Для точного автоматизованого позиціонування розгляньте лінійні приводи на основі крокових двигунів.

Лінійні актуатори, по суті, генерують силу та рух по прямій лінії. У типовій механічній системі вихідний вал пристрою забезпечував би лінійний рух за допомогою обертового двигуна через шестерні, ремінь та шків або інші механічні компоненти. Проблема полягає в тому, що ці компоненти повинні бути з'єднані та вирівняні. Що ще гірше, вони додають до системи елементи зносу, такі як тертя та люфт. Для потреб точнішого позиціонування більш ефективною та простою альтернативою є лінійні актуатори на основі крокових двигунів.

Ці пристрої спрощують конструкцію машини або механізму, що потребує точного лінійного позиціонування, оскільки вони забезпечують перетворення обертання в лінійне безпосередньо всередині двигуна. Приводи здійснюють заданий обертальний рух для кожного вхідного електричного імпульсу. Ця так звана функція «крокового руху» та використання точного ходового гвинта забезпечують точне та повторюване позиціонування.

Основи крокового двигуна
Щоб зрозуміти, як працюють виконавчі механізми, корисно зрозуміти основи крокових двигунів. Різні типи крокових двигунів включають двигуни зі змінним реактивним зусиллям (VR), двигуни з постійними магнітами (PM) та гібридні. У цій статті розглядається гібридний кроковий двигун, який забезпечує високий крутний момент і точну роздільну здатність позиціонування (крок 1,8 або 0,9°). У лінійних системах виконавчих механізмів гібриди зустрічаються в таких пристроях, якXYстоли, аналізатори крові, обладнання для опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, невеликі портальні роботи, механізми керування клапанами та автоматизовані системи освітлення сцени.

Під капотом гібридного крокового двигуна розташований ротор з постійними магнітами та сталевий статор, обмотаний обмоткою котушки. Подача живлення на котушку створює електромагнітне поле з північним та південним полюсами. Статор проводить магнітне поле, змушуючи ротор вирівнюватися з полем. Оскільки послідовне подання та зняття живлення на обмотки котушки змінює магнітне поле, кожен вхідний імпульс або крок змушує ротор поступово рухатися на 0,9 або 1,8 градуса обертання, залежно від гібридної моделі. У лінійному актуаторі крокового двигуна різьбова прецизійна гайка, вбудована в ротор, входить у зачеплення з ходовим гвинтом (який замінює звичайний вал).

Ходовий гвинт забезпечує лінійну силу, використовуючи простий механічний принцип похилої площини. Уявіть собі сталевий вал з нахилом або похилою площиною, що обертається навколо нього. Механічна перевага або посилення сили визначається кутом нахилу, який є функцією діаметра гвинта, кроку (осьової відстані, на яку різьба просувається за один оберт) та кроку (осьової відстані, виміряної між сусідніми формами різьби).

Різьба ходового гвинта перетворює невелику обертальну силу на велику вантажопідйомність, залежно від крутизни нахилу (кроку різьби). Невеликий крок забезпечує вищу силу, але нижчі лінійні швидкості. Великий крок забезпечує меншу силу, але вищу лінійну швидкість від того ж джерела обертальної потужності. У деяких конструкціях силова гайка, вбудована в ротор, виготовлена ​​з бронзи підшипникового класу, яка підходить для обробки внутрішньої різьби. Але бронза є інженерним компромісом між змащувальною здатністю та фізичною стабільністю. Кращим матеріалом є змащений термопластик зі значно нижчим коефіцієнтом тертя на межі між гайкою та різьбою.

Крокові послідовності
Схеми керування кроковим двигуном включають кроковий двигун з увімкненою однією фазою та кроковий двигун з увімкненою двома фазами.

У послідовності «ввімкнення однієї фази» для спрощеного двофазного двигуна, крок 1 показує фазу А статора під напругою. Це магнітно блокує ротор, оскільки різносторонні полюси притягуються. Увімкнення фаз А та В змушує ротор рухатися на 90° за годинниковою стрілкою (крок 2). На кроці 3 фаза В вимкнена, а фаза А ввімкнена, але з протилежною полярністю порівняно з кроком 1. Це змушує ротор обертатися ще на 90°. На кроці 4 фаза А вимикається, а фаза В вмикається з протилежною полярністю порівняно з кроком 2. Повторення цієї послідовності змушує ротор рухатися за годинниковою стрілкою з кроком 90°.

У послідовності «увімкнення двох фаз» обидві фази двигуна завжди під напругою, і перемикається лише полярність однієї фази. Це призводить до вирівнювання ротора між «середнім» північним та «середнім» південним магнітними полюсами. Оскільки обидві фази завжди увімкнені, цей метод забезпечує на 41,4% більший крутний момент, ніж кроковий режим «увімкнення однієї фази».

