Кіріспе

Тік сызықты қозғалыс жасайтын актуатор – дәстүрлі электр қозғалтқышының шеңберлік қозғалысына қарағанда тік сызықты қозғалыс тудыратын құрылғы. Сызықтық актуаторлар машина құралдары мен өнеркәсіптік жабдықтарда, дискілер мен принтерлер сияқты компьютерлік перифериялық құрылғыларда, клапандар мен демпферлерде, сондай-ақ тік сызықты қозғалыс қажет болатын көптеген басқа да салаларда қолданылады. Гидравликалық немесе пневматикалық цилиндрлер өзінен-өзі тік сызықты қозғалыс жасайды. Айналмалы қозғалтқыштан тік сызықты қозғалыс жасау үшін тағы да көптеген механизмдер пайдаланылады.

Механикалық іске қосу құрылғылары

Механикалық сызықтық актuatorлар әдетте айналма қозғалысты сызықтық қозғалысқа түрлендіру арқылы жұмыс істейді. Түрлендіру әдетте бірнеше қарапайым механизмдер арқылы жүзеге асырылады:
Бұранда: жетекті бұранда, бұрандалы домкрат, шарлы бұранда және роликті бұрандалы актuatorлар бұранда деп аталатын қарапайым машинаның принципі бойынша жұмыс істейді. Актuatorдың гайкасын айналдыру арқылы бұранда білігі түзу сызықта қозғалады. Дөңгелек және ось: көтергіш, лебёдка, тісті рельс және тісті дөңгелек, тізбекті жетек, белді жетек, қатты тізбек және қатты белді жетек актuatorлары дөңгелек және ось принципі бойынша жұмыс істейді. Айналатын дөңгелек кабельді, рельсті, тізбекті немесе белді қозғалту арқылы сызықтық қозғалыс жасайды. Камера: Камералы актuatorлар клиндерге ұқсас принцип бойынша жұмыс істейді, бірақ салыстырмалы түрде шектеулі қозғалыс қамтамасыз етеді. Дөңгелек тәрізді камера айналғанда, оның эксцентрлі пішіні білік табанында итеру күшін жасайды. Кейбір механикалық сызықтық актuatorлар тек тартады, мысалы, көтергіштер, тізбекті жетектер және белді жетектер. Басқалары тек итереді (мысалы, камералы актuator). Пневматикалық және гидравликалық цилиндрлер немесе жетекті бұрандалар екі бағытта да күш тудыру үшін құрыла алады. Механикалық актuatorлар әдетте басқару тұтқасының немесе мойынтіреуінің айналма қозғалысын бұрандалар және/немесе тісті дөңгелектер арқылы сызықтық орын ауыстыруға түрлендіреді, тұтқа немесе мойынтірек оларға бекітіледі. Домкрат немесе автомобильдік домкрат – таныс механикалық актuator. Актuatorлардың тағы бір тобы сегменттелген шпиндельге негізделген. Домкрат тұтқасының айналуы механикалық түрде домкрат басының сызықтық қозғалысына түрлендіріледі. Механикалық актuatorлар лазерлер және оптика саласында сызықтық сатылардың, айналма сатылардың, айналардың, гониометрлердің және басқа да позициялық құралдардың орнын басқару үшін де жиі қолданылады. Нақты және қайталанатын позициялау үшін басқару тұтқаларында индекс белгілері қолданылуы мүмкін. Кейбір актuatorларға энкодер және сандық позиция көрсеткіші кіреді. Олар микрометрлерде қолданылатын реттеу тұтқаларына ұқсас, бірақ олардың мақсаты позицияны өлшеу емес, позицияны реттеу болып табылады.

