Для точного автоматического позиционирования используйте линейные приводы на базе шаговых двигателей.

Линейные приводы, по сути, генерируют усилие и движение по прямой линии. В типичной механической системе выходной вал устройства обеспечивает линейное движение с помощью вращающегося двигателя через шестерни, ремень и шкив или другие механические компоненты. Проблема в том, что эти компоненты должны быть соединены и выровнены. Что ещё хуже, они добавляют в систему элементы износа, такие как трение и люфт. Для более точного позиционирования более эффективной и простой альтернативой являются линейные приводы на основе шаговых двигателей.

Эти устройства упрощают конструкцию машины или механизма, требующего точного линейного позиционирования, поскольку обеспечивают преобразование вращательного движения в линейное непосредственно внутри двигателя. Актуаторы обеспечивают заданный угол поворота при каждом входном электрическом импульсе. Эта так называемая «шаговая» функция и использование прецизионного ходового винта обеспечивают точное и повторяемое позиционирование.

Основы шагового двигателя
Чтобы понять принцип работы актуаторов, полезно понять основы работы шаговых двигателей. Существуют различные типы шаговых двигателей: двигатели с переменным магнитным сопротивлением (VR), двигатели с постоянными магнитами (PM) и гибридные. В данной статье мы рассмотрим гибридные шаговые двигатели, которые обеспечивают высокий крутящий момент и точное позиционирование (шаг 1,8 или 0,9°). В системах линейных актуаторов гибридные двигатели используются в таких устройствах, как:XYстолы, анализаторы крови, оборудование HVAC, небольшие портальные роботы, механизмы управления клапанами и автоматизированные системы сценического освещения.

Под капотом гибридного шагового двигателя находятся ротор с постоянными магнитами и стальной статор, обмотанный катушкой. Подача напряжения на катушку создаёт электромагнитное поле с северным и южным полюсами. Статор проводит магнитное поле, заставляя ротор выравниваться по полю. Поскольку последовательное включение и выключение катушки изменяет магнитное поле, каждый входной импульс или шаг заставляет ротор поворачиваться на 0,9 или 1,8 градуса, в зависимости от модели гибрида. В линейном приводе шагового двигателя прецизионная гайка с резьбой, встроенная в ротор, входит в зацепление с ходовым винтом (который заменяет обычный вал).

Ходовой винт создаёт линейное усилие, используя простой механический принцип наклонной плоскости. Представьте себе стальной вал, обернутый вокруг него наклонной плоскостью. Механический выигрыш или усиление силы определяется углом наклона, который зависит от диаметра винта, шага (осевого расстояния, которое проходит резьба за один оборот) и шага (осевого расстояния, измеряемого между соседними витками резьбы).

Резьба ходового винта преобразует небольшое вращательное усилие в большую грузоподъемность, в зависимости от крутизны наклонной плоскости (шага резьбы). Малый шаг обеспечивает большее усилие, но меньшие линейные скорости. Большой шаг обеспечивает меньшее усилие, но большую линейную скорость при том же источнике вращательной мощности. В некоторых конструкциях приводная гайка, встроенная в ротор, изготовлена из подшипниковой бронзы, подходящей для обработки внутренней резьбы. Однако бронза представляет собой инженерный компромисс между смазывающей способностью и физической стабильностью. Более подходящим материалом является смазанный термопластик с гораздо меньшим коэффициентом трения в зоне контакта гайки и резьбы винта.

Последовательности шагов
Схемы управления шаговым двигателем включают в себя «однофазный» и «двухфазный» режимы.

В последовательности «одна фаза включена» для упрощенного двухфазного двигателя на шаге 1 показана фаза A под напряжением статора. Это магнитно блокирует ротор, поскольку разноименные полюса притягиваются. Включение фазы A и B заставляет ротор вращаться по часовой стрелке на 90° (шаг 2). На шаге 3 фаза B выключена, а фаза A включена, но с полярностью, обратной по сравнению с шагом 1. Это заставляет ротор поворачиваться еще на 90°. На шаге 4 фаза A выключается, а фаза B включается, с полярностью, обратной по сравнению с шагом 2. Повторение этой последовательности заставляет ротор вращаться по часовой стрелке с шагом 90°.

В последовательности «две фазы включены» обе фазы двигателя всегда находятся под напряжением, и переключается полярность только одной фазы. Это приводит к тому, что ротор выравнивается между «средним» северным и «средним» южным магнитными полюсами. Поскольку обе фазы всегда включены, этот метод обеспечивает на 41,4% больший крутящий момент, чем при шаговом режиме «одна фаза включена».

