Линейный привод - Linear actuator

Концептуальный проект базового линейного привода с ходовой гайкой. Обратите внимание, что в этом примере ходовой винт (серый) вращается, а ходовая гайка (желтая) и трубка (красная) - нет.

DVD-привод с ходовым винтом и шаговым двигателем .

Дисковод гибких дисков с ходовым винтом и шаговым двигателем.

Линейный привод представляет собой исполнительный механизм , который создает движение по прямой линии, в отличии от кругового движения обычного электродвигателя . Линейные приводы используются в станках и промышленном оборудовании, в компьютерной периферии, такой как дисководы и принтеры, в клапанах и амортизаторах и во многих других местах, где требуется линейное движение. Гидравлические или пневматические цилиндры по своей сути производят линейное движение. Многие другие механизмы используются для создания линейного движения от вращающегося двигателя.

Типы

Механические приводы

Механический линейный привод с цифровым отсчетом (разновидность микрометра ).

Приведение в действие роликового винта ходовым винтом (вращающейся гайкой).

Механические линейные приводы обычно работают путем преобразования вращательного движения в линейное движение. Преобразование обычно выполняется с помощью нескольких простых механизмов:

• Винт : ШВП , винт гнездо , шариковый винт и ролико - винтовая приводы все работают по принципу простой машины , известной как винт. При вращении гайки привода вал винта движется по прямой.
• Колеса и ось : Подъемник , лебедки , реечная , цепной привод , ремень привод , жесткая цепь и жесткие ленточные приводы работают по принципу колеса и оси. Вращающееся колесо перемещает трос, стойку, цепь или ремень для получения линейного движения.
• Кулачок : Кулачковые приводы работают по принципу, аналогичному принципу действия клина , но обеспечивают относительно ограниченный ход. Когда кулачок в виде колеса вращается, его эксцентричная форма обеспечивает упор в основании вала.

Некоторые механические линейные приводы работают только на тягу, например, подъемники, цепные и ременные приводы. Другие только толкают (например, кулачковый привод ). Пневматические и гидравлические цилиндры или ходовые винты могут быть сконструированы для создания силы в обоих направлениях.

Механические приводы обычно преобразуют вращательное движение ручки управления или ручки в линейное перемещение с помощью винтов и / или шестерен, к которым прикреплена ручка или ручка. Винтовой домкрат домкрат или автомобиль знакомый механический привод. Другое семейство приводов основано на сегментированном шпинделе . Вращение рукоятки домкрата механически преобразуется в поступательное движение головки домкрата. Механические приводы также часто используются в области лазеров и оптики для управления положением линейных столиков , поворотных столиков , опор для зеркал , гониометров и других инструментов позиционирования. Для точного и повторяемого позиционирования на ручках управления могут использоваться индексные метки. Некоторые приводы оснащены энкодером и цифровым устройством считывания положения. Они похожи на ручки регулировки, используемые на микрометрах, за исключением того, что их назначение - регулировка положения, а не измерение положения.

Гидравлические приводы

Гидравлические приводы или гидроцилиндры обычно представляют собой полый цилиндр, в который вставлен поршень. Неуравновешенное давление, приложенное к поршню, создает силу, которая может перемещать внешний объект. Поскольку жидкости почти несжимаемы, гидравлический цилиндр может обеспечивать контролируемое точное линейное перемещение поршня. Смещение только по оси поршня. Знакомый пример гидравлического привода с ручным управлением - это гидравлический автомобильный домкрат . Как правило , однако, термин «гидравлический привод» относится к устройству , контролируемому с помощью гидравлического насоса .

Пневматические приводы

Пневматические приводы или пневматические цилиндры похожи на гидравлические приводы, за исключением того, что они используют сжатый воздух для создания силы вместо жидкости. Они работают аналогично поршню, в котором воздух нагнетается внутрь камеры и выталкивается из другой стороны камеры. Пневматические приводы не обязательно используются для тяжелого оборудования и случаев, когда присутствует большой вес. Одна из причин, по которой пневматические линейные приводы предпочтительнее других типов, заключается в том, что источником энергии является просто воздушный компрессор. Поскольку воздух является источником ввода, пневматические приводы могут использоваться во многих местах механической деятельности. Обратной стороной является то, что большинство воздушных компрессоров большие, громоздкие и громкие. После установки их трудно транспортировать в другие места. Пневматические линейные приводы могут иметь утечку, что делает их менее эффективными, чем механические линейные приводы.

