Vysvetlenie prevodového krokového motora: Typy, krútiaci moment a ako vybrať ten správny

Štandardný krokový motor je už pozoruhodne užitočným zariadením - pohybuje sa v presných krokoch, drží svoju polohu bez brzdy a na základné polohovanie nevyžaduje žiadny snímač spätnej väzby. Existuje však trieda aplikácií, v ktorých sériový motor zaostáva: záťaže, ktoré potrebujú väčší krútiaci moment, než dokáže motor generovať, záťaže s vysokou zotrvačnosťou, ktoré odolávajú zrýchleniu, alebo polohovacie úlohy, pri ktorých pôvodný 1,8-stupňový uhol jednoducho nie je dostatočne jemný. Krokový motor s prevodovkou rieši všetky tri tieto problémy naraz pripevnením prevodovky priamo na hriadeľ motora. Výsledkom je kompaktný integrovaný ovládač, ktorý znásobuje krútiaci moment, znižuje rýchlosť, zlepšuje rozlíšenie a skrotí zložité pomery zotrvačnosti – bez zmeny jediného riadku riadiaceho kódu. Táto príručka vysvetľuje, ako fungujú krokové motory s prevodovkou, čo ponúkajú dostupné typy prevodov, ako vybrať správnu konfiguráciu a kde tieto motory fungujú najlepšie.

Čo je to prevodový krokový motor a ako funguje

A krokový motor s prevodovkou je integrovaná jednotka pozostávajúca z krokového motora – typicky dvojfázového bipolárneho hybridného krokového motora – v kombinácii priamo s prevodovkou pripojenou k jeho výstupnému hriadeľu. Prevodovka je navrhnutá a zarovnaná vo výrobe, takže motor a prevodovka zdieľajú jednu montážnu prírubu a predstavujú jednotné mechanické rozhranie pre stroj. Hriadeľ motora poháňa vstup prevodovky; výstupný hriadeľ prevodovky dodáva nákladu pohyb so zníženou rýchlosťou a proporcionálne zvýšeným krútiacim momentom.

Časť krokového motora funguje identicky ako samostatný krokový motor: ovládač vysiela krokové a smerové impulzy, motor sa posúva o jeden krok (alebo mikrokrok) na impulz a poloha je sledovaná s otvorenou slučkou počítaním impulzov. Prevodovka nemení toto správanie ovládania – jednoducho transformuje pohyb na svojom výstupe. Každý krok, ktorý motor vykoná, posúva výstupný hriadeľ o jeden krokový uhol vydelený prevodovým pomerom. 1,8-stupňový motor (200 úplných krokov na otáčku) s prevodovkou 10:1 vytvára efektívny uhol kroku 0,18 stupňa a 2000 krokov na výstupnú otáčku. Toto znásobenie rozlíšenia je jednou z prakticky najcennejších vlastností konfigurácie prevodového krokového motora.

Transformácia krútiaceho momentu sa riadi rovnakým pomerom. Výstupný krútiaci moment sa rovná prídržnému momentu motora vynásobenému prevodovým pomerom a mechanickou účinnosťou prevodovky. Motor NEMA 17 s prídržným krútiacim momentom 0,5 Nm a prevodovkou 10:1 s 90% účinnosťou dodáva približne 4,5 Nm na výstupnom hriadeli – čo je ekvivalent výkonu oveľa väčšieho a drahšieho krokového prevodu bez ozubenia. Toto znásobenie krútiaceho momentu je dôvodom, prečo môže krokový motor s prevodovkou NEMA 17 alebo NEMA 23 často nahradiť motor bez prevodovky NEMA 34, čím sa ušetrí miesto na doske a hmotnosť stroja.

Prečo je pomer zotrvačnosti dôležitý a ako ho prevodovka opravuje

Jedným z najdôležitejších – a najmenej diskutovaných – dôvodov na pridanie prevodovky do krokového motora je prispôsobenie zotrvačnosti. Keď krokový motor poháňa záťaž, pomer zotrvačnosti záťaže k zotrvačnosti rotora určuje, ako dobre dokáže motor zrýchliť, spomaliť a zastaviť presne. Ak je zotrvačnosť záťaže oveľa väčšia ako zotrvačnosť rotora, motor má problémy s ovládaním záťaže počas dynamických pohybov, čo má za následok prekmit (viac krokov, ako bolo prikázané), podkmit (menej vykonaných krokov) alebo stratené kroky – všetky formy chyby polohovania, ktoré v prvom rade bránia účelu použitia steppera.

Prevodovka znižuje zotrvačnosť zaťaženia odrazenú späť na motor o druhú mocninu prevodového pomeru. Prevodovka 10:1 znižuje zotrvačnosť odrazenej záťaže 100-násobne. To znamená, že motor, ktorý nedokázal spoľahlivo riadiť záťaž s vysokou zotrvačnosťou priamo, to zrazu dokáže s istotou cez prevodovku. Praktickým prahom, s ktorým väčšina dizajnérov pracuje, je pomer zotrvačnosti záťaže k rotoru 10:1 alebo menej. Pri vyšších pomeroch klesá presnosť polohovania a dynamický výkon. Ak vypočítaný pomer bez prevodu prekročí túto prahovú hodnotu, pridanie prevodovky je často správnou technickou reakciou – efektívnejšie a lacnejšie ako jednoducho špecifikovať väčší motor.

Existuje aj výhoda rezonancie. Krokové motory bez ozubenia pracujúce pri nízkych rýchlostiach môžu vykazovať stredofrekvenčnú rezonanciu – vibrácie a nestabilitu spôsobenú interakciou medzi krokovou frekvenciou a vlastnou rezonančnou frekvenciou motora. Pretože krokový motor s prevodovkou poháňa svoj vnútorný motor pri vyššej rýchlosti (rýchlosť vynásobená prevodovým pomerom), aby produkoval rovnakú výstupnú rýchlosť, motor pracuje ďalej pozdĺž svojej krivky rýchlosti a krútiaceho momentu, preč od nízkorýchlostnej rezonančnej zóny. To vytvára plynulejší a stabilnejší pohyb na výstupnom hriadeli ako motor bez ozubenia, ktorý beží pri rovnakej konečnej rýchlosti.

Tri hlavné typy prevodoviek pre krokové motory

Nie všetky prevodovky vyhovujú aplikáciám krokových motorov rovnako. Pretože krokové motory sa používajú na polohovanie - s obojsmernými pohybmi, dynamickými zmenami zaťaženia a presnými požiadavkami na zastavenie a držanie - prevodovka musí starostlivo zvládnuť vôľu, torznú tuhosť a účinnosť. Na trhu s krokovými motormi dominujú tri typy prevodov: planétové, čelné a šnekové. Každý z nich má odlišný výkonnostný profil.

Planétové prevodovky

Planétové prevodovky sú najpoužívanejším typom prevodovky pre krokové motory s presným prevodom. Planétový stupeň pozostáva z centrálneho centrálneho kolesa poháňaného hriadeľom motora, viacerých planétových kolies, ktoré obiehajú okolo Slnka, pričom sú v zábere s pevným vonkajším prstencovým kolesom, a nosiča, ktorý prenáša pohyb planétového kolesa na výstupný hriadeľ. Pretože krútiaci moment je distribuovaný medzi viaceré kontakty planétových prevodov súčasne, planétové prevodovky dosahujú vysokú hustotu krútiaceho momentu a vysokú torznú tuhosť v kompaktnom koaxiálnom balení – výstupný hriadeľ beží pozdĺž rovnakej osi ako hriadeľ motora.

Pre motory NEMA 17 sú k dispozícii presné planétové prevodovky s vôľou len 15 oblúkových minút v ekonomických triedach a menej ako 3 oblúkové minúty pri vysoko presných triedach. Prevodové pomery sa zvyčajne pohybujú od 3,7:1 do 100:1 v jednostupňovej jednotke, s dvojstupňovými konfiguráciami to rozšíria na 369:1. Účinnosť na stupeň je zvyčajne 90 – 97 %, čo znamená, že násobenie krútiaceho momentu je takmer teoretické a tvorba tepla je skromná v porovnaní s alternatívami závitovkového prevodu. Planétové prevodovky pre motory NEMA 23 dodávajú výstupný krútiaci moment do 15 Nm a viac; Krokové motory s planétovou prevodovkou NEMA 34 a NEMA 42 dosahujú 120 Nm alebo viac.

Čelné prevodovky

Prevodovky s čelným ozubením používajú sériu zaberajúcich čelných ozubených kolies s paralelným hriadeľom na dosiahnutie požadovaného zníženia. Sú jednoduchšie a lacnejšie ako planétové jednotky a ponúkajú vyššiu účinnosť (často 95% alebo viac), pretože každý záber ozubených kolies zahŕňa skôr valivý než posuvný kontakt. Avšak čelné ozubené kolesá majú väčší priemer pre rovnaký pomer a menovitý krútiaci moment, majú väčšiu vôľu ako presné planétové jednotky (zvyčajne 1 až 3 stupne) a nie sú koaxiálne – motor a výstupné hriadele môžu byť posunuté. Pre nákladovo citlivé aplikácie so strednými požiadavkami na krútiaci moment, jednoduchým usporiadaním pohonu a bez tesnej špecifikácie vôle sú krokové motory s čelným ozubením ekonomickou voľbou. Bežne sa používajú v 3D tlačiarňach, ľahkých CNC aplikáciách a spotrebiteľskej automatizácii, kde niekoľko stupňov vôle výrazne neovplyvňuje presnosť polohovania.

Šnekové prevodovky

Krokové motory so závitovkovým prevodom kombinujú presné krokové riadenie krokového prevodu s vysokým prevodovým pomerom, pravouhlým pohonom a samosvornosťou závitovkovej prevodovky. Pomery od 17:1 do 500:1 sú dostupné v štandardných produktoch, vďaka čomu sú krokové šnekové prevody vhodné pre aplikácie vyžadujúce veľmi nízke výstupné otáčky bez viacerých prevodových stupňov. Samosvorná vlastnosť - kde náklad nemôže poháňať závitovku - eliminuje potrebu prídržnej brzdy v mnohých aplikáciách s vertikálnou osou alebo držaním nákladu. Kompromisom je nižšia účinnosť (40–80 % v závislosti od pomeru), vyššia tvorba tepla pri nepretržitej prevádzke a výrazne väčšia vôľa ako u planétových jednotiek. Krokové motory so závitovkovým prevodom sú vhodné pre pohony brán, lineárne zdvíhacie stupne, otočné taniere a iné aplikácie, kde sa vyžaduje držanie polohy pri zaťažení a pracovný cyklus je prerušovaný.

Porovnanie typu prevodovky pre aplikácie s krokovým motorom

Referencie veľkosti rámu a výstupného krútiaceho momentu NEMA

Prevodové krokové motory sú štandardizované pre veľkosti rámu NEMA, ktoré definujú rozmery čelnej dosky motora a vzor montážnych otvorov. Označenie NEMA nešpecifikuje elektrický výkon alebo výkon krútiaceho momentu – tie sa líšia podľa vinutia motora a dĺžky – ale definuje fyzický tvarový faktor, vďaka čomu je jednoduché špecifikovať prevodové hlavy, ktoré sa hodia k štandardným telesám motora.

• NEMA 8 (20 mm): Najmenšia praktická veľkosť steppera s prevodom. Používa sa v lekárskych prístrojoch, malých dávkovacích systémoch a kompaktnej robotike, kde je priestor extrémny a požiadavky na krútiaci moment sú nízke.
• NEMA 11 (28 mm): Vhodné pre laboratórnu automatizáciu, malé otočné stoly a kompaktné pohony. Pri tejto veľkosti rámu sú k dispozícii planétové prevodovky s pomerom až 100:1 a vôľou do 3 oblúkových minút.
• NEMA 17 (42 mm): Najpopulárnejšia veľkosť rámu krokového motora s prevodovkou v rámci 3D tlače, stolného CNC, robotiky a automatizácie ľahkého priemyslu. Planétové prevodovky pre NEMA 17 dodávajú výstupný krútiaci moment až 3 Nm a pomery od 3,7:1 do 369:1. 42 mm štvorcový čelný panel je široko podporovaný ekosystémami mechanického dizajnu.
• NEMA 23 (57 mm): Štandard pre priemyselnú ľahkú automatizáciu, dopravníky, podávače a CNC zariadenia strednej triedy. Krokové motory NEMA 23 s planétovou prevodovkou dosahujú výstupný krútiaci moment až 15 Nm alebo viac. Krokový prevod NEMA 23 s pomerom 10:1 môže často nahradiť motor bez prevodu NEMA 34 s nižšími nákladmi a menším pôdorysom.
• NEMA 34 (86 mm) a NEMA 42 (110 mm): Používa sa v ťažkých CNC smerovačoch, zariadeniach na priemyselnú automatizáciu a polohovacích systémoch s vysokým krútiacim momentom. Motory NEMA 34 s planétovou prevodovkou dosahujú výstupný krútiaci moment až 120 Nm; Konfigurácie NEMA 42 to ďalej rozširujú.

Kľúčové oblasti použitia pre prevodové krokové motory

Kombinácia krokového riadenia s otvorenou slučkou, vysokého výstupného krútiaceho momentu, jemného efektívneho rozlíšenia a kompaktného integrovaného balenia robí z prevodových krokových motorov preferovaný pohon v širokej škále priemyselných odvetví.

Priemyselná automatizácia a robotika

Prevodové krokové motory sú štandardné akčné členy v karteziánskych robotoch, portálových systémoch, rotačných indexeroch a strojoch na ukladanie a vyberanie. Krokový motor s planétovou prevodovkou vo veľkosti NEMA 23 alebo NEMA 34 poskytuje krútiaci moment a rozlíšenie potrebné na presné polohovanie osi bez nákladov na servosystém. Samostatné rozhranie krokovania a smeru zjednodušuje návrh ovládača – väčšina PLC a ovládačov pohybu môže riadiť krokový ovládač priamo bez ďalšej infraštruktúry spätnej väzby.

Lekárske a laboratórne prístroje

Systémy na dávkovanie tekutín, injekčné čerpadlá, analytické prístroje a diagnostické zariadenia používajú kompaktné krokové motory s prevodovkou – často NEMA 11 alebo NEMA 17 s planétovými prevodovkami – kde je rozhodujúce presné, opakovateľné umiestnenie v malom balení. Schopnosť udržať polohu bez nepretržitého odberu energie je cenná pri batériách napájaných alebo nízkoteplotných prístrojoch, kde je potrebné minimalizovať napájanie motora počas nečinnosti.

3D tlač a stolové CNC

Pohony extrudérov a pohony vodiacich skrutiek osi Z v 3D tlačiarňach bežne používajú krokové motory s planétovou prevodovkou NEMA 17 na znásobenie krútiaceho momentu dostupného na tlačenie vlákna alebo zdvíhanie tlačovej hlavy proti gravitácii. Zlepšené rozlíšenie od prevodového pomeru tiež umožňuje jemnejšie ovládanie výšky vrstvy na vodiacej skrutke bez prepínania na konfiguráciu meniča s vyšším mikrokrokom.

Baliace stroje

Indexovacie dopravníky, aplikátory etikiet, uťahovače uzáverov a plniace hlavy v baliacich linkách používajú krokové motory s prevodom pre ich opakovateľné, programovateľné polohovanie a ich schopnosť udržať polohu medzi ťahmi bez samostatnej parkovacej brzdy. Krokové motory so závitovkovým prevodom sa používajú špecificky vo vertikálnych plniacich a uzatváracích staniciach, kde sa záťaž nesmie vrátiť späť, keď je motor bez napätia.

Operátory a pohony brán

Krokové motory so závitovkovým prevodom sú vhodné pre automatické pohony brán, dverí a ventilov, kde samosvorná vlastnosť udržuje mechanizmus v polohe bez nepretržitého prídržného prúdu motora. Vysoký redukčný pomer umožňuje malému motoru generovať krútiaci moment potrebný na pohyb ťažkých brán alebo prekonávanie pružinových ventilových mechanizmov bez príliš veľkého telesa motora.

Ako vybrať správny krokový motor s prevodovkou

Správny výber krokového motora s prevodovkou vyžaduje prácu s niekoľkými vzájomne závislými parametrami v špecifickom poradí. Preskočenie krokov – najmä kontrola zotrvačnosti a vyhodnotenie tepelného pracovného cyklu – vedie k motoru, ktorý pracuje na stole, ale zlyhá v prevádzke.

Najprv definujte profil zaťaženia a pohybu

Pred nahliadnutím do akéhokoľvek údajového listu motora stanovte požiadavky aplikácie: požadovaný výstupný krútiaci moment (vrátane prevádzkového faktora pre špičkové zaťaženie a zrýchlenie), požadovanú výstupnú rýchlosť v otáčkach za minútu, profil pohybu (čas zrýchlenia, dráha, čas spomalenia) a pracovný cyklus (percento času, počas ktorého sa motor aktívne pohybuje v porovnaní s držaním alebo bez napájania). Tieto parametre určujú každé následné rozhodnutie o výbere. Výstupný krútiaci moment a otáčky spolu definujú požiadavku na mechanický výkon; pracovný cyklus určuje, či sa tepelné hodnotenia stanú záväznými obmedzeniami.

Spoločne vyberte prevodový pomer a veľkosť motora

Prevodový pomer by sa mal zvoliť tak, aby prevádzkové otáčky motora boli v hornej časti jeho použiteľného rozsahu otáčok – zvyčajne 200 až 600 otáčok za minútu pre väčšinu hybridných krokových motorov – kde je krivka krútiaceho momentu a rýchlosti stále primerane plochá. Prevádzka motora pri veľmi nízkych otáčkach (pod 100 otáčok za minútu bez prevodu) ho dostáva do zóny náchylnej na rezonanciu a poskytuje menej stabilný pohyb ako rýchlejší chod cez prevodovku. Po určení cieľovej rýchlosti motora je pomer jednoducho vydelený rýchlosťou motora a požadovanou výstupnou rýchlosťou. Overte, či výsledný výstupný krútiaci moment (prídržný moment motora × prevodový pomer × účinnosť) spĺňa požiadavku na zaťaženie vrátane prevádzkového faktora. Ak nie, zväčšite veľkosť rámu motora alebo zvýšte pomer.

Skontrolujte pomer zotrvačnosti záťaže k rotoru

Vypočítajte zotrvačnosť zaťaženia (vrátane výstupného hriadeľa prevodovky, spojky a všetkých mechanických komponentov medzi výstupom prevodovky a konečným zaťažením) a vydeľte zotrvačnosťou rotora zvoleného motora. Pre motor je dôležitá odrazená zotrvačnosť zaťaženia (zotrvačnosť zaťaženia delená druhou mocninou prevodového pomeru). Zamerajte sa na udržanie pomeru odrazenej zotrvačnosti a zotrvačnosti rotora pod 10:1 pre stabilný dynamický výkon. Ak pomer prekročí túto hodnotu, buď zvýšte prevodový pomer, alebo zvoľte motor s väčšou zotrvačnosťou rotora. Krokové motory s prevodovkou s uzavretou slučkou so spätnou väzbou kódovača môžu tolerovať vyššie pomery zotrvačnosti ako systémy s otvorenou slučkou, pretože regulátor dokáže detekovať a korigovať stratené kroky.

Vyhodnoťte odpor voči požiadavkám aplikácie

Vôľa je uhlová vôľa na výstupnom hriadeli, keď motor obráti smer – výstupný hriadeľ sa nepohne, kým sa nevytvorí vôľa ozubenia. V aplikáciách, kde sa náklad pohybuje vždy jedným smerom (výdajné čerpadlá, jednosmerné dopravníky), nemá vôľa praktický efekt. V obojsmerných polohovacích aplikáciách vôľa priamo obmedzuje opakovateľnú presnosť polohovania. Ekonomické planétové prevodovky ponúkajú vôľu okolo 50 oblúkových minút; presné planétové stupne to znižujú na 15 oblúkových minút; vysoko presné triedy dosahujú 3 oblúkové minúty alebo menej. Špecifikujte najužšiu triedu vôle, ktorú aplikácia skutočne vyžaduje – nie najtesnejšiu dostupnú – pretože vysoko presné prevodovky prinášajú značné náklady.

Potvrďte mechanické rozhranie prevodovky

Overte, či zvolený priemer výstupného hriadeľa prevodovky, špecifikácia klinovej drážky, maximálne povolené radiálne zaťaženie a maximálne povolené axiálne zaťaženie sú kompatibilné so spojkou alebo hnaným komponentom. Prevodovky pre krokové motory majú definované prípustné radiálne a axiálne zaťaženia, ktoré pri prekročení urýchľujú opotrebovanie ložísk a znižujú životnosť prevodovky. Ak aplikácia spôsobuje značné priečne (radiálne) zaťaženia – ako je ozubené koleso alebo remenica namontovaná priamo na výstupnom hriadeli bez dodatočnej podpory – uistite sa, že menovité ložisko prevodovky zodpovedá zaťaženiu pri prevádzkových otáčkach.