Системи лінійного руху зустрічаються в незліченній кількості машин, включаючи прецизійні системи лазерного різання, лабораторне автоматизоване обладнання, верстати для виготовлення напівпровідників, верстати з ЧПК, заводську автоматизацію та багато інших, які неможливо перерахувати. Вони варіюються від відносно простих, таких як недорогий привід сидіння в пасажирському автомобілі, до складної багатоосьової системи координат з електронікою керування та приводу для замкнутого позиціонування. Незалежно від того, наскільки простою чи складною є система лінійного руху, на найпростішому рівні всі вони мають одну спільну рису: переміщення вантажу на лінійну відстань за певний проміжок часу.

Одне з найпоширеніших питань під час проектування системи лінійного руху стосується технології двигуна. Після вибору технології, розмір двигуна необхідно підібрати таким чином, щоб він відповідав вимогам прискорення навантаження, подолання тертя в системі та подолання впливу сили тяжіння, зберігаючи при цьому безпечну максимальну робочу температуру. Крутний момент, швидкість, потужність та можливості позиціонування двигуна залежать від конструкції двигуна, а також від приводу та керування.

З ЯКОГО ДВИГУНА ПОЧАТИ?

Існує багато прикладних питань, які слід враховувати під час проектування системи лінійного руху з використанням певної технології двигуна. Вичерпне пояснення всього процесу виходить за рамки цієї статті. Мета полягає в тому, щоб спонукати вас задуматися про те, щоб ставити правильні запитання під час розмови з постачальником двигунів.

Не існує найкращого двигуна для кожного застосування, скоріше існує найкращий двигун для конкретного застосування. У переважній більшості застосувань поступового руху вибором буде кроковий двигун, щітковий двигун постійного струму або безщітковий двигун постійного струму. Найскладніші системи руху можуть використовувати лінійні двигуни, безпосередньо з'єднані з навантаженням, що дозволяє уникнути необхідності механічного перетворення енергії; немає потреби в переміщенні через ходовий гвинт/кульковий гвинт, редуктор або систему шківів. Хоча максимальної точності, повторюваності та роздільної здатності позиціонування можна досягти за допомогою безсердечних лінійних сервосистем прямого приводу, вони мають найвищу вартість і складність порівняно з роторними двигунами. Архітектура з використанням роторних двигунів набагато дешевша і задовольнить більшість застосувань лінійного руху; однак, для керування навантаженням потрібні деякі засоби перетворення «обертового-лінійного» (і, як наслідок, перетворення потужності).

Крокові, щіткові та безщіткові двигуни вважаються двигунами постійного струму; однак існують тонкощі, які спонукають інженера віддавати перевагу одному типу над двома іншими в конкретному застосуванні. Слід наголосити, що цей вибір сильно залежить від конструктивних вимог системи, не лише з точки зору швидкості та крутного моменту, але й точності позиціонування, повторюваності та вимог до роздільної здатності. Не існує ідеального двигуна для кожного застосування, і всі рішення вимагатимуть компромісів у конструкції. На найпростішому рівні всі двигуни, незалежно від того, чи називаються вони змінним чи постійним струмом, щітковими, безщітковими чи будь-якими іншими електродвигунами, працюють за одним і тим самим принципом фізики для створення крутного моменту: взаємодії магнітних полів. Однак існують разючі відмінності в тому, як ці різні технології двигунів реагують у конкретних застосуваннях. Загальна продуктивність двигуна, відгук та створення крутного моменту залежать від методу збудження поля та геометрії магнітного кола, властивих фізичній конструкції двигуна, керування вхідною напругою та струмом контролером/приводом, а також методу зворотного зв'язку по швидкості або положенню, якщо цього вимагає застосування.

Технології крокових двигунів постійного струму, щіткових серводвигунів та безщіткових серводвигунів використовують джерело постійного струму для живлення. Для лінійного руху це не означає, що фіксоване джерело постійного струму можна безпосередньо підключати до обмоток двигуна; для керування струмом обмотки (пов'язаним з вихідним крутним моментом) та напругою обмотки (пов'язаною з вихідною швидкістю) потрібна електроніка. Нижче наведено короткий виклад сильних та слабких сторін цих 3 технологій.

Проектування лінійної системи починається з визначення маси вантажу та швидкості його переміщення з точки А в точку Б. Тип, розмір та механічна конструкція двигуна починаються з потужності (вати), необхідної для переміщення вантажу. Починаючи з навантаження і, зрештою, повертаючись до всіх компонентів до джерела живлення приводу, аналіз являє собою серію кроків для розуміння перетворення потужності з однієї частини системи в іншу, враховуючи різні коефіцієнти корисної дії компонентів між ними. Вати у вигляді напруги та струму, що подаються в привід, зрештою перетворяться на механічну вихідну потужність у ватах, що переміщує задане вантаж за певний проміжок часу.