Гидравликалық

Гидравликалық актуаторлар немесе гидравликалық цилиндрлер әдетте ішінде поршеньі орналасқан қуыс цилиндрден тұрады. Поршеньге қолданылатын теңгерімсіз қысым сыртқы нысанды қозғалтатын күшті тудырады. Сұйықтықтардың икемсіздігіне байланысты, гидравликалық цилиндр поршеньнің бақыланатын, нақты сызықтық қозғалысын қамтамасыз етеді. Қозғалыс тек поршень осі бойымен ғана жүреді. Қолмен басқарылатын гидравликалық актуатордың кең таралған мысалы – гидравликалық автокөлік домкраты. Бірақ көбінесе "гидравликалық актуатор" термині гидравликалық сорғымен басқарылатын құрылғыны білдіреді.

Пневматикалық

Пневматикалық жетектер немесе пневматикалық цилиндрлер гидравликалық жетектерге ұқсас, бірақ күшті жасау үшін сұйықтық емес, қысылған ауа қолданады. Олар поршень сияқты жұмыс істейді, онда ауа бір жақтан камераға сорылып, екінші жағынан шығарылады. Ауа жетектері ауыр жұмыс істейтін машиналар мен үлкен салмақты жағдайларда міндетті түрде қолданылмайды. Пневматикалық сызықтық жетектерді басқа түрлерге қарағанда артық таңдау себебі – қуат көзі қарапайым ауа компрессоры болып табылады. Ауа кіріс көзі болғандықтан, пневматикалық жетектерді механикалық қызметтің көптеген салаларында қолдануға болады. Бірақ кемшілігі, көптеген ауа компрессорлары үлкен, көлемді және шулы. Оларды орнатқаннан кейін басқа жерге тасымалдау қиын. Пневматикалық сызықтық жетектерде ақау болуы мүмкін, бұл оларды механикалық сызықтық жетектерге қарағанда тиімсіз етеді.

Пьезоэлектрлік іске қосу құрылғылары

Пьезоэлектрлік әсер – белгілі бір материалдардың қасиеті, онда материалға кернеу қолданғанда ол кеңейеді. Өте жоғары кернеулерге тек өте шағын кеңейістер сәйкес келеді. Осының салдарынан пьезоэлектрлік атқарушы механизмдер (актуаторлар) өте жоғары дәлдікпен орналасуға қол жеткізе алады, бірақ қозғалыс диапазоны өте шектеулі болады. Сонымен қатар, пьезоэлектрлік материалдар гистерезис көрсетеді, бұл олардың кеңеюін тұрақты түрде бақылауды қиындатады.

Электромеханикалық іске қосу құрылғылары

Электромеханикалық іске қосылғыштар механикалық іске қосылғыштарға ұқсас, бірақ басқару тұтқасы немесе қолғап электрмотормен алмастырылады. Мотордың айналма қозғалысы сызықтық жылжуға түрлендіріледі. Электромеханикалық іске қосылғыштар электр энергиясын механикалық күшке айналдыратын моторды қуаттандыру үшін де қолданылуы мүмкін. Қазіргі заманғы сызықтық іске қосылғыштардың көптеген түрлері бар және оларды өндіретін әрбір компания өздеріне тән әдіске ие болады. Төменде өте қарапайым электромеханикалық сызықтық іске қосылғыштың жалпы сипаттамасы келтірілген.

