Doğrusal hareket sistemleri, hassas lazer kesim sistemleri, laboratuvar otomasyon ekipmanları, yarı iletken üretim makineleri, CNC makineleri, fabrika otomasyonu ve burada listelenemeyecek kadar çok sayıda diğer makine de dahil olmak üzere sayısız makinenin içinde bulunur. Bunlar, binek araçlardaki ucuz bir koltuk aktüatörü gibi nispeten basit olanlardan, kapalı döngü konumlandırma için kontrol ve sürücü elektroniğiyle donatılmış karmaşık, çok eksenli bir koordinat sistemine kadar çeşitlilik gösterir. Doğrusal hareket sistemi ne kadar basit veya karmaşık olursa olsun, en temel düzeyde hepsinin ortak bir noktası vardır: bir yükü belirli bir süre içinde doğrusal bir mesafe boyunca hareket ettirmek.

Doğrusal hareket sistemleri tasarlanırken en sık sorulan sorulardan biri motor teknolojisiyle ilgilidir. Teknoloji seçildikten sonra, motorun yük ivmesinin gereksinimlerini karşılayacak, sistemdeki sürtünmeyi aşacak ve yerçekiminin etkisini ortadan kaldıracak şekilde boyutlandırılması gerekir; tüm bunlar güvenli bir maksimum çalışma sıcaklığını korurken yapılmalıdır. Motorun torku, hızı, gücü ve konumlandırma yeteneği, tahrik ve kontrol ile birlikte motor tasarımının bir fonksiyonudur.

HANGİ MOTORLA BAŞLAMALIYIM?

Belirli bir motor teknolojisi kullanılarak doğrusal hareket sistemi tasarlanırken dikkate alınması gereken birçok uygulama sorusu vardır. Tüm sürecin ayrıntılı bir açıklaması bu makalenin kapsamı dışındadır. Amaç, bir motor tedarikçisiyle görüşürken doğru soruları sormanız konusunda sizi düşünmeye sevk etmektir.

Her uygulama için en iyi motor diye bir şey yoktur, bunun yerine belirli bir uygulama için en iyi motor vardır. Artımlı hareket uygulamalarının büyük çoğunluğunda, seçim ya step motor, fırçalı DC motor ya da fırçasız DC motor olacaktır. En karmaşık hareket sistemleri, mekanik güç dönüşümüne gerek kalmadan doğrudan yüke bağlı doğrusal motorlar kullanabilir; bir vidalı mil/bilyalı mil, dişli kutusu veya kasnak sistemi üzerinden öteleme gerekmez. Çekirdeksiz doğrudan tahrikli doğrusal servo sistemlerle 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 karşılayacaktır; ancak, yükü sürmek için bir tür "dönerden doğrusala" dönüşüm (ve sonuç olarak güç dönüşümü) gereklidir.

Step motorlar, fırçalı motorlar ve fırçasız motorlar DC motor olarak kabul edilir; ancak, bir mühendisin belirli bir uygulamada bir türü diğer ikisine 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 tasarımda ödünleşmeler gerektirecektir. En temel düzeyde, ister AC ister DC, fırçalı, fırçasız veya başka herhangi bir elektrik motoru olarak adlandırılsın, tüm motorlar tork üretmek için aynı fizik prensibi altında çalışır: manyetik alanların etkileşimi. Bununla birlikte, bu çeşitli motor teknolojilerinin belirli uygulamalarda nasıl tepki verdiğinde önemli farklılıklar vardır. Genel motor performansı, tepkisi ve tork üretimi, fiziksel motor tasarımında bulunan alan uyarım yöntemine ve manyetik devre geometrisine, kontrolör/sürücü tarafından giriş voltajı ve akımının kontrolüne ve uygulama gerektiriyorsa hız veya konum geri besleme yöntemine bağlıdır.

DC step motor, fırçalı servo motor ve fırçasız servo motor teknolojilerinin tümü, güç sağlamak için DC besleme 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 duyulur. Aşağıda, 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. Yükten başlayarak ve nihayetinde tüm bileşenleri sürücü güç kaynağına kadar geriye doğru inceleyerek, analiz, sistemin bir bölümünden diğerine güç dönüşümünü anlamak ve aradaki bileşenlerin çeşitli verimliliklerini dikkate almak için bir dizi adımdan oluşur. Sürücüye giren voltaj ve akım biçimindeki watt'lar, nihayetinde belirli bir süre içinde belirli bir yükü hareket ettiren mekanik çıkış watt'larına dönüşecektir.

Yükte ihtiyaç duyulan çıkış gücünü tahmin etmek için basit bir güç hesaplaması, motorun yaklaşık değerini belirlemeye yardımcı olacaktır. Ortalama çıkış gücünü anladıktan sonra, motor ve sürücüye kadar çeşitli güç dönüştürme elemanlarını inceleyerek güç gereksinimlerini analiz etmeyi tamamlayın. Üreticilerin verilerine başvurularak çeşitli bileşenlerin verimliliği dikkate alınmalıdır, çünkü bu nihayetinde motorun ve güç kaynağının boyutunu belirleyecektir. Hangi birimlerle çalışılacağı kişisel tercihe bağlıdır, ancak SI birimleri şiddetle tavsiye edilir. SI birimlerinde çalışmak, birden fazla dönüştürme sabitini hatırlama ihtiyacını ortadan kaldırır ve sonuç her zaman İngiliz birimlerine geri dönüştürülebilir.

