Tarkkaan automatisoituun paikannukseen kannattaa harkita askelmoottoripohjaisia ​​lineaaritoimilaitteita.

Lineaaritoimilaitteet tuottavat pohjimmiltaan voimaa ja liikettä suoraviivaisesti. Tyypillisessä mekaanisessa järjestelmässä laitteen lähtöakseli tarjoaisi lineaarisen liikkeen pyörivän moottorin avulla hammaspyörien, hihnan ja väkipyörän tai muiden mekaanisten komponenttien kautta. Ongelmana on, että nämä komponentit on kytkettävä ja kohdistettava. Mikä pahempaa, ne lisäävät järjestelmään kuluvia elementtejä, kuten kitkaa ja välystä. Tarkempiin paikannustarpeisiin tehokkaampi ja suoraviivaisempi vaihtoehto on askelmoottoripohjaiset lineaaritoimilaitteet.

Nämä laitteet yksinkertaistavat tarkkaa lineaarista paikannusta vaativan koneen tai mekanismin suunnittelua, koska ne mahdollistavat pyörimisliikkeen lineaariseksi muuntamisen suoraan moottorin sisällä. Toimilaitteet liikkuvat tietyn asteen pyörimisliikettä jokaista sähköistä tulopulssia kohden. Tämä niin kutsuttu "askellus"-ominaisuus ja tarkan johtoruuvin käyttö mahdollistavat tarkan ja toistettavan paikannuksen.

Askelmoottorin perusteet
Jotta ymmärrettäisiin, miten toimilaitteet toimivat, on hyödyllistä ymmärtää askelmoottoreiden perusteet. Erilaisia ​​askelmoottoreita ovat muuttuva reluktanssi (VR), kestomagneetti (PM) ja hybridi. Tämä keskustelu keskittyy hybridiaskelmoottoriin, joka tarjoaa suuren vääntömomentin ja hienon paikannustarkkuuden (1,8 tai 0,9° askel). Lineaarisissa toimilaitejärjestelmissä hybridejä löytyy laitteista, kutenXYpöytiä, verianalysaattoreita, LVI-laitteita, pieniä gantry-robotteja, venttiilien ohjausmekanismeja ja automatisoituja näyttämövalaistusjärjestelmiä.

Hybridi-askelmoottorin konepellin alla on kestomagneettiroottori ja kelalla päällystetty teräksinen staattori. Käämin virittäminen luo sähkömagneettisen kentän, jolla on pohjois- ja etelänavat. Staattori johtaa magneettikenttää, jolloin roottori asettuu kentän suuntaisesti. Koska kelan käämien peräkkäinen virittäminen ja virittämättömyys muuttaa magneettikenttää, jokainen tulopulssi tai askel saa roottorin liikkumaan asteittain 0,9 tai 1,8 astetta hybridimallista riippuen. Askelmoottorilla varustetussa lineaaritoimilaitteessa roottoriin upotettu kierteitetty tarkkuusmutteri kytkeytyy johtoruuviin (joka korvaa perinteisen akselin).

Johdinruuvi tuottaa lineaarisen voiman käyttämällä yksinkertaista kaltevan tason mekaanista periaatetta. Kuvittele teräsakseli, jonka ympärille on kierretty ramppi tai kalteva taso. Mekaaninen etu tai voiman vahvistuminen määräytyy rampin kulman mukaan, joka on ruuvin halkaisijan, nousun (ruuvin kierteen aksiaalinen etäisyys yhdellä kierroksella) ja nousun (vierekkäisten kierteiden välisen aksiaalisen etäisyyden) funktio.

Johdinruuvin kierteet muuntavat pienen pyörimisvoiman suureksi kuormituskyvyksi rampin jyrkkyydestä (kierteen noususta) riippuen. Pieni nousu antaa suuremman voiman, mutta pienemmät lineaarinopeudet. Suuri nousu antaa pienemmän voiman, mutta suuremman lineaarinopeuden samasta pyörimisvoiman lähteestä. Joissakin malleissa roottorin sisään upotettu voimamutteri on valmistettu laakerilaatuisesta pronssista, joka soveltuu sisäkierteiden koneistukseen. Pronssi on kuitenkin tekninen kompromissi voitelevuuden ja fyysisen vakauden välillä. Parempi materiaali on voideltu kestomuovi, jonka kitkakerroin mutterin ja ruuvin rajapinnassa on paljon pienempi.