Қарапайым дизайн

Әдетте, электр қозғалтқышы механикалық түрде жетекті бұранданы айналдыру үшін қосылады. Жетекті бұранданың ұзындығы бойымен жүретін оның шеңберінде үздіксіз спиральді жіп (болттағы жіпке ұқсас) болады. Жетекті бұрандаға сәйкес келетін спиральді жіптері бар жетекті түйіршік немесе шарлы түйіршік бекітіледі. Түйіршік жетекті бұрандамен бірге айналуына жол берілмейді (әдетте, түйіршік іске қосу құрылғысының айналмайтын бөлігімен байланысады). Жетекті бұранда айналғанда, түйіршік жіп бойымен қозғалады. Түйіршіктің қозғалыс бағыты жетекті бұранданың айналу бағытына байланысты. Түйіршікке байланыстарды қосу арқылы қозғалысты пайдалы сызықтық орын ауыстыруға айналдыруға болады. Көптеген қазіргі актуаторлар жоғары жылдамдыққа, жоғары күшке немесе екеуінің арасындағы компромиске арналған. Белгілі бір қолданба үшін актуаторды таңдағанда, ең маңызды сипаттамалар әдетте – жүріс, жылдамдық, күш, дәлдік және қызмет ету мерзімі болып табылады. Көптеген түрлері демпферлерге немесе көбелек клапандарға орнатылады. Сызықтық іске қосу жүйесінде әртүрлі типтегі қозғалтқыштарды қолдануға болады. Оларға DC щеткалы, DC щеткасыз, қадамдық немесе кейбір жағдайларда индукциялық қозғалтқыштар жатады. Бәрі қолдану талаптарына және актуатордың қозғалтуға арналған жүктемелеріне байланысты. Мысалы, жетекті бұранданы қозғалтатын интегралды атты ҚС индукциялық қозғалтқышты пайдаланатын сызықтық актуатор мұнай өңдеу зауытындағы үлкен клапанды басқару үшін қолданылуы мүмкін. Бұл жағдайда жоғары дәлдік пен жоғары қозғалыс ажыратымдылығы қажет емес, бірақ жоғары күш пен жылдамдық қажет. Зертханалық құралдардың робототехникасында, оптикалық және лазерлік жабдықтарда немесе XY кестелерінде қолданылатын электромеханикалық сызықтық актуаторлар үшін микрондар диапазонында жоғары ажыратымдылық пен жоғары дәлдік үшін ұсақ қадамды жетекті бұрандасы бар фракциялық ат күші бар қадамдық мотордың сызықтық актуаторын пайдалану қажет болуы мүмкін. Электромеханикалық сызықтық іске қосу жүйесінің көптеген нұсқалары бар. Қайсысының ең жақсы болатынын білу үшін жобалау талаптары мен қолдану шектеулерін түсіну маңызды.

Стандартты және компактты конструкция

Стандартты моторларды қолданатын сызықтық иісқосқыш, әдетте, моторды иісқосқышқа параллель немесе перпендикуляр орналасқан, иісқосқыштың қабырғасына бекітілген жеке цилиндр ретінде жасайды. Мотор иісқосқыштың соңына да бекітілуі мүмкін. Жүргізетін мотордың құрылымы әдеттегідей, қатты білігі бар, ол иісқосқыштың бұрандасына немесе гайкасына жалғастырылады. Шағын сызықтық иісқосқыштар мотор мен иісқосқышты ең кішкентай пішінге сыйыруға тырысатын арнайы жасалған моторларды пайдаланады. Мотор білігінің ішкі диаметрін кеңейтуге болады, сонда білік қуыс болады. Сөйтіп, иісқосқыш бұрандасы мен гайкасы мотордың орталық бөлігін алып, мотор мен бұранда арасында қосымша беріліс қажеттілігін жояды. Сол сияқты, мотордың сыртқы диаметрін өте кішкентай етуге болады, бірақ оның орнына полюстік беттері ұзындығы бойынша созылады, соның арқасында мотор кішкентай кеңістікке орналасқанда да жоғары моментті қамтамасыз етеді.

Негізгі қағидалар

Сызықтық актuatorлардың көпшілігіндегі негізгі жұмыс принципі – көлбеу жазықтық принципі. Қорғасын бұрандасының жіптері үздіксіз пандус ретінде жұмыс істейді, бұл кішкентай айналма күшті ұзақ қашықтықта қолдануға және үлкен жүкті қысқа қашықтыққа жылжытуға мүмкіндік береді. Электр қуаты DC немесе AC электрмотордан беріледі. Көбінесе 12В DC электрмотор қолданылады, бірақ басқа кернеулер де қолжетімді. Актuatorлар электрмотордың полярлігін өзгертуге арналған қосқышқа ие, бұл актuatorдың қозғалысын өзгертеді. Актuatorдың жылдамдығы мен күші оның редукторына байланысты. Күш мөлшері актuatorдың жылдамдығына тәуелді. Мотордың жылдамдығы мен күші тұрақты болғандықтан, төмен жылдамдықтар күштірек күшті қамтамасыз етеді. Актuatorлардың маңызды айырмашылықтарының бірі – олардың иелену ұзындығы, ол бұранда мен білік ұзындығымен анықталады. Жылдамдық моторды бұрандамен байланыстыратын тісті дөңгелектерге байланысты. Актuatorдың қозғалысын тоқтату механизмі – шектегіш немесе микропереключатель, ол төмендегі суретте көрсетілген. Микропереключательдер білік жоғарғы және төменгі жағында орналасқан және бұранданың жоғары және төмен қозғалысымен іске қосылады.

