Как устроен линейный привод

Линейные актуаторы — основные положения, как работает линейный актуатор

Эта обзорная статья дает общие представления о принципах работы линейных актуаторов и рассчитана на тех, кто только начинает работу с ними. Если Вы относитесь именно к этой категории читателей, мы надеемся, что статья даст Вам необходимую информацию и поможет в выборе подходящего актуатора для решения поставленной задачи.

Как работает линейный актуатор

Первый большой вопрос — каков принцип работы линейного актуатора. Многие люди (большинство людей), не сталкивавшихся ранее с необходимостью применения актуаторов, называют их «толкателем», «электрическим поршнем», «механическим цилиндром» и другими подобными (и нередко нелепыми) терминами. Тем не менее, все они подразумевают одно и то же устройство, независимо от правильности терминологии. Линейный актуатор выполняет именно такую работу, которую подразумевает его название: «Актуатор» (от английского «actuate») — «приводить в движение» и «линейный» — выполняющий прямолинейное движение, движущийся по прямой.

Существует множество различных способов реализации такого движения с помощью двигателя. Наиболее растространенный вариант — с помощью выдвигающегося и втягивающегося штока (слайдера), перемещающегося по направляющей. Сферы использования таких линейных приводов широко варьируются, они могут использоваться практически в любых устройствах — для регулирования положения телевизора (в том числе, выдвигающиеся и убирающиеся конструкции), для подъема и опускания пандусов для инвалидных колясок, в промышленном оборудовании, в игрушках и даже в авиационно-космических технологиях.

В конструкции линейного актуатора для создания линейного перемещения чаще всего используется винт (или более правильное название — винтовая передача). Винт вращается по или против часовой стрелки, его вращение вызывает линейное перемещение штока, соединенного с гайкой, которая перемещается вдоль винта.

Двигатели, которые используются в линейных актуаторах, в большинстве случаев являются классическими коллекторными двигателями постоянного тока 12В или 24В. Но в ряде случаев могут использоваться другие типы электродвигателей и другой вольтаж. Чтобы изменить направление движения штока линейного актуатора необходимо изменить направление вращения его двигателя. В случае использования коллекторного двигателя постоянного тока достаточно поменять полярность питания (поменять местами два провода питания двигателя). Типичное решение — с использованием автоматического переключателя, который меняет полярность подключения питания.

Существующие линейные актуаторы различаются возможной длиной хода. Применительно к конструкции актуатора это означает, что актуаторы выполняются с различными длинами штока и корпуса. Помимо длины хода актуатора, важными характеристиками являются скорость и усилие на штоке. Для достижения необходимой скорости и усилия между валом электродвигателя и винтом устанавливают механический редуктор. Редуктор при неизменной мощности двигателя изменяет соотношение скорости его вращения и крутящего момента, что в итоге влияет на конечную скорость линейного перемещения и усилие на штоке актуатора — чем больше передаточное отношение редуктора, тем больше усилие и меньше скорость. Винт также является механической передачей, влияющей на соотношение скорости и усилия — чем меньше шаг винта, тем больше усилие и меньше скорость перемещения штока. В любом случае без использования специальных устройств регулирования скорости двигателя всегда соблюдается взаимосвязь между усилием и скоростью перемещения: чем выше скорость перемещения штока, тем меньше усилие (и наоборот).

Для реализации остановки штока в конечных положениях, актуатор оснащается встроенными концевиками (концевыми выключателями или микровыключателями). Концевые выключатели устанавливаются внутри на шток актуатора. Срабатывание концевых выключателей происходит при достижении гайкой крайних положений внутри корпуса актуатора — один датчик устанавливается на крайнее выдвинуте положение, второй — на крайнее втянутое положение. При достижении крайнего положения датчик срабатывает, питание двигателя выключается. Дальнейшее движение возможно только в противоположном направлении — при смене полярности питания и реверсе двигателя.

Как подобрать линейный актуатр

Чтобы выбрать подходящий линейный актуатор, необходимо определиться с основными требованиями системы:

• скорость перемещения (м/с, мм/мин, см/мин, мм/с и т.п.)
• усилие перемещения (толкания/втягивания) (Н, кгс)
• длина хода (мм, см, м)
• предпочитаемое напряжение питания (12В, 24В, 220В)
• продольное или поперечное расположение двигателя

Источник

Самодельный электрический актуатор. Как сделать линейный актуатор (линейный привод) самому.