К сожалению, хотя пластик хорошо подходит для резьбы, он недостаточно стабилен для опорных шеек в конструкции гибридного шагового двигателя. Это связано с тем, что при постоянной полной нагрузке пластиковые шейки могут расширяться в четыре раза больше, чем латунные. Такая величина неприемлема, поскольку конструкция двигателя требует, чтобы воздушный зазор между статором и ротором составлял всего несколько тысячных дюйма. Одним из способов решения этой проблемы является литье пластиковой резьбы под давлением внутри латунной втулки, которая вставляется в ротор с постоянным магнитом. Такой подход увеличивает срок службы двигателя и обеспечивает низкое трение при сохранении стабильности опорных шеек.

Из всех типов приводов Haydon «захваченные» устройства имеют встроенный механизм предотвращения вращения. Такая конфигурация обеспечивает максимальный ход до 6,5 см (2,5 дюйма) и подходит для таких применений, как прецизионное дозирование жидкости, управление дроссельной заслонкой и перемещение клапанов. Другие типыХейдонлинейные приводы — это «незахваченные» и «внешние линейные», которые подходят для применений, требующих более длинного хода, например, для переноса пробирок с кровью небольшими портальными роботами,XYсистемы движения и системы визуализации.

Определение размера привода
Нагляднее всего, как подобрать размер привода, можно продемонстрировать на примере применения. Учитывайте следующие параметры:

Линейная сила, необходимая для перемещения груза = 15 фунтов (67 Н)
Линейное расстояние, м, на которое необходимо переместить груз = 3 дюйма (0,0762 м)
Время,t, необходимое для перемещения груза за секунды = 6 сек
Целевое количество циклов = 1 000 000

Для выбора размера линейного привода с шаговым двигателем необходимо выполнить четыре шага: 1) Определить начальную номинальную силу привода, необходимую для обеспечения требуемого срока службы; 2) Определить скорость в миллиметрах в секунду; 3) Выбрать правильный размер рамы привода; и 4) Определить правильное разрешение винта на основе требований к усилию.

Лучший способ прогнозирования срока службы — это тестирование приложений, которое настоятельно рекомендуется. Метод, использующийПроцент нагрузки в зависимости от количества цикловКривая служит хорошим первым приближением. Шаговые двигатели не имеют щёток, подверженных износу, и используют прецизионные, долговечные шарикоподшипники, поэтому основным изнашиваемым компонентом является ходовая гайка. Следовательно, количество циклов, которые устройство может проработать, сохраняя при этом свои проектные характеристики, зависит от нагрузки.

Обратитесь кПроцент нагрузки в зависимости от количества цикловТаблица для определения правильного коэффициента мощности привода, позволяющего ему выдержать 1 000 000 циклов. Получается, что он составляет 50%, т.е. коэффициент 0,5. Начальное номинальное усилие (Н), необходимое для компенсации нагрузки после 1 000 000 циклов, составляет 15 фунтов/0,5 = 30 фунтов, или 133 Н.

Теперь определим необходимую линейную механическую мощность в ваттах:

P_{линейный}= (Н × м)/т

В нашем примере это будет (133 × 0,0762)/6 = 1,7 Вт.

Используя эти данные, используйтеРазмер рамы приводаТаблица для выбора правильного типоразмера. Всем линейным актуаторам с шаговыми двигателями требуется привод для подачи импульсов на двигатель. Обратите внимание, что в таблице указана мощность как для привода L/R (постоянное напряжение), так и для привода с прерывателем (постоянный ток). Если устройство не работает от батареи (как в портативном устройстве), производители настоятельно рекомендуют использовать привод с прерывателем для достижения максимальной производительности. В данном примере анализ характеристик мощности привода с прерывателем в таблице показывает, что Haydon серии 43000 (гибридный типоразмер 17) наиболее точно соответствует требованию 1,7 Вт. Этот выбор соответствует требованиям по нагрузке без избыточного проектирования системы.

Далее вычисляем линейную скорость (в дюйм/с). Она вычисляется по формуле:м/ти составляет 3 дюйма/6 секунд = 0,5 дюйм/с. Имея в распоряжении оптимизированный размер рамы (гибридный размер 17) и линейную скорость (0,5 дюйм/с), используйте соответствующийСила против линейной скоростиКривая для определения необходимого разрешения ходового винта привода. В данном случае требуемое разрешение ходового винта составляет 0,00048 дюйма.

Помните, что ходовой винт перемещается в зависимости от количества шагов, поступающих на двигатель. Кривые производительности выражены как в дюймах в секунду, так и в шагах в секунду. Чтобы проверить свой выбор, проверьте усилие при необходимой частоте шагов, сверившись сСила против частоты пульсакривая, где: Выбранное разрешение = 0,00048 дюйма/шаг Требуемая линейная скорость = 0,5 дюйм/с Требуемая скорость шага = (0,5 дюйм/с)/ (0,00048 дюйма/шаг) = 1041 шаг.

Если отложить значение 1041 по оси X (частота пульса) и провести перпендикулярную линию из этой точки к кривой, то значение по оси Y (сила) составит 30. Следовательно, выбор правильный.