Hassas otomatik konumlandırma için adım motor tabanlı doğrusal aktüatörleri düşünün.

Doğrusal aktüatörler esasen düz bir çizgi boyunca kuvvet ve hareket üretir. Tipik bir mekanik sistemde, bir cihazın çıkış mili, dişliler, kayış ve kasnak veya diğer mekanik bileşenler aracılığıyla döner bir motor kullanarak doğrusal hareket sağlar. Sorun şu ki, bu bileşenlerin birbirine bağlanması ve hizalanması gerekir. Daha da kötüsü, sisteme sürtünme ve boşluk gibi aşınma unsurları eklerler. Daha hassas konumlandırma ihtiyaçları için, daha etkili ve basit bir alternatif, adım motoru tabanlı doğrusal aktüatörlerdir.

Bu cihazlar, doğrudan motorun içinde döner-doğrusal dönüşüm sağladıkları için hassas doğrusal konumlandırma gerektiren bir makine veya mekanizmanın tasarımını kolaylaştırır. Aktüatörler, her elektriksel giriş darbesi için belirli bir dönme hareketi derecesi sağlar. Bu "adımlama" özelliği ve hassas bir vidalı mil kullanımı, hassas ve tekrarlanabilir konumlandırma sağlar.

Adım motoru temelleri
Aktüatörlerin nasıl çalıştığını anlamak için, adım motorlarının temellerini anlamak faydalıdır. Değişken relüktanslı (VR), kalıcı mıknatıslı (PM) ve hibrit adım motorları gibi farklı adım motoru türleri mevcuttur. Bu tartışma, yüksek tork ve hassas konumlandırma çözünürlüğü (1,8 veya 0,9° adım) sağlayan hibrit adım motoruna odaklanmaktadır. Doğrusal aktüatör sistemlerinde hibritler, aşağıdaki gibi cihazlarda bulunur:XYmasalar, kan analiz cihazları, HVAC ekipmanları, küçük portal robotları, vana kontrol mekanizmaları ve otomatik sahne aydınlatma sistemleri.

Hibrit bir adım motorunun kaputunun altında, kalıcı mıknatıslı bir rotor ve bobin sargısıyla sarılmış bir çelik stator bulunur. Bobine enerji verilmesi, kuzey ve güney kutupları olan bir elektromanyetik alan oluşturur. Stator manyetik alanı ileterek rotorun alanla hizalanmasını sağlar. Bobin sargılarına sırayla enerji verilmesi ve enerjisinin kesilmesi manyetik alanı değiştirdiğinden, her giriş darbesi veya adımı, rotorun hibrit modele bağlı olarak 0,9 veya 1,8 derecelik kademeli bir dönüş hareketine neden olur. Bir adım motorlu doğrusal aktüatörde, rotora gömülü dişli bir hassas somun, geleneksel bir şaftın yerini alan kılavuz vidayla birleşir.

Vidalı mil, eğimli düzlemin basit mekanik prensibini kullanarak doğrusal bir kuvvet sağlar. Etrafına bir rampa veya eğimli bir düzlem sarılmış çelik bir şaft düşünün. Mekanik avantaj veya kuvvet artışı, vida çapı, vida dişinin tek bir devirde ilerlediği eksenel mesafe ve diş aralığının (bitişik diş formları arasında ölçülen eksenel mesafe) bir fonksiyonu olan rampa açısı tarafından belirlenir.

Vida dişi kılavuzları, rampa dikliğine (diş kılavuzluğu) bağlı olarak küçük bir dönme kuvvetini büyük bir yük kapasitesine dönüştürür. Küçük bir kılavuz daha yüksek bir kuvvet ancak daha düşük doğrusal hızlar sağlar. Büyük bir kılavuz ise aynı dönme gücü kaynağından daha düşük bir kuvvet ancak daha yüksek doğrusal hız sağlar. Bazı tasarımlarda, rotora gömülü güç somunu, iç dişlerin işlenmesine uygun, rulman sınıfı bronzdan yapılır. Ancak bronz, kayganlık ve fiziksel stabilite arasında bir mühendislik uzlaşmasıdır. Daha iyi bir malzeme, somun-vida diş arayüzünde çok daha düşük sürtünme katsayısına sahip yağlanmış bir termoplastiktir.

