Ядром современных механических систем является важный компонент, который вдыхает жизнь в машины - актуатор. Актуатор - это механическое или электромеханическое устройство, преобразующее энергию в контролируемое движение или силу. Актуатор можно рассматривать как "мышцы" машин, позволяющие им выполнять физические движения путем преобразования входной энергии в механическое действие.
Исполнительные механизмы являются связующим звеном между управляющими сигналами и физическим движением. Исполнительный механизм, получая управляющий сигнал, преобразует его в желаемое движение или силу. Исполнительный механизм обычно получает управляющий сигнал с низкой энергией, и этот сигнал может быть в одной из множества форм: от напряжения или электрического тока до пневматического или гидравлического давления жидкости или даже человеческого усилия. На практике для функционирования каждого исполнительного механизма необходимы две простые вещи: управляющее устройство для подачи сигнала и источник энергии.
Источник энергии, питающий привод, зависит от его конструкции и применения. Распространенные источники энергии включают:
После подачи питания приводы производят движение, которое обычно можно разделить на три основные категории:
1. Линейное движение - Движение по прямой
2. Вращательное движение - Круговое движение вокруг оси
3. Колебательное движение - Повторяющиеся движения вперед и назад
Например, rвращательное движение обычно используется в небольших машинах, требующих больших угловых перемещений. Однако линейное движение может быть достигнуто вращательным движением с помощью таких механизмов, как ходовые винты. Кроме того, приводы можно классифицировать по типу движения: шаговые двигатели для дискретного, инкрементного позиционирования и двигатели постоянного тока или асинхронные двигатели для непрерывного управления движением.
Современные приводы делают гораздо больше, чем просто перемещают детали. Помимо обеспечения точных промежуточных положений, они работают с логическими элементами управления и принимают команды для удаленной работы через цифровые интерфейсы. Многие современные приводы также обладают возможностями предиктивного обслуживания, что позволяет контролировать состояние системы.
Приводы, несмотря на свою техническую природу, повсеместно присутствуют в нашей повседневной жизни. От механизма вибрации мобильного телефона до сложных роботизированных рук, используемых на заводах, эти устройства стоят за механическими движениями, которые так распространены. Почти каждое механическое движение, которое выполняется, требует некоторого привода, что делает приводы необходимыми в современном автоматизированном мире. Поскольку мы начинаем рассматривать пошаговые элементы систем приводов, я надеюсь, что этот обзор прояснит вещи относительно того, как эти адаптивные инструменты преобразуют энергию в точное движение.
Что такое актуаторы?
Исполнительные механизмы действуют как основные «движители» в механических и автоматизированных системах, преобразуя различные формы энергии в физическую скорость или мощность. В основном эти инструменты преобразуют сигналы управления в механическое действие, чтобы машины могли совершать точные движения. Сигнал управления обычно имеет низкую энергию, варьирующуюся от напряжения или электрического тока до пневматического или гидравлического давления.
Основная цель актуаторов — преобразование энергии в механическое движение. В зависимости от конкретного типа актуаторы работают с различными источниками энергии:
● Электроприводы преобразуют электрическую энергию через двигатели или соленоиды.
● Гидравлические приводы используют жидкость под давлением.
● Пневматические приводы используют сжатый воздух.
● Термоприводы используют изменения температуры
● Механические приводы используют физические механизмы, такие как рычаги или шестерни.
Эта способность преобразования энергии делает приводы критически важным элементом во множестве приложений — от роботизированных рук, используемых в производстве, до систем управления двигателями в автомобилях.
Все приводы предназначены для соединения с системами управления, которые обеспечивают точное, аккуратное и отзывчивое движение. Все они обладают механизмами обратной связи, которые отслеживают положение и производительность и позволяют в режиме реального времени корректировать производительность для оптимальной производительности. Хотя они не так широко обсуждаются, как новые технологии, такие как искусственный интеллект, приводы являются фундаментальной частью автоматизации.
Основные компоненты системы привода
Каждая эффективная система привода опирается на несколько взаимосвязанных компонентов, работающих в гармонии для преобразования энергии в точное движение. Понимание этих основных элементов имеет решающее значение для понимания того, как приводы функционируют в различных приложениях.
Энергетический ресурс
Источник энергии — это ключевая сила, которая заставляет привод работать. Мощность, в зависимости от типа привода, может быть в разных формах:
Большинство современных приводов разработаны для работы на электрической энергии с использованием двигателей, таких как шаговые двигатели или серводвигатели. Эти двигатели производят основную вращательную силу, необходимую для движения. Электроэнергия обеспечивает чистую работу и не требует никаких внешних жидкостных систем, что делает ее все более популярной в большинстве приложений.
