Привод — это компонент машины , который создает силу , крутящий момент или смещение , обычно контролируемым образом, когда к нему в системе (называемой приводной системой ) подается электрический , пневматический или гидравлический входной сигнал . [1] Исполнительный механизм преобразует такой входной сигнал в необходимую форму механической энергии . Это тип преобразователя . [2] Говоря простым языком, это «движитель».
Для привода требуется устройство управления (управляемое управляющим сигналом ) и источник энергии . Управляющий сигнал имеет относительно низкую энергию и может представлять собой электрическое напряжение или ток, давление пневматической или гидравлической жидкости или даже энергию человека. [3] В электрическом , гидравлическом и пневматическом смысле это форма автоматизации или автоматического управления .
Достигаемое смещение обычно является линейным или вращательным, как показано на примере линейных и роторных двигателей соответственно. Вращательное движение более естественно для небольших машин, имеющих большие перемещения. С помощью ходового винта вращательное движение можно адаптировать для работы в качестве линейного привода (линейное движение, но не линейный двигатель).
Другая широкая классификация приводов разделяет их на два типа: приводы с инкрементальным приводом и приводы с непрерывным приводом. Шаговые двигатели представляют собой один из типов приводов с инкрементным приводом. Примеры приводов с непрерывным приводом включают моментные двигатели постоянного тока , асинхронные двигатели , гидравлические и пневматические двигатели , а также поршневые приводы (плунжеры). [4]
Мягкий привод — это тот, который меняет свою форму в ответ на раздражители, в том числе механические, термические, магнитные и электрические. Мягкие приводы в основном предназначены для робототехники людей, а не для промышленности, для которой используется большинство приводов. Для большинства приводов они механически долговечны, но не обладают способностью адаптироваться по сравнению с мягкими приводами. Мягкие приводы применяются в основном для обеспечения безопасности и здравоохранения людей, поэтому они могут адаптироваться к окружающей среде, разбирая свои части. [5] Вот почему движущая энергия мягких приводов связана с гибкими материалами, такими как некоторые полимеры и жидкости, которые безвредны для человека.
Гидравлический привод состоит из цилиндра или гидромотора, который использует гидравлическую энергию для облегчения механического управления. Механическое движение дает результат в виде линейного, вращательного или колебательного движения. Поскольку жидкости практически невозможно сжать, гидравлический привод может оказывать большую силу. Недостатком этого подхода является ограниченное ускорение.
Гидроцилиндр состоит из полой цилиндрической трубки, по которой может скользить поршень. Термин одностороннего действия используется, когда давление жидкости прикладывается только к одной стороне поршня. Поршень может двигаться только в одном направлении, при этом для обратного хода поршня часто используется пружина. Термин двойного действия используется, когда давление прикладывается к каждой стороне поршня; любая разница в силе между двумя сторонами поршня перемещает поршень в ту или иную сторону. [6]
Пневматические приводы позволяют создавать значительные усилия при относительно небольших изменениях давления. Пневматическая энергия желательна для органов управления главным двигателем, поскольку она может быстро реагировать на запуск и остановку, поскольку источник энергии не нужно хранить в резерве для работы. Более того, пневматические приводы дешевле и зачастую мощнее других приводов. Эти силы часто используются в клапанах для перемещения диафрагмы и воздействия на поток воздуха через клапан. [7] [8]
Преимущество пневмоприводов заключается именно в высоком уровне силы, имеющейся в сравнительно небольшом объеме. При этом основной недостаток технологии заключается в необходимости создания сети сжатого воздуха, состоящей из нескольких компонентов, таких как компрессоры, резервуары, фильтры, осушители, подсистемы очистки воздуха, клапаны, трубки и т. д., что делает технологию энергетически неэффективной с потерями энергии, которые может в сумме достигать 95%
С 1960 года было разработано несколько технологий приводов. Электрические приводы можно разделить на следующие группы:
Он преобразует вращательную силу электродвигателя в линейное движение для создания требуемого линейного движения с помощью механизма; либо ремень (ось ременной передачи с шаговым двигателем или сервоприводом), либо винт (шариковый, ходовой или планетарный роликовый винт).
Основными преимуществами электромеханических приводов являются их относительно хороший уровень точности по сравнению с пневматическими, возможный длительный срок службы и небольшие затраты на техническое обслуживание (может потребоваться смазка). Можно достичь относительно высокой силы, порядка 100 кН.