Пьезоэлектрические приводы

Пьезоэлектрический эффект представляет собой свойство некоторых материалов , в которых приложение напряжения к материалу приводит к его расширению. Очень высокие напряжения соответствуют лишь крошечным расширениям. В результате пьезоэлектрические приводы могут достигать чрезвычайно точного разрешения позиционирования, но также имеют очень короткий диапазон движения. Кроме того, пьезоэлектрические материалы обладают гистерезисом, что затрудняет повторяемый контроль их расширения.

Электромеханические приводы

Миниатюрный электромеханический линейный привод, в котором ходовая гайка является частью двигателя. Ходовой винт не вращается, поэтому, когда ходовая гайка вращается двигателем, ходовой винт выдвигается или втягивается.

Подводный линейный привод с компенсацией давления, используемый на дистанционно управляемом подводном аппарате (ROV)

Типовой компактный цилиндрический линейный электропривод

Типовой линейный или поворотный + линейный электропривод

Воспроизвести медиа

Линейные, поворотные и линейные + поворотные приводы с подвижной катушкой в ​​различных областях применения

Электромеханические приводы аналогичны механическим приводам, за исключением того, что ручка или ручка управления заменены электродвигателем . Вращательное движение двигателя преобразуется в линейное перемещение. Электромеханические приводы также могут использоваться для питания двигателя, который преобразует электрическую энергию в механический крутящий момент . Существует множество конструкций современных линейных приводов, и каждая компания, производящая их, стремится использовать собственный метод. Ниже приводится обобщенное описание очень простого электромеханического линейного привода.

Упрощенный дизайн

Обычно электродвигатель механически соединен для вращения ходового винта . Ходовой винт имеет непрерывную спиральную резьбу, нарезанную по его окружности, проходящую по длине (аналогично резьбе на болте ). На ходовой винт навинчена ходовая гайка или шариковая гайка с соответствующей винтовой резьбой. Гайка не может вращаться с помощью ходового винта (обычно гайка блокируется с невращающейся частью корпуса привода). Когда ходовой винт вращается, гайка будет вращаться по резьбе. Направление движения гайки зависит от направления вращения ходового винта. Путем подсоединения рычагов к гайке движение можно преобразовать в полезное линейное перемещение. Большинство современных приводов созданы для высокой скорости, большой силы или компромисса между ними. При выборе привода для конкретного применения наиболее важными характеристиками обычно являются ход, скорость, сила, точность и срок службы. Большинство разновидностей устанавливаются на заслонки или дроссельные заслонки.

Есть много типов двигателей, которые могут использоваться в системе линейных приводов. К ним относятся щеточные двигатели постоянного тока, бесщеточные двигатели постоянного тока, шаговые или, в некоторых случаях, даже асинхронные двигатели. Все зависит от требований приложения и нагрузок, на которые рассчитан привод. Например, линейный привод, использующий встроенный асинхронный двигатель переменного тока мощностью в лошадиных силах, приводящий в движение ходовой винт, может использоваться для управления большим клапаном на нефтеперерабатывающем заводе. В этом случае точность и высокое разрешение движения не нужны, но необходимы высокая сила и скорость. Для электромеханических линейных приводов, используемых в лабораторных измерительных приборах, робототехнике, оптическом и лазерном оборудовании или в XY-столах, высокое разрешение в микронном диапазоне и высокая точность могут потребовать использования линейного привода шагового двигателя с дробной мощностью и шаговым винтом с мелким шагом. Существует множество разновидностей системы электромеханических линейных приводов. Крайне важно понимать требования к дизайну и ограничения приложения, чтобы знать, какой из них будет лучшим.

Стандартная и компактная конструкция

Линейный привод, использующий стандартные двигатели, обычно будет иметь двигатель в виде отдельного цилиндра, прикрепленного к стороне привода, либо параллельно приводу, либо перпендикулярно приводу. Двигатель может быть прикреплен к концу привода. Приводной двигатель имеет типичную конструкцию со сплошным приводным валом, который соединен с ведущей гайкой или приводным винтом привода.

В компактных линейных приводах используются специально разработанные двигатели, которые пытаются придать двигателю и приводу минимально возможную форму.

