Линейный привод — это привод , который создает линейное движение (т. е. по прямой), в отличие от кругового движения обычного электродвигателя . Линейные приводы используются в станках и промышленном оборудовании, в компьютерных периферийных устройствах , таких как дисководы и принтеры, в клапанах и заслонках , а также во многих других местах, где требуется линейное движение. Гидравлические или пневматические цилиндры по своей сути производят линейное движение. Для создания линейного движения вращающимся двигателем используются многие другие механизмы.
Механические линейные приводы обычно работают путем преобразования вращательного движения в линейное. Преобразование обычно осуществляется с помощью нескольких простых типов механизмов:
Некоторые механические линейные приводы только тянут, например, подъемники, цепные и ременные приводы. Другие только толкают (например, кулачковый привод ). Пневматические и гидравлические цилиндры или ходовые винты могут быть спроектированы для создания силы в обоих направлениях.
Механические приводы обычно преобразуют вращательное движение ручки управления или рукоятки в линейное перемещение с помощью винтов и/или шестерен, к которым прикреплена ручка или рукоятка. Винтовой домкрат или автомобильный домкрат — это известный механический привод. Другое семейство приводов основано на сегментированном шпинделе . Вращение ручки домкрата механически преобразуется в линейное движение головки домкрата. Механические приводы также часто используются в области лазеров и оптики для управления положением линейных стадий , поворотных стадий , зеркальных креплений , гониометров и других позиционирующих инструментов. Для точного и повторяемого позиционирования на ручках управления могут использоваться индексные метки. Некоторые приводы включают в себя энкодер и цифровой считыватель положения. Они похожи на регулировочные ручки, используемые на микрометрах, за исключением того, что их целью является регулировка положения, а не измерение положения.
Гидравлические приводы или гидравлические цилиндры обычно включают в себя полый цилиндр, в который вставлен поршень. Несбалансированное давление, приложенное к поршню, создает силу, которая может перемещать внешний объект. Поскольку жидкости практически несжимаемы, гидравлический цилиндр может обеспечить контролируемое точное линейное перемещение поршня. Перемещение происходит только вдоль оси поршня. Знакомым примером ручного гидравлического привода является гидравлический автомобильный домкрат . Однако обычно термин «гидравлический привод» относится к устройству, управляемому гидравлическим насосом .
Пневматические приводы, или пневматические цилиндры , похожи на гидравлические приводы, за исключением того, что они используют сжатый воздух для создания силы вместо жидкости. Они работают аналогично поршню, в котором воздух закачивается внутрь камеры и выталкивается с другой стороны камеры. Воздушные приводы не обязательно используются для тяжелой техники и в случаях, когда присутствует большой вес. Одной из причин, по которой пневматические линейные приводы предпочтительнее других типов, является тот факт, что источником питания является просто воздушный компрессор. Поскольку источником входного сигнала является воздух, пневматические приводы можно использовать во многих местах механической активности. Недостатком является то, что большинство воздушных компрессоров большие, громоздкие и шумные. Их трудно транспортировать в другие места после установки. Пневматические линейные приводы, скорее всего, будут протекать, и это делает их менее эффективными, чем механические линейные приводы.
Пьезоэлектрический эффект — это свойство некоторых материалов, при котором приложение напряжения к материалу заставляет его расширяться. Очень высокие напряжения соответствуют лишь крошечным расширениям. В результате пьезоэлектрические приводы могут достигать чрезвычайно точного разрешения позиционирования, но также имеют очень короткий диапазон движения. Кроме того, пьезоэлектрические материалы проявляют гистерезис , что затрудняет контроль их расширения повторяющимся образом.
Электромеханические приводы похожи на механические приводы, за исключением того, что ручка управления или рукоятка заменены электродвигателем . Вращательное движение двигателя преобразуется в линейное перемещение. Электромеханические приводы также могут использоваться для питания двигателя, который преобразует электрическую энергию в механический крутящий момент . Существует множество конструкций современных линейных приводов, и каждая компания, которая их производит, как правило, имеет собственный метод. Ниже приводится обобщенное описание очень простого электромеханического линейного привода.
