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#Tendances produits
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Un contrôle plus fin du mouvement linéaire
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Pour un positionnement précis et automatisé, pensez aux actionneurs linéaires à moteur pas à pas.
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Les actionneurs linéaires génèrent essentiellement une force et un mouvement à travers une ligne droite. Dans un système mécanique typique, l'arbre de sortie d'un dispositif fournit un mouvement linéaire à l'aide d'un moteur rotatif par le biais d'engrenages, d'une courroie et d'une poulie, ou d'autres composants mécaniques. Le problème est que ces composants doivent être couplés et alignés. Pire encore, ils ajoutent au système des éléments d'usure tels que la friction et le jeu. Pour des besoins de positionnement plus fins, les actionneurs linéaires à moteur pas à pas constituent une alternative plus efficace et plus simple.
Ces dispositifs simplifient la conception d'une machine ou d'un mécanisme qui nécessite un positionnement linéaire précis, car ils assurent la conversion de la rotation en mouvement linéaire directement à l'intérieur du moteur. Les actionneurs déplacent un degré donné de mouvement rotatif pour chaque impulsion d'entrée électrique. Cette caractéristique dite "pas à pas" et l'utilisation d'une vis sans fin précise permettent un positionnement précis et répétable.
Notions de base sur les moteurs pas à pas
Pour comprendre le fonctionnement des actionneurs, il est utile de connaître les principes de base des moteurs pas à pas. Les différents types de moteurs pas à pas comprennent la réluctance variable (VR), les aimants permanents (PM) et les moteurs hybrides. Cette discussion porte sur le moteur pas à pas hybride, qui fournit un couple élevé et une résolution de positionnement fine (pas de 1,8 ou 0,9°). Dans les systèmes d'actionnement linéaire, les hybrides se retrouvent dans des dispositifs tels que les tables X-Y, les analyseurs de sang, les équipements CVC, les petits robots à portique, les mécanismes de contrôle des vannes et les systèmes automatisés d'éclairage de scène.
Sous le capot d'un pas à pas hybride se trouve un rotor à aimant permanent et un stator en acier enveloppé d'un enroulement de bobine. L'alimentation de la bobine crée un champ électromagnétique avec des pôles nord et sud. Le stator conduit le champ magnétique, ce qui amène le rotor à s'aligner sur le champ. Étant donné que l'excitation et la désexcitation séquentielles des enroulements de la bobine modifient le champ magnétique, chaque impulsion ou étape d'entrée entraîne un déplacement incrémentiel du rotor de 0,9 ou 1,8 degré de rotation, selon le modèle hybride. Dans un actionneur linéaire à moteur pas à pas, un écrou de précision fileté intégré dans le rotor s'engage avec la vis-mère (qui remplace un arbre conventionnel).
La vis-mère fournit une force linéaire en utilisant le principe mécanique simple du plan incliné. Imaginez un arbre en acier entouré d'une rampe ou d'un plan incliné. L'avantage mécanique ou l'amplification de la force est déterminé par l'angle de la rampe, qui est fonction du diamètre de la vis, de l'avance (distance axiale sur laquelle un filet de vis avance en un tour) et du pas (distance axiale mesurée entre des formes de filet adjacentes).
Les filets de la vis-mère transforment une petite force de rotation en une grande capacité de charge, en fonction de la pente de la rampe (pas du filet). Un petit pas permet d'obtenir une force plus élevée mais des vitesses linéaires plus faibles. Un pas important donne une force plus faible mais une vitesse linéaire plus élevée à partir de la même source de puissance rotative. Dans certaines conceptions, l'écrou de puissance intégré au rotor est fabriqué en bronze de qualité roulement qui se prête à l'usinage de filetages internes. Mais le bronze est un compromis technique entre le pouvoir lubrifiant et la stabilité physique. Un meilleur matériau est un thermoplastique lubrifié avec un coefficient de friction beaucoup plus faible à l'interface entre l'écrou et le filetage de la vis.
Séquences pas à pas
Les schémas de commande d'un moteur pas à pas comprennent le pas "à une phase" et le pas "à deux phases".
Dans une séquence de "mise en marche monophasée" pour un moteur biphasé simplifié, l'étape 1 montre la phase A du stator sous tension. Cela verrouille magnétiquement le rotor car les pôles différents s'attirent. La mise sous tension des phases A et B fait bouger le rotor de 90° dans le sens des aiguilles d'une montre (étape 2). À l'étape 3, la phase B est désactivée et la phase A activée, mais la polarité est inversée par rapport à l'étape 1. Cela fait tourner le rotor d'un autre 90°. À l'étape 4, la phase A est désactivée et la phase B est activée, avec une polarité inversée par rapport à l'étape 2. La répétition de cette séquence entraîne le déplacement du rotor dans le sens des aiguilles d'une montre par pas de 90°.
Dans la séquence "activation biphasée", les deux phases du moteur sont toujours sous tension, et seule la polarité d'une phase change. Le rotor s'aligne alors entre les pôles magnétiques nord "moyens" et sud "moyens". Comme les deux phases sont toujours sous tension, cette méthode fournit un couple supérieur de 41,4 % à celui de la séquence "monophasée".
