Doğrusal hareket sistemleri, hassas lazer kesim sistemleri, laboratuvar otomasyon ekipmanları, yarı iletken üretim makineleri, CNC makineleri, fabrika otomasyonu ve listelenemeyecek kadar çok sayıda makine dahil olmak üzere sayısız makinede bulunur. Bunlar, bir binek araçtaki ucuz bir koltuk aktüatörü gibi nispeten basit olanlardan, kapalı devre konumlandırma için kontrol ve tahrik elektroniğiyle donatılmış karmaşık, çok eksenli bir koordinat sistemine kadar uzanır. Doğrusal hareket sistemi ne kadar basit veya karmaşık olursa olsun, en temel düzeyde hepsinin ortak bir noktası vardır: belirli bir sürede bir yükü doğrusal bir mesafede hareket ettirmek.

Doğrusal hareket sistemi tasarlarken en sık sorulan sorulardan biri motor teknolojisidir. Teknoloji seçildikten sonra, motorun yük ivmesi, sistemdeki sürtünme ve yer çekimi etkilerinin üstesinden gelebilecek ve güvenli bir maksimum çalışma sıcaklığını koruyacak şekilde boyutlandırılması gerekir. Motorun torku, hızı, gücü ve konumlandırma kabiliyeti, tahrik ve kontrol ile birlikte motor tasarımının bir fonksiyonudur.

HANGİ MOTORLA BAŞLAMALIYIM?

Belirli bir motor teknolojisi kullanarak doğrusal hareket sistemi tasarlarken göz önünde bulundurulması gereken birçok uygulama sorusu vardır. Tüm sürecin ayrıntılı bir açıklaması bu makalenin kapsamını aşar. Amaç, bir motor tedarikçisiyle görüşürken doğru soruları sormanız konusunda sizi düşünmeye sevk etmektir.

Her uygulama için en iyi motor diye bir şey yoktur, ancak belirli bir uygulama için en iyi motor vardır. Artımlı hareket uygulamalarının büyük çoğunluğunda, seçim bir adım motoru, fırçalı DC motor veya fırçasız DC motor olacaktır. En karmaşık hareket sistemleri, mekanik güç dönüşümüne gerek kalmadan doğrudan yüke bağlı doğrusal motorlar kullanabilir; bir kılavuz vida/bilyalı vida, dişli kutusu veya kasnak sistemi aracılığıyla dönüştürmeye gerek yoktur. Çekirdeksiz doğrudan tahrikli doğrusal servo sistemleri ile maksimum doğruluk, tekrarlanabilirlik ve konumlandırma çözünürlüğü elde edilebilse de, döner motorlarla karşılaştırıldığında en yüksek maliyet ve karmaşıklığa sahiptirler. Döner motorlar kullanan bir mimari çok daha ucuzdur ve doğrusal hareket uygulamalarının çoğunu karşılar; ancak, yükü sürmek için bir tür "döner-doğrusal" dönüşüm (ve sonuç olarak güç dönüşümü) gereklidir.

Adım motorları, fırçalı ve fırçasız motorlar DC motor olarak kabul edilir; ancak, bir mühendisin belirli bir uygulamada bir türü diğerine tercih etmesine neden olacak incelikler mevcuttur. Bu seçimin, yalnızca hız ve tork açısından değil, aynı zamanda konumlandırma doğruluğu, tekrarlanabilirlik ve çözünürlük gereksinimleri açısından da sistemin tasarım gereksinimlerine büyük ölçüde bağlı olduğu vurgulanmalıdır. Her uygulama için mükemmel bir motor yoktur ve tüm kararlar tasarım açısından bazı ödünleşimler gerektirir. En temel düzeyde, ister AC ister DC, ister fırçalı, fırçasız veya başka bir elektrik motoru olsun, tüm motorlar tork üretmek için aynı fizik prensibiyle çalışır: manyetik alanların etkileşimi. Ancak, bu çeşitli motor teknolojilerinin belirli uygulamalara tepki verme biçiminde önemli farklılıklar vardır. Genel motor performansı, tepkisi ve tork üretimi, fiziksel motor tasarımında bulunan alan uyarma yöntemine ve manyetik devre geometrisine, kontrolör/sürücü tarafından giriş voltajı ve akımının kontrolüne ve uygulama gerektiriyorsa hız veya konum geri bildirimi yöntemine bağlıdır.

DC step motor, fırçalı servo ve fırçasız servo motor teknolojilerinin tümü, güç sağlamak için bir DC güç kaynağı kullanır. Doğrusal hareket uygulamaları için bu, sabit bir DC kaynağının doğrudan motor sargılarına uygulanabileceği anlamına gelmez; sargı akımını (çıkış torkuyla ilgili) ve sargı voltajını (çıkış hızıyla ilgili) kontrol etmek için elektronik devrelere ihtiyaç vardır. Aşağıda, bu 3 teknolojinin güçlü ve zayıf yönlerinin bir özeti verilmiştir.

Doğrusal sistemin tasarımı, yük kütlesi ve kütlenin A noktasından B noktasına ne kadar hızlı hareket etmesi gerektiğiyle başlar. Motor tipi, boyutu ve mekanik tasarımı, yükü hareket ettirmek için gereken güç (watt) ile başlar. Yükle başlayıp, tüm bileşenlerden sürücü güç kaynağına kadar uzanan analiz, sistemin bir bölümünden diğerine güç dönüşümünü anlamak ve aradaki bileşenlerin çeşitli verimliliklerini göz önünde bulundurmak için bir dizi adımdan oluşur. Sürücüye voltaj ve akım şeklinde iletilen watt'lar, belirli bir yükü belirli bir sürede hareket ettiren mekanik çıkış watt'ına dönüşecektir.

