Lineaariliikejärjestelmiä löytyy lukemattomista koneista, kuten tarkkuuslaserleikkausjärjestelmistä, laboratorioautomaatiolaitteista, puolijohteiden valmistuskoneista, CNC-koneista, tehdasautomaatiosta ja monista muista, joita on liian paljon lueteltavaksi. Ne vaihtelevat suhteellisen yksinkertaisista, kuten edullisesta istuimen toimilaitteesta henkilöautossa, monimutkaisiin, moniakselisiin koordinaatistoihin, joissa on ohjaus- ja käyttöelektroniikka suljetun silmukan paikannusta varten. Olipa lineaariliikejärjestelmä kuinka yksinkertainen tai monimutkainen tahansa, perustasolla niillä kaikilla on yksi yhteinen asia: kuorman liikuttaminen lineaarisen matkan tietyssä ajassa.

Yksi yleisimmistä lineaariliikejärjestelmän suunnittelussa esitetyistä kysymyksistä keskittyy moottoriteknologiaan. Kun teknologia on valittu, moottori on mitoitettava vastaamaan kuorman kiihtyvyyden, järjestelmän kitkan voittamisen ja painovoiman vaikutuksen voittamisen vaatimuksia samalla, kun ylläpidetään turvallinen enimmäiskäyttölämpötila. Moottorin vääntömomentti, nopeus, teho ja paikannuskyky riippuvat moottorin suunnittelusta yhdistettynä käyttölaitteeseen ja ohjaukseen.

MILLÄ MOOTTORILLA MINUN PITÄISI ALOITTAA?

Tietyn moottoriteknologian avulla toimivan lineaariliikejärjestelmän suunnittelussa on paljon sovelluskysymyksiä, jotka on otettava huomioon. Koko prosessin tyhjentävä selitys ei kuulu tämän artikkelin piiriin. Tarkoituksena on saada sinut miettimään oikeiden kysymysten esittämistä keskustellessasi moottoritoimittajan kanssa.

Ei ole olemassa parasta moottoria jokaiseen sovellukseen, vaan paras moottori tiettyyn sovellukseen. Valtaosassa inkrementaaliliikkeen sovelluksista valinta on joko askelmoottori, harjallinen tasavirtamoottori tai harjaton tasavirtamoottori. Monimutkaisimmissa liikejärjestelmissä voidaan käyttää lineaarimoottoreita, jotka on kytketty suoraan kuormaan, jolloin vältetään mekaanisen tehonmuunnoksen tarve; siirtoa johtoruuvin/kuularuuvin, vaihteiston tai hihnapyöräjärjestelmän kautta ei tarvita. Vaikka maksimaalinen tarkkuus, toistettavuus ja paikannustarkkuus voidaan saavuttaa ytimettömillä suoravetoisilla lineaariservojärjestelmillä, ne ovat kustannuksiltaan ja monimutkaisimpia verrattuna pyöriviin moottoreihin. Pyöriviä moottoreita käyttävä arkkitehtuuri on paljon halvempi ja täyttää suurimman osan lineaariliikkeen sovelluksista; kuorman käyttämiseen tarvitaan kuitenkin jonkinlainen "pyörivästä lineaariseksi" -muunnosta (ja sen seurauksena tehonmuunnosta).

Askel-, harja- ja harjattomat moottorit katsotaan kaikki tasavirtamoottoreiksi. On kuitenkin olemassa hienovaraisuuksia, jotka saavat insinöörin suosimaan yhtä tyyppiä kahden muun sijaan tietyssä sovelluksessa. On korostettava, että tämä valinta riippuu suuresti järjestelmän suunnitteluvaatimuksista, ei vain nopeuden ja vääntömomentin, vaan myös paikannustarkkuuden, toistettavuuden ja resoluution vaatimusten suhteen. Täydellistä moottoria ei ole jokaiseen sovellukseen, ja kaikki päätökset edellyttävät suunnittelussa kompromisseja. Pohjimmiltaan kaikki moottorit, olivatpa ne sitten vaihto- tai tasavirtamoottoreita, harjallisia, harjattomia tai mitä tahansa muita sähkömoottoreita, toimivat saman fysiikan periaatteen mukaisesti vääntömomentin tuottamiseksi: magneettikenttien vuorovaikutuksen. Näiden eri moottoritekniikoiden reagoinnissa tietyissä sovelluksissa on kuitenkin dramaattisia eroja. Moottorin yleinen suorituskyky, vaste ja vääntömomentin tuottaminen riippuvat moottorin fyysiseen suunnitteluun liittyvästä kentän herätemenetelmästä ja magneettipiirin geometriasta, ohjaimen/käytön suorittamasta tulojännitteen ja -virran ohjauksesta sekä nopeuden tai asennon takaisinkytkentätavasta, jos sovellus sitä vaatii.

