Линейные актуаторы – основные положения, как работает линейный актуатор

Знакомство с актуаторами

Под понятием актуатор скрывается механизм, основной задачей которого является передача усилий с управляющего устройства на исполнительное. Актуаторы отличаются между собой по способу передачи энергии. Управляемый объект может приводиться в действие вращающим или линейным воздействием.

Одним из наиболее понятных примеров актуатора является центральный замок в автомобиле. В данном случае актуатор выступает в роле червячной передачи, трансформирующей усилие от управляющего блока в линейное перемещение. Еще более простым примером является знакомый всем механический домкрат в форме ромба. Тут управляющим механизмом является человек, прилагающий усилие при вращении ручки. Актуатор в свою очередь передает усилие в вертикальное перемещение подъемной опоры. Какими бывают актуаторы?

Как мы выяснили, в основе сложного на первый взгляд термина «актуатор» лежит простой принцип преобразования энергии. Еще до знакомства с этим определением, каждому из нас приходилось иметь дело с актуаторами. Такие устройства встречаются в сельском хозяйстве, строительстве, автомобилях и повседневной жизни.

Среди владельцев автомобилей многие знают про актуатор турбины. Он же по своей сути является вакуумным регулятором, который позволяет предотвратить критическую нагрузку на турбокомпрессор. Если рассматривать бытовую и строительную электромеханику, одним из наиболее востребованных актуаторов можно отметить привод ворот и калиток. В простой речи это устройство так и называется актуатор двери. Он позволяет обеспечить автоматическое движение небольших дверей или массивных стальных ворот. Спутниковые тарелки также могут снабжаться подобным механизмом, позволяющим удаленно настроить антенну на необходимый угол частот.

Основные виды

В общем случае линейный электродвигатель, также как и электромотор с вращающимся приводным механизмом обеспечивает механическое перемещение рабочих частей оборудования, но в одной координатной плоскости. Это могут быть двигатели для чпу, конвейеров, транспортеров, промышленных роботов и других производственных агрегатов. Подобные группы механизмов широко используются в сфере электротранспорта. Отличительная особенность приводных устройств состоит в обеспечении линейных перемещений без механических передач. Они относятся к машинам малой мощности, но в то же время достаточной, чтобы выполнять обширный перечень рабочих задач.

В зависимости от конструктивных особенностей структурных элементов и принципа действия различают следующие типы линейных двигателей (ЛД):

• электромагнитные (соленоидные);
• магнитоэлектрические (двигатель на постоянных магнитах);
• электродинамические;
• асинхронные (индукционные);
• синхронные;
• линейные шаговые двигатели;
• пьезоэлектрические и другие.

Отдельные ЛД, например, асинхронные или линейные шаговые двигатели, имеют идентичный принцип действия относительно аналогичных электромоторов с вращательным механизмом. В то же время другие эл/приводы, такие как линейные пьезоэлектрические двигатели, соответствующих аналогов не имеют. В зависимости от типа эл/мотора они могут обладать разными параметрами скорости, нагрузочными характеристиками и подключаться к питающей сети 48, 36, 24 или 12 вольт.

Относительно показателя динамичности, то есть способности быстро развивать нужную скорость, линейные приводы подразделяются на две группы:

• с низким ускорением;
• с высоким.

Первая категория электромоторов находит применение в качестве тяговых механизмов транспортных средств, в металлообрабатывающем станочном оборудовании, иных технологических установках. Например, линейные асинхронные двигатели являются оптимальным вариантом для приведения в действие ленточных конвейерных агрегатов. Моторы второй группы относятся к малогабаритным решениям и предназначены для кратковременного разгона объектов.

К категории приводных устройств прямолинейного перемещения также относят свободно-поршневые или линейные двигатели внутреннего сгорания. Это обусловлено возвратно-поступательным движением поршня, являющимся основной рабочей частью мотора. При этом рабочий орган двигательной системы находится в замкнутом цилиндрическом объеме и приводится в действие разными способами.

