізм «підбирання та розміщення», кожну вісь необхідно аналізувати на навантаження незалежно. Іншим питанням, що виходить за рамки цієї статті, є те, як вибрати відповідний коефіцієнт безпеки, щоб забезпечити бажаний термін служби системи (кількість циклів). Термін служби системи залежить не лише від розміру двигуна, а й від інших механічних елементів системи, таких як коробка передач і ходовий гвинт. Інші фактори, такі як точність позиціонування, роздільна здатність, повторюваність, максимальний крен, тангаж і поворот тощо, є важливими міркуваннями, щоб переконатися, що система лінійного руху відповідає або перевищує цілі застосування.