Описание шагового двигателя с редуктором: типы, крутящий момент и как выбрать правильный

Стандартный шаговый двигатель уже является чрезвычайно полезным устройством: он движется с точным шагом, удерживает свое положение без тормоза и не требует датчика обратной связи для базового позиционирования. Но есть класс приложений, в которых стандартный двигатель не справляется: нагрузки, которым требуется больший крутящий момент, чем может создать двигатель, нагрузки с высокой инерцией, которые сопротивляются ускорению, или задачи позиционирования, где собственный угол шага в 1,8 градуса просто недостаточно хорош. Шаговый двигатель с редуктором решает все три проблемы сразу, присоединяя редуктор непосредственно к валу двигателя. Результатом является компактный интегрированный привод, который увеличивает крутящий момент, снижает скорость, повышает разрешение и снижает сложные коэффициенты инерции — без изменения ни одной строки управляющего кода. В этом руководстве объясняется, как работают шаговые двигатели с редуктором, что предлагают доступные типы редукторов, как выбрать правильную конфигурацию и где эти двигатели работают лучше всего.

Что такое шаговый двигатель с редуктором и как он работает

А шаговый двигатель с редуктором представляет собой интегрированный блок, состоящий из шагового двигателя (обычно двухфазного биполярного гибридного шагового двигателя), соединенного непосредственно с редуктором, прикрепленным к его выходному валу. Редуктор спроектирован и отрегулирован на заводе, поэтому двигатель и редуктор имеют один монтажный фланец и представляют собой единый механический интерфейс с машиной. Вал двигателя приводит в движение вход коробки передач; выходной вал коробки передач передает нагрузку на пониженную скорость и пропорционально увеличенный крутящий момент.

Часть шагового двигателя работает идентично автономному шаговому двигателю: драйвер посылает импульсы шага и направления, двигатель продвигается на один шаг (или микрошаг) за каждый импульс, а положение отслеживается в разомкнутом контуре путем подсчета импульсов. Редуктор не меняет этот режим управления — он просто преобразует движение на выходе. Каждый шаг двигателя перемещает выходной вал на один шаг, разделенный на передаточное число. Двигатель с углом поворота 1,8 градуса (200 полных шагов на оборот) с коробкой передач 10:1 обеспечивает эффективный угол шага 0,18 градуса и 2000 шагов на выходной оборот. Такое увеличение разрешения является одним из наиболее практически ценных свойств конфигурации шагового двигателя с редуктором.

Преобразование крутящего момента происходит в том же соотношении. Выходной крутящий момент равен удерживающему моменту двигателя, умноженному на передаточное число и механический КПД коробки передач. Двигатель NEMA 17 с удерживающим моментом 0,5 Нм и редуктором 10:1 с КПД 90% развивают крутящий момент примерно 4,5 Нм на выходном валу, что эквивалентно мощности гораздо более крупного и дорогого шагового двигателя без редуктора. Такое увеличение крутящего момента является причиной того, что шаговый двигатель с редуктором NEMA 17 или NEMA 23 часто может заменить безредукторный двигатель NEMA 34, экономя место на плате и вес машины.

Почему коэффициент инерции имеет значение и как его исправляет зубчатая передача

Одной из наиболее важных и наименее обсуждаемых причин добавления редуктора к шаговому двигателю является согласование инерции. Когда шаговый двигатель приводит в движение нагрузку, отношение инерции нагрузки к инерции ротора определяет, насколько хорошо двигатель может ускоряться, замедляться и точно останавливаться. Если инерция нагрузки намного превышает инерцию ротора, двигатель с трудом контролирует нагрузку во время динамических движений, что приводит к перерегулированию (больше шагов, чем задано), недолету (меньше шагов) или потере шагов - все формы ошибки позиционирования, которые в первую очередь сводят на нет цель использования шагового двигателя.

А gearbox reduces the load inertia reflected back to the motor by the square of the gear ratio. A 10:1 gearbox reduces reflected load inertia by a factor of 100. This means a motor that could not reliably control a high-inertia load directly can suddenly do so with confidence through a gearbox. The practical threshold most designers work within is a load-to-rotor inertia ratio of 10:1 or less. At higher ratios, positioning accuracy and dynamic performance degrade. If the calculated ratio without gearing exceeds this threshold, adding a gearbox is often the correct engineering response—more effective and less expensive than simply specifying a larger motor.

