Uruchamiacz - Actuator

Uruchamiający jest elementem maszyny, który jest odpowiedzialny za przenoszenie i sterowania mechanizmem lub systemu, na przykład przez otwarcie zaworu. Mówiąc prościej, jest to „poruszacz”.

Siłownik wymaga sygnału sterującego i źródła energii . Sygnał sterujący ma stosunkowo niską energię i może być napięciem lub prądem elektrycznym , ciśnieniem pneumatycznym lub hydraulicznym , a nawet siłą ludzką. Jego głównym źródłem energii może być prąd elektryczny , ciśnienie hydrauliczne lub ciśnienie pneumatyczne . Po otrzymaniu sygnału sterującego siłownik reaguje, przekształcając energię źródła w ruch mechaniczny. W sensie elektrycznym , hydraulicznym i pneumatycznym jest formą automatyzacji lub automatycznego sterowania .

Siłownik to mechanizm, za pomocą którego system sterowania działa w celu wykonania operacji lub zadania. System sterowania może być prosty (stały system mechaniczny lub elektroniczny ), oparty na oprogramowaniu (np. sterownik drukarki, system sterowania robota ), ludzki lub dowolny inny sygnał wejściowy.

Historia

Historia pneumatycznego układu napędowego i hydraulicznego układu napędowego sięga czasów II wojny światowej (1938). Po raz pierwszy została stworzona przez Xhitera Anckelemana, który wykorzystał swoją wiedzę na temat silników i układów hamulcowych , aby opracować nowe rozwiązanie zapewniające, że hamulce w samochodzie wywierają maksymalną siłę przy jak najmniejszym zużyciu.

Rodzaje siłowników

Miękki siłownik

Miękki siłownik to taki, który zmienia swój kształt w odpowiedzi na bodźce, w tym mechaniczne, termiczne i elektryczne.

Hydrauliczny

Siłownik hydrauliczny składa się z cylindra lub silnika hydraulicznego, który wykorzystuje moc hydrauliczną w celu ułatwienia obsługi mechanicznej. Ruch mechaniczny daje wyjście w postaci ruchu liniowego, obrotowego lub oscylacyjnego . Ponieważ płyny są prawie niemożliwe do skompresowania, siłownik hydrauliczny może wywierać dużą siłę. Wadą tego podejścia jest jego ograniczone przyspieszenie.

Siłownik hydrauliczny składa się z wydrążonej cylindrycznej rury, po której może się przesuwać tłok. Termin jednostronnego działania jest używany, gdy ciśnienie płynu jest przykładane tylko do jednej strony tłoka. Tłok może poruszać się tylko w jednym kierunku, a sprężyna jest często używana do nadania tłokowi skoku powrotnego. Termin podwójnego działania jest używany, gdy ciśnienie jest wywierane na każdą stronę tłoka; każda różnica siły między dwiema stronami tłoka przesuwa tłok w jedną lub drugą stronę.

Pneumatyczny

Siłowniki pneumatyczne umożliwiają wytworzenie znacznych sił przy stosunkowo niewielkich zmianach ciśnienia. Energia pneumatyczna jest pożądana dla głównych elementów sterujących silnika, ponieważ może szybko reagować podczas uruchamiania i zatrzymywania, ponieważ źródło zasilania nie musi być przechowywane w rezerwie do pracy. Ponadto siłowniki pneumatyczne są tańsze i często mocniejsze niż inne siłowniki. Siły te są często używane z zaworami do poruszania membran, aby wpływać na przepływ powietrza przez zawór.

