Aktuatory liniowe z hybrydowymi silnikami krokowymi

Fot. 1. Sterowniki marki WObit

Silniki krokowe to napędy o prostej budowie (brak komutatora), które są przeznaczone do precyzyjnego pozycjonowania. Można im zadawać częstą zmianę kierunku obrotów i dokładnie określić położenie kątowe, mają również stały moment trzymający przy zerowej prędkości w odróżnieniu od innych silników prądu stałego. Hybrydowe silniki krokowe to obecnie najpopularniejszy rodzaj tych napędów, poza silnikami z magnesem stałym. Ich popularność jest spowodowana przede wszystkim wyższą prędkością obrotową oraz rozdzielczością. Nowe aktuatory liniowe z hybrydowym silnikiem krokowym Haydon Kerk to elektryczne siłowniki liniowe gwarantujące wysoką precyzję pozycjonowania podczas realizacji przemieszczenia liniowego.

Spośród różnych mechanizmów zamieniających ruch obrotowy silnika na liniowy, takich jak zębatki i pasek zębaty, koło pasowe i pasek zębaty itp., aktuatory liniowe są jednym z najefektywniejszych rozwiązań. Zostały one po raz pierwszy zastosowane w 1968 roku i od tego czasu nieprzerwanie są implementowane w różnorodnych aplikacjach. W odróżnieniu od wspomnianych wcześniej mechanizmów, w aktuatorze zamiana ruchu obrotowego na liniowy następuje najczęściej wewnątrz silnika za pomocą nakrętki zintegrowanej z silnikiem i śruby zastępującej wałek. Aby wytworzyć ruch liniowy, konieczne jest zapobieżenie obracaniu się śruby.

Podczas obrotu silnika wewnętrzna nakrętka porusza śrubą, co skutkuje ruchem liniowym. Zmiany kierunku obrotów silnika powodują zmianę kierunku przesuwu liniowego. Haydon Kerk oferuje trzy rodzaje aktuatorów: z blokadą obrotów (captive), bez blokady obrotów (non-captive) i z nakrętką zewnętrzną. W przypadku modeli z blokadą obrotów podczas przesuwu silnik pozostaje nieruchomy, obraca się nakrętka, natomiast elementem wysuwającym się, ale nie obracającym jest śruba trapezowa. W aktuatorach bez blokady obrotów (non-captive) elementem obracającym się również jest nakrętka zintegrowana z silnikiem, końce śruby trapezowej w tym układzie muszą być zamocowane, aby się nie obracała. W trzeciej wersji z zewnętrzną nakrętką elementem rotującym jest śruba trapezowa, która stanowi przedłużenie wałka silnika.

Przemieszczenie przypadające na krok silnika jest określone przez kąt kroku silnika oraz przez skok śruby i nakrętki. Duży skok gwintu daje większe przemieszczenie na krok w porównaniu ze śrubami o drobniejszym zwoju. Jednakże dla określonej częstotliwości kroku drobny zwój pozwala uzyskać większą siłę przesuwu. Śruby drobnozwojne zwykle nie mogą być ręcznie "cofnięte" lub przemieszczone, gdy silnik jest niezasilony, natomiast śruba o dużym może. Pomiędzy śrubą a nakrętką muszą występować niewielkie luzy, aby zapewnić swobodny ruch gwarantujący efektywną pracę aktuatora. Jeżeli konieczna jest bardzo wysoka precyzja pozycjonowania, luzy mogą zostać skompensowane poprzez dojazd do pozycji krańcowej zawsze z tego samego kierunku. Dla dwukierunkowego ruchu na żądanie dostępne są również bezluzowe nakrętki do wszystkich typów aktuatorów.

Aktuatory liniowe z hybrydowym silnikiem krokowym Haydon Kerk otwierają nowe możliwości konstruktorom, którzy wymagają wysokiej wydajności i wyjątkowej wytrzymałości, zamkniętych w niewielkiej obudowie. Budowa aktuatorów składa się z silnika krokowego, nakrętki z tworzywa termoplastycznego oraz gwintu napędowego trapezowego symetrycznego o kącie 29° ze stali nierdzewnej. W odróżnieniu od aktuatorów innych firm wersje z blokadą obrotów i bez blokady obrotów mają rotor trwale połączony z nakrętką.