Tasavirta-askelmoottorit, harjaservomoottorit ja harjattomat servomoottorit käyttävät kaikki tasavirtalähdettä virransyöttöön. Lineaarisen liikkeen sovelluksissa tämä ei tarkoita, että moottorin käämeihin voidaan syöttää suoraan kiinteää tasavirtalähdettä; elektroniikkaa tarvitaan käämivirran (lähtömomenttiin liittyvän) ja käämijännitteen (lähtönopeuteen liittyvän) ohjaamiseen. Alla on yhteenveto näiden kolmen tekniikan vahvuuksista ja heikkouksista.

Lineaarisen järjestelmän suunnittelu alkaa kuorman massasta ja siitä, kuinka nopeasti massan on liikuttava pisteestä A pisteeseen B. Moottorin tyyppi, koko ja mekaaninen suunnittelu alkavat kuorman siirtämiseen tarvittavasta tehosta (watteina). Analyysi alkaa kuormasta ja lopulta edetä kaikkien komponenttien kautta takaisin taajuusmuuttajan virtalähteeseen. Sen tarkoituksena on ymmärtää tehon muuntaminen järjestelmän yhdestä osasta toiseen ottaen samalla huomioon komponenttien erilaiset hyötysuhteet. Taajuusmuuttajaan jännitteen ja virran muodossa olevat watit muuttuvat lopulta mekaaniseksi tehoksi, joka siirtää tiettyä kuormaa tietyssä ajassa.

Saadaksesi käsityksen kuormituksella tarvittavasta lähtötehosta, yksinkertainen tehonlaskelma auttaa kohdistamaan moottoriin riittävän tehon. Kun olet selvittänyt keskimääräisen tarvittavan lähtötehon, viimeistele tehovaatimusten analysointi työskentelemällä takaisin moottoriin ja ajamalla eri tehonmuunnoselementtien läpi. Valmistajien tietoja tulisi käyttää eri komponenttien hyötysuhteen huomioon ottamiseksi, koska se lopulta määrää moottorin ja virtalähteen koon. Yksiköiden käyttö on henkilökohtainen mieltymys, mutta SI-yksiköiden käyttöä suositellaan erittäin paljon. SI-yksiköissä työskentely välttää useiden muunnosvakioiden muistamisen tarpeen, ja lopputulos voidaan aina muuntaa takaisin englantilaisiksi yksiköiksi.

KUINKA PALJON TEHOA TARVITAAN KUORMAN SIIRTÄMISEEN VAADITUSSA AJASSA?

Painovoimaa vastaan ​​nostettavan 9 kg:n massan nostaminen vaatii noin 88 N:n voiman. Kuorman siirtämiseen tarvittavien wattien laskeminen antaa lähtökohdan järjestelmän muiden osien määrittämiselle. Tämä on keskimääräinen teho, joka tarvitaan 9 kg:n massan siirtämiseen pystysuunnassa pisteestä A pisteeseen B yhdessä sekunnissa. Järjestelmän häviöitä, kuten kitkaa, ei ole otettu mukaan. Vaadittava moottorin akseliteho on jonkin verran suurempi ja riippuu järjestelmässä käytetyistä muista komponenteista, kuten vaihteistosta ja johtoruuvista.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Tämä eroaa järjestelmältä vaadittavasta huipputehosta. Kun kiihtyvyys ja hidastuvuus otetaan huomioon, hetkellinen teho liikeprofiilin aikana on jonkin verran suurempi; kuormalla tarvittava keskimääräinen lähtöteho on kuitenkin noin 18 wattia. Kaikkien komponenttien perusteellisen analyysin jälkeen tällaisen järjestelmän huipputeho on noin 37 wattia tehtävän suorittamiseen. Nämä tiedot yhdessä muiden sovellustietojen kanssa auttavat nyt valitsemaan sopivimman moottoriteknologian.