• Внутренний диаметр вала двигателя может быть увеличен, так что приводной вал может быть полым. Таким образом, приводной винт и гайка могут занимать центр двигателя без необходимости в дополнительной передаче между двигателем и приводным винтом.
• Точно так же двигатель может быть выполнен с очень маленьким внешним диаметром, но вместо этого поверхности полюсов растянуты в продольном направлении, так что двигатель все еще может иметь очень высокий крутящий момент при установке в пространстве небольшого диаметра.

Принципы

В большинстве конструкций линейных приводов основной принцип работы - наклонная плоскость . Резьба ходового винта действует как непрерывная аппарель, позволяющая использовать небольшую вращающую силу на большом расстоянии для перемещения большого груза на короткое расстояние. Источник питания от двигателя постоянного или переменного тока. Типичный двигатель - 12 В постоянного тока, но доступны и другие напряжения. Приводы имеют переключатель для изменения полярности двигателя, который заставляет привод изменять свое движение.

Скорость и сила привода зависят от его коробки передач. Величина силы зависит от скорости привода. Более низкие скорости обеспечивают большую силу, потому что скорость и сила двигателя постоянны.

Одним из основных отличий приводов является их ход, который определяется длиной винта и вала. Скорость зависит от шестерен, которые соединяют двигатель с винтом.

Механизм остановки хода привода представляет собой концевой выключатель или микровыключатель, который можно увидеть на изображении ниже. Микровыключатели расположены вверху и внизу вала и срабатывают при движении винта вверх и вниз.

Вариации

Было создано множество вариаций базовой конструкции. Большинство из них сосредоточены на обеспечении общих улучшений, таких как более высокий механический КПД, скорость или грузоподъемность. Существует также большое инженерное движение в сторону миниатюризации приводов.

Большинство электромеханических конструкций включают ходовой винт и ходовую гайку. Некоторые используют шариковый винт и шариковую гайку. В любом случае винт может быть соединен с двигателем или ручкой ручного управления либо напрямую, либо через ряд шестерен. Шестерни обычно используются, чтобы позволить меньшему (и более слабому) двигателю, вращающемуся на более высоких оборотах, быть уменьшенным, чтобы обеспечить крутящий момент, необходимый для вращения винта при более тяжелой нагрузке, чем двигатель мог бы вращать напрямую. Фактически это приносит в жертву скорости привода в пользу увеличенного усилия привода. В некоторых приложениях широко распространено использование червячной передачи, поскольку это позволяет уменьшить встроенный размер, при этом обеспечивая большую длину хода.

Линейный привод с ходовой гайкой имеет двигатель, который остается прикрепленным к одному концу ходового винта (возможно, косвенно через коробку передач), двигатель вращает ходовой винт, а ходовая гайка удерживается от вращения, поэтому она перемещается вверх и вниз по ходовой винт.

Линейный привод с ходовым винтом имеет ходовой винт, полностью проходящий через двигатель. В линейном приводе с подвижным винтом двигатель «ползет» вверх и вниз по ходовому винту, который не может вращаться. Единственные вращающиеся части находятся внутри двигателя и могут быть не видны снаружи.

Некоторые ходовые винты имеют несколько «пусков». Это означает, что на одном валу чередуется несколько резьб. Один из способов визуализировать это - сравнить с разноцветными полосами на леденце. Это позволяет более точно регулировать шаг резьбы и площадь контакта резьбы гайки / винта, которая определяет скорость выдвижения и грузоподъемность (резьбы) соответственно.

Статическая грузоподъемность

Линейные винтовые приводы могут иметь статическую нагрузочную способность, что означает, что, когда двигатель останавливается, привод по существу фиксируется на месте и может выдерживать нагрузку, которая либо тянет, либо толкает привод. Эта статическая грузоподъемность увеличивает мобильность и скорость.

Тормозное усилие привода зависит от углового шага резьбы винта и конкретной конструкции резьбы. Резьба Acme обладает очень высокой статической нагрузочной способностью, в то время как шарико-винтовые пары имеют чрезвычайно низкую нагрузочную способность и могут почти свободно плавать.

Обычно невозможно изменить статическую нагрузочную способность винтовых приводов без дополнительных технологий. Шаг резьбы винта и конструкция приводной гайки определяют конкретную грузоподъемность, которую нельзя динамически регулировать.

