Для точного автоматизированного позиционирования можно использовать линейные актуаторы на основе шаговых двигателей.

Линейные актуаторы, по сути, создают силу и движение по прямой линии. В типичной механической системе выходной вал устройства обеспечивает линейное перемещение с помощью вращающегося двигателя через шестерни, ремень и шкив или другие механические компоненты. Проблема в том, что эти компоненты должны быть соединены и выровнены. Хуже того, они добавляют в систему элементы износа, такие как трение и люфт. Для более точного позиционирования более эффективной и простой альтернативой являются линейные актуаторы 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. Приводы перемещаются на заданную величину вращательного движения при каждом электрическом импульсе. Эта так называемая «шаговая» функция и использование прецизионного ходового винта обеспечивают точное и воспроизводимое позиционирование.

Основы работы шагового двигателя
Для понимания принципа работы актуаторов полезно разобраться в основах работы шаговых двигателей. Существуют различные типы шаговых двигателей, включая двигатели с переменным магнитным сопротивлением (VR), двигатели с постоянными магнитами (PM) и гибридные двигатели. В данном обсуждении основное внимание уделяется гибридному шаговому двигателю, обеспечивающему высокий крутящий момент и высокую точность позиционирования (шаг 1,8 или 0,9°). В линейных актуаторных системах гибридные двигатели используются в таких устройствах, как...XYстолы, анализаторы крови, оборудование для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, небольшие портальные роботы, механизмы управления клапанами и автоматизированные системы сценического освещения.

Под корпусом гибридного шагового двигателя находится ротор с постоянными магнитами и стальной статор, обмотанный катушкой. Подача напряжения на катушку создает электромагнитное поле с северным и южным полюсами. Статор проводит магнитное поле, заставляя ротор выравниваться по этому полю. Поскольку последовательное включение и выключение обмоток катушки изменяет магнитное поле, каждый входной импульс или шаг вызывает постепенное перемещение ротора на 0,9 или 1,8 градуса вращения, в зависимости от гибридной модели. В линейном актуаторе на основе шагового двигателя резьбовая прецизионная гайка, встроенная в ротор, входит в зацепление с ходовым винтом (который заменяет обычный вал).

Ходовой винт создает линейную силу, используя простой механический принцип наклонной плоскости. Представьте себе стальной вал с наклонной плоскостью, обернутой вокруг него. Механическое преимущество или усиление силы определяется углом наклона, который является функцией диаметра винта, шага (осевого расстояния, на которое резьба продвигается за один оборот) и шага резьбы (осевого расстояния, измеряемого между соседними витками резьбы).

Резьба ходового винта преобразует небольшую вращательную силу в большую несущую способность, в зависимости от крутизны наклона (шага резьбы). Малый шаг обеспечивает большую силу, но меньшую линейную скорость. Большой шаг обеспечивает меньшую силу, но большую линейную скорость при том же источнике вращательной энергии. В некоторых конструкциях силовая гайка, встроенная в ротор, изготовлена ​​из подшипниковой бронзы, которая подходит для обработки внутренней резьбы. Но бронза представляет собой инженерный компромисс между смазывающей способностью и физической стабильностью. Лучшим материалом является смазываемый термопластик с гораздо меньшим коэффициентом трения в месте соединения гайки и резьбы винта.

Последовательности шагов
Существуют схемы управления шаговым двигателем, включающие пошаговое управление с включением одной фазы и пошаговое управление с включением двух фаз.

В последовательности включения одной фазы для упрощенного двухфазного двигателя, на шаге 1 показана фаза А возбужденного статора. Это обеспечивает магнитную блокировку ротора, поскольку разноименные полюса притягиваются. Включение фазы А и фазы В приводит к повороту ротора на 90° по часовой стрелке (шаг 2). На шаге 3 фаза В выключена, а фаза А включена, но с обратной полярностью по сравнению с шагом 1. Это приводит к повороту ротора еще на 90°. На шаге 4 фаза А выключена, а фаза В включена, с обратной полярностью по сравнению с шагом 2. Повторение этой последовательности приводит к повороту ротора по часовой стрелке с шагом 90°.

В режиме «двухфазное включение» обе фазы двигателя постоянно находятся под напряжением, и переключается только полярность одной из фаз. Это приводит к выравниванию ротора между «средним» северным и «средним» южным магнитными полюсами. Поскольку обе фазы постоянно включены, этот метод обеспечивает на 41,4% больший крутящий момент, чем режим «однофазное включение».

