Введение
Линейный привод – это устройство, создающее движение по прямой линии, в отличие от вращательного движения обычного электродвигателя. Линейные приводы используются в станках и промышленном оборудовании, в компьютерных периферийных устройствах, таких как дисководы и принтеры, в клапанах и демпферах, а также во многих других областях, где требуется линейное перемещение. Гидравлические или пневматические цилиндры изначально создают линейное движение. Для генерации линейного движения из вращающегося двигателя используются различные другие механизмы.
A linear actuator is an actuator that creates linear motion (i. e., in a straight line), in contrast to the circular motion of a conventional electric motor. Linear actuators are used in machine tools and industrial machinery, in computer peripherals such as disk drives and printers, in valves and dampers, and in many other places where linear motion is required. Hydraulic or pneumatic cylinders inherently produce linear motion. Many other mechanisms are used to generate linear motion from a rotating motor.
Механические приводы
Механические линейные приводы обычно работают путем преобразования вращательного движения в линейное движение. Преобразование обычно осуществляется с помощью нескольких простых типов механизмов:
Винт: винтовой привод, винтовой домкрат, шариковый винт и роликовый винт работают по принципу простого механизма, известного как винт. Вращая гайку привода, вал винта перемещается по прямой. Колесо и ось: подъемники, лебедки, реечные передачи, цепные приводы, ременные приводы, жесткие цепи и жесткие ремни работают по принципу колеса и оси. Вращающееся колесо перемещает кабель, рейку, цепь или ремень, создавая линейное движение. Кулачок: кулачковые приводы работают по принципу, аналогичному принципу клина, но обеспечивают относительно ограниченный ход. При вращении кулачка его эксцентричная форма создает усилие в основании вала. Некоторые механические линейные приводы только тянут, например, подъемники, цепные и ременные приводы. Другие только толкают (например, кулачковый привод). Пневматические и гидравлические цилиндры или трапецеидальные винты могут быть сконструированы для создания силы в обоих направлениях. Механические приводы обычно преобразуют вращательное движение управляющей ручки или рукоятки в линейное перемещение с помощью винтов и/или зубчатых передач, к которым прикреплена ручка или рукоятка. Домкрат или автомобильный домкрат – это знакомый механический привод. Другая группа приводов основана на сегментированном шпинделе. Вращение рукоятки домкрата механически преобразуется в линейное движение головки домкрата. Механические приводы также часто используются в лазерной и оптической технике для управления положением линейных столов, вращающихся столов, держателей зеркал, гониометров и других позиционирующих инструментов. Для точного и повторяемого позиционирования на управляющих ручках могут использоваться установочные метки. Некоторые приводы включают энкодер и цифровой индикатор положения. Они аналогичны регулировочным ручкам, используемым в микрометрах, за исключением того, что их назначение – регулировка положения, а не измерение.
Screw: leadscrew, screw jack, ball screw and roller screw actuators all operate on the principle of the simple machine known as the screw. By rotating the actuator's nut, the screw shaft moves in a line. Wheel and axle: Hoist, winch, rack and pinion, chain drive, belt drive, rigid chain and rigid belt actuators operate on the principle of the wheel and axle. A rotating wheel moves a cable, rack, chain or belt to produce linear motion. Cam: Cam actuators function on a principle similar to that of the wedge, but provide relatively limited travel. As a wheel like cam rotates, its eccentric shape provides thrust at the base of a shaft. Some mechanical linear actuators only pull, such as hoists, chain drive and belt drives. Others only push (such as a cam actuator). Pneumatic and hydraulic cylinders, or lead screws can be designed to generate force in both directions. Mechanical actuators typically convert rotary motion of a control knob or handle into linear displacement via screws and/or gears to which the knob or handle is attached. A jackscrew or car jack is a familiar mechanical actuator. Another family of actuators are based on the segmented spindle. Rotation of the jack handle is converted mechanically into the linear motion of the jack head. Mechanical actuators are also frequently used in the field of lasers and optics to manipulate the position of linear stages, rotary stages, mirror mounts, goniometers and other positioning instruments. For accurate and repeatable positioning, index marks may be used on control knobs. Some actuators include an encoder and digital position readout. These are similar to the adjustment knobs used on micrometers except their purpose is position adjustment rather than position measurement.
Гидравлическая
Гидравлические приводы или гидравлические цилиндры обычно состоят из полого цилиндра, в котором установлен поршень. Несбалансированное давление, приложенное к поршню, создает силу, способную перемещать внешний объект. Поскольку жидкости практически несжимаемы, гидравлический цилиндр обеспечивает контролируемое и точное линейное перемещение поршня. Перемещение происходит только вдоль оси поршня. Хорошо знакомым примером гидравлического привода, приводимого в действие вручную, является гидравлический автомобильный домкрат. Однако, как правило, термин "гидравлический привод" относится к устройству, управляемому гидравлическим насосом.
