Линейный привод или шаговый

Линейные шаговые актуаторы — принцип работы и основные характеристики

Классические линейные актуаторы чаще всего конструируются на базе коллекторных двигателей постоянного тока, реже — на основе асинхронных приводов переменного тока. В этих устройствах для преобразования вращения в линейное движение используется редуктор, винт и гайка, соединенные с валом мотора. Такие устройства получаются недорогими и просты в эксплуатации. Однако, их применение ограничено недостатками применяемых двигателей — с их помощью трудно осуществлять позиционирование или задание точной скорости. Поэтому при решении инженерных задач прецизионного линейного перемещения небольшой нагрузки часто используют шаговые актуаторы.

Шаговый актуатор решает те же задачи, что и линейный актуатор на базе коллекторных или асинхронных двигателей, но с большей точностью. Конструкции шаговых актуаторов могут незначительно отличаться. Обычно в них не используется редуктор. В настоящий момент чаще всего встречаются три наиболее популярные варианты конструктивного исполнения: non-captive, with external nut, captive.

Основные конструктивные исполнения шаговых линейных актуаторов

Шаговый актуатор со свободным штоком — имеет в своей конструкции полый вал (полый ротор) с внутренней гайкой. Вместо внешнего вала используется винт, который при вращении гайки перемещается в осевом направлении, т.е. получается актуатор с подвижным исполнением ходового винта. Винт проходит насквозь и может выходить на полную длину с обеих сторон двигателя. У иностранных производителей этот тип исполнения часто называется non-captive.

Читайте также:  Пружина привода рычага каретки для машинки для стрижки волос rowenta

Шаговый актуатор с внешней гайкой — это почти классическое исполнение шагового двигателя. Отличие его в том, что вал существенно удлинен (в соответствии с необходимой длиной хода) и на него нанесена резьба. Для преобразования вращательного движения в поступательное используется гайка, которая перемещается вдоль винта-вала двигателя. Сам винт, в отличие от исполнения со свободным штоком, линейного перемещения не выполняет. У иностранных производителей этот тип исполнения часто называется with external nut или external linear.

Шаговый актуатор с выдвижным штоком — это исполнение самое близкое к классическим линейным актуаторам. Линейное движение осуществляется не при помощи вала самого мотора, а за счет внешнего штока, соединенного с валом двигателя. Вариант конструктивного исполнения — вал с резьбой проходит ротор двигателя насквозь и приводит в движение внешний шток, который уже используется для перемещения нагрузки. Сам резьбовой вал закрыт корпусом. Такое исполнение часто называется captive.

Как выбрать шаговый актуатор

В случае использования шагового двигателя инженеру необходимо сначала решить задачу преобразования вращательного движения в поступательное, затем вычислить параметры необходимой механики и после этого подобрать подходящие элементы для осуществления линейного перемещения нагрузки. В случае использования шагового актуатора можно сразу подбирать исполнение, характеристики которого удовлетворяют требованиям системы.

Таким образом, чтобы выбрать подходящий линейный шаговый актуатор, необходимо определить следующие требования системы:

  • Какое конструктивное исполнение актуатора подходит:
    • допустимо ли вращение вала (винта) актуатора;
    • как нагрузка будет крепиться к штоку (валу) актуатора;
    • требуется ли (допустимо ли) движение винта с обратной стороны двигателя;
  • Какие требования система предъявляет к характеристикам линейного движения:
    • скорость перемещения
    • усилие в осевом направлении
    • заданная точность позиционирования
    • допустимая дискретность перемещения
    • максимальная величина линейного перемещения (длина хода)
  • Какой блок управления будет использован:
    • какой будет алгоритм работы актуатора
    • какой контроллер будет управлять работой шагового двигателя
    • ток фазы двигателя актуатора и выходной ток драйвера ШД
    • напряжение питания для блока управления

    Технические характеристики линейных шаговых актуаторов

    При решении технических задач в качестве исходных данных приводятся параметры линейного движения: скорость поступательного движения, усилие в осевом направлении, максимальная величина перемещения, дискретность или точность позиционирования.

    Усилие на валу актуатора в первую очередь зависит от крутящего момента шагового двигателя. Так как его момент зависит от скорости вращения ротора, необходимо определить требуемое усилие на заданной скорости. Чем выше скорость, тем ниже момент (это общее свойство всех шаговых двигателей) и, как следствие, ниже осевое усилие на штоке. В случае, если алгоритм работы актуатора предполагает несколько режимов скоростей, необходимо либо определить максимальное усилие для всех режимов и выбрать актуатор с шаговым двигателем с запасом по моменту, либо определить требуемые усилия на каждой из планируемых скоростей и выбрать актуатор, точно подходящий поставленной задаче. В технических характеристиках шагового актуатора обычно указывается максимальное усилие, т.е. то усилие, которое можно получить на штоке при минимальной (близкой к нулю) скорости. Необходимо помнить, что при ненулевой скорости усилие на валу (и на штоке актуатора) будет ниже. Чем выше скорость, тем меньше выходное усилие. Точные значения и вид кривой зависимости усилия от скорости зависят от применяемого драйвера ШД, от режима дробления шага, напряжения питания.

