Vaihteistomoottori selitetty: tyypit, vääntömomentti ja kuinka valita oikea

Tavallinen askelmoottori on jo erittäin hyödyllinen laite – se liikkuu tarkoissa portaissa, pitää paikkansa ilman jarrua eikä vaadi takaisinkytkentäanturia perusasennossa. Mutta on sovelluksia, joissa varastomoottori jää alle: kuormat, jotka tarvitsevat enemmän vääntömomenttia kuin moottori pystyy tuottamaan, suuren hitauden omaavat kuormat, jotka vastustavat kiihtyvyyttä, tai paikannustehtävät, joissa alkuperäinen 1,8 asteen askelkulma ei yksinkertaisesti ole tarpeeksi hieno. Vaihteistolla varustettu askelmoottori ratkaisee kaikki kolme ongelmaa kerralla kiinnittämällä vaihteiston suoraan moottorin akseliin. Tuloksena on kompakti, integroitu toimilaite, joka moninkertaistaa vääntömomentin, vähentää nopeutta, parantaa resoluutiota ja kesyttää vaikeita inertiasuhteita ilman, että ainuttakaan ohjauskoodiriviä vaihdetaan. Tässä oppaassa kerrotaan, kuinka vaihdemoottorit toimivat, mitä saatavilla olevat vaihdetyypit tarjoavat, kuinka valita oikea kokoonpano ja missä nämä moottorit toimivat parhaiten.

Mikä vaihteinen askelmoottori on ja miten se toimii

A vaihdettava askelmoottori on integroitu yksikkö, joka koostuu askelmoottorista – tyypillisesti kaksivaiheisesta bipolaarisesta hybridiaskelmoottorista – yhdistettynä suoraan sen ulostuloakseliin kiinnitettyyn vaihteistoon. Vaihteisto on suunniteltu ja kohdistettu tehtaalla, joten moottori ja vaihteisto jakavat yhden kiinnityslaipan ja muodostavat yhtenäisen mekaanisen liitännän koneeseen. Moottorin akseli käyttää vaihteiston tuloa; vaihteiston ulostuloakseli välittää liikkeen kuormaan pienemmällä nopeudella ja suhteellisesti lisääntyneellä vääntömomentilla.

Askelmoottoriosa toimii identtisesti erillisen askellaitteen kanssa: kuljettaja lähettää askel- ja suuntapulsseja, moottori etenee yhden askeleen (tai mikroaskeleen) pulssia kohden, ja asentoa seurataan avoimesti laskemalla pulsseja. Vaihteisto ei muuta tätä ohjauskäyttäytymistä - se yksinkertaisesti muuttaa liikettä ulostulossaan. Jokainen moottorin askel siirtää ulostuloakselia yhden askelkulman verran jaettuna välityssuhteella. 1,8 asteen moottori (200 täyttä askelta kierrosta kohti) 10:1-vaihteistolla tuottaa tehokkaan 0,18 asteen askelkulman ja 2 000 askelta lähtökierrosta kohden. Tämä resoluution moninkertaistuminen on yksi käytännöllisesti arvokkaimmista vaihteiston askelmoottorikokoonpanon ominaisuuksista.

Vääntömomentin muunnos noudattaa samaa suhdetta. Lähtövääntömomentti on yhtä suuri kuin moottorin pitomomentti kerrottuna välityssuhteella ja vaihteiston mekaanisella hyötysuhteella. NEMA 17 -moottori, jossa on 0,5 Nm:n vääntömomentti ja 10:1-vaihteisto 90 %:n hyötysuhteella, tuottaa noin 4,5 Nm ulostuloakselilla, mikä vastaa teholtaan paljon suurempaa ja kalliimpaa vaihteistotonta askelmaa. Tämän vääntömomentin moninkertaisuuden vuoksi NEMA 17- tai NEMA 23 -vaihdemoottori voi usein korvata vaihteistottoman NEMA 34 -moottorin, mikä säästää levytilaa ja koneen painoa.

Miksi inertiasuhteella on väliä ja kuinka velkaantumisaste korjaa sen

Yksi tärkeimmistä – ja vähiten käsitellyistä – syistä vaihteiston lisäämiseen askelmoottoriin on inertiasovitus. Kun askelmoottori käyttää kuormaa, kuormitushitauden suhde roottorin inertiaan määrittää, kuinka hyvin moottori voi kiihdyttää, hidastaa ja pysähtyä tarkasti. Jos kuorman inertia on paljon suurempi kuin roottorin hitaus, moottorilla on vaikeuksia hallita kuormaa dynaamisten liikkeiden aikana, mikä johtaa ylityksiin (enemmän askeleita otettu kuin käsketään), alilyöntiin (otettu vähemmän) tai askelten menettämiseen – kaikki paikannusvirheet, jotka kumoavat stepperin käytön.