Zaletą siłowników pneumatycznych jest właśnie wysoki poziom siły dostępny w stosunkowo niewielkiej objętości. Natomiast główną wadą technologii jest potrzeba sieci sprężonego powietrza składającej się z kilku elementów, takich jak sprężarki, zbiorniki, filtry, osuszacze, podsystemy uzdatniania powietrza, zawory, rury itp., co powoduje, że technologia jest nieefektywna energetycznie przy stratach energii, które może sumować do 95%

Elektryczny

Od 1960 roku opracowano kilka technologii siłowników. Siłowniki elektryczne można podzielić na następujące grupy:

Siłownik elektromechaniczny

Przekształca siłę obrotową elektrycznego silnika obrotowego na ruch liniowy, aby wygenerować żądany ruch liniowy za pomocą mechanizmu albo paska (oś napędu pasowego z krokowym lub serwo) albo śruby (kulowej lub prowadzącej lub mechaniki planetarnej)

Głównymi zaletami siłowników elektromechanicznych jest ich stosunkowo dobry poziom dokładności względem pneumatyki, ich możliwa długa żywotność i niewielki nakład prac konserwacyjnych (może wymagać smarowania). Możliwe jest osiągnięcie stosunkowo dużej siły, rzędu 100 kN.

Głównym ograniczeniem tych siłowników jest osiągana prędkość, ważne wymiary i waga, jakiej wymagają. Podczas gdy główne zastosowanie takich siłowników obserwuje się głównie w urządzeniach opieki zdrowotnej i automatyzacji fabryk.

Siłownik elektrohydrauliczny

Innym podejściem jest siłownik elektrohydrauliczny , w którym silnik elektryczny pozostaje głównym napędem, ale zapewnia moment obrotowy do obsługi akumulatora hydraulicznego, który jest następnie używany do przenoszenia siły uruchamiającej w podobny sposób, w jaki silnik wysokoprężny /hydraulika są zwykle używane w ciężkim sprzęcie .

Energia elektryczna jest wykorzystywana do uruchamiania urządzeń, takich jak zawory wieloobrotowe lub zasilane elektrycznie urządzenia budowlane i do robót ziemnych.

W przypadku stosowania do sterowania przepływem płynu przez zawór, hamulec jest zwykle instalowany nad silnikiem, aby zapobiec wymuszeniem otwarcia zaworu przez ciśnienie płynu. Jeśli nie zainstalowano hamulca, aktywuje się siłownik, aby ponownie zamknąć zawór, który jest powoli ponownie otwierany siłą. Powoduje to oscylację (otwieranie, zamykanie, otwieranie...), a silnik i siłownik w końcu ulegną uszkodzeniu.

Silnik liniowy

Silniki liniowe różnią się od siłowników elektromechanicznych, działają na tej samej zasadzie, co elektryczne silniki obrotowe, w efekcie można je uznać za silnik obrotowy, który został pocięty i rozwinięty. Tak więc zamiast wywoływać ruch obrotowy, wytwarzają siłę liniową wzdłuż swojej długości. Ponieważ silniki liniowe powodują mniejsze straty tarcia niż inne urządzenia, niektóre produkty z silnikami liniowymi mogą wytrzymać ponad sto milionów cykli.

Silniki liniowe są podzielone na 3 podstawowe kategorie: płaskie silniki liniowe (klasyczne), silniki liniowe z kanałem U i silniki liniowe rurowe.

Technologia silników liniowych jest najlepszym rozwiązaniem w kontekście niskiego obciążenia (do 30 kg), ponieważ zapewnia najwyższy poziom prędkości, kontroli i dokładności.

W rzeczywistości reprezentuje najbardziej pożądaną i wszechstronną technologię. Ze względu na ograniczenia pneumatyki, obecna technologia siłowników elektrycznych jest realnym rozwiązaniem dla konkretnych zastosowań przemysłowych i została z powodzeniem wprowadzona w takich segmentach rynku, jak przemysł zegarmistrzowski, półprzewodnikowy i farmaceutyczny (aż 60% zastosowań). zainteresowanie tą technologią można wyjaśnić następującymi cechami:

• Wysoka precyzja (równa lub mniejsza niż 0,1 mm);
• Wysoka częstotliwość cykli (powyżej 100 cykli/min);
• Możliwość użytkowania w czystych i ściśle regulowanych środowiskach (nie dopuszcza się wycieków powietrza, wilgoci lub smarów);
•  Potrzeba programowalnego ruchu w sytuacji skomplikowanych operacji

Główne wady silników liniowych to:

• Są drogie w stosunku do pneumatyki i innych technologii elektrycznych.
• Nie są łatwe do zintegrowania ze standardowymi maszynami ze względu na ich duży rozmiar i dużą wagę.
• Mają niską gęstość siły w porównaniu z siłownikami pneumatycznymi i elektromechanicznymi.