Жидкостные системы питания принимают сжатый воздух (пневматические) или гидравлическую жидкость под давлением. Гидравлические системы могут генерировать огромное количество силы; гидравлический поршень 2000 PSI на поршне диаметром 3 дюйма будет генерировать более 14,000 7 фунтов (XNUMX тонн) тяги. Пневматические системы предлагают более простую конструкцию и универсальность без потенциально опасных компонентов.
Механизм преобразования мощности
Этот компонент преобразует входную энергию в полезное механическое движение. В электромеханических приводах система трансмиссии обычно размещается между двигателем и приводной системой, умножая крутящий момент для более высокой выходной силы. Существуют различные типы редукторов, используемых для различных применений — планетарные редукторы используются для небольших размеров и высокой эффективности, в то время как червячные редукторы используются для различных требований к производительности.
Переход от вращательного к линейному движению обычно достигается с помощью ходовых винтов или шариковых винтов. Когда винт вращается, каретка движется вдоль него (как гайка по болту), обеспечивая мощность и точность. Конструкция ходового винта имеет решающее значение для скорости и грузоподъемности — шаг резьбы определяет скорость, причем более высокие шаги позволяют двигаться быстрее.
Контроллер
Обычно называемый «мозгом» системы, контроллер принимает входные сигналы и регулирует движение привода. Когда оператор нажимает кнопку на панели управления, контроллер принимает команду и дает приводу точные указания, как двигаться. Теперь контроллеры регулируют скорость, положение и обеспечивают плавное движение.
Контроллеры могут иметь устройства обратной связи, такие как энкодеры или резольверы, которые обеспечивают обратную связь по положению, скорости и направлению в реальном времени. В этой установке создается замкнутая система, в которой можно вносить непрерывные изменения для обеспечения максимальной производительности. Некоторые контроллеры имеют беспроводную интеграцию с использованием технологий RF и Bluetooth, что позволяет управлять с помощью мобильных устройств.
Механизм загрузки/вывода
Этот последний компонент взаимодействует с перемещаемым или перемещаемым объектом. Механическая нагрузка — это механизм, который активируется движением привода. Механизмы нагрузки значительно различаются в зависимости от потребностей применения:
Для линейных приводов выход обычно включает в себя стержневой узел, который выдвигается и втягивается. Вращательные приводы сохраняют круговое движение, передавая его другим движущимся компонентам. Особое внимание следует уделять взаимозависимости силы и скорости — при увеличении нагрузки ток увеличивается, а скорость уменьшается.
Вся система функционирует как единое целое: энергия от источника передается через преобразователь мощности в соответствии с инструкциями контроллера, что в конечном итоге приводит в движение механизм нагрузки.
Типы приводов, основанные на движении
Приводы обычно классифицируются по типу движения, которое они генерируют: вращательное, линейное или колебательное. Понимание этих типов of движение позволяет выбор подходящего привода для конкретных применений.
Поворотный привод
Ротационные приводы генерируют вращательное движение вокруг неподвижной оси и, таким образом, обеспечивают крутящий момент, а не линейную силу. Ротационные приводы преобразуют энергию во вращательное движение в виде нескольких величин углового смещения. Ротационные приводы по сути работают посредством нескольких механизмов:
● Электродвигатели преобразуют электрическую энергию во вращательное движение с помощью электромагнитных принципов.
● Лопастные приводы используют давление жидкости на внутренние лопасти для создания вращения.
● Системы с зубчатым приводом, которые усиливают или уменьшают крутящий момент в зависимости от требований применения
● Реечные механизмы, преобразующие линейное движение во вращательное.
Поворотные приводы обычно выбираются по угловому диапазону, скорости и выходному крутящему моменту.. Некоторые поворотные приводы обеспечивают полное вращение на 360 градусов, в то время как другие обеспечивают ограниченное угловое смещение. Они особенно подходят для высокоточного управления вращением в таких приложениях, как работа клапанов, роботизированные соединения и позиционирование камеры.
Линейные приводы
В отличие от своих вращательных аналогов, линейные приводы производят прямолинейное движение, перемещая или толкая грузы вдоль одной оси. Эти удобные компоненты производят силу и движение по прямой линии, что делает их хорошо подходящими для приложений, требующих точного линейного позиционирования.