Основным ограничением этих приводов являются достижимая скорость, необходимые им размеры и вес. Основное применение таких приводов в основном наблюдается в устройствах здравоохранения и автоматизации производства.
Другой подход — электрогидравлический привод , в котором электродвигатель остается основным двигателем, но обеспечивает крутящий момент для работы гидравлического аккумулятора , который затем используется для передачи силы срабатывания почти так же, как дизельный двигатель/гидравлика обычно используются в тяжелом оборудовании .
Электрическая энергия используется для приведения в действие такого оборудования, как многооборотные клапаны или электрическое строительное и землеройное оборудование.
При использовании для управления потоком жидкости через клапан над двигателем обычно устанавливается тормоз, чтобы давление жидкости не привело к принудительному открытию клапана. Если тормоз не установлен, привод активируется для повторного закрытия клапана, который снова медленно открывается. Это приводит к возникновению колебаний (открытие, закрытие, открытие...), что в конечном итоге приводит к повреждению двигателя и привода. [9]
Линейные двигатели отличаются от электромеханических приводов: они работают по тому же принципу, что и электрические роторные двигатели, по сути, их можно рассматривать как разрезанный и развернутый роторный двигатель. Таким образом, вместо того, чтобы производить вращательное движение, они создают линейную силу по своей длине. Поскольку линейные двигатели вызывают меньшие потери на трение, чем другие устройства, некоторые линейные двигатели могут работать более ста миллионов циклов.
Линейные двигатели делятся на 3 основные категории: плоские линейные двигатели (классические), U-образные линейные двигатели и трубчатые линейные двигатели.
Технология линейного двигателя является лучшим решением при низкой нагрузке (до 30 кг), поскольку она обеспечивает высочайший уровень скорости, контроля и точности.
Фактически, это самая востребованная и универсальная технология. Из-за ограничений пневматики нынешняя технология электрических приводов является жизнеспособным решением для конкретных промышленных применений и успешно внедряется в таких сегментах рынка, как часовая, полупроводниковая и фармацевтическая промышленность (до 60% применений). Интерес к этой технологии можно объяснить следующими характеристиками:
Основными недостатками линейных двигателей являются:
Роторные двигатели — это приводы, которые используют часть энергии для формирования колебательного движения под определенным углом движения. [10] Поворотные приводы могут вращаться на 360 градусов. Это отличает его от линейного двигателя, поскольку линейный двигатель привязан к заданному расстоянию по сравнению с роторным двигателем. Роторные двигатели можно устанавливать под любым углом в поле, что упрощает настройку устройства, сохраняя при этом долговечность и заданный крутящий момент.
Роторные двигатели могут приводиться в действие тремя различными способами: электрическим, гидравлическим или ручным. [11] Однако поворотные приводы с гидроприводом состоят из 5 подразделов приводов, таких как кулисный механизм, лопастной, реечный, винтовой и электрогидравлический. Все формы имеют свой особый дизайн и использование, позволяющее выбирать несколько углов наклона.
Области применения поворотных приводов практически безграничны, но, скорее всего, они будут применяться в основном к устройствам и отраслям, работающим под гидравлическим давлением. Поворотные приводы используются даже в области робототехники, когда роботы-манипуляторы используются на промышленных линиях. Все, что вы видите, связанное с системами управления движением для выполнения технологических задач, вполне может оказаться поворотным приводом. [11]
Приводы, которые можно приводить в действие путем приложения тепловой или магнитной энергии к твердотельному материалу, используются в коммерческих целях. Термальные приводы могут срабатывать от температуры или нагрева за счет эффекта Джоуля и, как правило, компактны, легки, экономичны и обладают высокой удельной мощностью. В этих приводах используются материалы с памятью формы, такие как сплавы с памятью формы (SMA) или магнитные сплавы с памятью формы (MSMA). [12]
Механический привод выполняет функцию перемещения путем преобразования одного вида движения, например вращательного движения , в другой вид, например линейное движение . Примером может служить реечная передача . Работа механических приводов основана на сочетании конструктивных компонентов, таких как шестерни и рельсы или шкивы и цепи .
