Линейные двигатели и актуаторы теперь конкурентоспособны по цене с шарико-винтовыми и ременными приводами и обеспечивают значительно более высокую гибкость и пропускную способность для сложных задач позиционирования. Новые микродвигатели и актуаторы помогают автоматизировать задачи, которые ранее были невозможны. Прямые линейные приводы всё чаще заменяют сервоуправляемые пневматические цилиндры, обеспечивая надёжность и управляемость, избавляя от необходимости дорогостоящего, шумного и требующего обслуживания воздушного компрессора.

В соответствии с требованиями полупроводниковой промышленности производители линейных двигателей постоянно повышают точность, снижают цены, разрабатывают различные типы двигателей и упрощают интеграцию в системы автоматизации. Современные линейные двигатели обеспечивают пиковое ускорение 20g и скорость 10 метров в секунду, обеспечивают непревзойденную динамическую маневренность, минимизируют потребность в обслуживании и увеличивают время безотказной работы. Они вышли за рамки специализированного применения в полупроводниковой промышленности, обеспечивая повышенную производительность во множестве приложений.

Технология прямого линейного привода, в десять раз превосходящая шарико-винтовые передачи по скорости и сроку службы, часто является единственным решением для автоматизации, повышающей производительность.

ДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕВОСХОДСТВО

Динамические характеристики традиционных позиционирующих механизмов ограничены ходовыми винтами, зубчатыми передачами, ременными передачами и гибкими муфтами, которые приводят к гистерезису, люфту и износу. Аналогичным образом, пневматические приводы страдают от массы поршня и трения поршня о цилиндр, а также от сжимаемости воздуха, что усложняет сервоуправление. Линейные двигатели и приводы избавляются от массы и инерции традиционных позиционеров и, избавившись от этих фундаментальных ограничений, обеспечивают непревзойденную динамическую жёсткость.

Прямое создание силы привода позволяет линейным двигателям и актуаторам достигать полосы пропускания замкнутого контура, недоступной при использовании альтернативных механизмов позиционирования. Двигатель и актуатор способны в полной мере использовать преимущества современных контроллеров. Эти контроллеры настроены на работу с высоким коэффициентом усиления контура, что обеспечивает широкополосное управление, быструю стабилизацию и быстрое восстановление после переходных процессов.

Линейные двигатели и актуаторы превосходно справляются с перемещением на миллиметровые расстояния в зоне статического трения. Их малая масса и минимальное статическое трение минимизируют движущую силу, необходимую для начала движения, и упрощают задачу системы управления по предотвращению перерегулирования при остановке. Эти характеристики позволяют двигателям и актуаторам с прямым приводом, например, сканировать предметные стекла микроскопов и отображать координаты артефактов по осям X и Y, расположенные всего в миллиметрах друг от друга.

Приложения, требующие быстрых повторяющихся движений, могут использовать высокую пропускную способность линейного привода, чтобы удвоить производительность шарико-винтовых или ременных приводов. Станки для нарезки рулонов материалов (бумаги, пластика и даже подгузников) максимально увеличивают производительность, работая без остановки потока материала. Для резки «на лету» такие станки ускоряют режущее лезвие, синхронизируя его с потоком материала, перемещают его к месту резки со скоростью материала и затем запускают резку. После резки лезвие возвращается в исходное положение для ожидания следующего цикла резки.

ТИПЫ ЛИНЕЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Доступны три основные конфигурации линейных двигателей: с плоской станиной, с U-образным каналом и трубчатые. Каждый двигатель имеет свои преимущества и ограничения.

Двигатели с плоской платформой, несмотря на неограниченный ход и максимальную тяговую силу, создают значительное и нежелательное магнитное притяжение между грузоподъёмной силой и постоянным магнитом двигателя. Это притяжение требует использования подшипников, выдерживающих дополнительную нагрузку.

