Il motore passo-passo di base crea il moto rotatorio di un centro del rotore del magnete con gli usi degli impulsi ed il campo elettromagnetico che passa intorno al centro. Un attuatore lineare converte questo movimento rotatorio in un movimento lineare, con il preciso dipendente dell’angolo di passo del rotore e del metodo scelto per eseguire la conversione.
L’attuatore lineare che utilizza una vite avrebbe anche la sua precisione dipendente dal passo della filettatura. All’interno del rotore di un attuatore lineare, un dado si trova al centro del rotore e una vite corrispondente è impegnata nel dado. Affinché la vite si muova assialmente, la vite deve essere vincolata dalla rotazione con il dado e il rotore. Con l’anti-rotazione della vite, il movimento lineare si ottiene man mano che il rotore gira. L’anti-rotazione è compiuta tipicamente internamente con captivation di un gruppo della vite dell’asse o esternamente con un dado sull’asse della vite che è un certo modo impedito dalla rotazione, tuttavia libera lungo il suo asse.
Per semplicità di progettazione evidente, ha senso per realizzare il rotary a conversione lineare proprio all’interno del motore. Questo approccio semplifica enormemente la progettazione di molte applicazioni consentendo un “drop in motor” in grado di eseguire movimenti lineari precisi senza la necessità di installare collegamenti meccanici esterni.
Il primo attuatore lineare utilizzava una combinazione di dado a ricircolo di sfere e vite. La vite a ricircolo di sfere offre tipicamente un’efficienza superiore al 90%, mentre le filettature Acme offrono tipicamente efficienze tra il 20% e il 70%, a seconda delle condizioni della filettatura.
Sebbene le viti a sfere siano un mezzo altamente efficiente per convertire il movimento rotatorio in corsa lineare, il dado a sfere è sensibile all’allineamento, ingombrante e costoso. Pertanto, il dado a sfere non è una soluzione pratica per la maggior parte delle applicazioni.
La maggior parte dei progettisti di apparecchiature ha familiarità con l’attuatore lineare ibrido stepper motorbased. Questo prodotto è stato intorno per diversi anni, e proprio come qualsiasi altro dispositivo, ha i suoi punti di forza e limitazioni. Alcuni dei vantaggi sono la semplicità intrinseca del design, la compattezza, la brushless (quindi non arcuata), l’incredibile vantaggio meccanico, la flessibilità e l’affidabilità del design. Tuttavia, in alcuni casi questi attuatori lineari non possono essere progettati in alcuni dispositivi perché non sono durevoli senza manutenzione ordinaria.
Tuttavia, ci sono modi, per superare tali ostacoli e fornire attuatori che sono altamente durevoli con lunga durata e nessuna manutenzione. A causa del design brushless dei motori passo-passo, gli unici componenti soggetti ad usura sono i cuscinetti del rotore e l’innesto del filo del gruppo vite/dado. Anni di progressi nei cuscinetti a sfera hanno già fornito la disponibilità di tipi con ampie caratteristiche di lunga durata. Recentemente, ci sono stati miglioramenti nella vita e nella durata dei componenti della vite e del dado di accoppiamento.
Maggiore durata
Per cominciare, è necessario dare un’occhiata al design di base. Un buon modello per un caso di studio è il motore size 17, che si trova all’estremità più piccola della gamma di dimensioni passo-passo ibride. Tradizionalmente, un attuatore lineare è realizzato lavorando un albero cavo da un materiale metallico di grado cuscinetto come il bronzo. Questo albero cavo ha fili interni, che a loro volta impegnano i fili di una vite di comando. L’albero cavo è installato lungo l’asse del rotore. Una scelta popolare per il materiale della vite è l’acciaio inossidabile, che offre anche una certa resistenza alla corrosione. Per la maggior parte, il tipo di filettature utilizzate sono filettature della macchina (ad esempio un #10-32) che possono essere di avvio singolo o multiplo, a seconda della risoluzione e della velocità desiderata nell’attuatore.
