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#Tendenze
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Un controllo più fine del movimento lineare
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Per un preciso posizionamento automatizzato, pensate agli attuatori lineari basati su motori passo-passo.
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Gli attuatori lineari generano essenzialmente forza e movimento attraverso una linea retta. In un tipico sistema meccanico, l'albero di uscita di un dispositivo fornirebbe il movimento lineare utilizzando un motore rotativo attraverso ingranaggi, una cinghia e una puleggia, o altri componenti meccanici. Il problema è che questi componenti devono essere accoppiati e allineati. Peggio ancora, aggiungono elementi di usura come attrito e gioco al sistema. Per esigenze di posizionamento più fini, un'alternativa più efficace e diretta viene dagli attuatori lineari basati su motori passo-passo.
Questi dispositivi semplificano la progettazione di una macchina o di un meccanismo che richiede un preciso posizionamento lineare perché forniscono una conversione da rotativo a lineare direttamente all'interno del motore. Gli attuatori spostano un determinato grado di movimento rotatorio per ogni impulso di input elettrico. Questa cosiddetta caratteristica "stepping" e l'uso di una vite di guida precisa forniscono un posizionamento preciso e ripetibile.
Nozioni di base sui motori passo-passo
Per vedere come funzionano gli attuatori, è utile capire le basi dei motori passo-passo. I diversi tipi di motori passo-passo includono la riluttanza variabile (VR), il magnete permanente (PM) e l'ibrido. Questa discussione è incentrata sul motore passo-passo ibrido, che fornisce una coppia elevata e una risoluzione di posizionamento fine (passo di 1,8 o 0,9°). Nei sistemi di attuatori lineari, gli ibridi si trovano in dispositivi come le tavole X-Y, gli analizzatori di sangue, le attrezzature HVAC, i piccoli robot a portale, i meccanismi di controllo delle valvole e i sistemi automatici di illuminazione del palco.
Sotto il cofano di uno stepper ibrido si trova un rotore a magneti permanenti e uno statore in acciaio avvolto da una bobina. Eccitando la bobina si crea un campo elettromagnetico con poli nord e sud. Lo statore conduce il campo magnetico, inducendo il rotore ad allinearsi con il campo. Poiché l'energizzazione e la diseccitazione sequenziale degli avvolgimenti della bobina altera il campo magnetico, ogni impulso di ingresso o passo fa sì che il rotore si muova in modo incrementale di 0,9 o 1,8 gradi di rotazione, a seconda del modello ibrido. In un attuatore lineare con motore passo-passo, un dado filettato di precisione incorporato nel rotore si innesta con la vite guida (che sostituisce un albero convenzionale).
La vite guida fornisce una forza lineare utilizzando il semplice principio meccanico del piano inclinato. Immaginate un albero d'acciaio con una rampa o un piano inclinato avvolto intorno ad esso. Il vantaggio meccanico o l'amplificazione della forza è determinato dall'angolo della rampa che è una funzione del diametro della vite, del passo (distanza assiale di un filetto di vite che avanza in una singola rivoluzione), e del passo (distanza assiale misurata tra forme di filetto adiacenti).
Le filettature delle viti a piombo traducono una piccola forza di rotazione in una grande capacità di carico, a seconda della ripidità della rampa (piombo della filettatura). Un passo piccolo fornisce una forza maggiore ma velocità lineari inferiori. Un passo grande fornisce una forza inferiore ma una velocità lineare più alta dalla stessa fonte di potenza rotativa. In alcuni progetti, il dado di potenza incorporato nel rotore è fatto di un bronzo per cuscinetti che si presta alla lavorazione di filetti interni. Ma il bronzo è un compromesso ingegneristico tra lubrificazione e stabilità fisica. Un materiale migliore è una termoplastica lubrificata con un coefficiente di attrito molto più basso nell'interfaccia dado-vite.
Sequenze di passi
Gli schemi per l'azionamento di un motore passo-passo includono il passo "una fase su" e il passo "due fasi su".
In una sequenza "one phase on" per un semplice motore bifase, il passo 1 mostra la fase A dello statore sotto tensione. Questo blocca magneticamente il rotore poiché i poli diversi si attraggono. Girando la fase A o e B su on, il rotore si muove di 90° in senso orario (passo 2). Nella fase 3, la fase B è o e la fase A on, ma con la polarità invertita rispetto alla fase 1. Questo fa ruotare il rotore di altri 90°. Nella fase 4, la fase A è o e la fase B è accesa, con la polarità invertita dalla fase 2. La ripetizione di questa sequenza fa muovere il rotore in senso orario a passi di 90°.
Nella sequenza "due fasi on", entrambe le fasi del motore sono sempre eccitate e solo la polarità di una fase cambia. Questo fa sì che il rotore si allinei tra i poli magnetici "medio" nord e "medio" sud. Poiché entrambe le fasi sono sempre attive, questo metodo fornisce il 41,4% di coppia in più rispetto alla sequenza "una fase attiva".