Двигатель с U-образным каналом, оснащенный безжелезным сердечником, обладает малой инерцией, что обеспечивает максимальную маневренность. Однако магнитные катушки форсунки, несущие нагрузку, расположены глубоко внутри рамы с U-образным каналом, что затрудняет отвод тепла.

Трубчатые линейные двигатели прочны, термоэффективны и максимально просты в установке. Они представляют собой простую замену шарико-винтовым и пневматическим позиционерам. Постоянные магниты трубчатого двигателя заключены в трубку из нержавеющей стали (тяговый стержень), которая имеет опоры с обоих концов. Без дополнительной опоры тягового стержня ход груза ограничен 2–3 метрами в зависимости от диаметра тягового стержня.

Из всех трёх типов двигателей трубчатые двигатели лучше всего подходят для массового промышленного применения. Трубчатые линейные двигатели получили значительные преимущества благодаря фундаментальной инженерной инновации. В линейных двигателях Copley Controls традиционный внешний линейный энкодер заменяется встроенными датчиками Холла. Запатентованная магнитная цепь позволяет датчикам Холла достичь почти десятикратного повышения разрешения и повторяемости.

Поскольку линейные энкодеры могут стоить почти столько же, сколько и сам линейный двигатель, их отказ от них — существенный шаг к снижению затрат. Это также упрощает интеграцию линейного двигателя в системы автоматизации, поскольку не требуется поддержка и настройка сложного энкодера. К другим преимуществам относятся прочность, надёжность и отсутствие необходимости использования энкодера в защищённых условиях.

Трубчатые линейные двигатели могут быть преобразованы в мощные и универсальные линейные актуаторы с прямым приводом. В актуаторе актуатор остаётся неподвижным (крепится болтами к раме машины), а толкающий шток перемещается на подшипниках с низким трением, не требующих смазки, установленных внутри актуатора. Помимо превосходства по производительности над шарико-винтовыми парами и ременными приводами, линейный актуатор представляет собой более производительную альтернативу программируемым сервопневматическим системам позиционирования.

Трубчатые линейные двигатели позволяют удвоить производительность благодаря двум независимым силовым приводам, работающим на одном толкателе. Каждый силовой привод имеет собственный сервопривод и может перемещаться полностью независимо от другого. Например, один силовой привод может загружать, а другой — разгружать. Эта технология позволяет удвоить производительность, поднимая по два изделия за раз с быстро движущегося конвейера и точно размещая их на втором конвейере.

Аналогично, несколько силовых приводов, работающих на одном толкающем стержне, могут удвоить, утроить или даже учетверить движущую силу. Силовыми приводами может управлять один контроллер.

Сила, несущая линейный двигатель, перемещается по долговечным однорядным направляющим подшипникам. В отличие от них, шарико-винтовые механизмы преобразования вращательного движения в поступательное движение создают дополнительные источники износа, которые снижают производительность и сокращают срок службы.

Шток линейного привода перемещается по долговечным подшипникам, не требующим смазки, установленным в силовом механизме. Благодаря своей простоте привод способен выдерживать 10 миллионов рабочих циклов. Подшипники привода самоцентрируются, что упрощает монтаж. Усилие привода прикладывается непосредственно к штоку, что улучшает ускорение и отзывчивость.

Благодаря замене внешнего энкодера твердотельным датчиком, встроенным в силовой привод, двигатели и актуаторы с прямым приводом становятся очень простыми двухкомпонентными устройствами. Силовой привод и тяговый шток по своей природе являются очень прочными компонентами, что обеспечивает соответствие двигателя и актуатора международным стандартам водонепроницаемости IP67.

Отсутствие шлифующих шестерён и жужжащего ходового винта даёт линейным двигателям и актуаторам всё более важное требование к бесшумной работе. OSHA следует за европейскими промышленными нормами, которые устанавливают всё более строгие требования к уровню шума на рабочих местах. Бесшумная работа уже сейчас критически важна в лабораториях и больницах; эта проблема будет приобретать всё большую актуальность по мере распространения правил OSHA на другие производственные среды.