Für eine präzise automatisierte Positionierung eignen sich Linearantriebe auf Schrittmotorbasis.

Linearantriebe erzeugen Kraft und Bewegung im Wesentlichen entlang einer geraden Linie. In einem typischen mechanischen System erzeugt die Abtriebswelle eines Geräts mithilfe eines Rotationsmotors über Zahnräder, Riemen und Riemenscheibe oder andere mechanische Komponenten eine lineare Bewegung. Das Problem ist, dass diese Komponenten gekoppelt und ausgerichtet werden müssen. Schlimmer noch, sie führen zu Verschleißelementen wie Reibung und Spiel im System. Für feinere Positionierungsanforderungen stellen Linearantriebe auf Basis von Schrittmotoren eine effektivere und einfachere Alternative dar.

Diese Geräte vereinfachen die Konstruktion von Maschinen oder Mechanismen, die eine präzise lineare Positionierung erfordern, da sie die Umwandlung von Drehbewegungen in lineare Bewegungen direkt im Motor ermöglichen. Die Aktuatoren führen bei jedem elektrischen Eingangsimpuls eine bestimmte Drehbewegung aus. Diese sogenannte „Schrittfunktion“ und die Verwendung einer präzisen Leitspindel ermöglichen eine präzise und wiederholbare Positionierung.

Grundlagen des Schrittmotors
Um die Funktionsweise von Aktuatoren zu verstehen, ist es hilfreich, die Grundlagen von Schrittmotoren zu verstehen. Zu den verschiedenen Arten von Schrittmotoren gehören Reluktanzmotoren (VR), Permanentmagnetmotoren (PM) und Hybridmotoren. Im Mittelpunkt dieser Diskussion steht der Hybrid-Schrittmotor, der ein hohes Drehmoment und eine feine Positionierauflösung (1,8- oder 0,9-Grad-Schritte) bietet. In linearen Aktuatorsystemen finden sich Hybridmotoren beispielsweise in folgenden Geräten:XYTische, Blutanalysegeräte, HLK-Geräte, kleine Portalroboter, Ventilsteuerungsmechanismen und automatisierte Bühnenbeleuchtungssysteme.

Unter der Haube eines Hybrid-Schrittmotors befinden sich ein Permanentmagnetrotor und ein mit einer Spule umwickelter Stahlstator. Durch die Erregung der Spule entsteht ein elektromagnetisches Feld mit Nord- und Südpolen. Der Stator leitet das Magnetfeld, wodurch sich der Rotor am Feld ausrichtet. Da das sequentielle Ein- und Ausschalten der Spulenwicklungen das Magnetfeld verändert, bewirkt jeder Eingangsimpuls oder Schritt eine schrittweise Drehung des Rotors um 0,9 oder 1,8 Grad, je nach Hybridmodell. Bei einem Linearantrieb mit Schrittmotor greift eine im Rotor eingebettete Präzisionsmutter mit Gewinde in die Leitspindel ein (die eine herkömmliche Welle ersetzt).

Die Leitspindel erzeugt eine lineare Kraft nach dem einfachen mechanischen Prinzip der schiefen Ebene. Stellen Sie sich eine Stahlwelle vor, die von einer Rampe oder schiefen Ebene umgeben ist. Der mechanische Vorteil bzw. die Kraftverstärkung wird durch den Winkel der Rampe bestimmt, der wiederum vom Spindeldurchmesser, der Steigung (axiale Distanz, die ein Gewinde pro Umdrehung zurücklegt) und der Teilung (axialer Abstand zwischen benachbarten Gewindegängen) abhängt.

Die Gewinde der Leitspindel wandeln eine geringe Drehkraft in eine hohe Tragfähigkeit um, abhängig von der Steigung der Rampe (Gewindesteigung). Eine geringe Steigung führt zu einer höheren Kraft, aber einer geringeren Lineargeschwindigkeit. Eine große Steigung führt zu einer geringeren Kraft, aber einer höheren Lineargeschwindigkeit bei gleicher Drehkraftquelle. Bei einigen Konstruktionen besteht die im Rotor eingebettete Antriebsmutter aus Lagerbronze, die sich für die Herstellung von Innengewinden eignet. Bronze stellt jedoch einen technischen Kompromiss zwischen Schmierfähigkeit und physikalischer Stabilität dar. Ein besseres Material ist ein geschmierter Thermoplast mit einem deutlich geringeren Reibungskoeffizienten an der Schnittstelle zwischen Mutter und Gewinde.

