Hassas otomatik konumlandırma için, kademeli motor tabanlı doğrusal aktüatörleri düşünün.

Doğrusal aktüatörler temelde düz bir çizgi boyunca kuvvet ve hareket üretirler. 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, kademeli motor tabanlı doğrusal aktüatörler daha etkili ve basit bir alternatif sunar.

Bu cihazlar, motorun içinde doğrudan dönme hareketinden doğrultu hareketine dönüşüm sağladıkları için, hassas doğrusal konumlandırma gerektiren bir makine veya mekanizmanın tasarımını basitleştirirler. Aktüatörler, her bir elektrik giriş darbesi için belirli bir derecede dönme hareketi gerçekleştirir. Bu "adım adım ilerleme" özelliği ve hassas bir vida mili kullanımı, hassas ve tekrarlanabilir konumlandırma sağlar.

Step motorun temelleri
Aktüatörlerin nasıl çalıştığını anlamak için, step motorların temellerini kavramak faydalıdır. Farklı step motor türleri arasında değişken relüktanslı (VR), kalıcı mıknatıslı (PM) ve hibrit motorlar bulunur. Bu tartışma, yüksek tork ve hassas konumlandırma çözünürlüğü (1,8 veya 0,9° adım) sağlayan hibrit step motor üzerine odaklanmaktadır. Doğrusal aktüatör sistemlerinde, hibrit motorlar aşağıdaki gibi cihazlarda bulunur:XYMasalar, kan analiz cihazları, HVAC ekipmanları, küçük portal robotlar, valf kontrol mekanizmaları ve otomatik sahne aydınlatma sistemleri.

Hibrit bir step motorun kaputunun altında, kalıcı mıknatıslı bir rotor ve bobin sargısıyla sarılmış çelik bir stator bulunur. Bobini enerjilendirmek, kuzey ve güney kutuplu bir elektromanyetik alan oluşturur. Stator manyetik alanı iletir ve rotorun kendisini alanla hizalamasına neden olur. Bobin sargılarının sırayla enerjilendirilmesi ve enerjisinin kesilmesi manyetik alanı değiştirdiğinden, her giriş darbesi veya adım, hibrit modele bağlı olarak rotorun kademeli olarak 0,9 veya 1,8 dönüş derecesi hareket etmesine neden olur. Step motorlu doğrusal aktüatörde, rotora gömülü dişli hassas bir somun, kurşun vidayla (geleneksel bir şaftın yerini alan) birleşir.

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

Vidalı milin dişleri, eğimin dikliğine (diş adımı) bağlı olarak küçük bir dönme kuvvetini büyük bir yük kapasitesine dönüştürür. Küçük bir diş adımı daha yüksek bir kuvvet sağlar ancak daha düşük doğrusal hızlar sunar. Büyük bir diş adımı ise aynı dönme gücü kaynağından daha düşük bir kuvvet ancak daha yüksek bir doğrusal hız sağlar. Bazı tasarımlarda, rotora gömülü güç somunu, iç dişlerin işlenmesine uygun, rulman sınıfı bronzdan yapılmıştır. Ancak bronz, yağlama özelliği ve fiziksel kararlılık arasında bir mühendislik uzlaşmasıdır. Daha iyi bir malzeme, somun-vida dişi arayüzünde çok daha düşük bir sürtünme katsayısına sahip yağlanmış bir termoplastiktir.

Adımlama dizileri
Step motoru çalıştırma şemaları arasında "tek faz açık" adımlama ve "çift faz açık" adımlama bulunur.

Basitleştirilmiş iki fazlı bir motor için "tek faz açık" dizisinde, 1. adımda enerjilendirilmiş statorun A fazı gösterilir. Zıt kutuplar birbirini çektiği için bu, rotoru manyetik olarak kilitler. A fazını kapatıp B fazını açmak, rotorun saat yönünde 90° dönmesine neden olur (2. adım). 3. adımda, B fazı kapatılır ve A fazı açılır, ancak kutuplar 1. adımdaki gibi tersine çevrilir. Bu, rotorun 90° daha dönmesine neden olur. 4. adımda, A fazı kapatılır ve B fazı açılır, kutuplar 2. adımdaki gibi tersine çevrilir. Bu dizinin tekrarı, rotorun saat yönünde 90°'lik adımlarla hareket etmesine neden olur.

“İki faz açık” dizisinde, motorun her iki fazı da her zaman enerjilidir ve yalnızca bir fazın kutupları değişir. Bu, rotorun kendisini “ortalama” kuzey ve “ortalama” güney manyetik kutupları arasında hizalamasına neden olur. Her iki faz da her zaman açık olduğundan, bu yöntem “tek faz açık” kademeli çalıştırmaya göre %41,4 daha fazla tork sağlar.

Ne yazık ki, plastik dişler için iyi sonuç verse de, hibrit kademeli motor tasarımındaki yatak milleri için yeterince kararlı değildir. Bunun nedeni, sürekli tam yük altında plastik miller, pirinç millerden dört kat daha fazla genleşebilmesidir. Bu miktar kabul edilemez çünkü motor tasarımı, stator ile rotor arasındaki hava boşluğunun yalnızca birkaç binde bir inç olmasını gerektirir. Bu sorunun üstesinden gelmenin bir yolu, kalıcı mıknatıslı rotora yerleştirilecek bir pirinç manşonun içine plastik dişler enjeksiyon kalıplama yöntemiyle üretmektir. Bu yaklaşım, motor ömrünü uzatır ve yatak mili kararlılığını korurken düşük sürtünme sağlar.

