正確な自動位置決めについては、ステッピング モーター ベースのリニア アクチュエーターを検討してください。

リニアアクチュエータは基本的に、直線を通して力と動きを生成します。典型的な機械システムでは、デバイスの出力シャフトは、ギア、ベルトとプーリー、またはその他の機械コンポーネントを介して回転モーターを使用して直線運動を提供します。問題は、これらのコンポーネントを結合して位置合わせする必要があることです。さらに悪いことに、システムに摩擦やバックラッシュなどの摩耗要素が追加されます。より微細な位置決めのニーズに対しては、より効果的で簡単な代替手段として、ステッピング モーター ベースのリニア アクチュエーターが使用されます。

これらのデバイスは、モーター内部で直接回転から直線への変換を行うため、正確な直線位置決めを必要とする機械や機構の設計を簡素化します。アクチュエータは、電気入力パルスごとに所定の回転運動を行います。このいわゆる「ステッピング」機能と精密親ねじの使用により、正確で再現性のある位置決めが可能になります。

ステッピングモーターの基本
アクチュエーターがどのように動作するかを確認するには、ステッピング モーターの基本を理解することが役立ちます。ステッピング モーターには、可変リラクタンス (VR)、永久磁石 (PM)、ハイブリッドなどのさまざまな種類があります。この説明は、高トルクと細かい位置決め分解能 (1.8 または 0.9° ステップ) を提供するハイブリッド ステッパーに焦点を当てています。リニア アクチュエータ システムでは、ハイブリッドは次のようなデバイスに使用されます。XYテーブル、血液分析装置、HVAC 機器、小型ガントリー ロボット、バルブ制御機構、自動舞台照明システムなどです。

ハイブリッド ステッパーのボンネットの下には、永久磁石ローターとコイル巻線が巻かれたスチール製ステーターが配置されています。コイルに通電すると、N 極と S 極を持つ電磁場が生成されます。ステーターは磁界を伝導し、ローター自体を磁界と整列させます。コイル巻線に連続的に通電および通電を解除すると磁場が変化するため、入力パルスまたはステップごとに、ハイブリッド モデルに応じてローターが 0.9 または 1.8 回転角度ずつ段階的に移動します。ステッピング モーター リニア アクチュエーターでは、ローターに埋め込まれた精密ねじナットが親ねじ (従来のシャフトの代わりとなる) と噛み合います。

リードスクリューは、傾斜面の単純な機械原理を使用して直線的な力を提供します。スチールシャフトの周りにランプまたは傾斜面が巻かれていると想像してください。機械的利点または力の増幅は、ねじの直径、リード (ねじ山が 1 回転で進む軸方向の距離)、およびピッチ (隣接するねじ山形状の間で測定される軸方向の距離) の関数であるランプの角度によって決まります。

親ねじのねじ山は、ランプの急峻さ (ねじ山のリード) に応じて、小さな回転力を大きな負荷能力に変換します。リードが小さいと、より大きな力が得られますが、線速度は遅くなります。リードが大きいと、同じ回転動力源から生じる力は小さくなりますが、線速度は高くなります。一部の設計では、ローターに埋め込まれたパワーナットは、雌ねじの加工に適したベアリンググレードの青銅で作られています。しかし、ブロンズは潤滑性と物理的安定性の間で工学的に妥協したものです。より優れた材料は、ナットとねじのねじ山の境界面での摩擦係数がはるかに低い、潤滑された熱可塑性プラスチックです。

ステッピングシーケンス
ステッピング モーターを駆動する方式には、「1 相オン」ステッピングと「2 相オン」ステッピングが含まれます。

単純化された 2 相モーターの「1 相オン」シーケンスでは、ステップ 1 は通電されたステーターの相 A を示します。磁極とは異なり吸引されるため、これによりローターが磁気的にロックされます。フェーズ A と B をオンにすると、ローターが時計回りに 90° 動きます (ステップ 2)。ステップ 3 では、相 B はオフ、相 A はオンですが、極性がステップ 1 とは逆になります。これにより、ローターがさらに 90° 回転します。ステップ 4 では、ステップ 2 とは極性が逆になり、A 相がオフ、B 相がオンになります。これを繰り返すことにより、ローターは 90° ステップで時計回りに動きます。

「二相オン」シーケンスでは、モーターの両相が常に通電され、一方の相の極性のみが切り替わります。これにより、ローターは「平均的な」北磁極と「平均的な」南磁極の間で位置合わせされます。両相が常にオンであるため、この方法では「1 相オン」ステッピングよりも 41.4% 多くのトルクが提供されます。

