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#Tendencias de productos
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Un control más fino del movimiento lineal
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Para un posicionamiento automatizado preciso, piense en los actuadores lineales basados en motores paso a paso.
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Los actuadores lineales generan esencialmente fuerza y movimiento a través de una línea recta. En un sistema mecánico típico, el eje de salida de un dispositivo proporcionaría un movimiento lineal utilizando un motor rotativo a través de engranajes, una correa y una polea, u otros componentes mecánicos. El problema es que estos componentes deben estar acoplados y alineados. Y lo que es peor, añaden al sistema elementos de desgaste como la fricción y la holgura. Para necesidades de posicionamiento más precisas, una alternativa más eficaz y sencilla son los actuadores lineales basados en motores paso a paso.
Estos dispositivos simplifican el diseño de una máquina o mecanismo que requiera un posicionamiento lineal preciso, ya que proporcionan una conversión de rotación a lineal directamente dentro del motor. Los actuadores mueven un grado determinado de movimiento rotatorio por cada impulso eléctrico de entrada. Esta característica, denominada "paso a paso", y el uso de un husillo de precisión proporcionan un posicionamiento preciso y repetible.
Conceptos básicos de los motores paso a paso
Para ver cómo funcionan los actuadores, es útil entender los fundamentos de los motores paso a paso. Los diferentes tipos de motores paso a paso incluyen los de reluctancia variable (VR), los de imán permanente (PM) y los híbridos. Esta discusión se centra en el motor de paso híbrido, que proporciona un par elevado y una resolución de posicionamiento fina (paso de 1,8 o 0,9°). En los sistemas de actuadores lineales, los híbridos se encuentran en dispositivos como mesas X-Y, analizadores de sangre, equipos de climatización, pequeños robots de pórtico, mecanismos de control de válvulas y sistemas automatizados de iluminación de escenarios.
Bajo el capó de un stepper híbrido se encuentra un rotor de imanes permanentes y un estator de acero envuelto en una bobina. Al activar la bobina se crea un campo electromagnético con polos norte y sur. El estator conduce el campo magnético, haciendo que el rotor se alinee con el campo. Dado que la energización y desenergización secuencial de los devanados de la bobina altera el campo magnético, cada pulso o paso de entrada hace que el rotor se mueva incrementalmente 0,9 o 1,8 grados de rotación, dependiendo del modelo híbrido. En un actuador lineal con motor paso a paso, una tuerca de precisión roscada incrustada en el rotor se acopla al husillo (que sustituye a un eje convencional).
El husillo proporciona una fuerza lineal utilizando el sencillo principio mecánico del plano inclinado. Imagínese un eje de acero con una rampa o plano inclinado que lo rodea. La ventaja mecánica o amplificación de la fuerza viene determinada por el ángulo de la rampa, que es una función del diámetro del tornillo, el avance (distancia axial que avanza una rosca de tornillo en una sola revolución) y el paso (distancia axial medida entre las formas de rosca adyacentes).
Las roscas de los husillos traducen una pequeña fuerza de rotación en una gran capacidad de carga, dependiendo de la inclinación de la rampa (avance de la rosca). Un paso de rosca pequeño proporciona una fuerza mayor pero una velocidad lineal menor. Un paso grande proporciona una fuerza menor pero una velocidad lineal mayor a partir de la misma fuente de potencia rotativa. En algunos diseños, la tuerca de potencia incrustada en el rotor está hecha de un bronce de grado de rodamiento que se presta al mecanizado de las roscas internas. Pero el bronce es un compromiso de ingeniería entre la lubricidad y la estabilidad física. Un material mejor es un termoplástico lubricado con un coeficiente de fricción mucho menor en la interfaz tuerca-rosca.
Secuencias de paso
Los esquemas para el accionamiento de un motor paso a paso incluyen el paso de "una fase encendida" y el paso de "dos fases encendidas".
En una secuencia de "una fase encendida" para un motor bifásico simple, el paso 1 muestra la fase A del estator energizado. Esto bloquea magnéticamente el rotor, ya que los polos opuestos se atraen. Al encender la fase A y la B, el rotor se mueve 90° en el sentido de las agujas del reloj (paso 2). En el paso 3, la fase B está en o y la fase A en on, pero con la polaridad invertida desde el paso 1. Esto hace que el rotor gire otros 90°. En el paso 4, la fase A está en o y la fase B en on, con la polaridad invertida desde el paso 2. La repetición de esta secuencia hace que el rotor se mueva en el sentido de las agujas del reloj en pasos de 90°.
En la secuencia de "dos fases encendidas", ambas fases del motor están siempre energizadas, y sólo cambia la polaridad de una fase. Esto hace que el rotor se alinee entre los polos magnéticos norte y sur "promedio". Como ambas fases están siempre activadas, este método proporciona un 41,4% más de par que el paso de "una fase activada".