Sfortunatamente, anche se la plastica funziona bene per le filettature, non è abbastanza stabile per i perni dei cuscinetti nel design stepper ibrido. Questo perché in una condizione continua di pieno carico, i perni in plastica possono espandersi quattro volte di più di quelli in ottone. Questa quantità è inaccettabile perché il progetto del motore richiede che il traferro statore-rotore sia di pochi millesimi di pollice. Un modo per aggirare questo problema è lo stampaggio a iniezione di filetti di plastica all'interno di un manicotto di ottone che sarà inserito nel rotore a magnete permanente. Questo approccio aumenta la vita del motore e fornisce un basso attrito mantenendo la stabilità del cuscinetto-giunto.
Tra i diversi tipi di attuatori Haydon, i dispositivi "captive" hanno un meccanismo antirotazione incorporato. Questa configurazione fornisce una corsa massima fino a 2,5 pollici ed è adatta ad applicazioni quali l'erogazione di fluidi di precisione, il controllo dell'acceleratore e il movimento delle valvole. Altri tipi di attuatori lineari Haydon sono quelli "non vincolati" e "lineari esterni" che si adattano ad applicazioni che richiedono una corsa più lunga come il trasferimento di provette di sangue da piccoli robot a portale, sistemi di movimento X-Y e sistemi di imaging.
Dimensionamento di un attuatore
Un esempio di applicazione mostra al meglio come dimensionare un attuatore. Considerare i seguenti parametri:
Forza lineare richiesta per spostare il carico = 15 lb (67 N)
Distanza lineare, m, il carico deve essere spostato = 3 in. (0.0762 m)
Tempo, t, necessario per spostare il carico in secondi = 6 sec
Numero target di cicli = 1.000.000
Ci sono quattro passi per dimensionare un attuatore lineare con motore passo-passo: 1) Determinare la forza iniziale dell'attuatore necessaria per soddisfare la durata richiesta; 2) Determinare la velocità in millimetri/secondo; 3) Scegliere la dimensione corretta del telaio dell'attuatore; e 4) Determinare la risoluzione corretta della vite in base ai requisiti di forza.
Il modo migliore per prevedere la durata è attraverso prove di applicazione, che sono altamente raccomandate. Una tecnica che utilizza la curva del carico percentuale rispetto al numero di cicli serve come una buona prima approssimazione. I motori passo-passo non hanno spazzole da consumare, e usano cuscinetti a sfera di precisione e di lunga durata, quindi il principale componente di usura è il dado di alimentazione. Pertanto, il numero di cicli che un dispositivo dura mentre soddisfa ancora le specifiche di progettazione è una funzione del carico.
Fare riferimento al grafico del carico percentuale rispetto al numero di cicli per determinare il corretto fattore di dimensionamento dell'attuatore per resistere a 1.000.000 di cicli. Questo risulta essere il 50% - un fattore di 0,5. La forza nominale iniziale, N, richiesta per soddisfare il carico dopo 1.000.000 cicli è quindi 15 lb/0,5 = 30 lb o 133 N.
Determinare ora la potenza meccanica lineare richiesta in watt:
Plineare = (N × m)/t
Nel nostro esempio, questo diventa (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W
Con questi dati, utilizzare la tabella delle dimensioni del telaio dell'attuatore per selezionare la dimensione corretta del telaio. Tutti gli attuatori lineari con motore passo-passo richiedono un azionamento per inviare impulsi al motore. Si noti che la tabella elenca la potenza sia per un azionamento L/R (tensione costante) che per un azionamento chopper (corrente costante). A meno che l'applicazione non sia alimentata a batteria (come in un dispositivo portatile), i produttori raccomandano vivamente un azionamento chopper per ottenere le massime prestazioni. In questo esempio, un esame delle specifiche di potenza dell'azionamento a chopper nella tabella rivela che la serie Haydon 43000 (taglia 17 ibrida) soddisfa al meglio il requisito di 1,7 W. Questa selezione soddisfa i requisiti di carico senza sovraprogettare il sistema.
Successivamente, calcolare la velocità lineare (ips). Questa è data da m/t e arriva a 3 in./6 sec = 0.5 ips. Con la dimensione ottimizzata del telaio (taglia 17 Hybrid) e la velocità lineare (0,5 ips) in mano, utilizzare la curva appropriata Forza contro velocità lineare per determinare la risoluzione appropriata della vite dell'attuatore. In questo caso, la risoluzione della vite necessaria è di 0,00048 pollici.
Ricordiamo che la vite di piombo avanza in base al numero di passi in ingresso al motore. Le curve delle prestazioni sono espresse sia in "ips" che in "passi/sec" Per verificare la vostra scelta, controllate la forza al passo richiesto facendo riferimento alla curva Force Versus Pulse Rate, dove: Risoluzione scelta = 0.00048 in./passo Velocità lineare richiesta = 0.5 ips Velocità di passo richiesta = (0.5 ips)/ (0.00048 in./passo) = 1.041 passi.
Tracciando 1.041 come valore dell'asse X (frequenza degli impulsi) e tracciando una linea perpendicolare da questo punto alla curva, il valore dell'asse Y (forza) è 30. Pertanto, la selezione è corretta.