残念ながら、プラスチックはねじ山には適していますが、ハイブリッド ステッパー設計のベアリング ジャーナルには十分な安定性がありません。それは、連続的な全荷重条件下では、プラスチック製ジャーナルは真鍮製ジャーナルの 4 倍も膨張する可能性があるためです。モーターの設計では、ステーターとローターの空隙がわずか数千分の 1 インチである必要があるため、この量は受け入れられません。この問題を回避する方法は、永久磁石ローターに挿入される真鍮スリーブの内側にプラスチックのネジ山を射出成形することです。このアプローチにより、ベアリングとジャーナルの安定性を維持しながら、モーターの寿命が延び、低摩擦が実現します。

さまざまなタイプの Haydon アクチュエータのうち、「キャプティブ」デバイスには回転防止機構が組み込まれています。この構成は最大 2.5 インチの最大ストロークを提供し、精密な液体の分配、スロットル制御、バルブの動きなどの用途に適しています。他の種類のヘイドンリニアアクチュエータには「ノンキャプティブ」と「エクスターナルリニア」があり、小型ガントリーロボットによる血液チューブの搬送など、より長いストロークが必要な用途に適しています。XYモーションシステムとイメージングシステム。

アクチュエータのサイズ設定
アプリケーション例は、アクチュエータのサイズを決定する方法を最もよく示しています。次のパラメータを考慮してください。

荷重を移動するために必要な直線力 = 15 ポンド (67 N)
直線距離、m、荷物を移動する必要がある = 3 インチ (0.0762 m)
時間、t、荷重を数秒で移動するのに必要な時間 = 6 秒
目標サイクル数 = 1,000,000

ステッピング モーター リニア アクチュエータのサイジングには 4 つの手順があります。 1) 必要な寿命を満たすために必要なアクチュエータの初期力定格を決定します。2) 速度をミリメートル/秒で決定します。3) 適切なアクチュエータ フレーム サイズを選択します。4) 力の要件に基づいて適切なネジの解像度を決定します。

寿命を予測する最良の方法は、アプリケーション テストを行うことです。これを強くお勧めします。を使ったテクニック負荷パーセントとサイクル数曲線は適切な一次近似として機能します。ステッピング モーターには磨耗するブラシがなく、高精度で長寿命のボール ベアリングが使用されているため、主な磨耗コンポーネントはパワー ナットです。したがって、デバイスが設計仕様を満たしている間に持続するサイクル数は負荷の関数です。

を参照してください。負荷パーセントとサイクル数チャートを参照して、アクチュエータが 1,000,000 サイクルに耐えられる適切なサイジング係数を決定します。これは 50%、つまり 0.5 倍であることがわかります。したがって、1,000,000 サイクル後の負荷に耐えるのに必要な初期定格力 N は、15 ポンド/0.5 = 30 ポンドまたは 133 N となります。

次に、必要な線形機械出力をワット単位で決定します。

P_線形= (N × m)/t

この例では、これは (133 × 0.0762)/6 = 1.7 W になります。

このデータを使用して、アクチュエータフレームサイズ表を参照して正しいフレーム サイズを選択してください。すべてのステッピング モーター リニア アクチュエーターには、モーターにパルスを送信するためのドライブが必要です。この表には、L/R 駆動 (定電圧) とチョッパー駆動 (定電流) の両方の電力がリストされていることに注意してください。アプリケーションがバッテリー駆動でない限り (ハンドヘルドポータブルデバイスなど)、メーカーは最大のパフォーマンスを得るためにチョッパードライブを強く推奨します。この例では、表内のチョッパーの駆動電力仕様を確認すると、Haydon 43000 シリーズ (サイズ 17 ハイブリッド) が 1.7 W の要件を最もよく満たしていることがわかります。この選択により、システムを過剰に設計することなく負荷要件が満たされます。

次に線速度(ips)を計算します。これは次によって与えられますm/t3 インチ/6 秒 = 0.5 ips になります。最適化されたフレーム サイズ (サイズ 17 ハイブリッド) と線速度 (0.5 ips) を利用して、適切な力と線速度の関係曲線を使用して、アクチュエータ親ねじの適切な分解能を決定します。この場合、必要な送りねじの分解能は 0.00048 インチです。

モーターへの入力ステップ数に基づいて親ねじが前進することを思い出してください。パフォーマンス曲線は「ips」と「ステップ/秒」の両方で表されます。選択を確認するには、以下を参照して、必要なステップ レートでの力を確認してください。力と脈拍数ここで、選択した解像度 = 0.00048 インチ/ステップ 必要な線速度 = 0.5 ips 必要なステップ レート = (0.5 ips)/ (0.00048 インチ/ステップ) = 1,041 ステップ。

X 軸の値 (脈拍数) として 1,041 をプロットし、この点から曲線に垂線を引くと、Y 軸の値 (力) は 30 であることがわかります。したがって、選択は正しいです。