Askellussekvenssit
Askelmoottorin ohjausjärjestelmiin kuuluvat "yksi vaihe päällä" -askellus ja "kaksi vaihe päällä" -askellus.

Yksinkertaistetun kaksivaihemoottorin "yksi vaihe päällä" -sekvenssissä vaiheessa 1 näkyy jännitteisen staattorin vaihe A. Tämä lukitsee roottorin magneettisesti, koska eri navat vetävät toisiaan puoleensa. Vaiheen A kytkeminen pois päältä ja vaiheen B päälle saa roottorin liikkumaan 90° myötäpäivään (vaihe 2). Vaiheessa 3 vaihe B on pois päältä ja vaihe A päällä, mutta napaisuus on päinvastainen kuin vaiheessa 1. Tämä saa roottorin pyörimään vielä 90°. Vaiheessa 4 vaihe A kytketään pois päältä ja vaihe B kytketään päälle, napaisuus on päinvastainen kuin vaiheessa 2. Tämän sekvenssin toistaminen saa roottorin liikkumaan myötäpäivään 90° askelin.

”Kaksi vaihetta päällä” -sekvenssissä molemmat moottorin vaiheet ovat aina jännitteisiä, ja vain toisen vaiheen napaisuus vaihtuu. Tämä saa roottorin kohdistumaan ”keskimääräisen” pohjoisen ja ”keskimääräisen” eteläisen magneettinavan välille. Koska molemmat vaiheet ovat aina päällä, tämä menetelmä tuottaa 41,4 % enemmän vääntömomenttia kuin ”yksi vaihe päällä” -porrastus.

Valitettavasti, vaikka muovi toimii hyvin kierteissä, se ei ole riittävän vakaa hybridi-askelmoottorin laakeritapeille. Tämä johtuu siitä, että jatkuvassa täydessä kuormituksessa muovitapit voivat laajentua neljä kertaa niin paljon kuin messinkitapit. Tämä määrä on mahdotonta hyväksyä, koska moottorin suunnittelu vaatii staattorin ja roottorin välisen ilmaraon olevan vain muutaman tuhannesosatuuman. Yksi tapa kiertää tämä ongelma on ruiskuvalaa muovikierteet messinkiholkin sisään, joka työnnetään kestomagneettiroottoriin. Tämä lähestymistapa pidentää moottorin käyttöikää ja tarjoaa pienen kitkan samalla, kun laakeritapit pysyvät vakaina.

Erilaisista Haydon-toimilaitteista "kiinnittyvissä" laitteissa on sisäänrakennettu pyörimisenestomekanismi. Tämä kokoonpano tarjoaa jopa 2,5 tuuman maksimiiskun ja sopii sovelluksiin, kuten tarkkuusnesteen annosteluun, kaasun säätöön ja venttiilien liikkeeseen. MuitaHaydonLineaaritoimilaitteet ovat "kiinnittymättömiä" ja "ulkoisia lineaarisia" toimilaitteita, jotka sopivat sovelluksiin, jotka vaativat pidempää iskua, kuten veriputkien siirtoon pienillä gantry-roboteilla,XYliikejärjestelmät ja kuvantamisjärjestelmät.

Toimilaitteen mitoitus
Sovellusesimerkki havainnollistaa parhaiten toimilaitteen mitoitusta. Ota huomioon seuraavat parametrit:

Kuorman siirtämiseen tarvittava lineaarinen voima = 15 lb (67 N)
Lineaarinen etäisyys, m, kuorman siirtäminen = 0,0762 m (3 tuumaa)
Aika,t, kuorman siirtämiseen tarvittava aika sekunneissa = 6 sekuntia
Syklien tavoitemäärä = 1 000 000

Askelmoottorilla varustetun lineaaritoimilaitteen mitoituksessa on neljä vaihetta: 1) Määritä toimilaitteen alkuperäinen voimaluokitus, joka tarvitaan vaaditun käyttöiän saavuttamiseksi; 2) Määritä nopeus millimetreinä sekunnissa; 3) Valitse toimilaitteen rungon koko; ja 4) Määritä sopiva ruuvin resoluutio voimavaatimusten perusteella.