Существует также преимущество резонанса. Шаговые двигатели без редуктора, работающие на низких скоростях, могут проявлять среднечастотный резонанс — вибрацию и нестабильность, вызванные взаимодействием шаговой частоты и собственной резонансной частоты двигателя. Поскольку шаговый двигатель с редуктором запускает свой внутренний двигатель на более высокой скорости (скорость, умноженная на передаточное число), чтобы обеспечить ту же выходную скорость, двигатель работает дальше по своей кривой скорости-момента, вдали от зоны низкоскоростного резонанса. Это обеспечивает более плавное и стабильное движение выходного вала, чем двигатель без редуктора, работающий с той же конечной скоростью.

Три основных типа редукторов для шаговых двигателей

Не все редукторы одинаково подходят для шаговых двигателей. Поскольку для позиционирования используются шаговые двигатели (с двунаправленными движениями, динамическими изменениями нагрузки и точными требованиями к остановке и удержанию), коробка передач должна тщательно обрабатывать люфт, крутильную жесткость и эффективность. На рынке редукторов для шаговых двигателей доминируют три типа передач: планетарная, цилиндрическая и червячная. У каждого свой профиль производительности.

Планетарные редукторы

Планетарные редукторы являются наиболее широко используемым типом редукторов для прецизионных шаговых двигателей. Планетарная ступень состоит из центральной солнечной шестерни, приводимой в движение валом двигателя, нескольких планетарных шестерен, вращающихся вокруг Солнца и находящихся в зацеплении с неподвижной внешней кольцевой шестерней, и водила, которое передает движение планетарной шестерни на выходной вал. Поскольку крутящий момент распределяется по нескольким контактам сателлитов одновременно, планетарные редукторы обеспечивают высокую плотность крутящего момента и высокую крутильную жесткость в компактном коаксиальном корпусе — выходной вал движется вдоль той же оси, что и вал двигателя.

Для двигателей NEMA 17 доступны прецизионные планетарные редукторы с люфтом всего 15 угловых минут в экономичных классах и менее 3 угловых минут в высокоточных классах. Передаточные числа в одноступенчатых агрегатах обычно варьируются от 3,7:1 до 100:1, а в двухступенчатых конфигурациях это соотношение увеличивается до 369:1. КПД каждой ступени обычно составляет 90–97%, что означает, что приращение крутящего момента близко к теоретическому, а выделение тепла является умеренным по сравнению с альтернативами с червячной передачей. Планетарные редукторы для двигателей NEMA 23 обеспечивают крутящий момент до 15 Нм и выше; Шаговые двигатели с планетарным редуктором NEMA 34 и NEMA 42 достигают крутящего момента 120 Нм или выше.

Цилиндрические коробки передач

В редукторах с цилиндрическими шестернями используется ряд зацепляющихся цилиндрических шестерен с параллельными валами для достижения необходимого уменьшения. Они проще и дешевле, чем планетарные агрегаты, и обеспечивают более высокий КПД (часто 95% и выше), поскольку в каждом зацеплении используется качение, а не скользящий контакт. Однако цилиндрические редукторы имеют больший диаметр при том же передаточном отношении и номинальном крутящем моменте, они имеют больший люфт, чем прецизионные планетарные редукторы (обычно от 1 до 3 градусов), и они не соосны - двигатель и выходные валы могут быть смещены. Для экономичных приложений с умеренными требованиями к крутящему моменту, простой схемой привода и отсутствием жестких характеристик люфта прямозубые шаговые двигатели являются экономичным выбором. Они обычно используются в 3D-принтерах, легких приложениях с ЧПУ и средствах автоматизации потребительского уровня, где люфт в несколько градусов не оказывает существенного влияния на точность позиционирования.

Червячные редукторы

Шаговые двигатели с червячной передачей сочетают в себе точное пошаговое управление шаговым двигателем с высоким передаточным числом, прямоугольным приводом и способностью самоблокировки червячного редуктора. В стандартных продуктах доступны передаточные числа от 17:1 до 500:1, что делает червячные шаговые двигатели подходящими для применений, требующих очень низких выходных скоростей без нескольких ступеней передачи. Свойство самоблокировки, при котором нагрузка не может повернуть червяк назад, устраняет необходимость в стояночном тормозе во многих приложениях с вертикальной осью или удержанием нагрузки. Компромиссами являются более низкий КПД (40–80% в зависимости от передаточного отношения), более высокое тепловыделение при непрерывной работе и значительно больший люфт, чем у планетарных агрегатов. Шаговые двигатели с червячной передачей хорошо подходят для приводов ворот, ступеней линейного подъема, поворотных кругов и других применений, где требуется удержание положения под нагрузкой и рабочий цикл прерывистый.