La filettatura della macchina, nota come filettatura “V”, viene scelta perché è relativamente facile da lavorare e rotolare. Anche se è una scelta appropriata per la produzione, è una scelta sbagliata per la trasmissione di potenza. Un thread molto migliore è il thread Acme. Ci sono alcune ragioni per questo.
La filettatura Acme, in base alla progettazione, è più efficiente, con conseguente riduzione delle perdite, incluso l’attrito, che a sua volta significa meno usura e, infine, maggiore durata. Osservando la geometria di base della vite, è facile spiegarlo. Una filettatura a V ha un angolo di 60° tra le facce opposte, mentre l’Acme è solo 29°. (Figura 2)
Supponendo che l’attrito, la coppia e l’angolo di derivazione siano gli stessi, una filettatura a V fornirà solo circa l ‘ 85% della forza di un Acme. L’efficienza è determinata usando l’equazione uno o due, per l’uso con fili aventi una forma a V, dipendente dalla direzione del carico. Il rapporto è calcolato semplicemente dividendo l’efficienza dei fili 60° per i fili 29°. (Figura 3)
Figura 2. Confronto di (a) 60° ‘ V ‘ e (b) 29 ° fili Acme.
Figura 3. Equazioni di efficienza
Figura 4. Proprietà di attrito del bronzo rispetto alla plastica
I calcoli di efficienza non tengono conto del fatto che la pressione superficiale sarà molto più alta sulla filettatura V, aumentando così ulteriormente le perdite.
I leadscrews del filo di Acme sono fabbricati generalmente per la trasmissione di potenza, così molta più attenzione è prestata alla finitura di superficie, all’accuratezza del cavo e alle tolleranze. Le filettature V sono utilizzate principalmente come filettature di fissaggio, quindi la finitura superficiale e la rettilineità non sono strettamente controllate.
Di uguale, se non maggiore, importanza è il dado che guida la vite. Questo dado è spesso incorporato nel rotore del motore. Il materiale tradizionale del dado è un bronzo del grado del cuscinetto, che si presta alla lavorazione richiesta delle filettature interne. Era un compromesso adatto tra stabilità fisica e untuosità. Compromesso, naturalmente, è la parola chiave, dal momento che eccelle in nessuno dei due. Un materiale migliore per un dado di potenza nell’attuatore lineare è un materiale termoplastico lubrificato. Questo perché con le nuove plastiche ingegnerizzate, le filettature delle viti possono ora viaggiare con un coefficiente di attrito inferiore. La figura 4 contrasta le proprietà di attrito dei materiali filettati del rotore.
Sulla base di questo, si potrebbe chiedere: perché non usare un dado di azionamento in plastica? Purtroppo, buono come la plastica è per i fili, non è un materiale abbastanza stabile per le riviste rotore di un motore ibrido. Con il possibile aumento della temperatura del motore di 167°F durante il funzionamento del motore, la plastica in questo caso potrebbe espandersi fino a 0,004″; mentre l’ottone, ad esempio, può espandere solo 0,001″ nelle stesse condizioni termiche.
I perni dei cuscinetti sono fondamentali nella progettazione del motore ibrido. Il design del rotore ibrido deve mantenere un airgap di solo pochi millesimi di pollice per prestazioni ottimali. L’airgap è definito come lo spazio tra il diametro esterno del magnete del rotore e il diametro interno dello statore. Se il gruppo rotore perso concentricità, sarebbe strofinare contro la parete dello statore. Attraverso la selezione dei materiali, un designer desidererebbe avere benefici materiali sia della lunga durata del filo che della stabilità del cuscinetto. Mediante stampaggio a iniezione di fili di plastica all’interno di un gruppo rotore metallico, si ottiene questo reciproco vantaggio delle proprietà.
Il risultato è un prodotto estremamente migliorato con funzionamento silenzioso, maggiori efficienze e aspettative di vita. Le aspettative di vita possono essere ordini di grandezza maggiori di un dado di bronzo in condizioni operative identiche.