Вариациялар

Негізгі конструкцияның көптеген нұсқалары жасалды. Көбінесе олар механикалық тиімділік, жылдамдық немесе жүк көтергіштігі сияқты жалпы жақсартуларға бағытталған. Сондай-ақ, итераторларды кішірейтуге қатысты үлкен инженерлік бағыт бар. Көптеген электромеханикалық конструкциялар қорғасын бұрандасы мен қорғасын гайкасын қамтиды. Кейбіреулері шарлы бұранда мен шарлы гайканы пайдаланады. Екі жағдайда да бұранда тікелей немесе тізбекті шестер арқылы қозғалтқышқа немесе қолмен басқару тұтқасына қосылуы мүмкін. Шестер әдетте кішірек (және әлсіз) қозғалтқыштың жоғары айналыммен жұмыс істеуіне мүмкіндік беру үшін қолданылады, соның арқасында бұранданы ауыр жүк астында қозғалтқыш тікелей жете алмайтын күшпен айналдыруға жеткілікті күш пайда болады. Тиімді түрде, бұл итератордың жылдамдығын арттырылған итератордың итеру күшіне құрбан етуді білдіреді. Кейбір қолданыстарда құрттық шестерді пайдалану жиі кездеседі, себебі бұл кішірек конструкциялық өлшемге мүмкіндік береді, бірақ сонымен қатар үлкен қозғалыс қашықтығын қамтамасыз етеді. Жолға шығатын гайкасы бар сызықтық итераторда қозғалтқыш жетекші бұранданың бір ұшына бекітілген (әлдебір беріліс қорабы арқылы жанама түрде), қозғалтқыш жетекші бұранданы айналдырады, ал жетекші гайка айналудан ұсталып, бұранда бойымен жоғары және төмен жылжиды. Жолға шығатын бұрандасы бар сызықтық итераторда жетекші бұранда толығымен қозғалтқыш арқылы өтеді. Жолға шығатын бұрандасы бар сызықтық итераторда қозғалтқыш айналудан ұсталған жетекші бұранданың бойымен жоғары және төмен "қозғалады". Айналатын бөліктердің барлығы қозғалтқыштың ішінде орналасқан және сырттан көрінбеуі мүмкін. Кейбір жетекші бұрандалардың бірнеше "бастаулары" болады. Бұл олардың бір білікте кезектесіп орналасқан бірнеше жіптері бар екенін білдіреді. Мұны көрінелендірудің бір жолы - қант таяқшасындағы түрлі-түсті жолақтармен салыстыру. Бұл жіптің қадамы мен гайка/бұранда жіптерінің жанасу аймағын реттеуге көбірек мүмкіндік береді, бұл сәйкесінше кеңейту жылдамдығын және жүк көтергіштігін (жіптердің) анықтайды.