Линейные актуаторы с усилием до 7000 Н

Линейный актуатор (линейный привод) представляет собой устройство, в котором двигатель приводит в движение винтовую передачу (винт и гайку скольжения), выдвигая шток. Коллекторные двигатели, работающие на постоянном токе в 12 и 24В с автоматическим переключателем позволяют менять направление движения штока при необходимости. Остановить перемещение штока помогают концевые выключатели, которые срабатывают в момент достижения гайкой крайнего положения.
Актуаторы выпускают с разной длиной хода и размером корпуса, изделия также различают по скорости линейного движения и усилию. Необходимая скорость перемещения и усилие достигается за счет редуктора, установленного между винтом и валом двигателя. Для контроля работы актуатора (линейного привода) используются специальные устройства (потенциометр, датчик Холла, герконы), позволяющие преобразовать угол поворота в сигнал и установить необходимое положение самого актуатора.
Основной сферой применения линейных электроприводов актуаторов является промышленность, там они применяются для автоматизации процессов производства. Также изделия используются в станкостроении, пищевой промышленности, в фермерских хозяйствах.

Технические характеристики

Актуаторы повсеместно используются для решения различных задач в науке, медицине, строительстве и вооружении. В связи с этим, производители стараются сделать свои изделия практически универсальными. Наиболее важными характеристиками являются: усилие, скорость и рабочий ход. Также важно обратить внимание на указанный производителем рабочий цикл — это время, которое устройство может работать непрерывно. В зависимости от условий эксплуатации, не менее важными характеристиками будут: рабочий диапазон температур, класс защиты, допустимая влажность, наличие датчиков.

Для правильного выбора актуатора важно определить технические характеристики, строго соответствующие условиям эксплуатации. Наши специалисты помогут подобрать качественный линейный или специальный актуатор для любых целей и задач. Доверяясь профессионалам, вы остаетесь уверены в правильной и долгосрочной работе устройства. Грамотный подбор актуатора позволит ежедневно решать поставленные задачи без риска преждевременного износа и непредвиденных затрат!

Датчики для актуаторов

Датчики для актуаторов

Датчиками называют устройства, создающие полезный измерительный сигнал на основе отслеживаемого физического процесса. Чаще всего этим процессом является линейное перемещение актуатора, то есть датчик отслеживает положение подвижного элемента – штока или каретки. Датчик линейного перемещения может непрерывно передавать информацию в систему управления или срабатывать в определенных положениях. Таким образом, обеспечивается контроль над актуатором при его работе, то есть, во время выполнения производственных процессов и решения других задач. Использование актуаторов с датчиками позволяет добиться точного и эффективного управления и полностью раскрыть преимущества актуатора как электропривода.

Далее рассмотрим основные типы датчиков для актуаторов.

Концевые выключатели, концевые датчики

Это регулируемые механические датчики, размыкающие или замыкающие электрическую цепь в определенном положении актуатора. Нормально разомкнутый датчик при срабатывании замыкает цепь, и по ней может протекать ток, а нормально замкнутый – размыкает, и ток не протекает. Они могут устанавливаться как на линейно перемещающемся, так и на вращающемся элементе. Регулировка концевых выключателей позволяет ограничить длину хода актуатора с обеих сторон до требуемого диапазона.

Бесконтактный полупроводниковый магнитный датчик, позволяющий отслеживать относительное положение актуатора. Уровень его выходного сигнала зависит от изменения магнитного поля между неподвижным датчиком и подвижной пластиной при их перемещении друг относительно друга. С помощью датчика Холла можно реализовать обратную связь по положению и тем самым обеспечить гибкость управления актуатором.

Потенциометр представляет собой переменный резистор, сопротивление которого зависит от углового или линейного сдвига между подвижным и неподвижным элементами. Неподвижный контакт закреплен с одного конца резистивной катушки или пластины, а подвижный (щетка) перемещается по ней. К потенциометру прикладывается опорное напряжение и при изменении его сопротивления меняется сила тока, являющаяся измерительным сигналом. Потенциометр – аналоговый датчик, значение сопротивления которого однозначно зависит от перемещения и уникально в каждом положении.

Геркон (герметичный контакт)

Бесконтактный электромеханический магнитный датчик. Внутри герметично запаянного стеклянного корпуса геркона находятся язычковые контакты, замыкающиеся при поднесении магнита. Геркон прост, долговечен, бесшумен, но хрупок и имеет умеренное быстродействие.