Adım dizileri
Bir adım motorunu sürme şemaları arasında "tek fazlı" adımlama ve "iki fazlı" adımlama yer alır.

Basitleştirilmiş iki fazlı bir motor için "tek faz açık" dizisinde, 1. Adım, enerjili statorun A fazını gösterir. Bu, zıt kutuplar birbirini çektiği için rotoru manyetik olarak kilitler. A fazını kapalı ve B fazını açık konuma getirmek, rotorun saat yönünde 90° hareket etmesini sağlar (2. Adım). 3. Adımda, B fazı kapalı ve A fazı açıktır, ancak polarite 1. Adımdakiyle ters çevrilmiştir. Bu, rotorun 90° daha dönmesine neden olur. 4. Adımda, A fazı kapalı ve B fazı açık konuma getirilir; polarite 2. Adımdakiyle ters çevrilmiştir. Bu dizinin tekrarlanması, rotorun saat yönünde 90°'lik adımlarla hareket etmesine neden olur.

"İki faz açık" dizisinde, her iki motor fazı da sürekli enerjilidir ve yalnızca bir fazın polaritesi değişir. Bu, rotorun "ortalama" kuzey ve "ortalama" güney manyetik kutupları arasında hizalanmasına neden olur. Her iki faz da sürekli açık olduğundan, bu yöntem "tek faz açık" adımlama yöntemine göre %41,4 daha fazla tork sağlar.

Ne yazık ki, plastik dişler için iyi bir seçim olsa da, hibrit kademeli motor tasarımındaki yatak muyluları için yeterince kararlı değildir. Bunun nedeni, sürekli tam yük koşullarında plastik yatak muylularının pirinç yatak muylularına göre dört kat daha fazla genişleyebilmesidir. Bu miktar kabul edilemez çünkü motor tasarımı, stator-rotor hava boşluğunun yalnızca birkaç binde bir inç olmasını gerektirir. Bu sorunu aşmanın bir yolu, kalıcı mıknatıslı rotora yerleştirilecek pirinç bir manşonun içine plastik dişleri enjeksiyon kalıplamaktır. Bu yaklaşım, motor ömrünü uzatır ve yatak-yatak muylu stabilitesini korurken düşük sürtünme sağlar.

Haydon aktüatörlerinin farklı tiplerinden "tutsak" cihazlar, yerleşik bir dönme önleme mekanizmasına sahiptir. Bu konfigürasyon, 2,5 inç'e kadar maksimum strok sağlar ve hassas sıvı dağıtımı, gaz kelebeği kontrolü ve valf hareketi gibi uygulamalara uygundur. Diğer türlerHaydonDoğrusal aktüatörler, küçük portal robotlar tarafından kan tüplerinin transferi gibi daha uzun bir strok gerektiren uygulamalara uygun olan "tutsak olmayan" ve "harici doğrusal" aktüatörlerdir,XYhareket sistemleri ve görüntüleme sistemleri.

Bir aktüatörün boyutlandırılması
Bir uygulama örneği, bir aktüatörün nasıl boyutlandırılacağını en iyi şekilde göstermektedir. Aşağıdaki parametreleri göz önünde bulundurun:

Yükü hareket ettirmek için gereken doğrusal kuvvet = 15 lb (67 N)
Doğrusal mesafe, m, taşınması gereken yük = 3 inç (0,0762 m)
Zaman,t, yükü saniyeler içinde hareket ettirmek için gereken süre = 6 sn
Hedef döngü sayısı = 1.000.000

Bir adım motorlu doğrusal aktüatörün boyutlandırılmasında dört adım vardır: 1) Gerekli ömrü karşılamak için gereken aktüatörün başlangıç kuvvet derecesini belirleyin; 2) Hızı milimetre/saniye olarak belirleyin; 3) Uygun aktüatör çerçeve boyutunu seçin; ve 4) Kuvvet gereksinimlerine göre uygun vida çözünürlüğünü belirleyin.