Иногда в хозяйстве требуется сделать линейный привод. Т.е. что то не вращать и поворачивать, а перемещать линейно, причем порой на значительные расстояния. Обычно это делается при помощи линейного актуатора. Актуатор преобразует вращательное движение двигателя в линейное перемещение. Потребовалось подобное устройство и мне и я решил его сделать самостоятельно.

Обычно линейное перемещение осуществляют при помощи зубчатой рейки (это что то вроде шестерни, только развернутой в прямую линию). Иногда — при помощи т.н. ходового винта (его можно видеть в винтовых домкратах). Во втором случае наблюдается эффект большой редукции, поскольку на один оборот двигателя приходится всего один оборот винта, а перемещение равно шагу резьбы. Актуаторы с зубчатой рейкой быстрые, но не точные и слабые (усилие перемещения там равно усилию на ведущей шестерне двигателя). А актуаторы с ходовым винтом – это по сути домкраты с электроприводом. Точность их перемещения очень высокая (доли мм), усилие большое, а двигатель для привода требуется маломощный. Единственный их недостаток — они медленные (по сравнению с реечными). Зато их можно очень легко сделать самому в домашних условиях без какого либо особенного инструмента. Еще один их большой плюс — у них явно выраженный эффект самоторможения. Т.е. заставить актуатор перемещаться каким либо способом помимо вращения ходового винта невозможно. Это позволяет использовать винтовые актуаторы в электрических замках и запорах. Их невозможно открыть внешним воздействием (кроме разрушающего).

В продаже имеются резьбовые шпильки различного диаметра. Их и будем использовать в качестве ходового винта. Если требуется значительные усилия (например вы делаете актуатор для автоматического открывания ворот), то лучше взять шпильку с резьбой М16-М20. Она выдержит усилие в сотни килограмм. Для меньших нагрузок можно взять шпильки потоньше.

Разумеется потребуется и ответная часть для ходового винта – гайка. Лучше их взять несколько, что бы усилие передавалось на большую поверхность. Дело в том, что настоящие ходовые винты имеют трапециевидную и глубокую резьбу, закаленную поверхность. Резьбовая же шпилька сделана из мягкого металла, резьба у нее неглубокая и треугольной формы. Это же вызывает повышенное трение при вращении, поэтому ходовой винт из обычной резьбовой шпильки требует обильной и тщательной смазки и защиты от грязи.

Итак, приступаем к сборке линейного электрического актуатора. Необходимой деталью актуатора является и толкатель. Т.е. то, что собственно будет перемещаться. Лучше всего для этой роли подходит трубка, квадратная в сечении. Необходимо подобрать трубку такого размера, что бы гайки могли в нее войти. Например, для гаек резьбы М10 подойдет трубка 20 х 20 мм. У гаек необходимо сточить пару ребер, что они входили в трубку (на фото то, что надо сточить обозначено красным цветом). Делается это так. На шпильку накручиваем несколько гаек вплотную друг к другу, но без затягивания. Все гайки зажимаем в тисках и стачиваем ребра всех гаек. Затем перевернув все на 180 градусов, стачиваем противоположные ребра. В итоге, все гайки должны входить в трубку, но не должны в ней прокручиваться.

Теперь надо зафиксировать гайки внутри трубы, у самого ее конца. Проще всего это сделать с помощью эпоксидной смолы, она прекрасно склеивает металлы. Тщательно обезжириваем внутреннюю поверхность трубы и гайки. На шпильку наносим тонкий слой густой смазки (литол, солидол). Опять собираем гайки в «блок» на шпильке. Смазка должна заполнить зазоры между гайками, что бы туда не протекла эпоксидная смола. Смазкой надо замазать и торцы блока гаек. Вобщем надо максимально защитить резьбу от попадания на нее смолы. (Если вы знакомы со слесарным делом, возможно вам будет проще взять квадратный пруток, отрезать от него несколько сантиметров, просверлить вдоль и нарезать в нем резьбу под шпильку. Но я описываю процесс изготовления «из того что есть»).

Приготовив эпоксидную смолу, аккуратно вклеиваем гайки внутрь квадратной трубы и даем смоле застыть. А пока займемся муфтой сцепления. Ведь шпильку должен вращать электродвигатель. Поскольку и шпилька и вал двигателя обычно круглые, проще всего сделать муфту из отрезков двух трубок, смежных по диаметру. Если диаметры сильно рознятся, можно использовать несколько трубок, набирая нужный диаметр.

