Doğrusal hareket sistemleri, hassas lazer kesim sistemleri, laboratuvar otomasyon ekipmanları, yarı iletken üretim makineleri, CNC makineleri, fabrika otomasyonu ve listelemek için çok sayıda başkası dahil olmak üzere sayısız makinenin içinde bulunur. Bunlar, bir yolcu aracında ucuz bir koltuk aktüatörü gibi nispeten basit olanlardan, kapalı devre konumlandırma için kontrol ve tahrik elektroniğiyle tamamlanmış 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 zaman diliminde bir yükü doğrusal bir mesafede hareket ettirmek.

Doğrusal hareket sistemi tasarlarken en sık sorulan sorulardan biri motor teknolojisine odaklanır. Teknoloji seçildikten sonra, motorun yük ivmelenmesinin taleplerini karşılayacak, sistemdeki sürtünmeyi aşacak ve yer çekiminin etkisini aşacak şekilde boyutlandırılması gerekir; tüm bunlar güvenli bir maksimum çalışma sıcaklığını korurken yapılır. Motorun torku, hızı, gücü ve konumlandırma yeteneği, tahrik ve kontrolle birleştirilmiş motor tasarımının bir fonksiyonudur.

HANGİ MOTORLA BAŞLAMALIYIM?

Belirli bir motor teknolojisini kullanarak doğrusal bir hareket sistemi tasarlarken dikkate alınması gereken birçok uygulama sorusu vardır. Tüm sürecin ayrıntılı bir açıklaması bu makalenin kapsamı dışındadır. Amaç, bir motor tedarikçisiyle konuşurken doğru soruları sormayı düşünmenizi sağlamaktır.

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 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 kurşun vida/bilyalı vida, dişli kutusu veya kasnak sistemi aracılığıyla çeviriye gerek yoktur. Çekirdeksiz doğrudan tahrikli doğrusal servo sistemleriyle maksimum doğruluk, tekrarlanabilirlik ve konumlandırma çözünürlüğü elde edilebilmesine rağmen, döner motorlarla karşılaştırıldığında en yüksek maliyet ve karmaşıklığa sahiptirler. Döner motorlar kullanan bir mimari çok daha az maliyetlidir ve doğrusal hareket uygulamalarının çoğunu karşılayacaktır; ancak, yükü sürmek için bazı "döner-doğrusal" dönüşüm araçlarına (ve sonuç olarak güç dönüşümüne) ihtiyaç vardır.

Stepper, fırça ve fırçasız motorların hepsi DC motor olarak kabul edilir; ancak, bir mühendisin belirli bir uygulamada bir türü diğer ikisine tercih etmesine neden olacak incelikler vardır. Bu seçimin, sadece 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 uzlaşmaları gerektirecektir. En temel düzeyde, AC veya DC, fırçalı, fırçasız veya bu konuda başka bir elektrik motoru olarak adlandırılsın, tüm motorlar tork üretmek için aynı fizik ilkesi altında çalışır: manyetik alanların etkileşimi. Ancak, bu çeşitli motor teknolojilerinin belirli uygulamalarda yanıt verme biçiminde önemli farklılıklar vardır. Genel motor performansı, yanıtı ve tork üretimi, fiziksel motor tasarımında bulunan alan uyarımı ve manyetik devre geometrisi yöntemine, kontrolör/sürücü tarafından giriş voltajının ve akımının kontrolüne ve uygulama gerektiriyorsa hız veya konum geri bildirimi yöntemine bağlıdır.

DC step motor, fırça servo ve fırçasız servo motor teknolojilerinin hepsi güç sağlamak için bir DC 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 elektroniklere ihtiyaç vardır. 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 tasarım yükü hareket ettirmek için gereken güçle (watt) başlar. Yükle başlayıp en sonunda tüm bileşenlerden sürücü güç kaynağına geri dönen analiz, sistemin bir bölümünden diğerine güç dönüşümünü anlamak ve aradaki bileşenlerin çeşitli verimliliklerini göz önünde bulundurmak için bir dizi adımdır. Sürücüye voltaj ve akım biçimindeki watt'lar en sonunda belirli bir yükü belirli bir sürede hareket ettiren mekanik çıkış watt'larına dönüşecektir.

Yükte ihtiyaç duyulan çıkış gücü hakkında bir gösterge elde etmek için, basit bir güç hesaplaması bir motorun yaklaşık değerini belirlemeye yardımcı olacaktır. Gereken ortalama çıkış gücünü anladıktan sonra, motora geri dönerek güç gereksinimlerini analiz etmeyi bitirin ve çeşitli güç dönüştürme elemanlarından geçin. Çeşitli bileşenlerin verimliliğini hesaba katmak için üreticilerin verilerine başvurulmalıdır, çünkü bu nihayetinde motorun ve güç kaynağının boyutunu belirleyecektir. Hangi birimlerle çalışılacağı kişisel tercihtir, ancak SI birimleri şiddetle önerilir. SI birimleriyle çalışmak, birden fazla dönüştürme sabitini hatırlama ihtiyacını ortadan kaldırır ve nihai sonuç her zaman İngiliz birimlerine geri dönüştürülebilir.

YÜKÜ GEREKLİ ZAMANDA TAŞIMAK 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'ı hesaplamak, sistemin geri kalanındaki bileşenleri belirlemek için bir başlangıç ​​noktası sağlayacaktır. Bu, 9 kg'lık bir kütleyi 1 saniyede A noktasından B noktasına dikey olarak hareket ettirmek için gereken ortalama güçtür. Sürtünme gibi sistem kayıpları dahil değildir. Gereken motor şaft gücü biraz daha yüksek olacaktır ve dişli kutusu ve vidalı mil gibi sistemde kullanılan diğer bileşenlere bağlıdır.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Bu, sistemden ihtiyaç duyulacak tepe gücünden 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, bunun gibi bir sistem işi başarmak için yaklaşık 37w tepe gücüne ihtiyaç duyacaktır. Bu bilgi, çeşitli diğer uygulama özellikleriyle birlikte, artık en uygun motor teknolojisini seçmeye yardımcı olacaktır.

HANGİ MOTOR TEKNOLOJİSİNİ DİKKATE ALMALIYIM?

Mükemmel konumlandırma yeteneği ve nispeten basit kontroller, bir tasarımcıyı önce bir adım motoru kullanma olasılığına bakmaya yönlendirir. Ancak bir adım motoru, yük taleplerini karşılarken küçük bir mekanik ayak izi gereksinimini karşılamaz. 37 watt'lık bir tepe güç gereksinimi çok büyük bir adım motoru gerektirir. Adım motorları düşük hızlarda çok yüksek torka sahip olsa da, hareket profilinin tepe hızı ve dolayısıyla güç gereksinimi en büyük adım motorları hariç hepsinin kapasitesini aşar.

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

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

MOTOR BOYUTLANDIRMASI SADECE BAŞLANGIÇTIR

Bu makale, nispeten basit bir doğrusal hareket uygulaması için bir motor teknolojisi seçerken bir tasarımcıya çeşitli hususları tanıtmak için kısa bir tartışmaydı. 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 dışındaki bir diğer husus, sistemin istenen ömrünü (döngü sayısı) karşılamak için uygun bir güvenlik faktörünün nasıl seçileceğidir. Sistem ömrü yalnızca motor boyutunun bir fonksiyonu değil, aynı zamanda dişli kutusu ve vidalı mil tertibatı 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.