Датчики доступны для большинства наших актуаторов, для каждой конкретной модели они указаны в списке опций. Обращайтесь к нашим опытным специалистам, они обладают глубокими и обширными знаниями в области линейных приводов и смогут дать необходимые рекомендации по выбору датчиков.

Устройство и основные характеристики линейных актуаторов

Линейный актуатор создает осевое усилие для перемещения между двумя точками крепления. Актуатор вращения создает крутящий момент вокруг приводной оси.

Типичный актуатор имеет прочный и легкий корпус из пластика и алюминиевого сплава, коллекторный двигатель постоянного тока, цилиндрический редуктор и, в случае линейного привода, винтовую передачу и выдвижной шток. Хотя возможны другие варианты, например, стальной корпус, асинхронный двигатель переменного тока, планетарный редуктор.

Длина хода линейного актуатора обычно от 150 до 500 мм, но есть модели и на микрометровые, и на многометровые перемещения. Максимальная нагрузка, с которой способны работать актуаторы, варьируется от граммов до сотен тонн, в среднем составляя около 100 кг = 1000 Н. Скорость перемещения – до 1,5 м/с; типичные значения – несколько сантиметров в секунду.

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

Производители актуаторов

Большое количество сфер применения напрямую сказывается на выборе производителя. Для автомобильных актуаторов турбин и сцепления следует обращать внимание на оригинальные детали либо рекомендуемые производителем. Но это еще не все. Если у вас автомобиль Toyota Corolla, прибор необходимо искать такой же. Актуатор турбины Kia Sorento будет марки Kia. И это касается всех других марок. Экономия в таких деталях чревата дальнейшим вкладыванием в ремонт, но уже более дорогих запчастей.

Что касается линейных актуаторов, то здесь настолько большой выбор, что нет смысла рекомендовать какого-либо конкретного производителя. Главное, на что следует обратить внимание при выборе, это положительные отзывы реальных покупателей и проверенных продавцов. Стоит помнить, что актуатор, цена которого будет отличаться в большую сторону, не всегда более качественный. Кстати, средняя стоимость прибора колеблется в районе 2-3 тысяч рублей. Можно найти очень дешевый актуатор за 500 руб., а можно приобрести дорогой, который стоит 10 тыс. руб.

Применение актуаторов

Наибольшее распространение актуаторы получили в сфере автомобилей и обустройстве объектов как промышленного, так и жилого направления. В транспорте применение приборов начинается от простых приводов закрытия дверей и багажников (также не забываем про домкраты), заканчивается сложными системами турбоагрегатов и роботизированными коробками передач. При всем этом актуатор – достаточно надёжное устройство из-за простоты изготовления именно исполнительных деталей.

В сферах быта работу актуаторов легче всего увидеть на автоматических дверях и ставнях. Для приема спутниковых передач также удобнее использовать управляемый прибор и одну тарелку, чем несколько одновременно.

Актуаторы линейного перемещения: делаем своими руками

Не будем рассматривать причины желания изготовить линейный актуатор своими руками. Просто расскажем, как это делать. Самый простой способ получить, допустим, актуатор двери заключается в использовании электродвигателя. Сейчас они достаточно популярны и доступны по цене. Их стоимость может колебаться от 50 до 200 рублей в зависимости от параметров.

Последовательность работ по изготовлению может быть следующая:

• На ось электродвигателя прикрепляется резьбовая шпилька.
• На нее надевается гайка с закрепленным к ней штоком. При вращении двигателя гайка движется по шпильке. Вместе с ней перемещается шток.
• Подбирается шаг резьбы. Благодаря этому можно регулировать скорость перемещения штока.

Ещё проще получить линейный привод, если добыть зубчатую рейку. Скорость передачи усилия при этом будет самая быстрая. Но есть один минус. Так, усилие передачи, наоборот, останется на самом низком показателе. Максимально энергию передают шпильки М20 и большего диаметра. Вот наш самодельный линейный актуатор и готов. По такому принципу работают замки дверей в большинстве автомобилей.