Termiczny lub magnetyczny

W zastosowaniach komercyjnych stosowano siłowniki, które mogą być uruchamiane przez przyłożenie energii cieplnej lub magnetycznej do materiału w stanie stałym. Siłowniki termiczne mogą być wyzwalane przez temperaturę lub ogrzewanie dzięki efektowi Joule'a i zwykle są kompaktowe, lekkie, ekonomiczne i charakteryzują się wysoką gęstością mocy. Siłowniki te wykorzystują materiały z pamięcią kształtu, takie jak stopy z pamięcią kształtu (SMA) lub magnetyczne stopy z pamięcią kształtu (MSMA).

Mechaniczny

Mechaniczny siłownik wykonuje ruch poprzez przekształcenie jednego rodzaju ruchu, takiego jak ruch obrotowy , na inny rodzaj, na przykład ruch liniowy . Przykładem jest zębatka i zębnik . Działanie siłowników mechanicznych opiera się na kombinacjach elementów konstrukcyjnych, takich jak koła zębate i szyny czy koła pasowe i łańcuchy .

Drukowane w 3D miękkie siłowniki

Większość istniejących miękkich siłowników jest wytwarzana przy użyciu wieloetapowych procesów o niskiej wydajności, takich jak mikroformowanie, produkcja w formach stałych i litografia masek. Jednak metody te wymagają ręcznego wytwarzania urządzeń, obróbki końcowej/montażu i długich iteracji aż do osiągnięcia dojrzałości w produkcji. Aby uniknąć żmudnych i czasochłonnych aspektów obecnych procesów produkcyjnych, naukowcy badają odpowiednie podejście produkcyjne do efektywnego wytwarzania miękkich siłowników. Dlatego też specjalne miękkie systemy, które można wytworzyć w jednym kroku metodami szybkiego prototypowania, takimi jak drukowanie 3D , są wykorzystywane do zmniejszenia luki między projektowaniem a wdrażaniem miękkich siłowników, dzięki czemu proces jest szybszy, tańszy i prostszy. Umożliwiają również wbudowanie wszystkich elementów siłownika w jedną strukturę, eliminując potrzebę stosowania zewnętrznych złączy , klejów i łączników .

Siłowniki polimerowe z pamięcią kształtu (SMP) są najbardziej podobne do naszych mięśni, zapewniając reakcję na szereg bodźców, takich jak zmiany światła, energii elektrycznej, magnetyczne, ciepło, pH i wilgotność. Mają pewne niedociągnięcia, w tym zmęczenie i wysoki czas reakcji, które zostały ulepszone dzięki wprowadzeniu inteligentnych materiałów i połączeniu różnych materiałów za pomocą zaawansowanej technologii wytwarzania. Pojawienie się drukarek 3D otworzyło nową drogę do wytwarzania tanich i szybkich siłowników SMP. Proces odbierania bodźców zewnętrznych, takich jak ciepło, wilgoć, wejście elektryczne, światło lub pole magnetyczne przez SMP, określany jest mianem efektu pamięci kształtu (SME). SMP wykazuje pewne satysfakcjonujące cechy, takie jak niska gęstość, wysoki odzysk naprężeń, biokompatybilność i biodegradowalność .

Fotopolimer /polimery aktywowane światłem (LAP) to kolejny rodzaj SMP, które są aktywowane przez bodźce świetlne. Siłownikami LAP można sterować zdalnie z natychmiastową reakcją i bez fizycznego kontaktu, tylko przy zmianach częstotliwości lub natężenia światła.

Potrzeba miękkich, lekkich i biokompatybilnych miękkich siłowników w miękkiej robotyce wpłynęła na badaczy do opracowania miękkich siłowników pneumatycznych ze względu na ich wewnętrzną naturę podatności i zdolność do wytwarzania napięcia mięśniowego.