Пневматические
Пневматические приводы, или пневматические цилиндры, похожи на гидравлические приводы, за исключением того, что для создания силы они используют сжатый воздух вместо жидкости. Они работают по принципу поршня: воздух подается в одну камеру и выталкивает его из другой. Пневматические приводы не всегда применяются в тяжелом машиностроении или там, где требуется перемещать большие веса. Одной из причин, по которой предпочтение отдается пневматическим линейным приводам, является простота источника питания – воздушный компрессор. Благодаря использованию воздуха в качестве рабочего тела, пневматические приводы могут применяться в самых разных механизмах. Однако большинство воздушных компрессоров отличаются большими размерами, громоздкостью и высоким уровнем шума. Их сложно перемещать после установки. Пневматические линейные приводы склонны к утечкам, что снижает их эффективность по сравнению с механическими линейными приводами.
Пьезоэлектрические приводы
Пьезоэлектрический эффект – это свойство определенных материалов, при котором приложение напряжения вызывает их расширение. Очень высокие напряжения соответствуют лишь незначительному расширению. В результате пьезоэлектрические актуаторы способны достигать исключительно высокого разрешения позиционирования, но при этом имеют очень малый ход. Кроме того, пьезоэлектрические материалы демонстрируют гистерезис, что усложняет управление их расширением с обеспечением воспроизводимости.
Электромеханические приводы
Электромеханические приводы аналогичны механическим, за исключением того, что управляющая ручка или рукоятка заменены электродвигателем. Вращательное движение двигателя преобразуется в линейное перемещение. Электромеханические приводы также могут использоваться для привода двигателя, который преобразует электрическую энергию в механический крутящий момент. Существует множество конструкций современных линейных приводов, и каждая производящая их компания, как правило, использует собственную запатентованную технологию. Ниже приведено обобщенное описание очень простого электромеханического линейного привода.
Упрощенный дизайн
Обычно электродвигатель механически соединен с трапецеидальным или шарико-винтовым механизмом. Трапецеидальный или шарико-винтовой механизм имеет непрерывную спиральную резьбу, нанесенную по окружности вдоль всей его длины (подобно резьбе на болте). На трапецеидальный или шарико-винтовой механизм навинчивается гайка – трапецеидальная или шариковая – с соответствующей спиральной резьбой. Гайка предотвращается от вращения вместе с трапецеидальным или шарико-винтовым механизмом (обычно гайка фиксируется к невращающейся части корпуса привода). При вращении трапецеидального или шарико-винтового механизма гайка перемещается вдоль резьбы. Направление движения гайки зависит от направления вращения трапецеидального или шарико-винтового механизма. Подключая к гайке систему тяг, движение преобразуется в полезное линейное перемещение. Большинство современных приводов разрабатываются для достижения высокой скорости, высокой силы или компромисса между ними. При выборе привода для конкретного применения наиболее важными характеристиками обычно являются ход, скорость, сила, точность и срок службы. Большинство моделей устанавливаются на демпферы или заслонки. В линейной системе привода может использоваться множество типов двигателей, включая двигатели постоянного тока с щетками, бесщеточные двигатели постоянного тока, шаговые двигатели или, в некоторых случаях, даже асинхронные двигатели. Все зависит от требований к применению и нагрузок, которые должен перемещать привод. Например, линейный привод, использующий асинхронный двигатель переменного тока мощностью в одну лошадиную силу для вращения трапецеидального или шарико-винтового механизма, может использоваться для управления большим клапаном на нефтеперерабатывающем заводе. В этом случае высокая точность и высокое разрешение движения не требуются, но необходимы высокая сила и скорость. Для электромеханических линейных приводов, используемых в лабораторном оборудовании, робототехнике, оптических и лазерных устройствах или столах XY, для достижения высокого разрешения в диапазоне микрон и высокой точности может потребоваться использование шагового двигателя с малой мощностью и трапецеидальным или шарико-винтовым механизмом с мелким шагом резьбы. Существует множество вариантов электромеханической системы линейных приводов. Важно понимать требования к конструкции и ограничения применения, чтобы определить, какой из них будет оптимальным.
Стандартная конструкция против компактной
Линейный привод, использующий стандартные двигатели, обычно имеет двигатель в виде отдельного цилиндра, прикрепленного к боковой стороне привода, либо параллельно приводу, либо перпендикулярно ему. Двигатель может быть прикреплен к концу привода. Приводной двигатель имеет типичную конструкцию с цельным приводным валом, соединенным посредством редуктора с приводной гайкой или приводным винтом привода. Компактные линейные приводы используют специально разработанные двигатели, которые стремятся объединить двигатель и привод в максимально компактную форму. Внутренний диаметр вала двигателя может быть увеличен, чтобы приводной вал мог быть полым. В этом случае приводной винт и гайка могут располагаться в центре двигателя, без необходимости использования дополнительной передачи между двигателем и приводным винтом. Аналогично, двигатель может быть изготовлен с очень малым внешним диаметром, но при этом полюсные наконечники растягиваются в длину, чтобы двигатель мог обеспечивать высокий крутящий момент, сохраняя при этом небольшие габариты.