Vaihteisto vähentää moottoriin takaisin heijastuvaa kuormitushitautta välityssuhteen neliön verran. 10:1-vaihdelaatikko vähentää heijastuneen kuorman inertiaa kertoimella 100. Tämä tarkoittaa, että moottori, joka ei pystyisi suoraan ohjaamaan suuren inertian kuormaa luotettavasti, voi yhtäkkiä tehdä sen varmuudella vaihteiston kautta. Käytännön kynnys, jonka sisällä useimmat suunnittelijat työskentelevät, on kuorman ja roottorin inertiasuhde 10:1 tai vähemmän. Korkeammilla suhteilla paikannustarkkuus ja dynaaminen suorituskyky heikkenevät. Jos laskettu välityssuhde ilman välitystä ylittää tämän kynnyksen, vaihteiston lisääminen on usein oikea tekninen ratkaisu – tehokkaampi ja halvempi kuin pelkkä suuremman moottorin määrittäminen.

Siinä on myös resonanssietu. Vaihteettomissa askelmoottoreissa, jotka toimivat pienillä nopeuksilla, voi esiintyä keskitaajuista resonanssia – värähtelyä ja epävakautta, joka johtuu askeltaajuuden ja moottorin luonnollisen resonanssitaajuuden välisestä vuorovaikutuksesta. Koska vaihdemoottori käyttää sisäistä moottoriaan suuremmalla nopeudella (nopeus kerrottuna välityssuhteella) tuottaakseen saman lähtönopeuden, moottori toimii kauempana nopeus-vääntömomenttikäyrällänsä, poispäin alhaisen nopeuden resonanssialueelta. Tämä tuottaa tasaisemman, vakaamman liikkeen lähtöakselilla kuin vaihteeton moottori, joka käy samalla loppunopeudella.

Kolme tärkeintä vaihteistotyyppiä askelmoottoreille

Kaikki vaihteistot eivät sovellu askelmoottorisovelluksiin samalla tavalla. Koska asemointiin käytetään askelmoottoreita – kaksisuuntaisia ​​liikkeitä, dynaamisia kuormituksen muutoksia ja tarkkoja pysäytys- ja pitovaatimuksia – vaihteiston on käsiteltävä välystä, vääntöjäykkyyttä ja tehokkuutta huolellisesti. Kolme vaihdetyyppiä hallitsee askelmoottoreiden vaihdepään markkinoita: planeetta-, spur- ja mato. Jokaisella on erillinen suorituskykyprofiili.

Planetaariset vaihdelaatikot

Planeettavaihteistot ovat laajimmin käytetty vaihteistotyyppi tarkkuusaskelmoottoreissa. Planetaarinen vaihe koostuu moottorin akselin käyttämästä keskeisestä aurinkopyörästä, useista planeettavaihteista, jotka kiertävät aurinkoa samalla kun ne ovat yhteydessä kiinteän ulkorenkaan kanssa, ja alustasta, joka siirtää planeettavaihteen liikkeen lähtöakselille. Koska vääntömomentti jakautuu useille planeettavaihteiston koskettimille samanaikaisesti, planeettavaihteistot saavuttavat suuren vääntömomenttitiheyden ja suuren vääntöjäykkyyden kompaktissa, koaksiaalisessa paketissa – ulostuloakseli kulkee samalla akselilla kuin moottorin akseli.

NEMA 17 -moottoreille on saatavana tarkkuusplaneettavaihteistoja, joiden välys on jopa 15 kaariminuuttia taloudellisissa luokissa ja alle 3 kaariminuuttia korkean tarkkuuden luokissa. Välityssuhteet vaihtelevat tyypillisesti välillä 3,7:1 - 100:1 yksivaiheisessa yksikössä, ja kaksivaiheisissa kokoonpanoissa tämä ulottuu 369:1:een. Vaihekohtainen hyötysuhde on tyypillisesti 90–97 %, mikä tarkoittaa, että vääntömomentin kerroin on lähellä teoreettista ja lämmöntuotto on vaatimatonta verrattuna kierukkavaihteisiin. NEMA 23 -moottoreiden planeettavaihteistot tuottavat vääntömomentteja jopa 15 Nm:iin asti; NEMA 34- ja NEMA 42 -planeettavaihteiset askelmoottorit saavuttavat 120 Nm tai enemmän.