Соединив муфту просверливаем сквозное отверстие под контровочный винт. Фиксируем одну часть сцепления на валу двигателя, вторую – ни конце резьбовой шпильки.

В качестве привода актуатора следует выбрать электродвигатель с редуктором, червячным или планетарным. Таких двигателей имеется огромное количество. Это моторчики привода стеклоочистителей автомобилей, электрических стеклоподъемников, всевозможные электрические отвертки (включая самые дешевые), шуруповерты и т.д. и т.д. Не считая специальных моторов-редукторов.

Вобщем привод — совершенно не дефицит. Главное, что бы на валу были не слишком высокие обороты (50-200 в минуту) и достаточное усилие для проворачивания резьбовой шпильки. В крайнем случае купите самую дешевую электрическую отвертку за 300-400 руб, она прекрасно будет работать. Разумеется, мощность двигателя должна соответствовать и задачам, возложенным на актуатор. Ворота отверткой трудно открывать… Я в данном примере использовал какой то моторчик неизвестного назначения. Но у него был червячный редуктор и полностью отсутствовал вал. Пришлось в отверстие шестерни вкрутить отрезок резьбовой шпильки и зафиксировать его самоконтрящимися гайками.

Нам осталось изготовить для актуатора суппорт. Его размер определяется и назначением актуатора и размерами. В простейшем случае это может быть просто отрезок доски. Ее длина должна быть равной длине шпильки плюс место для двигателя.

Двигатель я закрепил с помощью монтажного уголка, саморезами. На противоположном конце суппорта установил направляющую муфту. Тоже из квадратной трубы, только смежного размера. Она же не дает подвижной трубе — толкателю проворачиваться вместе с вращающейся шпилькой. Эту муфту надо установить так, что бы труба – толкатель была параллельно плоскости суппорта. Хотя это не обязательно.

Вот практически и готов актуатор. Надо только соединить муфту сцепления. Если включить двигатель, то его вал начнет вращаться, и резьбовая шпилька тоже. Она будет или ввинчиваться или вывинчиваться из гаек, расположенных в трубе толкателе. Труба у нас не проворачивается из-за направляющей муфты. Поэтому труба толкатель или выдвигается за пределы суппорта, или втягивается назад, приближаясь к двигателю. Шпилька при этом уходит внутрь трубы – толкателя.

В моем случае я использовал метровые шпильку и трубу-толкатель. Из-за необходимости иметь запас по краям рабочего хода в несколько сантиметров, толкатель перемещается примерно на 850 миллиметров. Что меня более чем устроило (актуатор планировался для открывания фрамуги в теплице для ее проветривания). Тяговое усилие составило около 40 кг (больше просто нечем было мерить). Число оборотов двигателя было около 50/мин. Шаг резьбы 1,5 мм. Т.е. за минуту актуатор перемещался всего на 75 мм. Но проветривание теплицы — процесс не спешный.

Актуатор изначально не имеет «тормозов». Т.е. если не выключать двигатель вовремя, то труба – толкатель или «свинтится» со шпильки совсем (и актуатор саморазберется). Или наоборот, упрется в сцепление, заклинит и тогда может сгореть двигатель. Поэтому если планируется работа актуатора от одного края до другого, для предотвращения подобных ситуаций надо сделать концевые выключатели.

В общем случае это могут быть механические выключатели. Для этого к трубе-толкатели крепят прочный «язычок», выступающий вбок. А на суппорте устанавливают пару концевых выключателей, которые разрывают электрическую цепь питания моторчика. Когда язычок нажмет на кнопку концевого выключателя в каком либо крайнем положении, мотор выключится.

Если планируется управление актуатором в автоматическом режиме, под управлением какого то контроллера, то логичнее его будет оснастить герконами, а на самом толкателе закрепить небольшой магнит. На фото – я использовал параллельно включенные несколько герконов (для надежности). Герконы позволят надежно сработать «тормозам» и не боятся ни влаги ни грязи. Герконы подают сигнал в контроллер о том, что актуатор в крайнем положении и надо выключить двигатель. Использование герконов хорошо еще в том плане, что с их помощью (если потребуется) можно знать и о промежуточных положениях актуатора, что он прошел (или проходит) какую то точку.

