Шаговые двигатели — это основные элементы систем управления движением низкой и средней стоимости. От настольных 3D-принтеров и станков с ЧПУ до лабораторных дозаторов и промышленного индексирующего оборудования, способность шагового двигателя перемещаться с точными угловыми приращениями без устройства обратной связи по положению делает его привлекательным и экономически эффективным решением для широкого спектра применений. Однако точность позиционирования шагового двигателя в разомкнутом контуре зависит от механической цепи, соединяющей его вал с нагрузкой, — а в этой цепи муфта часто является самым слабым звеном.
Он Олдхэмская пара Этот метод особенно хорошо подходит для систем управления шаговыми двигателями, поскольку он устраняет специфические уязвимости, создаваемые разомкнутым контуром управления. В этой статье объясняется, почему это так, и приводятся подробные рекомендации по установке и техническим характеристикам для применения с шаговыми двигателями.
Почему системам шаговых двигателей необходимы муфты с нулевым люфтом?
Шаговый двигатель перемещается дискретными шагами — обычно на 1,8 градуса за полный шаг или на 0,9 градуса в режиме половинного шага. Каждый шаг задается контроллером независимо от того, перемещается ли двигатель фактически в заданное положение. Такая разомкнутая система управления означает отсутствие механизма коррекции ошибок, возникающих между валом двигателя и нагрузкой.
В этом контексте люфт в муфте особенно разрушителен. Рассмотрим шаговый двигатель, приводящий в движение ходовой винт по линейной оси. Если муфта имеет люфт 0,5 градуса, а шаг ходового винта составляет 2 мм, то люфт приводит к мертвой зоне позиционирования приблизительно в 0,003 мм при каждом изменении направления вращения. Контроллер подает команду на изменение направления, соответствующим образом поворачивает двигатель, но ходовой винт не перемещается в течение первых 0,5 градуса поворота двигателя. Контроллер никак не может узнать об этом — он продолжает отсчет шагов с неправильного положения. Каждая последующая команда позиционирования в новом направлении смещается на величину ошибки, вызванной люфтом.
В отличие от сервосистем, которые могут частично компенсировать люфт муфты с помощью программного обеспечения, шаговые системы вообще не имеют механизма компенсации. Единственный способ устранить ошибку люфта в разомкнутом контуре управления шаговым двигателем — использовать муфту с нулевым люфтом.
Специфический профиль нагрузки шагового двигателя
Шаговые двигатели создают крутящий момент по характерной схеме, которая значительно отличается от схемы серводвигателей, и эта схема имеет значение для выбора муфты.
Пульсация крутящего момента: По мере перехода шагового двигателя от одного шага к другому электромагнитный момент изменяется синусоидально. Даже хорошо настроенный микрошаговый двигатель создает пульсации момента на частоте шага. Это означает, что муфта испытывает не только установившийся момент, но и непрерывные наложенные колебания. Муфта с любой податливостью к кручению будет фильтровать часть этих пульсаций — что может показаться полезным, — но она также вносит фазовый сдвиг между двигателем и нагрузкой, который накапливается в виде ошибки позиционирования в некоторых профилях движения.
Чувствительность к резонансу: Шаговые двигатели обладают хорошо известным явлением резонанса на средних частотах — при определенных скоростях вращения ротор двигателя может колебаться вокруг каждой позиции, а не стабилизироваться. Торсионно-податливая муфта между двигателем и нагрузкой может снизить резонансную частоту системы двигатель-муфта-нагрузка, потенциально перемещая резонанс в диапазон рабочих скоростей. Относительно высокая крутильная жесткость муфты Олдхема поддерживает резонанс в системе значительно выше типичного диапазона рабочих скоростей.
Крутящий момент, удерживаемый в условиях вибрации: Стационарный шаговый двигатель удерживает свое положение за счет магнитного фиксатора и тока обмотки. При внешней вибрации — распространенной в промышленном оборудовании — шаговый двигатель может терять шаги, если момент, создаваемый вибрацией на нагрузке, превышает удерживающий момент двигателя. Муфта с любым люфтом позволяет нагрузке перемещаться через мертвую зону до того, как двигатель обнаружит возмущение, увеличивая эффективную чувствительность к вибрации. Муфта Олдхема с нулевым люфтом гарантирует, что любое перемещение нагрузки немедленно будет компенсировано полным удерживающим моментом двигателя.
Выбор правильной муфты Олдхэма для ступенчатого привода
Номинальный крутящий момент: Шаговые двигатели обычно работают на 50–70% от номинального удерживающего момента, чтобы обеспечить запас прочности на случай потери шага. Используйте номинальный удерживающий момент двигателя (а не уменьшенный рабочий момент) в качестве основы для выбора муфты и примените коэффициент запаса прочности от 2,0 до 2,5 для учета пиковых значений ускорения и пульсаций момента. Полученный расчетный момент должен находиться в пределах номинальной непрерывной крутящей способности муфты.