Щоб отримати уявлення про необхідну вихідну потужність при навантаженні, простий розрахунок потужності допоможе приблизно визначити двигун. Після визначення середньої необхідної вихідної потужності завершіть аналіз вимог до потужності, повернувшись до двигуна та розглянувши різні елементи перетворення потужності. Слід посилатися на дані виробників, щоб врахувати ефективність різних компонентів, оскільки це зрештою визначатиме розмір двигуна та джерела живлення. Це особиста перевага щодо того, з якими одиницями працювати, але настійно рекомендується використовувати одиниці СІ. Робота в одиницях СІ дозволяє уникнути необхідності запам'ятовувати кілька констант перетворення, а кінцевий результат завжди можна перетворити назад в англійські одиниці.

ЯКА ПОТУЖНІСТЬ ПОТРІБНА ДЛЯ ПЕРЕМІЩЕННЯ ВАНТАЖУ ЗА ПОТРІБНИЙ ЧАС?

Маса масою 9 кг, піднята проти сили тяжіння, вимагатиме сили близько 88 Н. Розрахунок потужності, необхідної для переміщення вантажу, забезпечить відправну точку для визначення компонентів решти системи. Це середня потужність, необхідна для вертикального переміщення маси 9 кг з точки А в точку Б за 1 секунду. Втрати в системі, такі як тертя, не враховуються. Необхідна потужність на валу двигуна буде дещо вищою та залежить від інших компонентів, що використовуються в системі, таких як редуктор та ходовий гвинт.

P = (F × S) / t

P = (88 Н × 0,2 м) / 1,0 с = 17,64 Вт

Це відрізняється від пікової потужності, яка буде потрібна від системи. Якщо врахувати прискорення та уповільнення, миттєва потужність під час профілю руху буде дещо вищою; однак середня вихідна потужність, необхідна при навантаженні, становить близько 18 Вт. Після ретельного аналізу всіх компонентів, система, подібна до цієї, потребуватиме близько 37 Вт пікової потужності для виконання роботи. Ця інформація, разом з різними іншими специфікаціями застосування, тепер допоможе вибрати найбільш підходящу технологію двигуна.

ЯКУ ТЕХНОЛОГІЮ ДВИГУНА ВАРТО РОЗГЛЯНУТИ?

Відмінні можливості позиціонування та відносно просте керування спонукали б розробника спочатку розглянути можливість використання крокового двигуна. Однак кроковий двигун не відповідатиме вимозі малого механічного розміру, водночас задовольняючи вимоги навантаження. Пікова потужність 37 Вт вимагатиме дуже потужного крокового двигуна. Хоча крокові двигуни мають дуже високий крутний момент на низьких швидкостях, пікова швидкість і, отже, вимоги до потужності профілю руху перевищують можливості всіх крокових двигунів, окрім найбільших.

Щітковий серводвигун постійного струму відповідав би вимогам щодо навантаження, займав би невеликі механічні розміри та мав би дуже плавне обертання на низьких швидкостях; однак, через суворі вимоги електромагнітної сумісності, ймовірно, краще уникати щіткового двигуна для цього конкретного застосування. Це була б менш дорога альтернатива порівняно з безщітковою системою, але це може створювати труднощі у виконанні будь-яких суворих вимог електромагнітної сумісності.

Безщітковий двигун постійного струму з синусоїдальною системою приводу був би першим вибором, який би відповідав усім вимогам застосування, включаючи профіль навантаження та руху (висока щільність потужності); плавний рух без зубчастих передач на низьких швидкостях; та невеликий механічний розмір. У цьому випадку все ще існуватиме потенціал для електромагнітних перешкод через високочастотне перемикання електроніки приводу; однак це можна зменшити за допомогою вбудованої фільтрації завдяки вужчій смузі частот. Щітковий двигун постійного струму демонструє ширшу смугу електромагнітних перешкод, що ускладнює його фільтрацію.

РОЗМІР ДВИГУНА – ЦЕ ЛИШЕ ПОЧАТОК

Ця стаття була коротким обговоренням, щоб ознайомити конструктора з різними міркуваннями щодо вибору технології двигуна для відносно простого застосування лінійного руху. Хоча принципи ідентичні для складніших систем, таких як XY-стіл або багатоосьовий прецизійний механізм захоплення та розміщення, кожну вісь потрібно буде проаналізувати на навантаження окремо. Ще одне міркування, що виходить за рамки цієї статті, полягає в тому, як вибрати відповідний коефіцієнт запасу міцності, щоб досягти бажаного терміну служби системи (кількість циклів). Термін служби системи залежить не лише від розміру двигуна, але й від інших механічних елементів системи, таких як коробка передач та вузол ходового гвинта. Інші фактори, такі як точність позиціонування, роздільна здатність, повторюваність, максимальний крен, тангаж та рискування тощо, є важливими міркуваннями для забезпечення відповідності або перевищення системою лінійного руху цілей застосування.