Линейные приводы используют различные механизмы для достижения движения:
● Шариковые винтовые приводы используют резьбовые стержни с шарикоподшипниками для обеспечения плавного и эффективного движения.
● Ременные приводы используют зубчатые ремни для высокоскоростных применений с низкой нагрузкой.
● Пневматические цилиндры используют сжатый воздух для перемещения поршней по прямой линии.
● Гидравлические цилиндры используют жидкость под давлением для приложений с высоким усилием.
● Приводы с звуковой катушкой обеспечивают короткоходное высокоточное движение с помощью электромагнитных сил.
Выбор между вращательными и линейными приводами в первую очередь зависит от требований приложения. Линейные приводы, скорее всего, обеспечат более высокую точность для приложений с прямолинейным позиционированием и поэтому широко используются в промышленном оборудовании, автомобильных системах и бытовой технике. Вращательные приводы больше подходят для приложений, включающих круговое движение или где имеющееся пространство не поддерживает линейное движение.
Оба типа могут работать от различных источников энергии — электрических, гидравлических, пневматических или механических, что еще больше расширяет их универсальность в бесчисленных приложениях в современных системах машиностроения и автоматизации.
Типы приводов в зависимости от источника энергии
Классификация исполнительных механизмов по источнику энергии обеспечивает фундаментальное понимание того, как эти устройства работают в различных областях применения.
Электроприводы
Электрические приводы преобразуют электрическую энергию в механическое движение с хорошим контролем и простой установкой. Они содержат соленоиды, которые производят линейную силу с помощью электромагнитных полей, и двигатели, которые производят линейное или вращательное движение. Двигатели постоянного тока имеют хорошее управление скоростью, а шаговые двигатели обеспечивают точное позиционирование. Серводвигатели, очень широко используемые, содержат двигатели с цепями обратной связи по положению, чтобы обеспечить очень высокую точность и отзывчивость.
Гидравлические приводы
Гидроприводы используют энергию жидкостей под давлением для создания силы. Гидравлические приводы используют использование несжимаемых жидкостей, таких как масло, для создания большой силы, что делает их весьма подходящими для тяжелых операций, требующих высокой плотности мощности. Пневматические приводы используют сжатый воздух, который обладает большей рабочей скоростью, но меньшей выходной силой, чем гидравлические системы. Оба привода состоят из очень простых компонентов — в основном цилиндров и клапанов, — что делает их надежными in суровые условия.
Механические Приводы
Механические приводы зависят от предварительно сохраненной энергии или прямого механического ввода. Рычаги, пружины и кулачки преобразуют потенциальную энергию в кинетическую. Ручные приводы с ручкой или колесами представляют собой наиболее несложное механическое приведение в действие. Устройства полезны в ситуациях, когда электрическая энергия неудобна или недоступна.
Термические приводы
Термические приводы используют изменение температуры для создания движения. Биметаллические полосы изгибаются при нагревании из-за различного расширения связанных металлов. Сплавы с эффектом памяти формы возвращаются к запрограммированным формам при нагревании, создавая силу в процессе. Эти приводы используются в основном в системах контроля температуры и устройствах безопасности.
Специальные приводы
Специализированные приводы отвечают особым спецификациям и задачам, которые выходят за рамки обычных категорий. В микроэлектронике и точных приборах пьезоэлектрические приводы используются, поскольку они создают небольшие, точные движения при электрическом заряде. Магнитострикционные приводы изменяют размеры в магнитных полях, в то время как электроактивные полимеры создают движение посредством электрической стимуляции. Действительно, эти специальные приводы продолжают расширять возможности современных систем управления за пределы традиционных границ.
Принцип работы приводов
Основной принцип функционирования любого привода основан на преобразовании энергии — преобразовании входной энергии в механическое движение посредством ряда контролируемых процессов. Приводы отличаются от пассивных компонентов тем, что они активно реагируют на сигналы управления и генерируют правильные движения в соответствии с требованиями системы.
Процесс приведения в действие обычно последовательный. На первом этапе система управления генерирует сигнал, цифровой или аналоговый, с предполагаемым движением. Этот сигнал отправляется на интерфейс управления привода, где он усиливается и обрабатывается. Затем обработанный сигнал запускает процесс преобразования энергии, который передает основной источник энергии (электрическую, жидкостную, тепловую) в механическую силу.
