Продажа линейных актуаторов, приводов, устройств управления
Линейные актуаторы, линейные приводы, устройства управления
Продажа в Санкт-Петербурге, Москве, поставки по России
8 (812) 703-09-81
8 (800) 100-97-56
9:30 - 18:00 мск
Главная > Продукция > Информация > Статья - Линейные шаговые актуаторы - принцип работы и основные характеристики

Линейные шаговые актуаторы - принцип работы и основные характеристики

Классические линейные актуаторы чаще всего конструируются на базе коллекторных двигателей постоянного тока, реже - на основе асинхронных приводов переменного тока. В этих устройствах для преобразования вращения в линейное движение используется редуктор, винт и гайка, соединенные с валом мотора. Такие устройства получаются недорогими и просты в эксплуатации. Однако, их применение ограничено недостатками применяемых двигателей - с их помощью трудно осуществлять позиционирование или задание точной скорости. Поэтому при решении инженерных задач прецизионного линейного перемещения небольшой нагрузки часто используют шаговые актуаторы.

Шаговый актуатор решает те же задачи, что и линейный актуатор на базе коллекторных или асинхронных двигателей, но с большей точностью. Конструкции шаговых актуаторов могут незначительно отличаться. Обычно в них не используется редуктор. В настоящий момент чаще всего встречаются три наиболее популярные варианты конструктивного исполнения: non-captive, with external nut, captive.

Основные конструктивные исполнения шаговых линейных актуаторов

изображение линейного шагового актуатора с подвижным исполнением винта

Шаговый актуатор со свободным штоком - имеет в своей конструкции полый вал (полый ротор) с внутренней гайкой. Вместо внешнего вала используется винт, который при вращении гайки перемещается в осевом направлении, т.е. получается актуатор с подвижным исполнением ходового винта. Винт проходит насквозь и может выходить на полную длину с обеих сторон двигателя. У иностранных производителей этот тип исполнения часто называется non-captive.

изображение линейного шагового актуатора с внешней гайкойШаговый актуатор с внешней гайкой - это почти классическое исполнение шагового двигателя. Отличие его в том, что вал существенно удлинен (в соответствии с необходимой длиной хода) и на него нанесена резьба. Для преобразования вращательного движения в поступательное используется гайка, которая перемещается вдоль винта-вала двигателя. Сам винт, в отличие от исполнения со свободным штоком, линейного перемещения не выполняет. У иностранных производителей этот тип исполнения часто называется with external nut или external linear.

изображение линейного шагового актуатора с выдвижным штоком Шаговый актуатор с выдвижным штоком - это исполнение самое близкое к классическим линейным актуаторам. Линейное движение осуществляется не при помощи вала самого мотора, а за счет внешнего штока, соединенного с валом двигателя. Вариант конструктивного исполнения - вал с резьбой проходит ротор двигателя насквозь и приводит в движение внешний шток, который уже используется для перемещения нагрузки. Сам резьбовой вал закрыт корпусом. Такое исполнение часто называется captive.

Как выбрать шаговый актуатор

В случае использования шагового двигателя инженеру необходимо сначала решить задачу преобразования вращательного движения в поступательное, затем вычислить параметры необходимой механики и после этого подобрать подходящие элементы для осуществления линейного перемещения нагрузки. В случае использования шагового актуатора можно сразу подбирать исполнение, характеристики которого удовлетворяют требованиям системы.

Таким образом, чтобы выбрать подходящий линейный шаговый актуатор, необходимо определить следующие требования системы:

  • Какое конструктивное исполнение актуатора подходит:
    • допустимо ли вращение вала (винта) актуатора;
    • как нагрузка будет крепиться к штоку (валу) актуатора;
    • требуется ли (допустимо ли) движение винта с обратной стороны двигателя;


  • Какие требования система предъявляет к характеристикам линейного движения:
    • скорость перемещения
    • усилие в осевом направлении
    • заданная точность позиционирования
    • допустимая дискретность перемещения
    • максимальная величина линейного перемещения (длина хода)


  • Какой блок управления будет использован:
    • какой будет алгоритм работы актуатора
    • какой контроллер будет управлять работой шагового двигателя
    • ток фазы двигателя актуатора и выходной ток драйвера ШД
    • напряжение питания для блока управления


Технические характеристики линейных шаговых актуаторов

При решении технических задач в качестве исходных данных приводятся параметры линейного движения: скорость поступательного движения, усилие в осевом направлении, максимальная величина перемещения, дискретность или точность позиционирования.