Принципы
В большинстве конструкций линейных приводов основной принцип работы основан на принципе наклонной плоскости. Резьба ведущего винта действует как непрерывная наклонная плоскость, позволяющая использовать небольшое вращательное усилие на большом расстоянии для перемещения значительной нагрузки на короткое расстояние. Питание осуществляется от двигателя постоянного или переменного тока. Обычно используется двигатель на 12 В постоянного тока, но доступны и другие напряжения. Приводы оснащены переключателем для изменения полярности двигателя, что позволяет менять направление движения привода. Скорость и сила привода зависят от его редуктора. Величина силы зависит от скорости привода: более низкие скорости обеспечивают большее усилие, поскольку скорость и сила двигателя являются взаимосвязанными величинами. Одним из основных различий между приводами является их ход, который определяется длиной винта и штока. Скорость зависит от зубчатой передачи, соединяющей двигатель с винтом. Механизм, ограничивающий ход привода, – это концевой или микровыключатель, который можно увидеть на изображении ниже. Микровыключатели расположены в верхней и нижней части штока и срабатывают при движении винта вверх и вниз.
Вариации
Было создано множество вариантов базовой конструкции. Большинство из них направлены на общие улучшения, такие как более высокая механическая эффективность, скорость или грузоподъемность. Наблюдается также значительная инженерная тенденция к миниатюризации исполнительных механизмов. Большинство электромеханических конструкций включают в себя трапецеидальный винт и гайку, либо шаровой винт и гайку. В любом случае винт может быть соединен с двигателем или ручной рукояткой управления напрямую или через ряд зубчатых передач. Зубчатые передачи обычно используются для того, чтобы меньший (и менее мощный) двигатель, вращающийся с более высокой скоростью, мог быть замедлен для обеспечения крутящего момента, необходимого для вращения винта под более тяжелой нагрузкой, чем двигатель мог бы осилить напрямую. Фактически, это достигается за счет снижения скорости исполнительного механизма в пользу увеличения его тягового усилия. В некоторых применениях часто используется червячная передача, поскольку она позволяет уменьшить габаритные размеры при сохранении большой длины хода. Линейный привод с перемещающейся гайкой имеет двигатель, который остается прикрепленным к одному концу трапецеидального винта (возможно, косвенно через редуктор), двигатель вращает винт, а гайка удерживается от вращения и перемещается вверх и вниз по винту. Линейный привод с перемещающимся винтом имеет трапецеидальный винт, проходящий сквозь двигатель. В таком приводе двигатель "ползает" вверх и вниз по винту, который удерживается от вращения. Вращающиеся части находятся только внутри двигателя и могут быть не видны снаружи. Некоторые трапецеидальные винты имеют несколько "заходов". Это означает, что на одном валу имеется несколько резьб, чередующихся друг с другом. Это можно представить как разноцветные полосы на леденце-трости. Это позволяет более гибко регулировать шаг резьбы и площадь контакта резьбы с гайкой, что соответственно определяет скорость перемещения и грузоподъемность резьбы.
Статика
Линейные винтовые приводы могут обладать способностью выдерживать статическую нагрузку, то есть при остановке двигателя привод фактически фиксируется в положении и способен поддерживать нагрузку, как на растяжение, так и на сжатие. Эта статическая грузоподъемность повышает мобильность и скорость работы. Сила торможения привода зависит от угла наклона винтовой нарезки и конкретной конструкции резьбы. Винты Acme имеют очень высокую статическую грузоподъемность, в то время как шарико-винтовые приводы обладают крайне низкой грузоподъемностью и могут быть практически свободноплавающими. Как правило, изменить статическую грузоподъемность винтовых приводов без применения дополнительных технологий невозможно. Шаг винтовой нарезки и конструкция приводной гайки определяют конкретную грузоподъемность, которую нельзя динамически регулировать. В некоторых случаях для увеличения статической нагрузки в линейные винтовые приводы добавляют высоковязкую смазку. Некоторые производители используют это для изменения нагрузки в соответствии с конкретными потребностями. Статическую грузоподъемность можно добавить к линейному винтовому приводу, используя электромагнитную тормозную систему, которая создает трение на вращающейся приводной гайке. Например, пружиной можно прижимать тормозные колодки к приводной гайке, удерживая ее в положении при отключении питания. Когда необходимо переместить привод, электромагнит преодолевает усилие пружины и снимает тормозное усилие с приводной гайки. Аналогично, с линейным винтовым приводом можно использовать электромагнитный храповой механизм, чтобы приводная система, поднимающая нагрузку, фиксировалась в положении при отключении питания привода. Для опускания привода используется электромагнит, который преодолевает усилие пружины и разблокирует храповик.