    При преобразовании вращательного движения в линейное поступательное в шаговых актуаторах используется винтовая передача. Следовательно, выходное усилие на штоке также зависит от шага винта.

    Еще одна характеристика шаговых двигателей, имеющая свои особенности — скорость вращения. Двигатели этого типа не могут стартовать сразу с высокой скоростью. Для достижения заданной величины скорости требуется плавный разгон. В противном случае происходит выход из синхронизации шагового двигателя, и его вращение прерывается. Максимально возможная стартовая скорость и величина ускорения зависят в первую очередь от используемого драйвера, коммутирующего обмотки мотора, а также от электрических параметров самого двигателя и характера нагрузки.

    Так как для преобразования вращения вала в линейное перемещение штока используется винтовая передача, выходная скорость зависит от шага винта актуатора.

    Максимальная величина перемещения (максимальный ход актуатора):

    В первую очередь необходимо определить, на какое максимальное расстояние будет перемещаться нагрузка. Во всех случаях максимальная величина перемещения ограничена длиной резьбового вала двигателя.

    В случае использования актуаторов со свободным штоком необходимо учитывать, что из общей длины вала необходимо вычесть длину, необходимую для удержания винта внутри гайки шагового двигателя. Также нужно помнить, что при втягивании нагрузки винт проходит ротор двигателя насквозь, т.е. с обратной стороны мотора необходимо соответствующее перемещению свободное пространство.

    В случае использования актуаторов с внешней гайкой нужно помнить, что гайка также имеет свою длину, которую необходимо вычесть из общей длины резьбового вала актуатора.

    При использовании актуаторов с выдвижным штоком максимальная величина перемещения зависит от длины резьбовой части вала и от конструктивного исполнения корпуса, закрывающего винт.

    Дискретность и точность перемещения:

    Принцип работы шаговых двигателей таков, что перемещение осуществляется дискретными отрезками — шагами. Минимальная величина углового перемещения зависит от конструкции двигателя (количества полюсов) и от возможностей драйвера ШД дробить шаг. К примеру, если стандартный шаг гибридного шагового двигателя составляет 1,8° (200 шагов соответствуют одному полному обороту), а драйвер может дробить шаг на 1/16, то минимальное угловое перемещение вала составит 0,1125°. Однако, необходимо помнить, что точность установки шага двигателя ограничена геометрией исполнения его зубцов. Например, если точность позиционирования составляет 5% от значения полного шага, то большие величины дробления не имеют смысла, так как погрешность перемещения в этом случает сопоставима или превосходит величину перемещения. Например, для двигателя с шагом 1,8° и точностью 5% при дроблении шага 1/32 величина перемещения составит 0,05625°±0,09°.

    При вращении каждый оборот вала двигателя соответствует линейному перемещению актуатора, равному шагу его винта. При выполнении дискретного углового перемещения вала двигателя происходит линейное перемещение, которое зависит от величины шага винта. На точность отработки перемещения влияет качество изготовления и точность винта.

    Источник

    Сервопривод или шаговый двигатель: какова разница и что выбрать?

    В качестве электропривода порталов и исполнительных узлов фрезерно-гравировальных станков с чпу и оборудования для плазменной резки с ЧПУ применяются шаговые двигатели и сервоприводы. Что лучше: шаговый двигатель или сервопривод, и в каких случаях применение того или иного электропривода экономически и технически оправданно, рассмотрим в данной статье.

    Устройство шагового привода

    Шаговый привод состоит из синхронной электрической машины и управляющего контроллера. Последний обеспечивает подачу управляющих сигналов на обмотки двигателя и их попеременное включение в соответствии с заданной программой.

    Шаговый двигатель — электрическая машина, преобразующая управляющие сигналы в перемещение вала на определенный угол и фиксацию его в заданном положении. Количество шагов таких электродвигателей составляет от 100 до 400, угол шага — от 0,9-3,6°.

    Принцип работы шагового двигателя

    Состоит это электромеханическое устройство из статора, где размещены катушки возбуждения, и вращающейся части с постоянными магнитами или обмотками. Такая конструкция ротора обеспечивает его фиксацию после отработки управляющей команды.

    На статоре расположено несколько обмоток. При подаче напряжения на катушку, под воздействием магнитного поля ротор поворачивается на определенный угол в соответствии с пространственным положением обмотки. При ее обесточивании и подаче управляющего сигнала на другую катушку вращающаяся часть электродвигателя занимает другую позицию. Каждый поворот вала соответствует углу шага. При обратной последовательности подачи напряжения на катушки ротор вращается в противоположном направлении.

    Для поворота ротора на меньший угол одновременно включаются 2 обмотки. Количество шагов ограничено и зависит от числа полюсов статора электромотора. Для обеспечения плавного вращения ротора на катушки статора подают разные токи, разность которых определяет положение ротора. Такой способ управления позволяет снизить дискретность и увеличить количество шагов до 400.