GEREKLİ SÜREDE YÜKÜ HAREKET ETTİRMEK İÇİN NE KADAR GÜÇ GEREKLİDİR?

Yerçekimine karşı kaldırılan 9 kg'lık bir kütle yaklaşık 88 N'luk bir kuvvete ihtiyaç duyacaktır. Yükü hareket ettirmek için gereken watt değerini hesaplamak, sistemin geri kalanındaki bileşenleri belirlemek için bir başlangıç ​​noktası sağlayacaktır. Bu, 9 kg'lık bir kütleyi dikey olarak A noktasından B noktasına 1 saniyede hareket ettirmek için gereken ortalama güçtür. Sürtünme gibi sistem kayıpları dahil edilmemiştir. Motor milinin gerektirdiği güç biraz daha yüksek olacaktır ve dişli kutusu ve kurşun vida gibi sistemde kullanılan diğer bileşenlere bağlıdır.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Bu, sistemden talep edilecek tepe güçten farklıdır. Hızlanma ve yavaşlama hesaba katıldığında, hareket profili sırasında anlık güç biraz daha yüksek olacaktır; ancak yükte ihtiyaç duyulan ortalama çıkış gücü yaklaşık 18 watt'tır. Tüm bileşenlerin kapsamlı bir analizinden sonra, bu tür bir sistemin işi tamamlamak için yaklaşık 37 watt tepe güce ihtiyacı olacaktır. Bu bilgi, diğer çeşitli uygulama özellikleriyle birlikte, en uygun motor teknolojisini seçmeye yardımcı olacaktır.

HANGİ MOTOR TEKNOLOJİSİNİ DİKKATE ALMALIYIM?

Mükemmel konumlandırma yeteneği ve nispeten basit kontroller, bir tasarımcıyı öncelikle step motor kullanma olasılığını düşünmeye yönlendirebilir. Bununla birlikte, bir step motor, yük taleplerini karşılarken küçük bir mekanik ayak izi gereksinimini karşılamaz. 37 watt'lık tepe güç gereksinimi, çok büyük bir step motor gerektirir. Step motorlar düşük hızlarda çok yüksek torka sahip olsalar da, hareket profilinin tepe hızı ve dolayısıyla güç gereksinimi, en büyük step motorlar dışındaki tüm step motorların kapasitesini aşmaktadır.

Fırçalı DC servo motor, yük gereksinimlerini karşılar, küçük bir mekanik ayak izine sahiptir ve düşük hızlarda çok düzgün bir dönüş sağlar; ancak, katı EMC gereksinimleri nedeniyle, bu özel uygulama için fırçalı motordan kaçınmak muhtemelen en iyisidir. Bu, fırçasız bir sisteme kıyasla daha ucuz bir alternatif olacaktır, ancak herhangi bir katı EMC gereksinimini karşılamada zorluk çıkarabilir.

Sinüzoidal tahrik sistemi kullanan fırçasız DC motor, yük ve hareket profili (yüksek güç yoğunluğu); düşük hızlarda düzgün, titreşimsiz hareket; ve küçük mekanik ayak izi dahil olmak üzere tüm uygulama gereksinimlerini karşılamak için ilk tercih olacaktır. Bu durumda, tahrik elektroniğinin yüksek frekanslı anahtarlaması nedeniyle EMI imzası potansiyeli hala mevcut olacaktır; ancak, daha dar bir frekans bandı nedeniyle hat içi filtreleme kullanılarak bu durum azaltılabilir. Fırçalı DC motor daha geniş bantlı bir EMI imzası sergiler ve bu da filtrelemeyi daha zor hale getirir.

MOTOR BOYUTLANDIRMASI SADECE BAŞLANGIÇTIR

Bu makale, nispeten basit bir doğrusal hareket uygulaması için motor teknolojisi seçerken tasarımcının dikkate alması gereken çeşitli hususları tanıtmak amacıyla yazılmış kısa bir tartışmadır. XY tablası veya çok eksenli hassas alma ve yerleştirme mekanizması gibi daha karmaşık bir sistem için prensipler aynı olsa da, her eksenin yük açısından bağımsız olarak analiz edilmesi gerekecektir. Bu makalenin kapsamı dışında kalan bir diğer husus ise, sistemin istenen ömrünü (çevrim sayısı) karşılamak için uygun bir güvenlik faktörünün nasıl seçileceğidir. Sistem ömrü sadece motor boyutuna değil, aynı zamanda dişli kutusu ve kurşun vida tertibatı gibi sistemdeki diğer mekanik elemanlara da bağlıdır. Konumlandırma doğruluğu, çözünürlük, tekrarlanabilirlik, maksimum yuvarlanma, eğim ve sapma vb. gibi diğer faktörler de doğrusal hareket sisteminin uygulama hedeflerini karşılamasını veya aşmasını sağlamak için önemli hususlardır.