Лінійні двигуни набувають все більшого поширення. Вони забезпечують машинам найвищу точність і динамічні характеристики.

Лінійні двигуни дуже швидкі та точні для позиціонування, але також здатні до повільної, постійної швидкості переміщення для головок машин та напрямних, а також систем обробки інструментів та деталей. Різноманітні застосування — лазерна хірургія, візуальний контроль та обробка пляшок та багажу — використовують лінійні двигуни, оскільки вони надзвичайно надійні, потребують мінімального обслуговування та покращують виробничі цикли.

Вища швидкість і сила

Лінійні двигуни безпосередньо з'єднані з навантаженням, що усуває безліч з'єднувальних компонентів — механічні муфти, шківи, ​​зубчасті ремені, кулькові гвинти, ланцюгові передачі та рейкові шестерні, і це лише деякі з них. Це, у свою чергу, зменшує витрати і навіть люфти. Лінійні двигуни також забезпечують стабільний рух, точне позиціонування протягом сотень мільйонів циклів і вищі швидкості.

Типові швидкості, досяжні з лінійними двигунами, різняться: використовують машини для переміщення (які виконують багато коротких рухів) та інспекційне обладнання.лінійні крокові двигунизі швидкістю до 60 дюймів/с; застосування летючих ножиць та машини для захвату та розміщення, що виконують довші переміщення, використовуютьбезщітковий без шестереньлінійні двигуни для швидкостей до 200 дюймів/с; американські гірки, пускові установки для транспортних засобів та засоби для переміщення людей використовують лінійнііндукція змінного струмудвигуни для досягнення швидкості до 2000 дюймів/с.

Ще один фактор, який визначає, яка технологія лінійного двигуна є найкращою: сила, необхідна для переміщення навантаження застосунку. Вантаж або маса разом із профілем прискорення застосунку зрештою визначають цю силу.

Кожне застосування створює різні проблеми; однак, загалом, системи переміщення деталей використовують лінійні крокові двигуни із зусиллям до 220 Н або 50 фунтів; напівпровідникові, лазерне різання, гідроструменеве різання та робототехніка використовують безщіткові беззубчасті двигуни до 2500 Н; конвеєрні системи використовують лінійні асинхронні двигуни змінного струму до 2200 Н; а лінії переміщення та верстати використовують безщіткові двигуни із залізним сердечником до 14 000 Н. Майте на увазі, що кожне застосування відрізняється, і інженери-застосовувачі виробників зазвичай надають допомогу на цьому етапі специфікації.

Окрім швидкості та сили, існують й інші фактори. Наприклад, конвеєрні системи використовують лінійні асинхронні двигуни змінного струму через їхню велику довжину ходу та переваги наявності пасивної вторинної обмотки без постійних магнітів. У таких сферах застосування, як лазерна хірургія ока та виготовлення напівпровідників, використовується безщітковий двигун без зубчастих передач для точності та плавності ходу.

Базові операції

Лінійні двигуни працюють завдяки взаємодії двох електромагнітних сил — тій самій базовій взаємодії, яка створює крутний момент у роторному двигуні.

Уявіть, що ви розрізаєте роторний двигун, а потім вирівнюєте його: це дає приблизне уявлення про геометрію лінійного двигуна. Замість того, щоб з'єднувати навантаження з обертовим валом для крутного моменту, навантаження з'єднується з плоским рухомим вагонетом для лінійного руху та сили. Коротше кажучи, крутний момент є виразом роботи, яку виконує роторний двигун, тоді як сила є виразом роботи лінійного двигуна.

Точність

Розглянемо спочатку традиційну роторну крокову систему: підключена до кульового гвинта з кроком 5 обертів на дюйм, точність становить приблизно від 0,004 до 0,008 дюйма, або від 0,1 до 0,2 мм. Роторна система, що живиться від серводвигуна, має точність від 0,001 до 0,0001 дюйма.

На відміну від цього, лінійний двигун, безпосередньо підключений до навантаження, забезпечує точність від 0,0007 до 0,000008 дюйма. Зверніть увагу, що люфт муфти та кульового гвинта не враховано на цих рисунках, і це ще більше знижує точність обертових систем.

Відносна точність варіюється: типовий роторний кроковий двигун, який ми тут детально описуємо, все ще може позиціонуватися з точністю до діаметра людської волосини. Проте, сервоприводи покращують це до 80 разів, тоді як лінійний двигун може ще більше покращити це — до 500 разів меншого діаметра за людську волосину.

Іноді технічне обслуговування та вартість (протягом терміну служби обладнання) є важливішими міркуваннями, ніж точність. Лінійні двигуни також перевершують і тут: витрати на технічне обслуговування зазвичай зменшуються з використанням лінійних двигунів, оскільки безконтактні деталі покращують роботу машини та збільшують середній час між відмовами. Крім того, нульовий люфт лінійних двигунів усуває удари, що ще більше подовжує термін служби машини. Інші переваги: ​​час між циклами технічного обслуговування можна збільшити, що забезпечує більший операційний потік. Менше технічного обслуговування та залучення персоналу покращує кінцевий результат — прибуток — та знижує вартість володіння протягом терміну служби обладнання.