В некоторых случаях в линейные винтовые приводы можно добавить высоковязкую смазку для увеличения статической нагрузки. Некоторые производители используют это для изменения нагрузки в соответствии с конкретными потребностями.

Статическая нагрузка может быть добавлена ​​к линейному винтовому приводу с помощью электромагнитной тормозной системы, которая прикладывает трение к вращающейся приводной гайке. Например, пружина может использоваться для наложения тормозных колодок на ведущую гайку, удерживая ее в нужном положении при отключении питания. Когда привод необходимо переместить, электромагнит противодействует пружине и ослабляет тормозное усилие на приводной гайке.

Точно так же электромагнитный храповой механизм можно использовать с линейным винтовым приводом, чтобы приводная система, поднимающая груз, фиксировалась в положении при отключении питания привода. Чтобы опустить привод, используется электромагнит, противодействующий силе пружины и разблокирующий храповой механизм.

Допустимая динамическая нагрузка

Под динамической нагрузочной способностью обычно понимается величина силы, которую линейный привод может обеспечить во время работы. Эта сила будет варьироваться в зависимости от типа винта (величина трения, ограничивающего движение) и двигателя, приводящего движение. Динамическая нагрузка - это показатель, по которому классифицируется большинство приводов, и он является хорошим показателем того, для каких приложений он подходит лучше всего.

Контроль скорости

В большинстве случаев при использовании электромеханического привода предпочтительно иметь какой-либо тип управления скоростью. Такие контроллеры изменяют напряжение, подаваемое на двигатель, что, в свою очередь, изменяет скорость вращения ходового винта. Регулировка передаточного числа - еще один способ регулировки скорости. Некоторые приводы доступны с несколькими вариантами передачи.

Рабочий цикл

Рабочий цикл двигателя относится к количеству времени, в течение которого привод может работать, прежде чем ему потребуется остыть. Соблюдение этого правила при эксплуатации привода является ключом к его долговечности и производительности. Если значение рабочего цикла превышено, возникает риск перегрева, потери мощности и возможного возгорания двигателя.

Линейные двигатели

Линейный двигатель функционально такой же , как в ротационном электродвигателя с ротором и статором круговых компонентами магнитного поля , изложенные в прямой линии. Если роторный двигатель будет вращаться и снова использовать те же поверхности магнитных полюсов, структуры магнитного поля линейного двигателя физически повторяются по длине привода.

Поскольку двигатель движется линейно, ходовой винт не требуется для преобразования вращательного движения в линейное. Несмотря на то, что высокая производительность возможна, ограничения по материалам и / или двигателям в большинстве конструкций преодолеваются относительно быстро из-за того, что они полагаются исключительно на силы магнитного притяжения и отталкивания. Большинство линейных двигателей имеют низкую нагрузочную способность по сравнению с другими типами линейных приводов. Линейные двигатели имеют преимущество при работе на открытом воздухе или в грязных средах в том, что двум половинкам не нужно соприкасаться друг с другом, и поэтому катушки электромагнитного привода могут быть водонепроницаемыми и защищенными от влаги и коррозии, что обеспечивает очень долгий срок службы. Линейные двигатели широко используются в высокопроизводительных системах позиционирования для приложений, требующих различных комбинаций высокой скорости, высокой точности и большого усилия.

Телескопический линейный привод

Привод с жесткой цепью

Телескопические линейные приводы - это специализированные линейные приводы, используемые там, где существует ограниченное пространство. Диапазон их движения во много раз превышает длину нерастянутого исполнительного элемента.

Обычная форма состоит из концентрических трубок примерно одинаковой длины, которые расширяются и втягиваются, как втулки, одна внутри другой, например телескопический цилиндр .

В других более специализированных телескопических приводах используются исполнительные элементы, которые при выдвижении действуют как жесткие линейные валы, но разрывают эту линию, складывая, разделяя на части и / или разматывая при втягивании. Примеры телескопических линейных приводов:

• Привод с винтовой лентой
• Привод с жестким ремнем
• Привод с жесткой цепью
• Сегментированный шпиндель

Преимущества и недостатки

Смотрите также

• Привод с винтовой лентой
• Подъемник  - Устройство, используемое для подъема или опускания груза.
• Рейка и шестерня  - Тип линейного привода
• Соленоид

использованная литература

внешние ссылки

• Линейный привод Lego Лео Дорста