    К числу недостатков шаговых двигателей можно отнести довольно низкую скорость, пропуск шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке на валу, снижение момента при высокой частоте вращения и большое время разгона.

    Устройство сервопривода

    Сервопривод состоит из синхронного двигателя, датчика скорости и положения, а также управляющего контроллера. Основная разница между шаговым двигателем и сервоприводом состоит в наличии обратной связи по положению, скорости, моменту на валу ротора.

    Электропривод такого типа построен на базе следящей схемы автоматического регулирования. При несоответствии скорости или другой величины контроллер будет подавать сигналы на отработку, пока требуемый параметр или положение вала не будет соответствовать заданному. В качестве датчика обратной связи используют абсолютные и относительные энкодеры различных типов и конструкций.

    Принцип действия сервопривода

    Управляющее устройство в соответствии с заданной программой подает напряжение на сервопривод, который соединен с порталом станка. Двигатель перемещает рабочий орган. При этом энкодер вырабатывает импульсы, поступающие на контроллер. Подсчет их числа осуществляет управляющее устройство. Количество импульсов пропорционально перемещению портала. При достижении рабочим органом заданного положения на электромотор перестает поступать напряжение. Портал фиксируется. Пока число импульсов, зафиксированных контроллером с датчика, не достигнет запрограммированной величины, двигатель будет осуществлять перемещение рабочего органа.

    Шаговый сервопривод можно также настроить на поддержание постоянной частоты вращения вне зависимости от нагрузки или постоянного момента при разной скорости.

    К достоинствам сервоприводов относятся точность позиционирования, динамика разгона и отсутствие снижения момента при высоких скоростях. Ограничивает применение сервопривода, как правило, достаточно большая стоимость.

    Чем отличается сервопривод от шагового двигателя?

    Современные шаговые электродвигатели обеспечивают перемещение рабочей части с точностью до 0,01 мм.

    Отличие шагового двигателя от сервопривода заключается в пропуске шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке, что значительно снижает качество обработки

    Сервопривод для поворотного стола фрезерного станка или портала другого оборудования обеспечивает точность до 0,002 мкм.

    Позиционирование по следящей схеме обеспечивает высокое качество обработки независимо от нагрузки

    Максимальная скорость перемещения рабочих органов при использовании шагового электропривода — 25 м.

    Время разгона — 120 об/мин за секунду

    Сервопривод может перемещать портал со скоростью более 60 м/мин.

    Время разгона составляет до 1000 об/мин за 0,2 секунды

    Критерий сравнения Шаговые двигатели Сервоприводы
    Эксплуатационный ресурс Шаговые электромоторы не имеют коллекторного узла, подверженного износу. Также они не имеют частей, нуждающихся в регулярном техобслуживании и замене Коллекторные серводвигатели необходимо регулярно обслуживать. Максимальный срок службы коллекторного узла — 5000 часов непрерывной работы. При этом бесщеточные сервомоторы не уступают в надежности шаговым двигателям
    Точность перемещений исполнительного органа
    Реакция на принудительную остановку Шаговые двигатели хорошо переносят механические перегрузки и не выходят из строя при аварийных остановках Сервоприводы необходимо оснащать дополнительной защитой, отключающей электромотор при принудительной остановке портала. В противном случае обмотки электрической машины могут сгореть
    Стоимость За счет простоты конструкции шаговый двигатель имеет относительно невысокую цену За счет датчиков обратной связи (энкодеров) и более сложной схемы регулирования сервопривод считается дорогостоящим оборудованием

    Критерии выбора

    Тип приводного двигателя для станков выбирают по следующим характеристикам:

    По этому параметру сервоприводы значительно превосходят шаговые электромоторы. На станок с ЧПУ для обработки крупных деталей или заготовок из твердых материалов лучше уставить сервомотор, например, ESTUN 1000 Вт. Такой электропривод обеспечит более высокую скорость обработки твердых материалов. Для малогабаритного промышленного оборудования (например, настольного фрезерного станка) среднего класса точности, предназначенного для обработки мягких материалов, лучше выбрать шаговый двигатель.

    Программирование и настройка сервопривода на станке с ЧПУ требуют высокой квалификации исполнителя. Такой привод намного дороже в обслуживании, соответственно расходы на его эксплуатацию будут выше.

    Сервоприводы для станков с ЧПУ необходимы для высокоточной автоматизированной обработки. Такой привод позволяет позиционировать положение рабочего органа с точностью до 0,02 мкм, в то время как максимальная точность шаговой электрической машины — 0, 01 мм.

    Стоимость шагового двигателя значительно ниже цены сервопривода. При невысоком бюджете лучше предпочесть первый вариант.

    По этому показателю сервомоторы предпочтительней. Работа шаговых электродвигателей сопровождается звуком, соответствующим частоте шагов на различных оборотах.

    Таким образом, выбор сервопривода или шагового двигателя в качестве привода на фрезерно-гравировальный станок и оборудование для плазменной резки следует совершать, руководствуясь исключительно экономической и технической целесообразностью.

    Источник

Оцените статью
Авто Сервис