Непрерывная и очень напряженная эксплуатация данного актуатора в теплице (высокая влажность и большие колебания температуры) показали абсолютную надежность конструкции. Никаких сбоев и замечаний выявлено не было. За лето пару раз наносил на шпильку по «чайной ложке» литола. Вот и все обслуживание. Управлялся как в ручном, так и в автоматическом режиме от температурного контроллера и просто от таймера. «Неспешность» и абсолютная прогнозируемость поведения актуатора позволяет точно рассчитывать время, в каком положении он окажется через некоторое время работы.

Себестоимость такого актуатора составила около 600 руб ($20) , включая покупку электромотора. Простота конструкции позволяет использовать ее как прототип для изготовления актуаторов всевозможного назначения и размеров.

Константин Тимошенко © 01.12.2011 г.

Источник

Актуаторы. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Актуаторы представляют собой специальные устройства, главной задачей которых является перенос усилия с управляющего или регулирующего механизма на исполнительный. В большинстве случаев это электромеханический агрегат, который позволяет выполнять круговые либо линейные перемещения. Благодаря этому можно значительно облегчить выполнение технологических операций, тестирование, в том числе упростить условия быта. Эти устройства применяются и для совершения специфических задач, к примеру, для осуществления миссий и проведения исследований в космическом пространстве.

Актуаторы бывают линейными и устройствами вращения.

Линейные

Семейство устройств, которые обеспечивают преобразование механической энергии в линейное перемещение. В большинстве случаев такие устройства применяются с целью получения механической энергии из электрической. Выполняются такие устройства из подвижного штока, который устанавливается в корпус из металла или пластмассы. Чтобы к агрегату поступала электроэнергия, предусматриваются разъемы, вилки или кабели. В зависимости от конструкции привод может потреблять 12, 24, 36 либо 220 В.

Линейные агрегаты имеют два основных исполнения:

То есть конструкция агрегата такова, что шток перемещается в вертикальном либо горизонтальном направлении по отношению к валу мотора.

К преимуществам линейных агрегатов можно отнести:

• Простоту конструкции.
• Длительный срок эксплуатации.
• Неприхотливость в работе, что позволяет использовать их даже в экстремальных условиях.

Конкретные агрегаты в зависимости от модели могут дополнительно иметь защиту, которая обеспечивает стойкость к неблагоприятным условиям.

Актуаторы вращения

Работают несколько иначе. У них имеется редуктор и электродвигатель. Особенность работы такого агрегата в том, что чем ниже передаточное число шестеренок редуктора, тем выше скорость и меньше крутящий момент.

В агрегатах вращения могут применяться различные типы редукторов:

Благодаря разнообразию редукторов вращающие агрегаты способны решать разнообразные задачи. Поэтому они находят широкое применение в электроэнергетике, станках, бытовых устройствах, в промышленности и других отраслях.

Существуют и специальные виды актуаторов. Подобные агрегаты предназначены для решения специфических и наиболее сложных задач. Их часто применяют в космическом, а также водном пространстве. Также они находят применение в условиях вечной мерзлоты. По конструктивным составляющим они не сильно отличаются от аналогичных агрегатов. Однако их главное отличие – качество исполнения герметичности корпуса. Благодаря пылеустойчивости и водонепроницаемости удается обеспечить бесперебойность работы агрегата даже в сложнейших условиях.

Устройство

Имеется большое количество разных методов для создания линейного перемещения в линейном актуаторе. В большей части случаев используется движок, который передает движение штоку. Шток выдвигается или втягивается, перемещаясь по направляющей. Линейные актуаторы для обеспечения линейного перемещения в большинстве случаев применяют винт, то есть так называемую винтовую передачу. Благодаря вращению винта относительно гайки или наоборот обеспечивается линейное движение штока.

Движки, применяемые в линейных агрегатах, чаще всего представляют собой стандартные коллекторные устройства, работающие на постоянном токе в 12 или 24 В. Более мощным агрегатам требуется электроток на порядок большего значения. Однако возможно применение и других типов движков.

Для изменения направления движения штока следует поменять направление вращения движка. Для примера, в коллекторном движке следует сменить полярность электропитания. С этой целью в конструкцию добавляется переключатель, благодаря нему происходит смена полярности электропитания. В результате простым нажатием кнопки можно изменить вращение движка, а значит попеременно выдвигать или втягивать шток.

Работа

Имеющиеся сегодня линейные актуаторы могут иметь разный ход штока. Это значит, что агрегаты создаются с разными длинами корпуса и винта. Кроме длины хода важнейшее значение имеют скорость и усилие, которые создаются на штоке агрегата. Чтобы обеспечить требуемую скорость и усилие штока, требуется модернизация устройства. Для этого между валом движка и винтом ставится редуктор механического действия.