Yaşamı tahmin etmenin en iyi yolu, şiddetle tavsiye edilen uygulama testidir.Yüzde Yük ve Döngü Sayısıeğrisi iyi bir ilk yaklaşım görevi görür. Adım motorlarının aşınacak fırçaları yoktur ve hassas, uzun ömürlü bilyalı rulmanlar kullanırlar, bu nedenle ana aşınma bileşeni güç somunudur. Bu nedenle, bir cihazın tasarım özelliklerini karşılarken dayandığı çevrim sayısı, yükün bir fonksiyonudur.

Şuna bakın:Yüzde Yük ve Döngü SayısıAktüatörün 1.000.000 çevrime dayanması için doğru boyutlandırma faktörünü belirlemek üzere bir tablo kullanın. Bu, %50'ye, yani 0,5'lik bir faktöre denk gelir. Dolayısıyla, 1.000.000 çevrimden sonra yükü karşılamak için gereken ilk nominal kuvvet (N), 15 lb/0,5 = 30 lb veya 133 N'dur.

Şimdi gerekli doğrusal mekanik gücü watt cinsinden belirleyelim:

P_doğrusal= (N × m)/t

Örneğimizde bu (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W olur

Bu verilerle şunu kullanın:Aktüatör çerçeve boyutuDoğru gövde boyutunu seçmek için tabloyu inceleyin. Tüm adım motorlu doğrusal aktüatörler, motora darbeler göndermek için bir sürücü gerektirir. Tabloda hem bir L/R sürücü (sabit voltaj) hem de bir kıyıcı sürücü (sabit akım) için güç değerlerinin listelendiğine dikkat edin. Uygulama pille çalışmıyorsa (taşınabilir bir cihaz gibi), üreticiler maksimum performans için bir kıyıcı sürücü önermektedir. Bu örnekte, tablodaki kıyıcı sürücü güç özellikleri incelendiğinde, Haydon 43000 Serisi'nin (Boyut 17 Hibrit) 1,7 W gereksinimini en iyi karşıladığı görülmektedir. Bu seçim, sistemi aşırı tasarlamadan yük gereksinimlerini karşılar.

Ardından, doğrusal hızı (ips) hesaplayın. Bu, şu şekilde verilir:m/tve 3 inç/6 saniye = 0,5 ips'ye gelir. Optimize edilmiş çerçeve boyutu (Boyut 17 Hibrit) ve doğrusal hız (0,5 ips) elinizdeyken, uygun olanı kullanınKuvvet ve Doğrusal HızAktüatör vidalı milinin uygun çözünürlüğünü belirlemek için eğriyi kullanın. Bu durumda, gereken vidalı mil çözünürlüğü 0,00048 inçtir.

Vidalı milin, motora giriş adım sayısına bağlı olarak ilerlediğini unutmayın. Performans eğrileri hem "ips" hem de "adım/sn" cinsinden ifade edilir. Seçiminizi doğrulamak için, gerekli adım hızındaki kuvveti aşağıdakilere bakarak kontrol edin:Kuvvet ve Nabız Hızıeğri, burada: Seçilen çözünürlük = 0,00048 inç/adım Gerekli doğrusal hız = 0,5 ips Gerekli adım oranı = (0,5 ips)/ (0,00048 inç/adım) = 1.041 adım.

X ekseni değeri (nabız hızı) olarak 1.041'i seçip bu noktadan eğriye dik bir çizgi çizdiğimizde Y ekseni değeri (kuvvet) 30 olarak görülmektedir. Dolayısıyla seçim doğrudur.