Malheureusement, bien que le plastique fonctionne bien pour les filets, il n'est pas assez stable pour les tourillons de palier dans la conception du pasteur hybride. En effet, sous une condition de pleine charge continue, les tourillons en plastique peuvent se dilater quatre fois plus que les tourillons en laiton. Cette quantité est inacceptable car la conception du moteur exige que l'entrefer entre le stator et le rotor ne soit que de quelques millièmes de pouce. Une façon de contourner ce problème consiste à mouler par injection des filets en plastique à l'intérieur d'un manchon en laiton qui sera inséré dans le rotor à aimant permanent. Cette approche permet d'augmenter la durée de vie du moteur et d'obtenir un faible frottement tout en maintenant la stabilité du tourillon.
Parmi les différents types d'actionneurs Haydon, les dispositifs "captifs" possèdent un mécanisme anti-rotation intégré. Cette configuration offre une course maximale de 2,5 pouces et convient à des applications telles que la distribution de fluides de précision, la commande de l'étranglement et le mouvement des vannes. D'autres types d'actionneurs linéaires Haydon sont les dispositifs "non captifs" et "linéaires externes" qui conviennent aux applications nécessitant une course plus longue, comme le transfert de tubes de sang par de petits robots à portique, les systèmes de mouvement X-Y et les systèmes d'imagerie.
Dimensionnement d'un actionneur
Un exemple d'application montre le mieux comment dimensionner un actionneur. Considérez les paramètres suivants :
Force linéaire requise pour déplacer la charge = 15 lb (67 N)
Distance linéaire, m, à laquelle la charge doit être déplacée = 3 in. (0.0762 m)
Temps, t, nécessaire pour déplacer la charge en secondes = 6 sec
Nombre cible de cycles = 1 000 000
Le dimensionnement d'un actionneur linéaire à moteur pas à pas se fait en quatre étapes : 1) Déterminer la force nominale initiale de l'actionneur nécessaire pour atteindre la durée de vie requise ; 2) Déterminer la vitesse en millimètres/seconde ; 3) Choisir la taille de cadre appropriée de l'actionneur ; et 4) Déterminer la résolution de vis appropriée en fonction des exigences de force.
La meilleure façon de prédire la durée de vie est de procéder à des essais d'application, ce qui est fortement recommandé. Une technique utilisant la courbe du pourcentage de charge en fonction du nombre de cycles constitue une bonne première approximation. Les moteurs pas à pas n'ont pas de balais à user et ils utilisent des roulements à billes de précision à longue durée de vie, de sorte que le principal composant d'usure est l'écrou de puissance. Par conséquent, le nombre de cycles d'un dispositif tout en respectant les spécifications de conception est fonction de la charge.
Reportez-vous au tableau du pourcentage de charge par rapport au nombre de cycles pour déterminer le facteur de dimensionnement correct pour que l'actionneur puisse supporter les 1 000 000 de cycles. Il s'agit de 50 %, soit un facteur de 0,5. La force nominale initiale, N, nécessaire pour répondre à la charge après 1 000 000 de cycles est donc de 15 lb/0,5 = 30 lb ou 133 N.
Déterminez maintenant la puissance mécanique linéaire requise en watts :
Plinéaire = (N × m)/t
Dans notre exemple, cela donne (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W
Avec ces données, utilisez le tableau des tailles d'actionneurs pour sélectionner la taille d'action correcte. Tous les actionneurs linéaires à moteur pas à pas nécessitent un variateur pour envoyer des impulsions au moteur. Notez que le tableau indique la puissance pour une commande L/R (tension constante) et une commande à découpage (courant constant). À moins que l'application ne soit alimentée par une batterie (comme dans le cas d'un appareil portable de poche), les fabricants recommandent fortement d'utiliser une commande à découpage pour des performances maximales. Dans cet exemple, l'examen des spécifications de puissance du hacheur dans le tableau révèle que la série 43000 de Haydon (taille 17 hybride) répond le mieux à l'exigence de 1,7 W. Cette sélection répond aux exigences de charge sans surdimensionner le système.
Ensuite, il faut calculer la vitesse linéaire (ips). Elle est donnée par m/t et s'élève à 3 in./6 sec = 0,5 ips. Avec la taille de cadre optimisée (taille 17 Hybrid) et la vitesse linéaire (0,5 ips) en main, utilisez la courbe Force vers vitesse linéaire appropriée pour déterminer la résolution adéquate de la vis d'actionnement. Dans ce cas, la résolution nécessaire de la vis-mère est de 0,00048 in.
Rappelez-vous que la vis sans fin avance en fonction du nombre de pas d'entrée du moteur. Les courbes de performance sont exprimées à la fois en "ips" et en "steps/sec" Pour vérifier votre sélection, contrôlez la force à la vitesse de pas requise en vous référant à la courbe Force Versus Pulse Rate, où : Résolution choisie = 0,00048 in./pas Vitesse linéaire requise = 0,5 ips Taux de pas requis = (0,5 ips)/ (0,00048 in./pas) = 1 041 pas.
En traçant 1,041 comme valeur de l'axe des X (taux d'impulsion) et en traçant une ligne perpendiculaire de ce point à la courbe, la valeur de l'axe des Y (force) est de 30. Par conséquent, la sélection est correcte.