Yükte ihtiyaç duyulan çıkış gücünü belirlemek için basit bir güç hesaplaması, motorun yaklaşık değerini belirlemeye yardımcı olacaktır. Gerekli ortalama çıkış gücünü anladıktan sonra, motora geri dönerek güç gereksinimlerini analiz edin ve çeşitli güç dönüştürme elemanlarını kullanın. Çeşitli bileşenlerin verimliliğini hesaba katmak için üretici verilerine başvurulmalıdır, çünkü bu nihayetinde motorun ve güç kaynağının boyutunu belirleyecektir. Hangi birimleri kullanacağınız kişisel tercihinize bağlıdır, ancak SI birimleri şiddetle tavsiye edilir. SI birimleriyle çalışmak, birden fazla dönüştürme sabitini hatırlama ihtiyacını ortadan kaldırır ve nihai sonuç her zaman İngiliz birimlerine geri dönüştürülebilir.

YÜKÜ GEREKLİ SÜREDE HAREKET ETTİRMEK İÇİN NE KADAR GÜÇ GEREKLİDİR?

Yerçekimine karşı kaldırılan 9 kg'lık bir kütle yaklaşık 88 N'luk bir kuvvet gerektirecektir. Yükü hareket ettirmek için gereken watt değerini hesaplamak, sistemin geri kalanındaki bileşenleri belirlemek için bir başlangıç noktası sağlayacaktır. Bu, 9 kg'lık bir kütleyi A noktasından B noktasına 1 saniyede dikey olarak hareket ettirmek için gereken ortalama güçtür. Sürtünme gibi sistem kayıpları hesaba katılmamıştır. Gerekli motor şaft gücü biraz daha yüksek olacak ve dişli kutusu ve vidalı mil gibi sistemde kullanılan diğer bileşenlere bağlı olacaktır.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Bu, sistemden ihtiyaç duyulacak maksimum güçten farklıdır. Hızlanma ve yavaşlama hesaba katıldığında, hareket profili sırasındaki anlık güç biraz daha yüksek olacaktır; ancak yükte ihtiyaç duyulan ortalama çıkış gücü yaklaşık 18 watt'tır. Tüm bileşenlerin kapsamlı bir analizinden sonra, böyle bir sistemin işi başarması için yaklaşık 37 watt maksimum güce ihtiyacı olacaktır. Bu bilgi, diğer çeşitli uygulama özellikleriyle birlikte, en uygun motor teknolojisini seçmenize yardımcı olacaktır.

HANGİ MOTOR TEKNOLOJİSİNİ DÜŞÜNMELİYİM?

Mükemmel konumlandırma kabiliyeti ve nispeten basit kontroller, bir tasarımcıyı öncelikle bir adım motoru kullanma olasılığını değerlendirmeye yönlendirecektir. Ancak bir adım motoru, yük taleplerini karşılarken küçük bir mekanik ayak izi gereksinimini karşılamayacaktır. 37 watt'lık bir tepe güç gereksinimi, çok büyük bir adım motoru gerektirecektir. Adım motorları düşük hızlarda çok yüksek torka sahip olsalar da, hareket profilinin tepe hızı ve dolayısıyla güç gereksinimi, en büyük adım motorları hariç tüm motorların kapasitesini aşmaktadır.

Fırçalı DC servo motor, yük gereksinimlerini karşılar, küçük bir mekanik ayak izine sahiptir ve düşük hızlarda oldukça düzgün bir dönüş sağlar; ancak, sıkı EMC gereklilikleri nedeniyle, bu özel uygulama için fırçalı motor kullanmaktan kaçınmak muhtemelen en iyisidir. Bu, fırçasız bir sisteme kıyasla daha ucuz bir alternatif olacaktır, ancak katı EMC gerekliliklerini karşılamada zorluk yaratabilir.

Sinüzoidal tahrik sistemi kullanan fırçasız DC motor, yük ve hareket profili (yüksek güç yoğunluğu), düşük hızlarda akıcı, dişlisiz hareket ve küçük mekanik ayak izi gibi tüm uygulama gereksinimlerini karşılamak için ilk tercih olacaktır. Bu durumda, tahrik elektroniğinin yüksek frekanslı anahtarlaması nedeniyle bir EMI imzası olasılığı yine de mevcut olacaktır; ancak bu, daha dar bir frekans bandı sayesinde hat içi filtreleme kullanılarak hafifletilebilir. Fırçalı DC motor, daha geniş bantlı bir EMI imzası sergiler ve bu da filtrelemeyi daha zor hale getirir.

MOTOR BOYUTLANDIRMASI SADECE BAŞLANGIÇ

Bu makale, nispeten basit bir doğrusal hareket uygulaması için bir motor teknolojisi seçerken bir tasarımcıya çeşitli hususları tanıtmak amacıyla kısa bir tartışma niteliğindedir. Prensipler, bir XY tablası veya çok eksenli hassas alma ve yerleştirme mekanizması gibi daha karmaşık bir sistem için aynı olsa da, her eksenin yük açısından bağımsız olarak analiz edilmesi gerekecektir. Bu makalenin kapsamı dışında kalan bir diğer husus, sistemin istenen ömrünü (çevrim sayısı) karşılamak için uygun bir güvenlik faktörünün nasıl seçileceğidir. Sistem ömrü yalnızca motor boyutunun değil, aynı zamanda dişli kutusu ve vidalı mil düzeneği gibi sistemdeki diğer mekanik elemanların da bir fonksiyonudur. Konumlandırma doğruluğu, çözünürlük, tekrarlanabilirlik, maksimum yuvarlanma, eğim ve sapma vb. gibi diğer faktörler, doğrusal hareket sisteminin uygulama hedeflerini karşılamasını veya aşmasını sağlamak için önemli hususlardır.