MITÄ MOOTTORITEKNIIKKAA MINUN PITÄISI HUOMIOIDA?

Erinomaiset paikannusominaisuudet ja suhteellisen yksinkertaiset ohjaimet saisivat suunnittelijan harkitsemaan ensin askelmoottorin käyttöä. Askelmoottori ei kuitenkaan täyttäisi pienen mekaanisen tilantarvetta samalla, kun se täyttäisi kuormitusvaatimukset. 37 watin huipputehovaatimus vaatisi erittäin suuren askelmoottorin. Vaikka askelmoottoreilla on erittäin suuri vääntömomentti alhaisilla nopeuksilla, huippunopeus ja siten liikeprofiilin tehontarve ylittää kaikkien muiden paitsi suurimpien askelmoottoreiden kyvyn.

Harjallinen tasavirtaservomoottori täyttäisi kuormitusvaatimukset, vaatisi vähän mekaanista tilaa ja pyörisi erittäin tasaisesti alhaisilla nopeuksilla. Tiukkojen EMC-vaatimusten vuoksi harjamoottoria on kuitenkin luultavasti parasta välttää tässä nimenomaisessa sovelluksessa. Tämä olisi halvempi vaihtoehto verrattuna harjattomaan järjestelmään, mutta se saattaisi vaikeuttaa tiukkojen EMC-vaatimusten täyttämistä.

Harjaton tasavirtamoottori, jossa on sinimuotoinen käyttöjärjestelmä, olisi ensisijainen valinta kaikkien sovellusvaatimusten täyttämiseksi, mukaan lukien kuormitus- ja liikeprofiili (suuri tehotiheys), tasainen, hammaspyörätön liike alhaisilla nopeuksilla ja pieni mekaaninen jalanjälki. Tässä tapauksessa sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) mahdollisuus on edelleen olemassa käyttöelektroniikan korkeataajuisen kytkennän vuoksi. Tätä voidaan kuitenkin lieventää käyttämällä linjasuodatusta kapeamman taajuuskaistan ansiosta. Harjallisella tasavirtamoottorilla on leveämpi EMI-kaista, mikä tekee sen suodattamisesta haastavampaa.

MOOTTORIN MITOITUS ON VASTA ALKU

Tämä artikkeli oli lyhyt keskustelu, jossa suunnittelijalle esiteltiin erilaisia ​​​​näkökohtia moottoriteknologiaa valittaessa suhteellisen yksinkertaiseen lineaariliikkeeseen. Vaikka periaatteet ovat samat monimutkaisemmassa järjestelmässä, kuten XY-pöydässä tai moniakselisessa tarkkuuspoiminta-ja-sijoitusmekanismissa, jokainen akseli on analysoitava kuormituksen suhteen erikseen. Toinen tämän artikkelin ulkopuolinen seikka on, miten valita sopiva turvakerroin järjestelmän halutun käyttöiän (syklien lukumäärän) saavuttamiseksi. Järjestelmän käyttöikä ei riipu pelkästään moottorin koosta, vaan myös muista järjestelmän mekaanisista elementeistä, kuten vaihteistosta ja johtoruuvikokoonpanosta. Muut tekijät, kuten paikannustarkkuus, resoluutio, toistettavuus, suurin vierintäkulma, nousu ja kääntökulma jne., ovat kaikki tärkeitä näkökohtia sen varmistamiseksi, että lineaariliikejärjestelmä täyttää tai ylittää sovelluksen tavoitteet.