Диаметры отверстий: Шаговые двигатели NEMA используют стандартизированные диаметры валов — двигатели NEMA 17 обычно имеют валы диаметром 5 мм, двигатели NEMA 23 — 6,35 мм (0,25 дюйма) или 8 мм, а двигатели NEMA 34 — 9,525 мм (0,375 дюйма) или 14 мм. Также проверьте диаметр вала ведомого компонента — входные валы ходового винта, шарикового винта и редуктора сильно различаются. Для компенсации несоответствия диаметров валов доступны муфты Олдхема с различными размерами отверстий на каждой ступице.
Стиль хаба: Для шаговых двигателей предпочтительно использовать ступицы зажимного типа. Частые изменения направления крутящего момента, характерные для двунаправленного движения шагового двигателя, могут вызывать микропроскальзывание при использовании ступиц с винтовым креплением на протяжении тысяч циклов. Это микропроскальзывание не приводит к заметному люфту — вместо этого оно изменяет угловое соотношение между валом двигателя и ходовым винтом, что эквивалентно потере шагов без ведома контроллера. Ступицы зажимного типа полностью исключают этот вид отказа.
Материал диска: Стандартный ацетал (ПОМ) подходит для подавляющего большинства применений шаговых двигателей. Для высокотемпературных сред (шаговые двигатели могут нагреваться, особенно при высоких значениях тока) доступны диски из нейлона, армированного стекловолокном, или PEEK. Для применений с очень низкой скоростью и высоким крутящим моментом — когда шаговый двигатель движется медленно, но передает крутящий момент, близкий к номинальному, — следует выбирать материал диска с более высокой прочностью на сжатие, чтобы уменьшить износ торцевой поверхности.
Согласование инерции: часто упускаемый из виду параметр
Шаговые двигатели более чувствительны к несоответствию инерции нагрузки, чем серводвигатели, поскольку они работают в разомкнутом контуре. Когда инерция нагрузки значительно превышает инерцию ротора двигателя, способность двигателя разгонять и замедлять нагрузку быстро ухудшается. При высоких частотах шагов двигатель может не успеть разогнать нагрузку до заданной скорости — теряя шаги — или может перескакивать через заданное значение при замедлении.
Вращательная инерция муфты напрямую увеличивает инерцию нагрузки, воспринимаемую двигателем. В шаговом приводе, где согласование инерции и без того представляет собой сложную задачу, использование тяжелой муфты может стать решающим фактором между надежной работой и частыми пропусками шагов.
Алюминиевые муфты Олдхэма с ацеталовыми дисками обладают одними из самых низких значений инерции среди всех типов муфт с нулевым люфтом. Для шаговых двигателей NEMA 17 и NEMA 23 достижимы значения инерции муфты ниже 0,5 г·см² — сопоставимые с инерцией ротора многих небольших шаговых двигателей.
Пошаговая инструкция по установке
Шаг 1 — Подготовка валов. Тщательно очистите как вал двигателя, так и ведомый вал. Удалите заусенцы, ржавчину и остатки механической обработки. Если вал двигателя имеет плоскую поверхность для установочного винта (что часто встречается на валах шаговых двигателей NEMA), запомните его угловое положение для ориентации ступицы. Если вы используете зажимные ступицы, плоская поверхность не требуется — очистите всю окружность вала в зоне зажима ступицы.
Шаг 2 — Установите ступицы неплотно. Наденьте каждую ступицу на соответствующий вал примерно в нужное осевое положение. Пока не затягивайте крепежные элементы. Оставьте обе ступицы слегка ослабленными, чтобы их можно было перемещать в осевом и вращательном направлениях во время выравнивания.
Шаг 3 — Вставьте центральный диск. Вставьте первую торцевую часть шипа в паз одной из ступиц, затем сведите две ступицы вместе так, чтобы второй шип вошел в паз другой ступицы. Убедитесь, что диск свободно перемещается — он должен плавно скользить в обоих направлениях внутри пазов ступиц без заеданий или заклиниваний. Если обнаружено заедание, проверьте угловое смещение между осями двигателя и ведомого вала.
Шаг 4 — Установите осевой зазор. Расположите две ступицы так, чтобы между поверхностями дисков и внутренними поверхностями ступиц оставался небольшой осевой зазор — от 0,5 до 1,0 мм. Этот зазор позволяет диску свободно перемещаться в осевом направлении, не сжимаясь, что предотвращает передачу осевой нагрузки на подшипники двигателя. Не сближайте ступицы настолько, чтобы диск сжимался в осевом направлении.