  • Осевое усилие:

    Усилие на валу актуатора в первую очередь зависит от крутящего момента шагового двигателя. Так как его момент зависит от скорости вращения ротора, необходимо определить требуемое усилие на заданной скорости. Чем выше скорость, тем ниже момент (это общее свойство всех шаговых двигателей) и, как следствие, ниже осевое усилие на штоке. В случае, если алгоритм работы актуатора предполагает несколько режимов скоростей, необходимо либо определить максимальное усилие для всех режимов и выбрать актуатор с шаговым двигателем с запасом по моменту, либо определить требуемые усилия на каждой из планируемых скоростей и выбрать актуатор, точно подходящий поставленной задаче. В технических характеристиках шагового актуатора обычно указывается максимальное усилие, т.е. то усилие, которое можно получить на штоке при минимальной (близкой к нулю) скорости. Необходимо помнить, что при ненулевой скорости усилие на валу (и на штоке актуатора) будет ниже. Чем выше скорость, тем меньше выходное усилие. Точные значения и вид кривой зависимости усилия от скорости зависят от применяемого драйвера ШД, от режима дробления шага, напряжения питания.

    При преобразовании вращательного движения в линейное поступательное в шаговых актуаторах используется винтовая передача. Следовательно, выходное усилие на штоке также зависит от шага винта.

  • Скорость:

    Еще одна характеристика шаговых двигателей, имеющая свои особенности - скорость вращения. Двигатели этого типа не могут стартовать сразу с высокой скоростью. Для достижения заданной величины скорости требуется плавный разгон. В противном случае происходит выход из синхронизации шагового двигателя, и его вращение прерывается. Максимально возможная стартовая скорость и величина ускорения зависят в первую очередь от используемого драйвера, коммутирующего обмотки мотора, а также от электрических параметров самого двигателя и характера нагрузки.

    Так как для преобразования вращения вала в линейное перемещение штока используется винтовая передача, выходная скорость зависит от шага винта актуатора.

  • Максимальная величина перемещения (максимальный ход актуатора):

    В первую очередь необходимо определить, на какое максимальное расстояние будет перемещаться нагрузка. Во всех случаях максимальная величина перемещения ограничена длиной резьбового вала двигателя.

    В случае использования актуаторов со свободным штоком необходимо учитывать, что из общей длины вала необходимо вычесть длину, необходимую для удержания винта внутри гайки шагового двигателя. Также нужно помнить, что при втягивании нагрузки винт проходит ротор двигателя насквозь, т.е. с обратной стороны мотора необходимо соответствующее перемещению свободное пространство.

    В случае использования актуаторов с внешней гайкой нужно помнить, что гайка также имеет свою длину, которую необходимо вычесть из общей длины резьбового вала актуатора.

    При использовании актуаторов с выдвижным штоком максимальная величина перемещения зависит от длины резьбовой части вала и от конструктивного исполнения корпуса, закрывающего винт.

  • Дискретность и точность перемещения:

    Принцип работы шаговых двигателей таков, что перемещение осуществляется дискретными отрезками - шагами. Минимальная величина углового перемещения зависит от конструкции двигателя (количества полюсов) и от возможностей драйвера ШД дробить шаг. К примеру, если стандартный шаг гибридного шагового двигателя составляет 1,8° (200 шагов соответствуют одному полному обороту), а драйвер может дробить шаг на 1/16, то минимальное угловое перемещение вала составит 0,1125°. Однако, необходимо помнить, что точность установки шага двигателя ограничена геометрией исполнения его зубцов. Например, если точность позиционирования составляет 5% от значения полного шага, то большие величины дробления не имеют смысла, так как погрешность перемещения в этом случает сопоставима или превосходит величину перемещения. Например, для двигателя с шагом 1,8° и точностью 5% при дроблении шага 1/32 величина перемещения составит 0,05625°±0,09°.

    При вращении каждый оборот вала двигателя соответствует линейному перемещению актуатора, равному шагу его винта. При выполнении дискретного углового перемещения вала двигателя происходит линейное перемещение, которое зависит от величины шага винта. На точность отработки перемещения влияет качество изготовления и точность винта.

8 (800) 100-97-56
9:30 - 18:00 мск

2002-2018 © ООО"Электропривод"
Поставки линейных актуаторов в Санкт-Петербурге, Москве и по России