Haydon aktüatörlerinin farklı tipleri arasında, "sabit" cihazlar yerleşik bir dönme önleyici mekanizmaya sahiptir. Bu konfigürasyon, 2,5 inç'e kadar maksimum strok sağlar ve hassas sıvı dağıtımı, gaz kelebeği kontrolü ve valf hareketi gibi uygulamalar için uygundur. Diğer tiplerHaydonDoğrusal aktüatörler, küçük portal robotlar tarafından kan tüplerinin transferi gibi daha uzun hareket mesafesi gerektiren uygulamalar için uygun olan "bağlantısız" ve "harici doğrusal" aktüatörlerdir.XYhareket sistemleri ve görüntüleme sistemleri.

Aktüatörün boyutlandırılması
Bir aktüatörün boyutlandırılması en iyi şekilde bir uygulama örneğiyle gösterilebilir. Aşağıdaki parametreleri göz önünde bulundurun:

Yükü hareket ettirmek için gereken doğrusal kuvvet = 15 lb (67 N)
Yükün taşınması gereken doğrusal mesafe, m = 3 inç (0,0762 m)
Zaman,tYükü hareket ettirmek için gereken süre (saniye cinsinden) = 6 saniye
Hedef döngü sayısı = 1.000.000

Bir step motorlu lineer aktüatörün boyutlandırılmasında dört adım vardır: 1) Gerekli ömrü karşılamak için gereken aktüatörün ilk kuvvet değerini belirleyin; 2) Hızı milimetre/saniye cinsinden 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 testleridir. Bu testlerde kullanılan bir teknik,Yük Yüzdesi ve Döngü Sayısı Arasındaki İlişkiEğri, iyi bir ilk yaklaşım görevi görür. Step motorlarda aşınacak fırça bulunmaz ve hassas, uzun ömürlü bilyalı rulmanlar kullanılır, bu nedenle ana aşınma bileşeni güç somunudur. Dolayısıyla, bir cihazın tasarım özelliklerini karşılamaya devam ederken dayanabileceği çevrim sayısı, yüke bağlıdır.

Şuna bakın:Yük Yüzdesi ve Döngü Sayısı Arasındaki İlişkiAktüatörün 1.000.000 döngüye dayanabilmesi için doğru boyutlandırma faktörünü belirlemek üzere bir tablo kullanılmıştır. Bu faktör %50, yani 0,5 olarak bulunmuştur. Dolayısıyla, 1.000.000 döngüden sonra yükü karşılamak için gereken ilk nominal kuvvet (N) 15 lb/0,5 = 30 lb veya 133 N'dir.

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, şunları kullanın:Aktüatör çerçeve boyutuDoğru çerçeve boyutunu seçmek için tabloyu inceleyin. Tüm step motorlu lineer aktüatörler, motora darbe göndermek için bir sürücüye ihtiyaç duyar. Tabloda hem L/R sürücüsü (sabit voltaj) hem de kıyıcı sürücüsü (sabit akım) için güç listelenmiştir. Uygulama pil ile çalışmıyorsa (örneğin elde taşınabilir bir cihazda olduğu gibi), üreticiler maksimum performans için kıyıcı sürücüsünü şiddetle tavsiye eder. Bu örnekte, tablodaki kıyıcı sürücü güç özelliklerinin incelenmesi, Haydon 43000 Serisi'nin (Boyut 17 Hibrit) 1,7 W gereksinimini en iyi şekilde karşıladığını göstermektedir. Bu seçim, sistemi aşırı tasarlamadan yük gereksinimlerini karşılar.

Ardından, doğrusal hızı (ips) hesaplayın. Bu, aşağıdaki formülle verilir:m/tve 3 inç/6 saniye = 0,5 ips'ye denk gelir. Optimize edilmiş çerçeve boyutu (Boyut 17 Hibrit) ve doğrusal hız (0,5 ips) elinizdeyken, uygun olanı kullanın.Kuvvet ve Doğrusal Hız Arasındaki İlişkiAktüatör vida milinin doğru çözünürlüğünü belirlemek için eğri kullanılır. Bu durumda, gereken vida mili çözünürlüğü 0,00048 inçtir.

Unutmayın ki, vida mili, motora verilen giriş adımlarının sayısına bağlı olarak ilerler. Performans eğrileri hem "ips" hem de "adım/saniye" cinsinden ifade edilir. Seçiminizi doğrulamak için, gerekli adım hızındaki kuvveti kontrol edin.Kuvvet ve Nabız Hızı Arasındaki İlişkiEğri, burada: Seçilen çözünürlük = 0,00048 inç/adım Gerekli doğrusal hız = 0,5 ips Gerekli adım hızı = (0,5 ips) / (0,00048 inç/adım) = 1.041 adım.

X ekseni değeri (nabız hızı) olarak 1041'i belirleyip bu noktadan eğriye dik bir çizgi çizdiğimizde, Y ekseni değerinin (kuvvet) 30 olduğunu görüyoruz. Dolayısıyla seçim doğrudur.