Шаг 5 — Проверьте выравнивание. Перед затягиванием крепежных элементов медленно проверните вал двигателя вручную на один полный оборот, наблюдая за диском. Диск должен плавно скользить внутри обоих пазов ступицы на протяжении всего вращения. Если диск перемещается внутри одного паза ступицы больше, чем внутри другого, значит, присутствует боковое смещение — отрегулируйте положение крепления двигателя, чтобы максимально уменьшить его, прежде чем продолжить.
Шаг 6 — Затяните крепежные элементы ступицы. Затяните зажимные винты или установочные винты с моментом затяжки, указанным производителем муфты. Используйте калиброванный динамометрический инструмент — не полагайтесь на ощущения. Чрезмерная затяжка зажимного винта может привести к растрескиванию ступицы; недостаточная затяжка допускает микропроскальзывание. Для применений в сетях NEMA 23 и NEMA 34 типичный момент затяжки зажимных винтов находится в диапазоне от 0,5 до 2,0 Нм в зависимости от размера муфты.
Шаг 7 — Окончательная проверка на люфт. Удерживайте ведомый вал неподвижно и попробуйте провернуть вал двигателя вручную в обоих направлениях. Заметного углового люфта быть не должно. Любой люфт указывает либо на ослабление ступицы, либо на износ диска, либо на неправильную сборку муфты.
Распространенные ошибки при установке и как их избежать
Ступица расположена слишком далеко от поверхности двигателя: Если ступица со стороны двигателя расположена слишком далеко от торца двигателя, то увеличивается длина вала без опоры, что повышает риск прогиба вала под весом муфты и приводными усилиями. Устанавливайте ступицу как можно ближе к торцу двигателя, насколько позволяют длина вала и конструкция муфты, обычно с зазором 1–2 мм между торцом ступицы и корпусом подшипника двигателя.
Осевое сжатие диска: Распространенная ошибка заключается в том, чтобы плотно сдвинуть две ступицы вместе до тех пор, пока диск не окажется зажатым между ними. Это передает осевые усилия от теплового расширения или осевого люфта вала непосредственно на подшипники двигателя и ведомого вала. Всегда поддерживайте осевой зазор 0,5–1,0 мм, описанный выше.
Игнорирование углового смещения: Во многих системах управления шаговыми двигателями для компенсации неправильного выравнивания при монтаже двигателя используются гибкие муфты вала. Хотя... Олдхэмская пара Хорошо переносит боковое смещение, практически не подвержен угловым отклонениям. Если монтажная пластина двигателя не перпендикулярна оси ведомого вала, муфта Олдхема будет периодически заедать, создавая ударные нагрузки, которые ускоряют износ диска и могут вызывать нерегулярные потери шага.
Использование слишком большого значения коэффициента связи: Завышение размеров муфты с целью получения консервативного значения крутящего момента приводит к созданию более крупной, тяжелой муфты с большей инерцией — а это прямо противоположно тому, что нужно для шагового двигателя. Выбирайте самую маленькую муфту, которая соответствует требованиям к крутящему моменту и диаметру, а не самую большую, подходящую к валу.
Техническое обслуживание в шаговых двигателях
В системах с разомкнутым контуром управления износ муфты представляет собой особую проблему: поскольку система не имеет обратной связи по положению, постепенное увеличение люфта из-за износа диска не обнаруживается контроллером автоматически. Система продолжает работать как обычно, но точность позиционирования незаметно ухудшается с каждым циклом износа диска.
Проводите периодическую ручную проверку люфта — не реже чем каждые 2000 часов работы — используя метод ручного вращения, описанный в разделе установки. Установите порог срабатывания при измеренном люфте в 0,3 градуса или при появлении жалоб на точность позиционирования. Держите на складе один запасной диск для каждого типа муфты; замена диска занимает пять минут и восстанавливает точность работы системы до уровня новой муфты.
Заключение
Муфта Олдхэма идеально подходит для систем привода шаговых двигателей. Отсутствие люфта исключает ошибки позиционирования, которые не могут быть скорректированы в системах с разомкнутым контуром управления. Допуск на боковое смещение компенсирует неизбежные в недорогих станках неровности выравнивания. Низкая инерция сохраняет динамический отклик шагового двигателя, а возможность установки зажимного ступичного узла предотвращает микропроскальзывание, которое может постепенно снижать точность подсчета шагов. При правильной спецификации, тщательной установке и периодической проверке диска муфта Олдхэма обеспечит надежную работу без люфта на протяжении всего срока службы системы привода шагового двигателя.
Просмотрите наш Ассортимент муфт Олдхэма для применения в шаговых двигателях., или свяжитесь с нашей командой для получения рекомендаций по размеру.