Schrittfolgen
Zu den Antriebsschemata für Schrittmotoren gehören „Einphasen-Ein“-Schrittmotoren und „Zweiphasen-Ein“-Schrittmotoren.

In einer „Eine Phase an“-Sequenz für einen vereinfachten Zweiphasenmotor zeigt Schritt 1 Phase A des erregten Stators. Dies blockiert den Rotor magnetisch, da sich ungleiche Pole anziehen. Durch Einschalten von Phase A und B dreht sich der Rotor um 90° im Uhrzeigersinn (Schritt 2). In Schritt 3 ist Phase B aus und Phase A an, jedoch mit umgekehrter Polarität wie in Schritt 1. Dies bewirkt eine weitere Drehung des Rotors um 90°. In Schritt 4 wird Phase A ausgeschaltet und Phase B mit umgekehrter Polarität wie in Schritt 2 eingeschaltet. Die Wiederholung dieser Sequenz bewirkt eine Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn in 90°-Schritten.

Bei der „Zweiphasen-Ein“-Sequenz werden immer beide Motorphasen mit Strom versorgt, und nur die Polarität einer Phase wechselt. Dadurch richtet sich der Rotor zwischen dem „durchschnittlichen“ Nord- und dem „durchschnittlichen“ Südpol aus. Da immer beide Phasen eingeschaltet sind, bietet diese Methode 41,4 % mehr Drehmoment als die „Einphasen-Ein“-Schrittschaltung.

Obwohl Kunststoff für die Gewinde gut geeignet ist, ist er für die Lagerzapfen im Hybrid-Schrittmotor-Design leider nicht stabil genug. Denn unter Dauerlast können sich Kunststoffzapfen viermal so stark ausdehnen wie Messingzapfen. Dieser Wert ist inakzeptabel, da der Luftspalt zwischen Stator und Rotor aufgrund der Motorkonstruktion nur wenige Tausendstel Zoll betragen darf. Dieses Problem lässt sich durch Spritzguss von Kunststoffgewinden in einer Messinghülse umgehen, die in den Permanentmagnetrotor eingesetzt wird. Dieser Ansatz erhöht die Motorlebensdauer und sorgt für geringe Reibung bei gleichbleibender Lagerzapfenstabilität.

Von den verschiedenen Haydon-Antriebstypen verfügen die „Captive“-Geräte über einen integrierten Antirotationsmechanismus. Diese Konfiguration ermöglicht einen maximalen Hub von bis zu 2,5 Zoll und eignet sich für Anwendungen wie Präzisionsflüssigkeitsdosierung, Drosselklappensteuerung und Ventilbewegung. Andere Arten vonHaydonLinearantriebe sind die „noncaptive“ und „externe lineare“ Ausführung, die für Anwendungen geeignet sind, die einen längeren Hub erfordern, wie z. B. den Transfer von Blutröhrchen durch kleine Portalroboter,XYBewegungssysteme und Bildgebungssysteme.

Dimensionierung eines Aktuators
Ein Anwendungsbeispiel veranschaulicht die Dimensionierung eines Aktuators am besten. Berücksichtigen Sie dabei folgende Parameter:

Zum Bewegen der Last erforderliche lineare Kraft = 15 lb (67 N)
Lineare Distanz, m, die Last muss bewegt werden = 3 Zoll (0,0762 m)
Zeit,t, benötigt zum Bewegen der Last in Sekunden = 6 Sek.
Zielanzahl der Zyklen = 1.000.000

Die Dimensionierung eines Linearantriebs mit Schrittmotor erfolgt in vier Schritten: 1) Bestimmen Sie die anfängliche Kraft des Antriebs, die für die erforderliche Lebensdauer erforderlich ist. 2) Bestimmen Sie die Geschwindigkeit in Millimetern/Sekunde. 3) Wählen Sie die richtige Rahmengröße des Antriebs. und 4) Bestimmen Sie die richtige Schraubenauflösung basierend auf den Kraftanforderungen.