Статикалық жүктеме

Сызықтық бұрандалы іске қосылғыштар статикалық жүктемеге қабілетті болуы мүмкін, яғни қозғалтқыш тоқтағанда іске қосылғыш іс жүзінде бекітіліп, іске қосылғышты тартатын немесе итермелейтін жүктемені ұстай алады. Бұл статикалық жүктеме қабілеті жылдамдық пен қозғалғыштықты арттырады. Іске қосылғыштың тежеу күші бұранда жіптерінің бұрыштық қадамына және жіптердің нақты конструкциясына байланысты өзгереді. Acme жіптерінің статикалық жүктемеге қабілеті өте жоғары, ал шарлы бұрандалардың жүктемеге қабілеті өте төмен, тіпті олар еркін қозғала алады. Әдетте, бұрандалы іске қосылғыштардың статикалық жүктемеге қабілетін қосымша технологиясыз өзгерту мүмкін емес. Бұранданың қадамы мен жетек ұңғысының конструкциясы динамикалық түрде реттелмейтін нақты жүктемеге қабілеттілікті анықтайды. Кейбір жағдайларда, статикалық жүктемені арттыру үшін сызықтық бұрандалы іске қосылғыштарға жоғары тұтқырлықтағы май қосылуы мүмкін. Кейбір өндірушілер бұл мүмкіндікті нақты қажеттіліктерге сәйкес жүктемені өзгерту үшін пайдаланады. Сызықтық бұрандалы іске қосылғышқа статикалық жүктемеге қабілеттілікті электромагниттік тежегіш жүйесін қолдану арқылы қосуға болады, ол айналатын жетек ұңғысына үйкеліс күшін қолданады. Мысалы, жетек ұңғысын орнында ұстау үшін серіппелі тежегіштер пайдаланылуы мүмкін, қуат өшірілген кезде оны бекітеді. Іске қосылғышты қозғалу қажет болғанда, электромагнит серіппеге қарсы әрекет етеді және жетек ұңғысындағы тежеу күшін босатады. Сол сияқты, сызықтық бұрандалы іске қосылғышпен бірге электромагниттік храповик механизмін де қолдануға болады, сонда жүктемені көтеретін жетек жүйесі қуат өшірілген кезде орнында тоқтатылады. Іске қосылғышты төмендету үшін электромагнит серіппе күшін жеңіп, храповикті босатады.

Динамикалық жүктеме

Динамикалық жүктеме қабілеті әдетте сызықтық иісқұбырдың жұмыс істеу кезінде бере алатын күш мөлшері ретінде қарастырылады. Бұл күш бұранданың түріне (қозғалысты шектейтін үйкеліс мөлшеріне) және қозғалысты қоздыратын электрмоторға байланысты өзгереді. Көптеген иісқұбырлар динамикалық жүктеме бойынша жіктеледі, бұл көрсеткіш олардың қай қолдануларға ең қолайлы екенін көрсетеді.

Жылдамдықты басқару

Көп жағдайда электромеханикалық иіс жібергішті пайдаланғанда, жылдамдықты реттеудің қандай да бір түрі болуы қажет. Мұндай басқару құрылғылары моторға берілетін кернеуді өзгертеді, нәтижесінде сызықтық бұранданың айналу жылдамдығы өзгереді. Жылдамдықты реттеудің тағы бір жолы – беріліс қатынасын реттеу. Кейбір иіс жібергіштер әртүрлі беріліс опцияларымен қол жетімді.

Қызмет циклі

Мотордың жұмыс циклы – актуатордың салқындау қажеттілігі туғанша жұмыс істей алатын уақыт мөлшерін білдіреді. Актуаторды пайдаланғанда осы шектемелерді сақтау, оның қызмет ету мерзімін ұзарту және тиімді жұмыс істеуі үшін маңызды. Егер жұмыс циклының көрсеткіші артық болса, мотордың қызып кетуіне, қуатын жоғалтуына және тіпті күйіп кетуіне әкелуі мүмкін.