На жаль, хоча пластик добре підходить для різьби, він недостатньо стабільний для шийок підшипників у гібридній конструкції крокового двигуна. Це пояснюється тим, що за умови постійного повного навантаження пластикові шийки можуть розширюватися в чотири рази більше, ніж латунні. Ця величина неприйнятна, оскільки конструкція двигуна вимагає, щоб повітряний зазор між статором і ротором становив лише кілька тисячних дюйма. Спосіб вирішення цієї проблеми полягає у лиття під тиском пластикової різьби всередині латунної втулки, яка буде вставлена ​​в ротор з постійними магнітами. Такий підхід збільшує термін служби двигуна та забезпечує низьке тертя, зберігаючи при цьому стабільність підшипникової шийки.

З різних типів приводів Haydon, «залежні» пристрої мають вбудований механізм проти обертання. Така конфігурація забезпечує максимальний хід до 2,5 дюйма та підходить для таких застосувань, як точне дозування рідини, керування дросельною заслінкою та рух клапана. Інші видиГейдонЛінійні актуатори – це «незалежні» та «зовнішні лінійні», які підходять для застосувань, що потребують більшого ходу, таких як переміщення пробірок з кров’ю невеликими портальними роботами,XYсистеми руху та системи візуалізації.

Визначення розміру виконавчого механізму
Приклад застосування найкраще показує, як визначити розмір виконавчого механізму. Враховуйте такі параметри:

Лінійна сила, необхідна для переміщення вантажу = 15 фунтів (67 Н)
Лінійна відстань, м, вантаж потрібно перемістити = 3 дюйми (0,0762 м)
Час,t, необхідний для переміщення вантажу за секунди = 6 сек
Цільова кількість циклів = 1 000 000

Існує чотири кроки для визначення розміру лінійного приводу з кроковим двигуном: 1) Визначення початкового номінального зусилля приводу, необхідного для забезпечення необхідного терміну служби; 2) Визначення швидкості в міліметрах/секунду; 3) Виберіть відповідний розмір рами приводу; та 4) Визначення належної роздільної здатності гвинта на основі вимог до зусилля.

Найкращий спосіб передбачити тривалість життя – це тестування додатків, яке дуже рекомендується. Методика, що використовуєВідсоток навантаження проти кількості циклівКрива служить гарним першим наближенням. Крокові двигуни не мають щіток, що зношуються, і вони використовують прецизійні, довговічні кулькові підшипники, тому основним компонентом, що зношується, є силова гайка. Отже, кількість циклів, протягом яких пристрій працює, дотримуючись проектних характеристик, залежить від навантаження.

Зверніться доВідсоток навантаження проти кількості циклівдіаграму, щоб визначити правильний коефіцієнт розміру, щоб привод витримував 1 000 000 циклів. Виявляється, це становить 50% — коефіцієнт 0,5. Початкова номінальна сила, Н, необхідна для витримування навантаження після 1 000 000 циклів, таким чином, становить 15 фунтів/0,5 = 30 фунтів або 133 Н.

Тепер визначимо необхідну лінійну механічну потужність у ватах:

P_{лінійний}= (Н × м)/т

У нашому прикладі це стає (133 × 0,0762)/6 = 1,7 Вт

З цими даними використовуйтеРозмір рами приводутаблицю, щоб вибрати правильний розмір корпусу. Усі лінійні приводи з кроковими двигунами потребують приводу для надсилання імпульсів до двигуна. Зверніть увагу, що в таблиці вказано потужність як для приводу L/R (постійна напруга), так і для приводу з перериванням (постійний струм). Якщо застосування не живиться від батареї (як у портативному пристрої), виробники наполегливо рекомендують привод з перериванням для максимальної продуктивності. У цьому прикладі огляд характеристик потужності приводу з перериванням у таблиці показує, що Haydon серії 43000 (гібридний розмір 17) найбільше відповідає вимозі 1,7 Вт. Цей вибір відповідає вимогам до навантаження без надмірного проектування системи.

Далі обчисліть лінійну швидкість (ips). Вона визначається якм/ті становить 3 дюйми/6 сек = 0,5 дюйма в секунду. Маючи оптимізований розмір рами (гібридний розмір 17) та лінійну швидкість (0,5 дюйма в секунду), використовуйте відповіднийСила проти лінійної швидкостікриву для визначення належної роздільної здатності ходового гвинта приводу. У цьому випадку необхідна роздільна здатність ходового гвинта становить 0,00048 дюйма.

Пам’ятайте, що ходовий гвинт просувається залежно від кількості кроків, що подаються на двигун. Криві продуктивності виражаються як в «ips», так і в «кроках/с». Щоб перевірити свій вибір, перевірте силу на потрібній швидкості кроку, звернувшись доСила проти частоти пульсукрива, де: обрана роздільна здатність = 0,00048 дюйма/крок Необхідна лінійна швидкість = 0,5 дюйма/с Необхідна швидкість кроку = (0,5 дюйма/с)/ (0,00048 дюйма/крок) = 1041 крок.

Якщо відкласти значення 1,041 по осі X (частота пульсу) та провести перпендикулярну лінію від цієї точки до кривої, то значення по осі Y (сила) дорівнює 30. Отже, вибір правильний.