Die beste Methode zur Vorhersage der Lebensdauer sind Anwendungstests, die dringend empfohlen werden. Eine Technik, die dieProzentuale Belastung im Vergleich zur Anzahl der ZyklenDie Kurve dient als gute erste Näherung. Schrittmotoren haben keine Bürsten, die verschleißen können, und sie verwenden präzise, langlebige Kugellager. Das Hauptverschleißteil ist daher die Antriebsmutter. Daher ist die Anzahl der Zyklen, die ein Gerät durchhält und dabei die Konstruktionsspezifikationen erfüllt, eine Funktion der Belastung.

Weitere Informationen finden Sie imProzentuale Belastung im Vergleich zur Anzahl der ZyklenMithilfe der Tabelle lässt sich der richtige Dimensionierungsfaktor für den Aktuator ermitteln, damit dieser 1.000.000 Zyklen standhält. Dieser beträgt 50 % – ein Faktor von 0,5. Die anfängliche Nennkraft in N, die erforderlich ist, um die Last nach 1.000.000 Zyklen zu tragen, beträgt daher 15 lb/0,5 = 30 lb oder 133 N.

Bestimmen Sie nun die benötigte lineare mechanische Leistung in Watt:

P_linear= (N × m)/t

In unserem Beispiel ergibt sich daraus (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W

Mit diesen Daten verwenden Sie dieStellantriebsrahmengrößeTabelle zur Auswahl der richtigen Baugröße. Alle Schrittmotor-Linearantriebe benötigen einen Antrieb, der Impulse an den Motor sendet. Beachten Sie, dass die Tabelle die Leistung sowohl für einen L/R-Antrieb (Konstantspannung) als auch für einen Chopper-Antrieb (Konstantstrom) angibt. Sofern die Anwendung nicht batteriebetrieben ist (z. B. bei tragbaren Geräten), empfehlen Hersteller dringend einen Chopper-Antrieb für maximale Leistung. In diesem Beispiel zeigt ein Blick auf die Leistungsangaben des Chopper-Antriebs in der Tabelle, dass die Haydon 43000-Serie (Größe 17 Hybrid) den 1,7-W-Bedarf am ehesten erfüllt. Diese Auswahl erfüllt die Lastanforderungen, ohne das System zu überdimensionieren.

Berechnen Sie anschließend die lineare Geschwindigkeit (ips). Diese ergibt sich ausm/tund beträgt 3 Zoll/6 Sek. = 0,5 ips. Mit optimierter Rahmengröße (Größe 17 Hybrid) und linearer Geschwindigkeit (0,5 ips) verwenden Sie die entsprechendeKraft versus lineare GeschwindigkeitKurve, um die richtige Auflösung der Leitspindel des Antriebs zu bestimmen. In diesem Fall beträgt die erforderliche Leitspindelauflösung 0,00048 Zoll.

Denken Sie daran, dass die Spindelbewegung abhängig von der Anzahl der Eingangsschritte am Motor erfolgt. Leistungskurven werden sowohl in „ips“ als auch in „Schritten/s“ angegeben. Um Ihre Auswahl zu überprüfen, überprüfen Sie die Kraft bei der gewünschten Schrittrate anhand derKraft versus PulsfrequenzKurve, wobei: Gewählte Auflösung = 0,00048 Zoll/Schritt. Erforderliche lineare Geschwindigkeit = 0,5 ips. Erforderliche Schrittrate = (0,5 ips)/(0,00048 Zoll/Schritt) = 1.041 Schritte.

Wenn man 1.041 als X-Achsenwert (Pulsfrequenz) einträgt und von diesem Punkt aus eine senkrechte Linie zur Kurve zieht, ergibt sich ein Y-Achsenwert (Kraft) von 30. Die Auswahl ist also richtig.