Сызықтық қозғалтқыштар

Сызықтық қозғалтқыш, ротор және статордың дөңгелек магниттік өріс компоненттері тік сызықта орналасқан роторлық электр қозғалтқышы сияқты жұмыс істейді. Айналмалы қозғалтқыш айналып, бірдей магниттік полюстерді қайта пайдаланса, сызықтық қозғалтқыштың магниттік өріс құрылымдары актuator ұзындығы бойынша физикалық түрде қайталанады. Қозғалтқыш сызықты қозғалатындықтан, айналу қозғалысын сызықтық қозғалысқа түрлендіру үшін жетекті бұранда қажет емес. Жоғары сыйымдылық мүмкін болғанымен, көптеген конструкциялардағы материалдық және/немесе қозғалтқыштың шектеулері магниттік тартым және итергіш күштеріне ғана сүйенуі себепті салыстырмалы түрде жылдам жетеді. Көптеген сызықтық қозғалтқыштардың жүктемелеу қабілеті басқа сызықтық актuator түрлерімен салыстырғанда төмен. Сызықтық қозғалтқыштардың сыртқы немесе лас ортадағы артықшылығы – екі бөлігінің бір-бірімен жанасу қажеті болмайды, сондықтан электромагниттік орамдарды су өткізбейтін және ылғал мен коррозиядан қорғайтын жағдайға келтіруге болады, бұл өте ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз етеді. Сызықтық қозғалтқыштар жоғары жылдамдық, жоғары дәлдік және жоғары күштің әртүрлі комбинацияларын қажет ететін қолданулар үшін жоғары өнімділік позициялық жүйелерде кеңінен қолданылады.

Артықшылықтары мен кемшіліктері

Актуатор түрі Артықшылықтары Кемшіліктері Механикалық Арзан. Қайталанатын. Қуат көзі қажет емес. Өзін-өзі ұстап тұру. Созылғанда да, қысқарғанда да бірдей әрекет етеді. Тек қолмен басқаруға болады. Автоматтандырылмаған. Электромеханикалық Арзан. Қайталанатын. Операцияны автоматтандыруға болады. Өзін-өзі ұстап тұру. Созылғанда да, қысқарғанда да бірдей әрекет етеді. DC немесе қадамдық моторлар. Орындылық туралы кері байланыс мүмкіндігі бар. Көптеген жылжымалы бөліктері тозуға бейім. Сызықтық мотор Қарапайым конструкция. Жылжымалы бөліктерінің саны минималды. Жоғары жылдамдыққа қол жеткізуге болады. Өзін-өзі ұстап тұру. Созылғанда да, қысқарғанда да бірдей әрекет етеді. Орташа қуаттылық. Пьезоэлектрлік Жоғары жылдамдықта өте кішкентай қозғалыстарға қол жеткізуге болады. Өте аз қуатты тұтынады. Механикалық күшейткіш болмаса, қозғалыс диапазоны қысқа. Әдетте 24В немесе одан жоғары кернеу талап етіледі. Қымбат және нәзік. Тек қысымға төзуге жарайды, кернеуге емес. Әдетте отын инжекторларында қолданылады. TCP: Бұралған және оралған полимер Жеңіл және арзан. Төмен тиімділік және жоғары температуралық диапазон қажет. Гидравликалық Өте жоғары күштерге қол жеткізуге болады. Қуат пен өлшем арақатынасы (немесе қуат тығыздығы) салыстырмалы түрде жоғары. Ағу мүмкіндігі бар. Қайталану үшін орындылық туралы кері байланыс қажет. Сыртқы гидравликалық сорғы қажет. Кейбір конструкциялары тек қысымға төзуге жарайды. Пневматикалық Күшті, жеңіл, қарапайым, жылдам. Толық тоқтағанда ғана дәл орындылықты басқару мүмкін. Восковой мотор (басқа әдістерге қарағанда) сенімділігі төмен. Сегменттелген шпиндель Өте ықшам. Актуатор ұзындығынан артық қозғалыс диапазоны. Сызықтық және айналмалы қозғалысқа қол жеткізуге болады. Қозғалыстағы катушканың күші, орны және жылдамдығы басқарылады және қайталанады. Жоғары жылдамдық пен дәл орындылықты қамтамасыз етеді. Сызықтық, айналмалы және сызықтық + айналмалы әрекеттерге қол жеткізуге болады. Қайталану үшін орындылық туралы кері байланыс қажет. MICA: Қозғалыстағы темірмен басқарылатын актуатор Жоғары күш және басқарылатын. Қозғалыстағы катушкалардан күші жоғары және шығындары аз. Шығындарды тарату оңай. Электрондық драйверді жасау және орнату оңай. Ходы бірнеше миллиметрмен шектелген, қозғалыстағы катушкалардан сызықтық көрсеткіштер төмен.