К сожалению, хотя пластик хорошо подходит для резьбы, он недостаточно стабилен для подшипниковых опор в гибридной шаговой конструкции. Это связано с тем, что при непрерывной полной нагрузке пластиковые опоры могут расширяться в четыре раза сильнее, чем латунные. Такая величина неприемлема, поскольку конструкция двигателя требует, чтобы воздушный зазор между статором и ротором составлял всего несколько тысячных долей дюйма. Решением этой проблемы является литье пластиковой резьбы внутри латунной втулки, которая будет вставляться в ротор с постоянными магнитами. Такой подход увеличивает срок службы двигателя и обеспечивает низкое трение, сохраняя при этом стабильность подшипниковых опор.

Среди различных типов приводов Haydon, «фиксированные» устройства имеют встроенный механизм защиты от вращения. Такая конфигурация обеспечивает максимальный ход до 2,5 дюймов и подходит для таких применений, как точное дозирование жидкостей, управление дроссельной заслонкой и перемещение клапанов. Другие типыХейдонЛинейные актуаторы бывают «нефиксированными» и «внешними линейными», которые подходят для применений, требующих большего хода, например, для перемещения пробирок с кровью с помощью небольших портальных роботов.XYсистемы движения и системы визуализации.

Расчет размеров привода
Наглядный пример наглядно демонстрирует, как правильно подобрать размер исполнительного механизма. Рассмотрим следующие параметры:

Линейная сила, необходимая для перемещения груза = 15 фунтов (67 Н)
Расстояние по прямой, м, на которое необходимо переместить груз = 3 дюйма (0,0762 м).
Время,tДля перемещения груза требуется 6 секунд.
Целевое количество циклов = 1 000 000

Расчет размеров линейного актуатора с шаговым двигателем включает четыре этапа: 1) Определение необходимой начальной силы актуатора для обеспечения требуемого срока службы; 2) Определение скорости в миллиметрах в секунду; 3) Выбор подходящего типоразмера корпуса актуатора; и 4) Определение необходимого разрешения винта в зависимости от требуемой силы.

Лучший способ предсказать жизнь — это тестирование приложений, которое настоятельно рекомендуется. Метод, использующий...Процент нагрузки в зависимости от количества цикловЭта кривая служит хорошим первым приближением. Шаговые двигатели не имеют изнашивающихся щеток и используют прецизионные шарикоподшипники с длительным сроком службы, поэтому основным изнашиваемым компонентом является силовая гайка. Следовательно, количество циклов, которые устройство выдерживает, оставаясь при этом в соответствии с проектными характеристиками, является функцией нагрузки.

Обратитесь кПроцент нагрузки в зависимости от количества цикловДля определения правильного коэффициента запаса прочности привода, способного выдержать 1 000 000 циклов, используется диаграмма. Оказывается, этот коэффициент составляет 50% — 0,5. Таким образом, начальная номинальная сила, Н, необходимая для выдерживания нагрузки после 1 000 000 циклов, составляет 15 фунтов / 0,5 = 30 фунтов или 133 Н.

Теперь определите требуемую линейную механическую мощность в ваттах:

P_{линейный}= (Н × м)/т

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

Используя эти данные, воспользуйтесьРазмер корпуса приводаТаблица позволяет выбрать правильный размер корпуса. Всем линейным актуаторам с шаговым двигателем 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 приложение не питается от батареи (например, портативное устройство), производители настоятельно рекомендуют использовать привод с прерывателем для достижения максимальной производительности. В этом примере анализ характеристик мощности привода с прерывателем в таблице показывает, что серия Haydon 43000 (гибридный типоразмер 17) наиболее точно соответствует требованию в 1,7 Вт. Этот выбор отвечает требованиям к нагрузке без излишнего усложнения системы.

Далее рассчитайте линейную скорость (в дюймах в секунду). Она определяется по формуле:м/ти составляет 3 дюйма/6 сек = 0,5 дюймов в секунду. Имея оптимизированный размер рамы (гибридный размер 17) и линейную скорость (0,5 дюймов в секунду), используйте соответствующуюСила против линейной скоростиДля определения необходимого разрешения ходового винта привода используется кривая. В данном случае требуемое разрешение ходового винта составляет 0,00048 дюйма.

Напомним, что ходовой винт перемещается в зависимости от количества шагов, подаваемых на двигатель. Кривые производительности выражаются как в «дюймах в секунду», так и в «шагах в секунду». Для проверки правильности выбора проверьте усилие при требуемой частоте шагов, обратившись к таблице.Сила в зависимости от частоты пульсакривая, где: Выбранное разрешение = 0,00048 дюйма/шаг. Требуемая линейная скорость = 0,5 дюймов/с. Требуемая частота шагов = (0,5 дюймов/с) / (0,00048 дюйма/шаг) = 1041 шаг.

Если отложить по оси X значение 1041 (частота пульса) и провести перпендикулярную линию от этой точки к кривой, то значение по оси Y (сила) будет равно 30. Следовательно, выбор верен.