Rys. 1. Przekrój aktuatora

Dzięki temu praca aktuatora jest bardziej wydajna i cicha, a jego wytrzymałość zwiększona w porównaniu z powszechnie stosowanym w akutatorach gwintem trójkątnym z nakrętką z brązu. Żywotność silnika jest dziesięciokrotnie wyższa w porównaniu z wersją z nakrętką z brązu. Dodatkowo nakrętki Haydon Kerk nie wymagają konserwacji, nie podnoszą również kosztu aktuatora.

Haydon Kerk proponuje sześć serii silników hybrydowych o rozmiarach od 21 mm do 87 mm w kwadratowym kształcie, co zgodnie z oznaczeniami NEMA odpowiada rozmiarom 8, 11, 14, 17, 23 oraz 34. Siła przesuwu w zależności do serii wynosi od 4,5 kg dla najmniejszej serii 21000 do 23 kg dla rozmiaru 87 mm. Dostępna rozdzielczość wynosi od 0, 48768 mm/krok do 0,0015 mm/krok.

Do precyzyjnej kontroli aktuatorów z hybrydowymi silnikami krokowymi WObit proponuje sterowniki własnej produkcji, m.in. nowy sterownik SMC124, który umożliwia sterowanie mikrokokiem z podziałem od 1 do 1/128, wymuszając stałą wartość prądu w uzwojeniu niezależnie od wartości napięcia zasilania. Gwarantuje to bardzo płynną i cichą pracę oraz wysoką rozdzielczość pozwalającą na bardzo precyzyjne pozycjonowanie. Sterownik jest zasilany napięciem 12...36 V_DC i reguluje prąd uzwojenia silnika od 0,5 do 3,6 A. SMC124 ma optoizolowane wejścia i wyposażony jest w diody sygnalizujące stan pracy sterownika, a także w zabezpieczenie przeciążeniowe i termiczne.

Innym funkcjonalnym sterownikiem odpowiednim do większości napędów Haydon Kerk jest SIC184 o prądzie sterowania do 4 A. Poza końcówką mocy wyposażony jest również w indekser oraz generator trajektorii pozwalający na precyzyjne określenie pozycji, prędkości i przyspieszenia ruchu silnika. Po zaprogramowaniu urządzenie może wykonywać program składający się z 300 komend. Dodatkowo SIC184 ma wejście cyfrowe do współpracy z dowolnym enkoderem inkrementalnym lub absolutnym, wejście analogowe 0...10 V, a także uniwersalne wejścia i wyjścia. Sterownik jest wyposażony w złącze USB do konfigurowania, diagnozowania i programowania, a także w interfejs RS-485 Modbus-RTU do współpracy np. ze sterownikiem PLC czy panelem HMI.

Aktuatory liniowe z hybrydowym silnikiem krokowym idealne nadają się do aplikacji wymagających precyzyjnego pozycjonowania, gwałtownego ruchu i długiej żywotności. Typowe zastosowania to stoły XY, wyposażenie telekomunikacyjne, przenoszenie półprzewodników czy kontrola zaworów. Popularnym zastosowaniem dla tych siłowników jest sterowanie różnego rodzaju drzwiami, oknami, bramami, szczególnie w miejscach o ograniczonym dostępie jak laboratoria, hale produkcyjne itp. Aktuatory są również często stosowane do podnoszenia łóżek szpitalnych, foteli dentystycznych czy w podnośnikach osobowych.

W przemyśle aktuatory można spotkać wszędzie tam, gdzie niezbędna jest ciągła i automatyczna regulacja i kontrolowane precyzyjne przesunięcia liniowe np. na liniach produkcyjnych do zmiany kierunku przesuwanych elementów. Szerokim obszarem dla implementacji aktuatorów jest również sektor energii odnawialnej, gdzie wykorzystywane są m.in. do zmiany ustawienia kolektorów słonecznych zgodnie z ruchem słońca czy do kontroli łopatek w elektrowniach wiatrowych. Informacje na temat szczegółów technicznych i przykładowych aplikacji można uzyskać na stronie www.wobit.com.pl oraz pod nr. 61 22 27 422.

P.P.H. WObit E.K.J. Ober s.c.
www.wobit.com.pl