Paras tapa ennustaa elinikää on sovellustestauksen avulla, jota suositellaan erittäin lämpimästi. Tekniikka, joka käyttääProsenttiosuus kuormituksen ja syklien lukumäärän välilläkäyrä toimii hyvänä ensimmäisenä arviona. Askelmoottoreissa ei ole kuluvia harjoja, ja niissä käytetään tarkkoja, pitkäikäisiä kuulalaakereita, joten tärkein kulumiskomponentti on voimamutteri. Siksi laitteen kestävien syklien määrä suunnitteluvaatimusten täyttämiseksi riippuu kuormituksesta.

KatsoProsenttiosuus kuormituksen ja syklien lukumäärän välillätaulukkoa määrittääksesi toimilaitteen oikean mitoituskertoimen, jotta se kestää 1 000 000 sykliä. Tämä on 50 % – kerroin 0,5. Alkuperäinen nimellisvoima, N, joka tarvitaan kuormituksen kestämiseen 1 000 000 syklin jälkeen, on siis 15 lb / 0,5 = 30 lb eli 133 N.

Määritä nyt tarvittava lineaarinen mekaaninen teho watteina:

P_lineaarinen= (N × m)/t

Esimerkissämme tästä tulee (133 × 0,0762) / 6 = 1,7 W

Käytä näiden tietojen avullaToimilaitteen rungon kokotaulukon avulla voit valita oikean runkokoon. Kaikki askelmoottorikäyttöiset lineaaritoimilaitteet tarvitsevat käyttölaitteen pulssien lähettämiseksi moottorille. Huomaa, että taulukossa luetellaan sekä L/R-käytön (vakiojännite) että chopper-käytön (vakiovirta) teho. Ellei sovellus ole akkukäyttöinen (kuten kädessä pidettävässä kannettavassa laitteessa), valmistajat suosittelevat vahvasti chopper-käyttölaitetta maksimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Tässä esimerkissä taulukon chopper-käytön tehotietojen tarkastelu osoittaa, että Haydon 43000 -sarja (koko 17 hybridi) täyttää parhaiten 1,7 W:n vaatimuksen. Tämä valinta täyttää kuormitusvaatimukset ilman järjestelmän ylisuunnittelua.

Laske seuraavaksi lineaarinen nopeus (ips). Tämä saadaan kaavastam/tja on 3 tuumaa / 6 sekuntia = 0,5 ips. Käytä optimoitua runkokokoa (koko 17 Hybrid) ja lineaarinopeutta (0,5 ips) käyttäen sopivaaVoima vs. lineaarinen nopeuskäyrä toimilaitteen johtoruuvin oikean resoluution määrittämiseksi. Tässä tapauksessa tarvittava johtoruuvin resoluutio on 0,00048 tuumaa.

Muista, että johtoruuvi liikkuu eteenpäin moottorin syöttöaskelten määrän perusteella. Suorituskykykäyrät ilmaistaan ​​sekä ”ips”- että ”askelta/s”-yksiköissä. Vahvista valintasi tarkistamalla voima vaaditulla askelnopeudella katsomallaVoima vs. sykekäyrä, jossa: Valittu resoluutio = 0,00048 tuumaa/askel Vaadittu lineaarinen nopeus = 0,5 ips Vaadittu askeltaajuus = (0,5 ips) / (0,00048 tuumaa/askel) = 1 041 askelta.

Kun X-akselille (pulssi) piirretään arvo 1 041 ja tästä pisteestä käyrään kohtisuora viiva, Y-akselin arvoksi (voima) saadaan 30. Valinta on siis oikea.