Spur Vaihteistot

Hammaspyörästöissä käytetään sarjaa toisiinsa rinnakkaisakselisia hammaspyöriä tarvittavan vähennyksen saavuttamiseksi. Ne ovat yksinkertaisempia ja halvempia kuin planeettayksiköt, ja ne tarjoavat paremman hyötysuhteen (usein 95 % tai enemmän), koska jokaisessa hammaspyöräverkossa on pikemminkin vieriminen kuin liukuva kosketus. Hammaspyörästöjen halkaisija on kuitenkin suurempi samalla suhteella ja vääntömomentilla, niillä on enemmän välystä kuin tarkkuusplaneettayksiköillä (tyypillisesti 1-3 astetta), eivätkä ne ole koaksiaalisia - moottori ja lähtöakselit voivat olla sivussa. Kustannusherkissä sovelluksissa, joissa on kohtalainen vääntömomenttivaatimus, yksinkertainen käyttöasetelma ja ilman tiukkaa välysmäärittelyä, hammaspyörästömoottorit ovat taloudellinen valinta. Niitä käytetään yleisesti 3D-tulostimissa, kevyissä CNC-sovelluksissa ja kuluttajatason automaatiossa, joissa muutaman asteen välys ei merkittävästi vaikuta paikannustarkkuuteen.

mato vaihteistot

Kierukkavaihteisissa askelmoottoreissa yhdistyvät askelmittaisen askeleen tarkka ohjaus sekä kierukkavaihteiston suuri välityssuhde, suorakulmainen käyttö ja itselukittuva ominaisuus. Vakiotuotteissa on saatavana suhteita 17:1 - 500:1, joten matoportaat soveltuvat sovelluksiin, jotka vaativat erittäin hitaita lähtönopeuksia ilman useita vaihteita. Itselukittuva ominaisuus – jossa kuorma ei voi ajaa matoa taaksepäin – eliminoi pitojarrun tarpeen monissa pystyakselisissa tai kuorman pitosovelluksissa. Kompromissit ovat alhaisempi hyötysuhde (40–80 % suhteesta riippuen), korkeampi lämmöntuotto jatkuvassa käytössä ja huomattavasti suurempi takaisku kuin planeettayksiköissä. Kierukkavaihteiset askelmoottorit soveltuvat hyvin porttitoimilaitteille, lineaarisille nostoportaille, indeksointikääntöpöydälle ja muihin sovelluksiin, joissa vaaditaan asennon pitoa kuormitettuna ja käyttöjakso on ajoittaista.

Vaihteistotyyppien vertailu askelmoottorisovelluksiin

NEMA-kehysten koot ja lähtömomentin viite

Vaihdetetut askelmoottorit on standardoitu NEMA-runkokokojen ympärille, jotka määrittävät moottorin etulevyn mitat ja asennusreikien kuvion. NEMA-merkintä ei määritä sähköistä tai vääntömomenttia – ne vaihtelevat moottorin käämityksen ja pituuden mukaan – mutta se määrittelee fyysisen muototekijän, joten on yksinkertaista määrittää vaihteistot, jotka sopivat vakiomoottorirunkoon.

• NEMA 8 (20 mm): Pienin käytännöllinen hammaspyörästökoko. Käytetään lääketieteellisissä instrumenteissa, pienissä annostelujärjestelmissä ja kompakteissa robotiikassa, missä tilaa on äärimmäisen vähän ja vääntömomenttivaatimukset ovat alhaiset.
• NEMA 11 (28 mm): Soveltuu laboratorioautomaatioon, pieniin pyöriviin pöytiin ja kompakteihin toimilaitteisiin. Tässä runkokokossa on saatavana planeettavaihteistoja, joiden välityssuhde on jopa 100:1 ja välys jopa 3 kaariminuuttia.
• NEMA 17 (42 mm): Suosituin hammaspyöräisen askelmoottorin runkokoko 3D-tulostuksessa, pöytätietokoneiden CNC:ssä, robotiikassa ja kevyessä teollisuusautomaatiossa. NEMA 17:n planeettavaihteistot tarjoavat jopa 3 Nm:n vääntömomentin ja välit 3,7:1 - 369:1. 42 mm:n neliömäistä etulevyä tukevat laajasti mekaaniset suunnitteluekosysteemit.
• NEMA 23 (57mm): Standardi teollisuuden kevyelle automaatiolle, kuljettimille, syöttölaitteille ja keskitason CNC-laitteille. Planeettavaihteiset NEMA 23 -askelmoottorit saavuttavat jopa 15 Nm:n tai suuremman vääntömomentin. NEMA 23 -vaihdeasteikko 10:1 voi usein korvata vaihteistottoman NEMA 34 -moottorin halvemmalla ja pienemmällä jalanjäljillä.
• NEMA 34 (86 mm) ja NEMA 42 (110 mm): Käytetään raskaissa CNC-reitittimissä, teollisuusautomaatiolaitteissa ja suuren vääntömomentin paikannusjärjestelmissä. Planeettavaihteiset NEMA 34 -moottorit saavuttavat jopa 120 Nm:n vääntömomentin; NEMA 42 -kokoonpanot laajentavat tätä entisestään.