Сравнение типов редукторов для приложений с шаговыми двигателями

Типоразмеры NEMA и эталонный выходной крутящий момент

Шаговые двигатели с редуктором стандартизированы в соответствии с размерами корпуса NEMA, которые определяют размеры лицевой панели двигателя и расположение монтажных отверстий. Обозначение NEMA не определяет электрические характеристики или характеристики крутящего момента (они различаются в зависимости от обмотки и длины двигателя), но оно определяет физический форм-фактор, что упрощает выбор редукторов, подходящих к стандартным корпусам двигателей.

• НЕМА 8 (20 мм): Самый маленький практичный шаговый двигатель с редуктором. Используется в медицинских инструментах, небольших дозирующих системах и компактной робототехнике, где пространство ограничено, а требования к крутящему моменту низкие.
• НЕМА 11 (28 мм): Подходит для лабораторной автоматизации, небольших поворотных столов и компактных приводов. Для этого типоразмера корпуса доступны планетарные редукторы с передаточным числом до 100:1 и люфтом до 3 угловых минут.
• НЕМА 17 (42 мм): Самый популярный размер корпуса шагового двигателя с редуктором для 3D-печати, настольных систем ЧПУ, робототехники и автоматизации легкой промышленности. Планетарные редукторы для NEMA 17 обеспечивают крутящий момент до 3 Нм и передаточное число от 3,7:1 до 369:1. Квадратная лицевая панель размером 42 мм широко поддерживается экосистемами механического проектирования.
• НЕМА 23 (57 мм): Стандарт для легкой промышленной автоматизации, конвейеров, питателей и оборудования с ЧПУ среднего класса. Шаговые двигатели с планетарным редуктором NEMA 23 достигают выходного крутящего момента до 15 Нм и более. Редукторный шаговый двигатель NEMA 23 с передаточным соотношением 10:1 часто может заменить безредукторный двигатель NEMA 34 при меньших затратах и ​​меньшей занимаемой площади.
• NEMA 34 (86 мм) и NEMA 42 (110 мм): Используется в тяжелых фрезерных станках с ЧПУ, оборудовании промышленной автоматизации и системах позиционирования с высоким крутящим моментом. Двигатели с планетарным редуктором NEMA 34 достигают выходного крутящего момента до 120 Нм; Конфигурации NEMA 42 расширяют эту возможность.

Ключевые области применения шаговых двигателей с редуктором

Сочетание шагового управления с разомкнутым контуром, высокого выходного крутящего момента, высокого эффективного разрешения и компактного интегрированного корпуса делает шаговые двигатели с редуктором предпочтительным приводом в широком спектре отраслей промышленности.

Промышленная автоматизация и робототехника

Шаговые двигатели с редуктором являются стандартными приводами в декартовых роботах, портальных системах, поворотных индексаторах и машинах для захвата и перемещения. Шаговый двигатель с планетарным редуктором типоразмера NEMA 23 или NEMA 34 обеспечивает крутящий момент и разрешение, необходимые для точного позиционирования оси, без затрат на сервосистему. Автономный интерфейс пошагового управления упрощает конструкцию контроллера: большинство ПЛК и контроллеров движения могут напрямую управлять шаговым драйвером без дополнительной инфраструктуры обратной связи.

Медицинские и лабораторные инструменты

В системах дозирования жидкостей, шприцевых насосах, столиках для отбора проб аналитических приборов и диагностическом оборудовании используются компактные шаговые двигатели с редуктором — часто NEMA 11 или NEMA 17 с планетарными редукторами — там, где критическое значение имеет точное и воспроизводимое позиционирование в небольшом корпусе. Способность удерживать положение без постоянного потребления энергии ценна в инструментах с батарейным питанием или низким уровнем нагрева, где необходимо свести к минимуму подачу питания на двигатель в периоды простоя.

3D-печать и настольный ЧПУ

В приводах экструдеров и приводах ходового винта оси Z в 3D-принтерах обычно используются шаговые двигатели с планетарным редуктором NEMA 17 для увеличения крутящего момента, доступного для выталкивания нити или подъема печатающей головки против силы тяжести. Улучшенное разрешение за счет передаточного числа также позволяет более точно контролировать высоту слоя на ходовом винте без переключения на конфигурацию драйвера с более высоким микрошагом.

Упаковочное оборудование

Индексирующие конвейеры, аппликаторы этикеток, устройства для закручивания крышек и наполнительные головки на упаковочных линиях используют шаговые двигатели с редуктором для их повторяемого, программируемого позиционирования и способности удерживать положение между движениями без отдельного стояночного тормоза. Шаговые двигатели с червячным редуктором используются специально на вертикальных станциях наполнения и укупорки, где нагрузка не должна двигаться назад при обесточенном двигателе.