Desgraciadamente, aunque el plástico funciona bien para los hilos, no es lo suficientemente estable para los muñones de los rodamientos en el diseño del stepper híbrido. Esto se debe a que, bajo una condición de carga completa continua, los muñones de plástico pueden expandirse cuatro veces más que los de latón. Esta cantidad es inaceptable porque el diseño del motor requiere que el espacio de aire entre el estator y el rotor sea de sólo unas milésimas de pulgada. Una forma de evitar este problema es moldear por inyección roscas de plástico dentro de un manguito de latón que se insertará en el rotor de imán permanente. Este método aumenta la vida útil del motor y proporciona una baja fricción, al tiempo que mantiene la estabilidad del cojinete.
De los distintos tipos de actuadores Haydon, los dispositivos "cautivos" llevan incorporado un mecanismo antirrotación. Esta configuración proporciona una carrera máxima de hasta 2,5 pulgadas y se adapta a aplicaciones como la dispensación de fluidos de precisión, el control de la aceleración y el movimiento de válvulas. Otros tipos de actuadores lineales Haydon son los "no cautivos" y los "lineales externos", que se adaptan a aplicaciones que necesitan una carrera más larga, como la transferencia de tubos de sangre mediante pequeños robots de pórtico, sistemas de movimiento X-Y y sistemas de imagen.
Dimensionar un actuador
Un ejemplo de aplicación es el que mejor muestra cómo dimensionar un actuador. Considere los siguientes parámetros:
Fuerza lineal requerida para mover la carga = 15 lb (67 N)
Distancia lineal, m, que la carga necesita mover = 3 pulg. (0.0762 m)
Tiempo, t, necesario para mover la carga en segundos = 6 seg
Número de ciclos deseado = 1.000.000
Hay cuatro pasos para dimensionar un actuador lineal con motor paso a paso: 1) Determinar la fuerza inicial del actuador necesaria para cumplir la vida útil requerida; 2) Determinar la velocidad en milímetros/segundo; 3) Elegir el tamaño adecuado del bastidor del actuador; y 4) Determinar la resolución adecuada del tornillo en función de los requisitos de fuerza.
La mejor manera de predecir la vida útil es a través de pruebas de aplicación, que son muy recomendables. Una técnica que utiliza la curva de porcentaje de carga frente al número de ciclos sirve como una buena primera aproximación. Los motores paso a paso no tienen escobillas que se desgasten y utilizan rodamientos de bolas de precisión y larga duración, por lo que el principal componente de desgaste es la tuerca de potencia. Por lo tanto, el número de ciclos que dura un dispositivo sin dejar de cumplir las especificaciones de diseño es una función de la carga.
Consulte la tabla de porcentaje de carga frente al número de ciclos para determinar el factor de dimensionamiento correcto para que el actuador soporte los 1.000.000 de ciclos. Resulta ser el 50% - un factor de 0,5. La fuerza nominal inicial, N, requerida para satisfacer la carga después de 1.000.000 de ciclos es, por lo tanto, 15 lb/0,5 = 30 lb o 133 N.
Determine ahora la potencia mecánica lineal necesaria en vatios:
Plineal = (N × m)/t
En nuestro ejemplo, esto se convierte en (133 × 0,0762)/6 = 1,7 W
Con estos datos, utilice la tabla de tamaños de bastidor del actuador para seleccionar el tamaño de bastidor correcto. Todos los actuadores lineales con motor paso a paso requieren un accionamiento para enviar los impulsos al motor. Tenga en cuenta que la tabla enumera la potencia tanto para un accionamiento L/R (tensión constante) como para un accionamiento chopper (corriente constante). A menos que la aplicación se alimente con baterías (como en un dispositivo portátil de mano), los fabricantes recomiendan encarecidamente un accionamiento chopper para obtener el máximo rendimiento. En este ejemplo, una revisión de las especificaciones de potencia de los convertidores de frecuencia en la tabla revela que la serie 43000 de Haydon (tamaño 17 híbrido) es la que más se acerca al requisito de 1,7 W. Esta selección cumple los requisitos de carga sin sobredimensionar el sistema.
A continuación, calcule la velocidad lineal (ips). Ésta viene dada por m/t y es de 3 pulg./6 seg. = 0,5 ips. Con el tamaño de bastidor optimizado (Tamaño 17 Híbrido) y la velocidad lineal (0,5 ips) en la mano, utilice la curva apropiada de Fuerza versus Velocidad Lineal para determinar la resolución adecuada del husillo del actuador. En este caso, la resolución del husillo necesaria es de 0,00048 pulgadas.
Recuerde que el husillo avanza en función del número de pasos de entrada al motor. Las curvas de rendimiento se expresan tanto en "ips" como en "pasos/seg" Para verificar su selección, compruebe la fuerza a la velocidad de paso requerida refiriéndose a la curva de Fuerza versus Velocidad de Pulso, donde: Resolución elegida = 0,00048 pulg./paso Velocidad lineal requerida = 0,5 ips Velocidad de paso requerida = (0,5 ips)/ (0,00048 pulg./paso) = 1.041 pasos.
Si se traza 1,041 como valor del eje X (frecuencia de impulsos) y se dibuja una línea perpendicular desde este punto hasta la curva, se observa que el valor del eje Y (fuerza) es 30. Por lo tanto, la selección es correcta.