Tärkeimmät sovellusalueet vaihdemoottoreille

Avoimen silmukan porrastetun ohjauksen, korkean vääntömomentin, hienon tehokkaan resoluution ja kompaktin integroidun pakkauksen yhdistelmä tekee vaihdemoottoreista suositellun toimilaitteen useilla eri aloilla.

Teollisuusautomaatio ja robotiikka

Vaihdetetut askelmoottorit ovat vakiotoimilaitteita suorakulmaisissa roboteissa, portaalijärjestelmissä, pyörivässä indeksoijassa ja poiminta- ja paikkakoneissa. Planeettavaihteinen askelmoottori, jonka koko on NEMA 23 tai NEMA 34, tarjoaa vääntömomentin ja tarkkuuden, joka tarvitaan tarkan akselin paikannukseen ilman servojärjestelmän kustannuksia. Itsenäinen askel- ja suuntaliitäntä yksinkertaistaa ohjaimen suunnittelua – useimmat PLC:t ja liikeohjaimet voivat ohjata askelohjainohjainta suoraan ilman ylimääräistä palauteinfrastruktuuria.

Lääketieteelliset ja laboratoriolaitteet

Nesteenannostelujärjestelmät, ruiskupumput, analyyttisten instrumenttien näytevaiheet ja diagnostiset laitteet käyttävät kompakteja vaihdemoottoreita – usein NEMA 11 tai NEMA 17 planeettavaihteistoilla – missä tarkka, toistettava sijoittelu pienessä pakkauksessa on kriittinen. Kyky pysyä asennossa ilman jatkuvaa virrankulutusta on arvokasta paristokäyttöisissä tai matalalämpöisissä instrumenteissa, joissa moottorin jännitteet on minimoitava joutokäyntijaksojen aikana.

3D-tulostus ja työpöydän CNC

3D-tulostimien ekstruuderikäytöissä ja Z-akselin johtoruuvikäytöissä käytetään yleisesti NEMA 17 -planeettavaihteisia askelmoottoreita moninkertaistamaan vääntömomentti, joka on käytettävissä filamentin työntämiseen tai tulostuspään nostamiseen painovoimaa vastaan. Välityssuhteen parannettu resoluutio mahdollistaa myös hienomman kerroksen korkeuden ohjauksen johtoruuvissa ilman, että vaihdetaan korkeamman mikroaskeleen ohjainkokoonpanoon.

Pakkauskoneet

Pakkauslinjojen indeksointikuljettimet, etiketin applikaattorit, korkin vääntömomentit ja täyttöpäät käyttävät vaihteisia askelmoottoreita toistettavan, ohjelmoitavan paikannukseen ja kykyyn pitää asento liikkeiden välillä ilman erillistä seisontajarrua. Kierukkavaihteisia askelmoottoreita käytetään erityisesti pystysuorassa täyttö- ja täyttöasemissa, joissa kuorma ei saa ajaa taaksepäin, kun moottori on jännitteetön.

Porttioperaattorit ja toimilaitteet

Kierukkavaihteiset askelmoottorit sopivat hyvin automatisoituihin portti-, ovi- ja venttiilitoimilaitteisiin, joissa itselukittuva ominaisuus pitää mekanismin paikoillaan ilman jatkuvaa moottorin pitovirtaa. Korkean alennussuhteen ansiosta pieni moottori voi tuottaa vääntömomentin, joka tarvitaan painavien porttien siirtämiseen tai jousikuormiteisten venttiilimekanismien voittamiseksi ilman ylimitoitettua moottorin runkoa.

Kuinka valita oikea vaihdemoottori

Vaihdetetun askelmoottorin oikea valinta edellyttää useiden toisistaan riippuvien parametrien käsittelyä tietyssä järjestyksessä. Vaiheiden ohittaminen – erityisesti inertiatarkistus ja termisen käyttöjakson arviointi – johtaa moottoriin, joka toimii penkillä, mutta epäonnistuu käytössä.