Большинство существующих мягких приводов изготавливаются с использованием многоэтапных низкопроизводительных процессов, таких как микроформование, [13] изготовление твердых изделий произвольной формы, [14] и масочная литография. [15] Однако эти методы требуют ручного изготовления устройств, последующей обработки/сборки и длительных итераций до достижения зрелости производства. Чтобы избежать утомительных и трудоемких аспектов текущих процессов изготовления, исследователи изучают подходящий производственный подход для эффективного изготовления мягких приводов. Поэтому специальные мягкие системы, которые можно изготовить за один этап с помощью методов быстрого прототипирования, таких как 3D-печать , используются для сокращения разрыва между разработкой и реализацией мягких приводов, что делает процесс быстрее, дешевле и проще. Они также позволяют объединить все компоненты привода в единую конструкцию, устраняя необходимость использования внешних соединений , клеев и крепежных элементов .
Приводы из полимера с памятью формы (SMP) наиболее похожи на наши мышцы и обеспечивают реакцию на ряд раздражителей , таких как световые, электрические, магнитные, тепловые, pH и изменения влажности. У них есть некоторые недостатки, включая усталость и высокое время отклика, которые были улучшены за счет внедрения интеллектуальных материалов и комбинации различных материалов с помощью передовых технологий изготовления. Появление 3D-принтеров открыло новый путь для изготовления недорогих и быстродействующих приводов SMP. Процесс получения внешних раздражителей, таких как тепло, влага, электрический ток, свет или магнитное поле, с помощью SMP, называется эффектом памяти формы (SME). SMP обладает некоторыми полезными свойствами, такими как низкая плотность, высокая степень восстановления после деформации, биосовместимость и биоразлагаемость .
Фотополимеры или светоактивируемые полимеры (LAP) — это еще один тип СМП, который активируется световыми раздражителями. Приводами LAP можно управлять дистанционно с мгновенной реакцией и без какого-либо физического контакта, только с изменением частоты или интенсивности света.
Потребность в мягких, легких и биосовместимых мягких приводах в мягкой робототехнике побудила исследователей разработать мягкие пневматические приводы из-за их внутренней податливости и способности вызывать мышечное напряжение.
Полимеры, такие как диэлектрические эластомеры (DE), ионные полимерно-металлические композиты (IPMC), ионные электроактивные полимеры, полиэлектролитные гели и гель-металлические композиты, являются распространенными материалами для формирования трехмерных слоистых структур, которые можно адаптировать для работы в качестве мягких приводов. Приводы EAP относятся к категории мягких приводов, напечатанных на 3D-принтере, которые реагируют на электрическое возбуждение деформацией своей формы.
В технике приводы часто используются в качестве механизмов для создания движения или зажима объекта, чтобы предотвратить движение. [16] В электронной технике исполнительные механизмы представляют собой подразделение преобразователей. Это устройства, которые преобразуют входной сигнал (в основном электрический сигнал) в некоторую форму движения.
Двигатели в основном используются, когда необходимы круговые движения, но их также можно использовать для линейных применений путем преобразования кругового движения в линейное с помощью ходового винта или аналогичного механизма. С другой стороны, некоторые приводы по своей природе линейны, например пьезоэлектрические приводы. Преобразование между круговым и линейным движением обычно осуществляется с помощью нескольких простых типов механизмов, в том числе:
В виртуальных приборах исполнительные механизмы и датчики являются аппаратными дополнениями виртуальных приборов.
Показатели производительности приводов включают скорость, ускорение и силу (альтернативно, угловую скорость, угловое ускорение и крутящий момент), а также энергоэффективность и такие факторы, как масса, объем, условия эксплуатации и долговечность, среди прочего.
При рассмотрении силы в приводах для различных применений следует учитывать два основных показателя. Это две статические и динамические нагрузки. Статическая нагрузка — это допустимая нагрузка привода, когда он не находится в движении. И наоборот, динамическая нагрузка привода — это допустимая сила во время движения.
Скорость следует рассматривать в первую очередь в темпе без нагрузки, поскольку скорость будет неизменно снижаться по мере увеличения объема нагрузки. Скорость уменьшения скорости будет напрямую коррелировать с величиной силы и начальной скоростью.
Приводы обычно оцениваются с использованием стандартной системы оценки IP-кода . Те, которые рассчитаны на работу в опасных средах, будут иметь более высокий рейтинг IP, чем те, которые предназначены для личного или обычного промышленного использования.
Это будет определяться каждым отдельным производителем в зависимости от использования и качества.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )