I motori passo-passo sono la soluzione ideale per il controllo del movimento a basso e medio costo. Dalle stampanti 3D da tavolo e fresatrici CNC ai dosatori da laboratorio e alle apparecchiature di indicizzazione industriali, la capacità del motore passo-passo di muoversi con incrementi angolari precisi senza un dispositivo di retroazione di posizione lo rende una soluzione interessante ed economica per una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, la precisione di posizionamento ad anello aperto di un motore passo-passo dipende dalla qualità della catena meccanica che collega il suo albero al carico, e in questa catena, l'accoppiamento è spesso l'anello più debole.
IL Accoppiamento di Diham È particolarmente adatto ai sistemi di azionamento per motori passo-passo, in quanto risolve le specifiche vulnerabilità create dal funzionamento a ciclo aperto. Questo articolo spiega il perché e fornisce indicazioni dettagliate sull'installazione e sulle specifiche per le applicazioni con motori passo-passo.
Perché i sistemi con motori passo-passo necessitano di accoppiamenti a gioco zero
Un motore passo-passo avanza a passi discreti, tipicamente di 1,8 gradi per passo intero o di 0,9 gradi in modalità mezzo passo. Ogni passo viene comandato dal controller, indipendentemente dal fatto che il motore si sposti effettivamente nella posizione desiderata. Questa natura ad anello aperto implica l'assenza di un meccanismo di correzione per eventuali errori introdotti tra l'albero del motore e il carico.
In questo contesto, il gioco di accoppiamento è particolarmente dannoso. Si consideri un motore passo-passo che aziona una vite senza fine per un asse lineare. Se l'accoppiamento ha un gioco di 0,5 gradi e la vite senza fine ha un passo di 2 mm, il gioco si traduce in una zona morta di posizionamento di circa 0,003 mm ad ogni inversione di direzione. Il controllore comanda un'inversione, fa avanzare il motore di conseguenza, ma la vite senza fine non si muove per i primi 0,5 gradi di rotazione del motore. Il controllore non ha modo di sapere che ciò è accaduto: continua a contare i passi dalla posizione errata. Ogni successivo comando di posizione nella nuova direzione è compensato dall'errore di gioco.
A differenza dei sistemi servoassistiti, che possono compensare parzialmente il gioco di accoppiamento tramite software, i sistemi stepper non dispongono di alcun meccanismo di compensazione. L'unico modo per eliminare l'errore di gioco in un azionamento stepper ad anello aperto è utilizzare un accoppiamento con gioco nullo.
Profilo di carico specifico del motore passo-passo
I motori passo-passo producono coppia secondo uno schema caratteristico che differisce significativamente da quello dei servomotori, e questo schema ha implicazioni per la scelta dell'accoppiamento.
Ondulazione di coppia: Quando il motore passo-passo avanza da uno step all'altro, la coppia elettromagnetica varia sinusoidalmente. Anche un motore con micropassi ben controllato produce un'ondulazione di coppia alla frequenza di passo. Ciò significa che l'accoppiamento non è soggetto solo a una coppia costante, ma anche a un'oscillazione continua sovrapposta. Un accoppiamento con una certa cedevolezza torsionale filtrerà parte di questa ondulazione, il che potrebbe sembrare vantaggioso, ma introduce anche uno sfasamento tra il motore e il carico che si accumula in un errore di posizione in alcuni profili di movimento.
Sensibilità alla risonanza: I motori passo-passo presentano un noto fenomeno di risonanza a media frequenza: a determinate velocità di passo, il rotore del motore può oscillare attorno a ciascuna posizione di passo anziché stabilizzarsi in modo netto. Un accoppiamento torsionalmente flessibile tra il motore e il carico può abbassare la frequenza di risonanza del sistema motore-accoppiamento-carico, spostando potenzialmente la risonanza all'interno dell'intervallo di velocità di funzionamento. L'elevata rigidità torsionale dell'accoppiamento Oldham mantiene la risonanza del sistema accoppiato ben al di sopra del tipico intervallo di velocità di funzionamento.
Coppia di tenuta in presenza di vibrazioni: Un motore passo-passo stazionario mantiene la sua posizione grazie a un fermo magnetico e alla corrente dell'avvolgimento. In presenza di vibrazioni esterne, comuni nei macchinari industriali, il motore passo-passo può perdere passi se la coppia indotta dalle vibrazioni sul carico supera la coppia di tenuta del motore. Un giunto con un certo gioco permette al carico di muoversi attraverso la zona morta prima che il motore rilevi il disturbo, amplificando l'effettiva sensibilità alle vibrazioni. Un giunto Oldham a gioco zero garantisce che qualsiasi movimento del carico venga immediatamente contrastato dalla coppia di tenuta massima del motore.
Specificare il giunto Oldham corretto per un azionamento a motore passo-passo
Valore di coppia: I motori passo-passo vengono generalmente azionati al 50-70% della loro coppia di mantenimento nominale per mantenere un margine di sicurezza contro la perdita di passi. Utilizzare la coppia di mantenimento nominale del motore (non la coppia di funzionamento ridotta) come base per la selezione del giunto e applicare un fattore di servizio da 2,0 a 2,5 per tenere conto dei picchi di accelerazione e delle ondulazioni di coppia. La coppia di progetto risultante dovrebbe rientrare agevolmente nella capacità di coppia continua nominale del giunto.
Dimensioni del foro: I motori passo-passo NEMA utilizzano diametri dell'albero standardizzati: i motori NEMA 17 hanno in genere alberi da 5 mm, i motori NEMA 23 hanno alberi da 6,35 mm (0,25 pollici) o 8 mm e i motori NEMA 34 hanno alberi da 9,525 mm (0,375 pollici) o 14 mm. Verificare anche il diametro dell'albero del componente azionato: gli alberi di ingresso della vite senza fine, della vite a ricircolo di sfere e del riduttore variano notevolmente. Sono disponibili giunti Oldham con diverse dimensioni del foro su ciascun mozzo per adattarsi a diametri dell'albero non corrispondenti.
Stile dell'hub: Per le applicazioni con motori passo-passo, i mozzi a morsetto sono fortemente preferibili. Le frequenti inversioni di coppia tipiche del movimento bidirezionale dei motori passo-passo possono causare micro-slittamenti incrementali nei mozzi a vite di fermo nel corso di migliaia di cicli. Questo micro-slittamento non produce un gioco rilevabile, ma modifica la relazione angolare tra l'albero del motore e la vite di comando, equivalendo a perdere passi senza che il controller se ne accorga. I mozzi a morsetto eliminano completamente questa modalità di guasto.
Materiale del disco: L'acetale standard (POM) è adatto alla maggior parte delle applicazioni con motori passo-passo. Per ambienti ad alta temperatura (i motori passo-passo possono scaldarsi, soprattutto con correnti elevate), sono disponibili dischi in nylon rinforzato con fibra di vetro o in PEEK. Per applicazioni a velocità molto basse e coppia elevata, in cui il motore passo-passo si muove lentamente ma trasmette una coppia prossima a quella nominale, è necessario specificare un materiale per il disco con maggiore resistenza alla compressione per ridurre l'usura della superficie di appoggio.
Corrispondenza inerziale: il parametro spesso trascurato
I motori passo-passo sono più sensibili alla discrepanza tra inerzia del carico e inerzia del rotore rispetto ai servomotori, poiché funzionano ad anello aperto. Quando l'inerzia del carico supera significativamente l'inerzia del rotore del motore, la capacità del motore di accelerare e decelerare il carico si degrada rapidamente. Ad alti regimi di passo, il motore potrebbe non riuscire ad accelerare il carico fino alla velocità desiderata (perdendo passi) oppure potrebbe superare la velocità impostata in fase di decelerazione.
L'inerzia rotazionale dell'accoppiamento si somma direttamente all'inerzia di carico vista dal motore. In un azionamento per motori passo-passo, dove l'adattamento dell'inerzia è già di per sé problematico, un accoppiamento pesante può fare la differenza tra un funzionamento affidabile e frequenti perdite di passo.
Gli accoppiamenti Oldham con mozzo in alluminio e dischi in acetale presentano tra i valori di inerzia più bassi di qualsiasi tipo di accoppiamento a gioco zero. Per applicazioni con motori passo-passo NEMA 17 e NEMA 23, è possibile ottenere valori di inerzia dell'accoppiamento inferiori a 0,5 g·cm², paragonabili all'inerzia del rotore di molti piccoli motori passo-passo.
Guida all'installazione passo passo
Fase 1: Preparare gli alberi. Pulire accuratamente sia l'albero motore che l'albero condotto. Rimuovere eventuali bave, ruggine o residui di lavorazione. Se l'albero motore presenta una superficie piana per una vite di fermo (comune sugli alberi dei motori passo-passo NEMA), annotarne la posizione angolare per l'orientamento del mozzo. Se si utilizzano mozzi a morsetto, la superficie piana non è necessaria: pulire l'intera circonferenza dell'albero all'interno della zona di serraggio del mozzo.
Passaggio 2: montare i mozzi senza serrarli completamente. Inserite ciascun mozzo sul rispettivo albero fino a raggiungere approssimativamente la corretta posizione assiale. Non serrate ancora alcun elemento di fissaggio. Lasciate entrambi i mozzi allentati a mano in modo che possano essere mossi assialmente e rotazionalmente durante l'allineamento.
Fase 3 — Inserire il disco centrale. Inserire la prima faccia del tenone nella fessura di un mozzo, quindi avvicinare i due mozzi in modo che il secondo tenone si innesti nella fessura dell'altro mozzo. Verificare che il disco si muova liberamente: dovrebbe scorrere agevolmente in entrambe le direzioni all'interno delle fessure del mozzo senza inceppamenti o punti di attrito. Se si rileva un inceppamento, verificare l'eventuale disallineamento angolare tra gli assi del motore e dell'albero condotto.
Passaggio 4 — Impostare il gioco assiale. Posizionare i due mozzi in modo che vi sia un piccolo spazio assiale (da 0,5 a 1,0 mm) tra le superfici del disco e le superfici interne del mozzo. Questo spazio consente al disco di fluttuare assialmente senza essere compresso, impedendo la trasmissione della forza assiale ai cuscinetti del motore. Non avvicinare eccessivamente i mozzi, altrimenti il disco verrà schiacciato assialmente.
Passaggio 5: Verificare l'allineamento. Prima di serrare qualsiasi elemento di fissaggio, ruotare manualmente e lentamente l'albero motore per un giro completo, osservando il disco. Il disco dovrebbe scorrere agevolmente in entrambe le scanalature del mozzo per tutta la durata della rotazione. Se il disco si muove in una scanalatura del mozzo più che nell'altra, è presente un disallineamento laterale: regolare la posizione di montaggio del motore per ridurlo il più possibile prima di procedere.
Passaggio 6: serrare i dispositivi di fissaggio del mozzo. Serrare le viti di fissaggio o le viti di regolazione alla coppia specificata dal produttore del giunto. Utilizzare una chiave dinamometrica calibrata: non affidarsi alla sola sensazione tattile. Un serraggio eccessivo di una vite di fissaggio può causare la rottura del mozzo; un serraggio insufficiente può provocare micro-slittamenti. Per le applicazioni NEMA 23 e NEMA 34, le coppie di serraggio tipiche delle viti di fissaggio sono comprese tra 0,5 e 2,0 Nm, a seconda delle dimensioni del giunto.
Fase 7 — Verifica finale del contraccolpo. Tenendo fermo l'albero condotto, provate a ruotare manualmente l'albero motore in entrambe le direzioni. Non dovrebbe esserci alcun gioco angolare rilevabile. Qualsiasi gioco indica un mozzo allentato, un disco usurato o un accoppiamento errato.
Errori comuni durante l'installazione e come evitarli
Il mozzo è troppo lontano dalla parte anteriore del motore: Se il mozzo lato motore è posizionato troppo in basso sull'albero motore, lontano dalla superficie di appoggio del motore, la lunghezza non supportata dell'albero aumenta, incrementando il rischio di flessione dell'albero sotto il peso dell'accoppiamento e le forze di trasmissione. Montare il mozzo il più vicino possibile alla superficie di appoggio del motore, compatibilmente con la lunghezza dell'albero e la progettazione dell'accoppiamento, in genere con un gioco di 1-2 mm tra la superficie del mozzo e l'alloggiamento del cuscinetto del motore.
Compressione assiale del disco: Un errore comune è quello di spingere i due mozzi completamente l'uno contro l'altro fino a quando il disco non è completamente compresso. Questo trasmette le forze assiali dovute alla dilatazione termica o al gioco assiale dell'albero direttamente al motore e ai cuscinetti dell'albero condotto. Mantenere sempre il gioco assiale di 0,5-1,0 mm descritto in precedenza.
Ignorando il disallineamento angolare: Molte installazioni di azionamenti per motori passo-passo si affidano a giunti flessibili per alberi per compensare il cattivo allineamento del montaggio del motore. Mentre il Accoppiamento di Diham Tollera bene lo spostamento laterale e non presenta quasi alcuna capacità di disallineamento angolare. Se la piastra di montaggio del motore non è perpendicolare all'asse dell'albero condotto, il giunto Oldham si bloccherà periodicamente, generando carichi d'urto che accelerano l'usura del disco e possono causare una perdita di passi irregolare.
Utilizzo di un giunto troppo grande: Sovradimensionare il giunto per essere prudenti sulla coppia nominale si traduce in un giunto più grande e pesante con maggiore inerzia, l'opposto di ciò che serve a un azionamento per motori passo-passo. Selezionare il giunto più piccolo che soddisfi i requisiti di coppia e diametro, non quello più grande che si adatti all'albero.
Manutenzione nelle applicazioni con motori passo-passo
Nei sistemi stepper ad anello aperto, l'usura dell'accoppiamento rappresenta una sfida particolare: poiché il sistema non dispone di un feedback di posizione, il graduale aumento del gioco dovuto all'usura del disco non viene rilevato automaticamente dal controllore. Il sistema continua a funzionare come se tutto fosse normale, ma la precisione di posizionamento si degrada silenziosamente a ogni ciclo di usura del disco.
Eseguire un controllo manuale periodico del gioco assiale, almeno ogni 2.000 ore di funzionamento, utilizzando il metodo di rotazione manuale descritto nella sezione relativa all'installazione. Impostare un punto di attivazione per la sostituzione a 0,3 gradi di gioco assiale misurato, o ogni qualvolta si manifestino problemi di precisione di posizionamento. Tenere a disposizione un disco di ricambio per ogni tipo di giunto; la sostituzione del disco richiede solo cinque minuti e ripristina la precisione di un giunto nuovo.
Conclusione
L'accoppiamento Oldham è ideale per i sistemi di azionamento dei motori passo-passo. Le sue prestazioni a gioco zero eliminano gli errori di posizionamento che i motori passo-passo ad anello aperto non sono in grado di autocorregere. La sua tolleranza al disallineamento laterale compensa le imperfezioni di allineamento reali, inevitabili nei telai di macchine a basso costo. La sua bassa inerzia preserva la risposta dinamica del motore passo-passo e l'opzione con mozzo a morsetto impedisce il micro-slittamento che può gradualmente alterare la precisione del conteggio dei passi. Con le specifiche corrette, un'installazione accurata e ispezioni periodiche del disco, un accoppiamento Oldham garantirà prestazioni affidabili a gioco zero per tutta la durata del sistema di azionamento del motore passo-passo.
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