Шаговый редуктор принцип работы (6 видео)

Редуктор. Виды и устройство. Применение и работа. Особенности

Редуктор – механическое преобразовывающее устройство, предназначенное для передачи крутящего момента с изменением его направления, скорости и тяговой силы в зависимости от необходимого значения. В классическом исполнении состоит из шестерен разного диаметра. В зависимости от соотношения размера ведущей и ведомой зубчатки может ускорять крутящий момент на ведомом валу, или наоборот делать его более медленным, но тяговым.

Содержание

Что такое редуктор, как он работает, зачем используется
В целом механизм классического редуктора состоит из таких деталей:
Виды редукторов
Как работает шаговый электродвигатель?
Что такое шаговый двигатель?
Преимущества и недостатки шагового электродвигателя
Устройство и принцип работы
Типы шаговых двигателей
По конструкции ротора
Реактивный
С постоянными магнитами
Гибридные
По виду обмоток
Униполярный
Биполярный
Подключение шагового двигателя
Типичные схемы подключения ШД
Управление шаговым двигателем
Без контроллера
С контроллером
Популярные схемы управления ШД
Простейший драйвер шагового двигателя своими руками
Полезное видео
🔍 Видео

Видео:Серво или шаговый привод?Скачать

Что такое редуктор, как он работает, зачем используется

Механические редукторы позволяют взаимообратно изменять угловую скорость и крутящий момент. Эти величины выражаются передаточным отношением. Так, крутящий момент на входе в механизм редуктора выше, чем при выходе. При этом угловая скорость после прохождения устройства получается выше. Именно механизм такого типа обычно и подразумевается под определением «редуктор». Передаточное число данного устройства всегда больше единицы.

Также существует понятие «повышающих редукторов». Под ним подразумеваются устройства противоположного направления действия, которые способны повышать прикладываемое усилие. Такой термин не применяется в официальной литературе, однако в ГОСТах используется понятие «повышающая передача», образование которой и подразумевает использование механизма такого типа.

Сам механизм простейшего редуктора подразумевает сцепление двух шестерней разного диаметра. Ведущая, на которую оказывается вращательное усилие, имеет меньший диаметр, а ведомая больший. К примеру, если в последней количество зубцов выше в 2 раза, то если первая сделает один оборот вокруг своей оси, то соединенная с ней ведомая обернется только наполовину. При этом тяговая способность на ее валу повысится в 2 раза, против того, что выдает источник вращения.

В целом механизм классического редуктора состоит из таких деталей:

В конструкции может предусматриваться не два, а больше шестерен. Более сложные могут иметь возможность переключения ведомых элементов, чтобы получать на выходе крутящий момент с определенной изменяемой мощностью и угловой скоростью. По этому принципу работает коробка переключения передач автомобиля. Также в конструкции редуктора может предусматриваться система смазки или принудительного охлаждения.

Чтобы редуктор мог работать, важно, сцепление ведомого, ведущего и промежуточных элементов между собой. Для этого у них предусматриваются одинаковые зубья. Они идентичны по размеру, форме и шагу.

В качестве источника крутящего момента редуктора может применяться двигатель внутреннего сгорания, лопасти ветряка, гидростанции, электромотор или приводная ручка. Развиваемое ими усилие может быть недостаточным для конкретного подключенного механизма, или же ему недостает скорости. В таком случае применяются редукторы с необходимым передаточным числом.

При использовании редукторов всегда повышение скорости сопровождается снижением мощности крутящего момента и наоборот. В связи с этим важно высчитать необходимые значения передаточного числа для конкретного потребителя. Передаточное число редуктора рассчитывается в результате деления количества зубьев ведомой шестерни на ведущей. К примеру, у устройства со значениями 40 и 20 зубьев, оно составляет 2.

К примеру, если требуется использовать мотор для подъема груза путем намотки троса на барабан, то требуется невысокое вращение с малым крутящим моментом. В такой ситуации используется редуктор. Он меняет выходные характеристики, создавая оптимальный баланс между мощностью и скоростью. Хорошо эту ситуацию показывает пример велосипеда. Его звездочки соединенные роликовой цепью являются примером простого редуктора. Однако за счет того, что связка между ними происходит через цепь, то они имеют одинаковое направление вращения. Так, велосипедист выдает ограниченную мощность. Меняя сочетание ведомых звездочек при переключении передач, он может регулировать нагрузку при вращении педалей. Чем на большую ведомую звездочку выполняется переход, тем быстрее едет велосипед, но при этом крутить педали становится сложнее.

Виды редукторов

В современных механизмах применяют различные типы редукторов. Их классификация выполняется по нескольким параметрам:

Все эти параметры являются важными составляющими, которые нужно учитывать при подборе редуктора для решения конкретных задач. Одни механизмы склонны к нагреву при высоких оборотах, другие меняют угол передачи крутящего момента, третьи отличаются компактностью и т.д.