Порівняння переваг

Застосування вимагає лінійного руху. Якщо використовується роторний двигун, то для перетворення обертального руху в лінійний необхідний механічний механізм перетворення. Тут конструктори вибирають механізм перетворення, який найбільше підходить для застосування, мінімізуючи обмеження.

• Лінійний двигун проти ременя та шківа:Для отримання лінійного руху від роторного двигуна поширеним підходом є використання ременя та шківа. Як правило, сила тяги обмежується міцністю на розтяг ременя; швидкі пуски та зупинки можуть спричинити розтягування ременя і, отже, резонанс, що призводить до збільшення часу стабілізації. Механічне змотування, люфт та розтягування ременя також знижують повторюваність, точність та пропускну здатність машини. Оскільки швидкість та повторюваність є вирішальними факторами в серворухах, це не найкращий вибір. У той час як конструкція ременя та шківа може досягати 3 м/с, лінійна конструкція може досягати 10 м/с. Без будь-якого люфту чи змотування лінійні двигуни з прямим приводом ще більше підвищують повторюваність та точність.
• Лінійний двигун проти рейкового двигуна:Рейкові механізми забезпечують більшу тягу та механічну жорсткість, ніж ремінно-шківні конструкції. Однак двонаправлений знос з часом призводить до сумнівної повторюваності та неточностей — основних недоліків цього механізму. Люфт перешкоджає зворотному зв'язку двигуна виявляти фактичне положення навантаження, що призводить до нестабільності та призводить до зниження коефіцієнта посилення та уповільнення загальної продуктивності. На противагу цьому, машини з лінійними двигунами працюють швидше та позиціонуються точніше.
• Лінійний двигун проти кулькового гвинта:Найпоширеніший підхід до перетворення обертального руху на лінійний – використання кульково-гвинтової передачі. Вони недорогі, але менш ефективні: ходові гвинти зазвичай на 50% або менше, а кулькові гвинти – близько 90%. Високе тертя створює тепло, а тривалий знос знижує точність. Відстань ходу механічно обмежена. Крім того, межі лінійної швидкості можна розширити лише шляхом збільшення кроку, але це погіршує роздільну здатність положення; надмірно висока швидкість обертання також може призвести до вібрації гвинтів. Лінійні двигуни забезпечують довгий, необмежений хід. З енкодером під навантаженням довгострокова точність зазвичай становить ±5 мкм/300 мм.

Основні типи лінійних двигунів

Оскільки існують різні технології роторних двигунів, існує також кілька типів лінійних двигунів: крокові, безщіткові та лінійні індукційні двигуни змінного струму, серед інших. Зауважте, що лінійна технологія використовує приводи (підсилювачі) плюс позиціонери (контролери руху) та пристрої зворотного зв'язку (такі як датчики Холла та енкодери), які зазвичай доступні в промисловості.

Багато конструкцій мають переваги від лінійних двигунів, виготовлених на замовлення, але зазвичай підходять і стандартні конструкції.

Безщіткові лінійні двигуни із залізним сердечникомхарактеризуються сталевим шаруванням у рухомому механізмі для направлення магнітного потоку. Цей тип двигуна має вищі номінальні значення сили та є більш ефективним, але важить у три-п'ять разів більше, ніж двигуни без зубчастих передач порівнянного розміру. Нерухома плита складається з багатополюсних постійних магнітів змінної полярності, прикріплених до нікелевої холоднокатаної сталевої плити. Однак сталеві шари на рухомому механізмі реагують з магнітами на нерухомій плиті, які розвивають «силу тяжіння» та демонструють невелику величину зубчастості або пульсації, коли двигун рухається з одного магнітного поля в інше, що призводить до змін швидкості.

Ці двигуни розвивають велику пікову силу, мають більшу теплову масу та довгу теплову постійну часу, тому вони підходять для застосувань з високою силою та періодичним робочим циклом, що переміщують дуже важкі вантажі, як-от у передавальних лініях та верстатах; вони розроблені для необмеженого переміщення та можуть включати кілька рухомих плит з перекриваючими траєкторіями.

Безщіткові двигуни без шестереньмають котушковий вузол у рухомому механізмі зусилля без сталевих пластин. Котушка складається з дроту, епоксидної смоли та немагнітної опорної конструкції. Цей блок набагато легший за вагою. Базова конструкція створює меншу силу, тому додаткові магніти вставляються на нерухому доріжку (що допомагає збільшити силу), а доріжка має U-подібну форму з магнітами з кожного боку цієї U. Пристрій зусилля вставляється в середину U-подібної форми.