Динамическая грузоподъемность
Динамическая грузоподъемность обычно определяется как величина силы, которую линейный привод способен создавать в процессе работы. Эта сила зависит от типа винтового механизма (величины трения, препятствующего движению) и двигателя, обеспечивающего это движение. Динамическая грузоподъемность – это характеристика, по которой обычно классифицируют приводы, и она позволяет оценить, для каких задач они наиболее подходят.
Контроль скорости
В большинстве случаев при использовании электромеханического привода желательно предусмотреть регулирование скорости. Такие контроллеры изменяют напряжение, подаваемое на двигатель, что, в свою очередь, меняет скорость вращения шпинделя. Изменение передаточного числа – еще один способ регулировки скорости. Некоторые приводы предлагаются с различными вариантами передач.
Цикл службы
Рабочий цикл двигателя определяет, как долго можно непрерывно включать исполнительный механизм, прежде чем ему потребуется охлаждение. Соблюдение этого ограничения при работе с исполнительным механизмом критически важно для его долговечности и производительности. Превышение допустимого рабочего цикла может привести к перегреву, потере мощности и, в конечном итоге, к выходу двигателя из строя.
Линейные двигатели
Линейный двигатель функционально эквивалентен роторному электродвигателю, в котором компоненты кругового магнитного поля ротора и статора развернуты в линию. В отличие от роторного двигателя, который вращается, многократно используя одни и те же полюса магнитного поля, магнитные структуры линейного двигателя физически повторяются по всей длине привода. Поскольку двигатель движется линейно, нет необходимости в шпинделе для преобразования вращательного движения в поступательное. Несмотря на возможность достижения высокой мощности, ограничения по материалам и/или конструкции большинства моделей относительно быстро достигаются из-за зависимости исключительно от сил магнитного притяжения и отталкивания. Большинство линейных двигателей обладают меньшей грузоподъемностью по сравнению с другими типами линейных приводов. Линейные двигатели имеют преимущество в наружных или загрязненных средах, поскольку их две части не нуждаются в контакте, что позволяет герметизировать и защитить электромагнитные катушки привода от влаги и коррозии, обеспечивая тем самым длительный срок службы. Линейные двигатели широко применяются в высокопроизводительных системах позиционирования, где требуются различные сочетания высокой скорости, высокой точности и большой силы.
Преимущества и недостатки
Тип актуатора Преимущества Недостатки Механический Дешевый. Повторяемый. Не требует источника питания. Автономный. Идентичное поведение при выдвижении и втягивании. Только ручное управление. Отсутствие автоматизации. Электромеханический Дешевый. Повторяемый. Возможность автоматизации. Автономный. Идентичное поведение при выдвижении и втягивании. Двигатели постоянного тока или шаговые. Возможна обратная связь по положению. Много движущихся частей, склонных к износу. Линейный двигатель Простая конструкция. Минимальное количество движущихся частей. Возможны высокие скорости. Автономный. Идентичное поведение при выдвижении и втягивании. Низкая или средняя сила. Пьезоэлектрический Возможность очень малых перемещений на высоких скоростях. Практически не потребляет энергию. Малый ход, если не усилен механически. Требуется высокое напряжение, обычно 24 В и выше. Дорогой и хрупкий. Хорошо работает только на сжатие, не на растяжение. Обычно используется в топливных инжекторах. TCP: скрученный и свернутый полимер Легкий и недорогой. Низкая эффективность и требуется широкий температурный диапазон. Гидравлический Возможность создания очень высоких усилий. Относительно высокая удельная мощность (или плотность мощности). Возможна утечка. Требуется обратная связь по положению для обеспечения повторяемости. Необходим внешний гидравлический насос. Некоторые конструкции хорошо работают только на сжатие. Пневматический Прочный, легкий, простой, быстрый. Точный контроль положения невозможен, кроме крайних положений. Восковой двигатель Плавная работа. Менее надежен, чем другие методы. Сегментированный шпиндель Очень компактный. Диапазон перемещения больше длины актуатора. Линейное и вращательное движение. Движущаяся катушка Сила, положение и скорость контролируемы и повторяемы. Способен к высоким скоростям и точному позиционированию. Возможны линейные, вращательные и линейно-вращательные действия. Требуется обратная связь по положению для обеспечения повторяемости. MICA: управляемый актуатор с подвижным якорем Высокое усилие и управляемость. Большая сила и меньшие потери, чем в движущихся катушках. Потери легко рассеиваются. Электронный драйвер легко проектировать и настраивать. Ход ограничен несколькими миллиметрами, меньшая линейность, чем в движущихся катушках.