Määritä ensin kuormitus- ja liikeprofiili

Ennen kuin katsot moottorin tietolehteä, määritä sovelluksen vaatimukset: vaadittu lähtömomentti (mukaan lukien käyttökerroin huippukuormituksille ja kiihtyvyydelle), vaadittu lähtönopeus kierroslukuina, liikeprofiili (kiihtyvyys, matka, hidastusaika) ja käyttöjakso (prosenttiosuus ajasta, jolloin moottori liikkuu aktiivisesti verrattuna pito- tai jännitteettömään aikaan). Nämä parametrit määräävät jokaisen alavirran valintapäätöksen. Lähtömomentti ja nopeus yhdessä määrittävät mekaanisen tehontarpeen; Käyttömäärä määrittää, tuleeko lämpöarvoista sitovia rajoituksia.

Valitse välityssuhde ja moottorin koko yhdessä

Välityssuhde on valittava siten, että moottorin toimintanopeus asetetaan käyttökelpoisen nopeusalueen yläosaan – tyypillisesti 200–600 RPM useimmille hybridiaskelmoottoreille – missä vääntömomentti-nopeuskäyrä on edelleen kohtuullisen tasainen. Moottorin käyttäminen erittäin alhaisilla nopeuksilla (alle 100 rpm ilman vaihteistoa) asettaa sen resonanssialttiille alueelle ja tuottaa vähemmän vakaata liikettä kuin ajaminen nopeammin vaihteiston läpi. Kun moottorin tavoitenopeus on määritetty, suhde on yksinkertaisesti moottorin nopeus jaettuna vaaditulla lähtönopeudella. Varmista, että tuloksena oleva vääntömomentti (moottorin pitomomentti × välityssuhde × hyötysuhde) täyttää kuormitusvaatimuksen, mukaan lukien käyttökerroin. Jos näin ei ole, suurenna moottorin rungon kokoa tai lisää suhdetta.

Tarkista kuorman ja roottorin hitaussuhde

Laske kuorman inertia (mukaan lukien vaihteiston ulostuloakseli, kytkin ja kaikki mekaaniset komponentit vaihteiston lähdön ja loppukuorman välillä) ja jaa se valitun moottorin roottorin hitaudella. Heijastunut kuorman inertia (kuormitushitaus jaettuna välityssuhteella neliöitynä) on moottorin kannalta tärkeä. Pyri pitämään heijastuva inertia-roottorin hitaussuhde alle 10:1 tasaisen dynaamisen suorituskyvyn varmistamiseksi. Jos suhde ylittää tämän, joko suurenna välityssuhdetta tai valitse moottori, jolla on suurempi roottorin hitaus. Suljetun silmukan vaihdemoottorit, joissa on anturin takaisinkytkentä, voivat sietää korkeampia inertiasuhteita kuin avoimen silmukan järjestelmät, koska säädin havaitsee ja korjaa kadonneet askelmat.

Arvioi vastaisku sovellusvaatimuksia vastaan

Välys on lähtöakselin kulmavälys, kun moottori vaihtaa suuntaa – lähtöakseli ei liiku, ennen kuin vaihteiston välys täyttyy. Sovelluksissa, joissa kuorma liikkuu aina yhteen suuntaan (annostelupumput, yksisuuntaiset kuljettimet), välyksellä ei ole käytännön vaikutusta. Kaksisuuntaisissa paikannussovelluksissa välys rajoittaa suoraan toistettavan paikannustarkkuuden. Economy planeettavaihteistot tarjoavat vastaiskun noin 50 kaariminuuttia; tarkkuus planetaariset arvot laskevat tämän 15 kaaren minuuttiin; korkean tarkkuuden arvot saavuttavat 3 kaariminuuttia tai vähemmän. Määritä sovelluksen aidosti vaatima tiukin välysaste – ei tiukinta saatavilla olevaa – koska erittäin tarkat vaihteistot maksavat huomattavan hinnan.

Vahvista vaihteiston mekaaninen käyttöliittymä

Varmista, että valittu vaihteiston ulostuloakselin halkaisija, kiilauramäärittely, suurin sallittu radiaalinen kuorma ja suurin sallittu aksiaalikuorma ovat yhteensopivia kytkimen tai käytettävän osan kanssa. Askelmoottoreiden vaihteistoissa on määritellyt sallitut radiaali- ja aksiaalikuormitusarvot, jotka ylittyessä nopeuttavat laakerien kulumista ja lyhentävät vaihteiston käyttöikää. Jos sovellukseen kohdistuu merkittäviä ulkoisia (säteittäisiä) kuormituksia – kuten hammaspyörä tai hihnapyörä, joka on asennettu suoraan ulostuloakselille ilman lisätukea – varmista, että vaihteiston laakerin nimellisarvo kestää kuormituksen käyttönopeudella.