Polimery, takie jak elastomery dielektryczne (DE), jonowe polimerowe kompozyty metaliczne (IPMC), jonowe polimery elektroaktywne, żele polielektrolitowe i kompozyty żelowo -metalowe są powszechnymi materiałami do tworzenia warstwowych struktur 3D, które można dostosować do pracy jako miękkie siłowniki. Siłowniki EAP są klasyfikowane jako miękkie siłowniki drukowane w 3D, które reagują na wzbudzenie elektryczne jako odkształcenie kształtu.

Przykłady i zastosowania

W inżynierii siłowniki są często używane jako mechanizmy wprowadzające ruch lub zaciskające obiekt, aby zapobiec ruchowi. W elektronice siłowniki są pododdziałem przetworników . Są to urządzenia, które przetwarzają sygnał wejściowy (głównie sygnał elektryczny) na jakąś formę ruchu.

Przykłady siłowników

• Napęd grzebienia
• Cyfrowe urządzenie mikrolustra
• Silnik elektryczny
• Polimer elektroaktywny
• Cylinder hydrauliczny
• Siłownik piezoelektryczny
• Siłownik pneumatyczny
• Podnośnik śrubowy
• Serwomechanizm
• Elektrozawór
• Silnik krokowy
• Stop z pamięcią kształtu
• Bimorfizm termiczny
• Siłowniki hydrauliczne

Konwersja kołowa na liniową

Silniki są najczęściej używane, gdy potrzebne są ruchy okrężne, ale można je również stosować w zastosowaniach liniowych, przekształcając ruch okrężny w liniowy za pomocą śruby pociągowej lub podobnego mechanizmu. Z drugiej strony niektóre siłowniki są wewnętrznie liniowe, takie jak siłowniki piezoelektryczne. Konwersja między ruchem kołowym a liniowym jest zwykle dokonywana za pomocą kilku prostych typów mechanizmów, w tym:

• Śruba : Siłowniki śrubowe , śrubowe i rolkowe działają na zasadzie prostej maszyny zwanej śrubą. Obracając nakrętkę siłownika, wałek śruby porusza się po linii. Przesuwając wałek śruby, nakrętka się obraca.
• Koła i osie : Wciągnik , wciągarka , zębatkowy , napęd łańcuchowy , napęd taśmowy , sztywny łańcuch i sztywny pas siłowniki działają na zasadzie koła i oś. Obracając koło/oś (np. bęben , koło zębate , koło pasowe lub wał ) porusza się element liniowy (np. linka , zębatka, łańcuch lub pas ). Przesuwając element liniowy, koło/oś obraca się.

Oprzyrządowanie wirtualne

W wirtualnym oprzyrządowaniu siłowniki i czujniki są sprzętowym uzupełnieniem wirtualnych instrumentów.

Wskaźniki wydajności

Wskaźniki wydajności siłowników obejmują prędkość, przyspieszenie i siłę (alternatywnie prędkość kątową, przyspieszenie kątowe i moment obrotowy), a także efektywność energetyczną i czynniki, takie jak między innymi masa, objętość, warunki pracy i trwałość.

Zmuszać

Rozważając siłę w siłownikach do zastosowań, należy wziąć pod uwagę dwie główne metryki. Te dwa to obciążenia statyczne i dynamiczne. Obciążenie statyczne to siła działająca na siłownik, gdy nie jest w ruchu. Odwrotnie, dynamiczne obciążenie siłownika to zdolność siły podczas ruchu.

Prędkość

Prędkość należy rozpatrywać przede wszystkim w tempie bez obciążenia, ponieważ prędkość będzie zawsze spadać wraz ze wzrostem obciążenia. Tempo, w jakim prędkość będzie się zmniejszać, będzie bezpośrednio skorelowane z wielkością siły i prędkością początkową.

Warunki pracy

Siłowniki są zwykle oceniane przy użyciu standardowego systemu klasyfikacji IP Code . Te, które są przystosowane do niebezpiecznych środowisk, będą miały wyższą klasę IP niż te do użytku osobistego lub powszechnego użytku przemysłowego.

Trwałość

Będzie to ustalane przez każdego producenta indywidualnie, w zależności od zastosowania i jakości.

Zobacz też

Bibliografia