Движок передает на вал скорость и усилие, которые являются неизменными. Движок же меняет отношение скорости и момента кручения, благодаря чему меняется конечная скорость перемещения штока, а также создаваемое усилие. Движение винта также представляет передачу, которая влияет на скоростное и силовое отношение. Меньший шаг винтовой передачи обеспечивает большее усилие. Однако шток при этом будет перемещаться с меньшей скоростью.

Чтобы можно было остановить шток в необходимом положении, в агрегат ставятся концевики. Их также называют выключателями. Концевики ставятся непосредственно на шток. Они начинают работать в момент, когда гайка достигает крайнего положения. С этой целью ставятся датчики в конечные положения. Когда шток доходит до этого положения, то датчик выключает электропитание. Далее шток сможет двигаться только в обратном направлении. Для этого меняется полярность электропитания либо осуществляется реверс движка.

Как пример можно рассмотреть актуатор центрального замка автомобиля. В его работе используется небольшой электродвижок, соединенный с подвижным штоком. К нему приделана тяга от замка. В момент подачи напряжения начинает работать движок, который заставляет вал вращаться в требуемом направлении, что приводит к движению штока. Вместе со штоком в движение приводится и тяга, у которой один конец находится на рычаге замка. В результате осуществляется блокирование или освобождение замка.

Так как штоку требуется короткий ход, то движок быстро заклинивается. Вследствие этого необходимо ограничивать время подачи напряжения. Для этого используется блок управления, который точно дозирует временной интервал подачи электропитания. Благодаря этому движок защищен от заклинивания и перегорания.

Применение

Актуаторы находят широкое применение практически повсеместно. Их можно задействовать в разнообразных устройствах, к примеру, для регулировки положения телевизионного приемника, для перемещения пандуса, в станках, компрессорах, игрушках, самолетах, подводных лодках, пароходах и космических кораблях и т.п.

В медицине данные агрегаты задействованы для медицинской мебели, чтобы регулировать положения спинки кресла, кровати и другой мебели. Их ставят на подъемники, чтобы перемещать инвалидов и больных с одного этажа на другой. При этом такие устройства преимущественно имеют минимальную шумность, а также высокие значения по качеству и надежности.

В промышленности актуаторы применяются для автоматизации технологических процессов и оборудования. В большинстве случаев это компактные агрегаты, обладающие высокими показателями мощности. Их используют на заводах и фабриках для линейного перемещения. Большое значение здесь имеют технические показатели, в первую очередь это касается нагрузок, скорости, плавности перемещения, в том числе возможности функционировать в неблагоприятных условиях.

Использование промышленных агрегатов позволяет существенно облегчить людской труд, а также снизить финансовые затраты. Благодаря ним, в конце концов, снижается стоимость производимой продукции.

Можно выделить следующие области промышленного применения:

• Электромеханические агрегаты находят применение в станкостроении, машиностроении и пищевой промышленности.
• В сверхтехнологичном производстве они используются в качестве устройств, которые перемещают солнечные батареи по отношению к солнечным лучам. Также подобные агрегаты задействуют для перемещения параболических антенн вслед за спутником.

• В промышленной вентиляции агрегаты обеспечивают перемещение выдвижных панелей вытяжки, чтобы автоматизировать регуляцию воздушных потоков.

В сельском хозяйстве приводы линейного перемещения позволяют максимально автоматизировать труд при возделывании агрокультур, заготовлении кормов, при уходе за фермерскими животными и так далее.

К примеру, это могут быть разбрызгивающие устройства для обработки почв, растений от вредителей, устройства для внесения удобрения. На больших фермерских хозяйствах линейные агрегаты позволяют регулировать воздушные потоки и автоматизировать подачу кормов для животных при кормежке. В растениеводстве линейные приводы помогают открывать теплицы, чтобы огурцы или помидоры не «сгорели» от жары.

Для быта данные актуаторы просто незаменимы. Их можно встретить во многих бытовых приборах. К примеру, это могут быть шторы, жалюзи с приводом и так далее. Все автомобили просто напичканы данными устройствами. Они используются в замках багажника, дверей, магнитол с выдвижным дисплеем и тому подобное. Это полезные устройства, которые позволяют решать многочисленные задачи.

Источник