В первую очередь преобразование энергии происходит посредством одного из нескольких физических принципов:
Механизмы обратной связи обычно задействованы во взаимодействии между приводом и системой управления. Замкнутые системы постоянно проверяют положение привода и вносят необходимые коррективы для обеспечения правильного движения, тогда как разомкнутые системы отдают команды без проверки положения. Датчики, такие как энкодеры, потенциометры или концевые выключатели, таким образом, оказываются полезными для обеспечения точности.
Независимо от их типа, приводы должны преодолевать инерцию и трение, чтобы начать движение. Поэтому их конструкция должна учитывать эти механические ограничения без потери эффективности. Эффективность преобразования — отношение выходной механической энергии к входной энергии — значительно различается в зависимости от типа привода, с электрическими приводами, более эффективными, чем гидравлические или пневматические приводы.
Наконец, то, как работает привод, зависит от скорости его реакции, точности и создаваемой силы. Они влияют на то, для какого применения он будет оптимизирован, варьируясь от высокоточных роботов, которые имеют быстрые и точные движения, до больших машин, которые имеют высокую выходную силу. Эволюция микропроцессоров и сложных алгоритмов управления на постоянной основе помогает повышать производительность всех типов приводов.
Применение приводов
Интернет вещей и интеллектуальные устройства
В контексте умных зданий и домов приводы обеспечивают автоматическую работу многочисленных элементов, от жалюзи до систем контроля температуры. Умные термостаты используют приводы для регулировки вентиляционных отверстий или клапанов, которые управляют функциями отопления и охлаждения. В частности, в системах безопасности приводы используются для блокировки дверей, перемещения камер наблюдения и включения функций безопасности при поступлении сигналов с датчиков или удаленных инструкций.
Индустриальная автоматизация
Фабричные цеха все больше полагаются на приводы для автоматизации производственных процессов. Они используются для управления роботизированными руками, конвейерными лентами и прецизионными инструментами для обработки. Линейные приводы, в частности, улучшают сборочные линии, обеспечивая точное позиционирование и повторяющуюся производительность в повторяющихся операциях. Клапанные приводы используются для управления потоком жидкости на перерабатывающих заводах, фактически управляя ключевыми промышленными процессами с небольшим вмешательством.
Робототехника
В роботизированных системах приводы — это искусственные мышцы, которые облегчают движение и манипуляцию. Серводвигатели обеспечивают точное управление суставами в роботизированных руках, тогда как пневматические приводы обычно используются для питания захватов и конечных эффекторов. Кооперативные роботы используют специализированные приводы, которые разработаны для обеспечения безопасного взаимодействия человека и машины.
Автомобильная
Современные автомобили используют широкий спектр исполнительных механизмов, от систем управления дроссельной заслонкой до электрических стеклоподъемников. Эти компоненты эффективно регулируют впрыск топлива, переключение передач и тормозные системы. Электронные системы управления дроссельной заслонкой в основном заменили механические связи, что привело к повышению эффективности и комфорта водителя.
Аэрокосмическая индустрия
Аэрокосмические приложения требуют, чтобы приводы, которые управляют поверхностями полета, такими как закрылки, рули и шасси, были высоконадежными. Эти специализированные приводы должны выдерживать суровые температуры, перепады давления и вибрацию без ущерба для своей точности.
Медицинские приборы
В сфере здравоохранения микроактюаторы приводят в действие хирургических роботов, позволяя проводить минимально инвазивные процедуры с большей точностью. Инфузионные насосы используют актуаторы для контролируемого распределения лекарств, в то время как протезы включают усовершенствованные актуаторы, которые имитируют естественные модели движения. Несомненно, эти медицинские приложения требуют актуаторов с исключительной надежностью, компактной конструкцией и часто биосовместимостью.
Заключение
Актуатор — важная механическая часть, используемая в различных системах для преобразования энергии в движение. Его можно назвать активным, но мускульным компонентом машины. Два класса актуаторов классифицируются по их движению: линейный актуаторs и поворотный приводs; они обеспечивают разные принципы работы.
Такие устройства можно найти в любой отрасли: устройства для умного дома, роботизированные руки на заводе, а также в транспортных средствах для электрических стеклоподъемников, электронного дросселя и т. д. Специальные приводы производятся в аэрокосмической отрасли для работы в строгих условиях для точной функциональности. По мере развития технологий приводы развиваются, чтобы соответствовать требованиям большей точности, эффективности, миниатюризации и интеллектуального и предиктивного обслуживания. Понимание приводов поможет нам понять, как они автоматизировали наш современный мир.
О PCBasic
Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.