Ці двигуни підходять для застосувань, що потребують плавної роботи без магнітних зубчастих обертань, таких як сканувальне або інспекційне обладнання. Їхні вищі прискорення корисні для захвату та розміщення напівпровідників, сортування мікросхем, а також дозування припою та клею. Ці двигуни розроблені для необмеженого ходу.

Лінійні крокові двигунибули доступні вже давно; рушійний механізм складається з ламінованих сталевих сердечників з точно прорізами та зубцями, одного постійного магніту та котушок, вставлених у ламінований сердечник. (Зверніть увагу, що дві котушки утворюють двофазний кроковий двигун.) Цей вузол інкапсульовано в алюмінієвий корпус.

Нерухомийна плита складається з фотохімічно травлених зубців на сталевому прутку, відшліфованих та нікельованих. Їх можна складати один на одного необмежену довжину. Двигун постачається в комплекті з силовим механізмом, підшипниками та плитою. Сила тяжіння магніту використовується як попереднє натягнення для підшипників; це також дозволяє працювати з пристроєм у перевернутому положенні для різноманітних застосувань.

Асинхронні двигуни змінного струмускладаються з силового механізму, що являє собою котушковий вузол, що складається зі сталевих пластин та фазних обмоток. Обмотки можуть бути одно- або трифазними. Це дозволяє здійснювати пряме онлайн-керування або керування за допомогою інвертора чи векторного приводу. Нерухома плита (так звана реакційна плита) зазвичай складається з тонкого шару алюмінію або міді, нанесеного на холоднокатану сталь.

Після подачі живлення на обмотку силового механізму вона взаємодіє з реакційною пластиною та рухається. Сильними сторонами цієї конструкції є вищі швидкості та необмежена довжина ходу; вони використовуються для обробки матеріалів, переміщення людей, конвеєрів та розсувних воріт.

Нові дизайнерські концепції

Деякі з останніх удосконалень конструкції були впроваджені шляхом реінжинірингу. Наприклад, деякі лінійні крокові двигуни (спочатку розроблені для забезпечення руху в одній площині) тепер реінжиніринговані для забезпечення руху в двох площинах — для руху XY. Тут рухомий механізм складається з двох лінійних крокових двигунів, встановлених ортогонально під кутом 90°, так що один забезпечує рух по осі X, а інший — по осі Y. Також можливе використання кількох механізмів з перекриваючими траєкторіями.

У цих двоплощинних двигунах стаціонарна платформа (або плита) використовує нову композитну конструкцію для підвищення міцності. Жорсткість також покращена, тому прогин зменшується на 60-80% порівняно з попередніми серійними моделями. Площинність плити перевищує 14 мікрон на 300 мм для точного руху. Нарешті: оскільки крокові двигуни мають природну силу тяжіння, ця концепція дозволяє встановлювати плиту як лицьовою стороною вгору, так і перевернутою, що забезпечує універсальність та гнучкість застосування.

Ще одна інженерна інновація — водяне охолодження — збільшує потужність лінійних асинхронних двигунів змінного струму на 25%. Завдяки цьому розширенню можливостей, а також перевазі необмеженої довжини ходу, асинхронні двигуни змінного струму забезпечують найвищу продуктивність для багатьох застосувань: атракціони, обробка багажу та перевезення людей. Швидкість змінюється (від 6 до 2000 дюймів/с) завдяки регульованим приводам швидкості, які зараз доступні в промисловості.

Ще один двигун містить стаціонарний циліндричний корпус з лінійною рухомою частиною для забезпечення руху. Рухома частина може бути стрижнем, що складається з мідної сталі, рухомою котушкою або рухомим магнітом, таким як поршень у циліндрі.

Ці конструкції забезпечують переваги лінійного двигуна та працюють аналогічно лінійному актуатору. Застосування включають біомедичні колоноскопії, камери з актуаторами з довгим затвором, телескопи, що потребують гасіння вібрацій, фокусувальні двигуни для літографії, генераторні перемикачі, які вмикають автоматичні вимикачі для ввімкнення генераторів, та пресування харчових продуктів, наприклад, під час штампування тортильй.

Для позиціонування корисних навантажень підходять комплектні лінійні двигуни або платформи. Вони складаються з двигуна, енкодера зворотного зв'язку, кінцевих вимикачів та кабельного каналу. Можна об'єднувати платформи один в один для багатоосьового руху.

Однією з переваг лінійних позиціонерів є їхній менший профіль, що дозволяє їм розміщуватися в менших просторах порівняно зі звичайними позиціонерами. Менша кількість компонентів забезпечує підвищену надійність. Тут двигун підключений до звичайних приводів. У режимі замкнутого циклу цикл позиціонування замикається за допомогою контролера руху.

Знову ж таки, окрім стандартної продукції, існує безліч індивідуальних та спеціалізованих конструкцій. Зрештою, найкраще обговорити потреби в обладнанні з інженером-застосовувачем, щоб визначити оптимальний лінійний продукт, що відповідає потребам застосування.