Приводы и приводы для ворот

Шаговые двигатели с червячной передачей хорошо подходят для автоматических приводов ворот, дверей и клапанов, где свойство самоблокировки удерживает механизм в нужном положении без постоянного тока удержания двигателя. Высокое передаточное число позволяет небольшому двигателю генерировать крутящий момент, необходимый для перемещения тяжелых ворот или преодоления подпружиненных клапанных механизмов, без использования корпуса двигателя увеличенного размера.

Как правильно выбрать шаговый двигатель с редуктором

Для правильного выбора шагового двигателя с редуктором необходимо проработать несколько взаимозависимых параметров в определенном порядке. Пропуск этапов — особенно проверки инерции и оценки теплового цикла — приводит к тому, что двигатель работает на стенде, но выходит из строя в эксплуатации.

Сначала определите профиль нагрузки и движения

Прежде чем просматривать техническое описание двигателя, определите требования к применению: требуемый выходной крутящий момент (включая коэффициент эксплуатации для пиковых нагрузок и ускорения), требуемую выходную скорость в об/мин, профиль движения (время разгона, перемещения, время торможения) и рабочий цикл (процент времени, в течение которого двигатель активно движется по сравнению с удержанием или обесточиванием). Эти параметры определяют каждое последующее решение о выборе. Выходной крутящий момент и скорость вместе определяют требуемую механическую мощность; Рабочий цикл определяет, станут ли тепловые характеристики обязательными ограничениями.

Выберите передаточное число и размер двигателя вместе

Передаточное число должно быть выбрано таким образом, чтобы рабочая скорость двигателя находилась в верхней части его полезного диапазона скоростей — обычно от 200 до 600 об/мин для большинства гибридных шаговых двигателей — где кривая крутящего момента-скорости все еще достаточно плоская. Работа двигателя на очень низких скоростях (ниже 100 об/мин без зубчатой ​​передачи) помещает его в зону, подверженную резонансу, и обеспечивает менее стабильное движение, чем работа двигателя на более высоких скоростях через коробку передач. После определения целевой скорости двигателя соотношение представляет собой просто скорость двигателя, деленную на требуемую выходную скорость. Убедитесь, что результирующий выходной крутящий момент (удерживающий момент двигателя × передаточное число × КПД) соответствует требованиям к нагрузке, включая коэффициент эксплуатации. Если этого не происходит, увеличьте размер корпуса двигателя или увеличьте передаточное число.

Проверьте соотношение инерции нагрузки и ротора.

Рассчитайте инерцию нагрузки (включая выходной вал коробки передач, муфту и все механические компоненты между выходной мощностью коробки передач и конечной нагрузкой) и разделите ее на инерцию ротора выбранного двигателя. Для двигателя важна отраженная инерция нагрузки (инерция нагрузки, деленная на квадрат передаточного отношения). Стремитесь поддерживать соотношение отраженной инерции к инерции ротора ниже 10:1 для обеспечения стабильных динамических характеристик. Если передаточное число превышает это значение, либо увеличьте передаточное число, либо выберите двигатель с большей инерцией ротора. Шаговые двигатели с замкнутым контуром и обратной связью от энкодера могут выдерживать более высокие коэффициенты инерции, чем системы с разомкнутым контуром, поскольку контроллер может обнаруживать и корректировать потерянные шаги.

Оцените реакцию на требования приложения

Люфт — это угловой люфт выходного вала, когда двигатель меняет направление вращения — выходной вал не перемещается до тех пор, пока не будет устранен зазор зубчатого зацепления. В приложениях, где нагрузка всегда движется в одном направлении (раздаточные насосы, однонаправленные конвейеры), люфт не имеет практического эффекта. В приложениях двунаправленного позиционирования люфт напрямую ограничивает повторяемую точность позиционирования. Планетарные редукторы эконом-класса обеспечивают люфт около 50 угловых минут; прецизионные планетарные классы снижают это значение до 15 угловых минут; высокоточные сорта достигают 3 угловых минут или меньше. Укажите самый малый уровень люфта, который действительно требуется для применения, а не самый малый из имеющихся, поскольку высокоточные редукторы требуют значительных дополнительных затрат.

Подтвердите механический интерфейс коробки передач

Убедитесь, что выбранный диаметр выходного вала коробки передач, характеристики шпоночного паза, максимально допустимая радиальная нагрузка и максимально допустимая осевая нагрузка совместимы с муфтой или ведомым компонентом. Редукторы для шаговых двигателей имеют определенные допустимые радиальные и осевые нагрузки, превышение которых ускоряет износ подшипников и сокращает срок службы редуктора. Если применение предполагает значительные радиальные (радиальные) нагрузки (например, ведущая шестерня или ременный шкив, установленные непосредственно на выходном валу без дополнительной опоры), убедитесь, что номинал подшипника коробки передач выдерживает нагрузку на рабочей скорости.