Типы передачи

По типу передачи выполняется разделение редукторов на 4 вида:

Червячный тип

Состоит из червячного вала с винтовой накаткой, подобной резьбе, и зубчатого колеса с косыми зубами. С его помощью выполняется увеличение крутящего момента с уменьшением количества оборотов привода. Червячные редукторы получили распространение в разных сферах. К примеру, их устанавливают на привод автоматических ворот, станки по обработке металлов, электроподъемники. Устройство отличается приемлемым КПД. Оно встречается как в компактном исполнении, так и в виде больших промышленных механизмов. Размер редуктора влияет сугубо на механическую прочность. Перегрузка компактного механизма приводит к деформации вала или повреждению зубьев на шестерни. Чем крупнее редуктор, тем ниже такая вероятность.

Червячные редукторы отличаются сравнительно низким уровнем шума. Они имеют эффект самоторможения. При прекращении вращения они быстро останавливаются, а не оборачиваются по инерции. Специфика использования червячных редукторов заключается в том, что в них приводной вал располагается под прямым углом относительно ведомого. Это обусловлено особенностью стыковки червячного винта с шестерней.

Цилиндрический

Состоит только из шестерен в корпусе, насаженных на валы. За счет этого направление передачи крутящего момента не изменяется, как в червячном механизме. Устройства этого типа могут применяться как для повышения, так и снижения крутящего момента. Зачастую в их конструкции применяются промежуточные шестерни, чтобы пройти более точную коррекцию передаточного числа.

Читайте также: Ремонт редуктора заднего моста иж 2126 ода

Чтобы зубчатые редукторы были действительно эффективными, в них применяется набор шестерен, расположенных ступенями. Такие устройства называют ступенчатыми. Первая пара выполняет преобразование крутящего момента в одно значение, после нее оно передается с другим и т.д. Естественно подобные сложения всегда влекут за собой снижение надежности и простоты ремонта. Подобные устройства могут иметь различные габариты, даже весьма компактные, несмотря на большой набор деталей

Планетарный редуктор

Имеет существенные отличия от обычного зубчатого и червячного. Его особенность в соосности входящего и выходящего потока мощности. Внутри корпуса редуктора имеются зубья. Данная деталь называется корончатая шестерня. Это обеспечивает сцепку с тремя, четырьмя или более сателлитными зубчатками. Те в свою очередь соединяются между собой водилом. При вращении они раскручивают центральную шестерню, называемую солнечной.

Существуют различные конфигурации планетарного редуктора, у которых в качестве опорного звена применяется:

На практике можно использовать в качестве ведущего и ведомого любое звено планетарного редуктора. Однако в зависимости от применяемого варианта, рабочие качества механизма меняются. Такие устройства используются на гусеничной технике, грузовых машинах, больших лебедках, в конструкции автомобильного стартера.

Реверсивное движение

Специфика механики работы редуктора подразумевает, что при раскручивании ведущей шестерни в одну сторону, ведомая вращается в противоположную. Во многих случаях это не имеет никакого значения, или решается дальнейшей модернизацией механизма, принимающего передаваемый крутящий момент.

Если реверсивное движение является неприемлемым, для решения этой проблемы редуктор предусматривает промежуточную шестерню. Она сцепляется с ведущей, и в результате воздействия оборачивается в противоположном направлении. После этого уже в паре с ведомой крутит ее наоборот. Таким образом, направление вращения на выходе с редуктора получается такое же, как и на входе.

Применение промежуточной шестерни никак не влияют на конечное передаточное число, при условии их правильного расчета. Также при корректировке на них количества зубьев, можно менять фактические параметры редуктора, уменьшая ведомую зубчатку для компактности механизма.

Нередко в конструкции редукторов можно встретить целый ряд из промежуточных шестерен в непарном количестве, хотя на практике достаточно одной зубчатки. Увеличение их количества вызвано необходимостью удлинения передачи, к примеру, если требуется, чтобы ведомый вал расположился с большим выносом в сторону относительно ведущего.

Также в редукторах может использоваться увеличенное количество промежуточных шестерен разного размера с целью отбора от каждой из них крутящего момента с определенной угловой скоростью. Это требуется для функционирования вспомогательных механизмов. К примеру, с одной из зубчаток может сниматься вращение для работы маслонасоса принудительной смазки и т.д.

Видео:Как работает ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ? Шагаем, полушагаем, микрошагаем.Скачать

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Видео:Обзор шаговых двигателей и серводвигателей для станковСкачать

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
Сложности управления из-за особенности схемы

Видео:Принцип работы шагового двигателя на примере Nema 17/ ШД HS4401Скачать

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Видео:Шаговый двигатель с планетарным редуктором ШДГП-42Скачать

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

Читайте также: Редуктор lsd для паджеро

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Видео:Одноступенчатый редуктор с приводом от Шагового ДвигателяСкачать

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Читайте также: Редуктор для циркулярной пилы black decker

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Видео:Редуктор и шаговый двигатель Немо 23 для Поворотного устройства антенны.Скачать

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Видео:Планетарный редуктор 1:4 для Nema 17 / Planetary gearbox 1: 4 for Nema 17Скачать