Обычно электродвигатель механически соединен для вращения ходового винта . Ходовой винт имеет непрерывную винтовую резьбу, нарезанную по его окружности по всей длине (аналогично резьбе на болте ). На ходовой винт навинчена ходовая гайка или шариковая гайка с соответствующей винтовой резьбой. Гайка не может вращаться ходовым винтом (обычно гайка блокируется с невращающейся частью корпуса привода). Когда ходовой винт вращается, гайка будет приводиться в движение по резьбе. Направление движения гайки зависит от направления вращения ходового винта. Соединив тяги с гайкой, движение можно преобразовать в полезное линейное перемещение. Большинство современных приводов рассчитаны на высокую скорость, большую силу или на компромисс между ними. При рассмотрении привода для конкретного применения наиболее важными характеристиками обычно являются ход, скорость, сила, точность и срок службы. Большинство разновидностей монтируются на заслонках или дроссельных заслонках. [3] [4]
Существует множество типов двигателей, которые можно использовать в системе линейного привода. К ним относятся двигатели постоянного тока с щеткой, бесщеточные двигатели постоянного тока, шаговые двигатели или, в некоторых случаях, даже асинхронные двигатели. Все зависит от требований к применению и нагрузок, для перемещения которых предназначен привод. Например, линейный привод, использующий встроенный асинхронный двигатель переменного тока мощностью в лошадиных силах, приводящий в движение ходовой винт, может использоваться для управления большим клапаном на нефтеперерабатывающем заводе. В этом случае точность и высокое разрешение перемещения не требуются, но требуются высокая сила и скорость. Для электромеханических линейных приводов, используемых в лабораторной приборной робототехнике, оптическом и лазерном оборудовании или столах XY, высокое разрешение в микронном диапазоне и высокая точность могут потребовать использования линейного привода с шаговым двигателем дробной мощности и ходовым винтом с малым шагом. Существует множество разновидностей электромеханической линейной приводной системы. Крайне важно понимать требования к конструкции и ограничения применения, чтобы знать, какой из них будет лучшим.
Линейный привод, использующий стандартные двигатели, обычно имеет двигатель в виде отдельного цилиндра, прикрепленного к боковой стороне привода, либо параллельно приводу, либо перпендикулярно приводу. Двигатель может быть прикреплен к концу привода. Приводной двигатель имеет типичную конструкцию с цельным приводным валом, который соединен с приводной гайкой или приводным винтом привода.
Компактные линейные приводы используют специально разработанные двигатели, которые стремятся вписать двигатель и привод в максимально компактную форму.
В большинстве конструкций линейных приводов основным принципом работы является принцип наклонной плоскости . Резьба ходового винта действует как непрерывная рампа, которая позволяет использовать небольшую вращательную силу на большом расстоянии для перемещения большой нагрузки на короткое расстояние. Источником питания является двигатель постоянного или переменного тока. Типичный двигатель — 12 В постоянного тока, но доступны и другие напряжения. Приводы имеют переключатель для изменения полярности двигателя, что заставляет привод менять свое движение.
Скорость и сила привода зависят от его редуктора. Величина силы зависит от скорости привода. Более низкие скорости обеспечивают большую силу, поскольку скорость двигателя и сила постоянны.
Одним из основных отличий между приводами является их ход, который определяется длиной винта и вала. Скорость зависит от шестерен, которые соединяют двигатель с винтом.
Механизм остановки хода привода — это концевой или микровыключатель, который можно увидеть на изображении ниже. Микровыключатели расположены в верхней и нижней части вала и срабатывают при движении винта вверх и вниз.
Было создано много вариаций базовой конструкции. Большинство из них сосредоточены на предоставлении общих улучшений, таких как более высокая механическая эффективность, скорость или грузоподъемность. Существует также большое инженерное движение в сторону миниатюризации приводов.
Большинство электромеханических конструкций включают ходовой винт и ходовую гайку. Некоторые используют шариковый винт и шариковую гайку. В любом случае винт может быть соединен с двигателем или ручкой ручного управления либо напрямую, либо через ряд шестерен. Шестерни обычно используются для того, чтобы позволить меньшему (и более слабому) двигателю, вращающемуся с более высокой скоростью вращения, быть пониженным, чтобы обеспечить крутящий момент, необходимый для вращения винта под более тяжелой нагрузкой, чем двигатель мог бы в противном случае управлять напрямую. Фактически это жертвует скоростью привода в пользу увеличенной тяги привода. В некоторых приложениях распространено использование червячной передачи , поскольку это позволяет уменьшить встроенный размер, по-прежнему обеспечивая большую длину хода.
Линейный привод с подвижной гайкой имеет двигатель, который прикреплен к одному концу ходового винта (возможно, косвенно через редуктор), двигатель вращает ходовой винт, а ходовая гайка удерживается от вращения, поэтому она перемещается вверх и вниз по ходовому винту.
Линейный привод с ходовым винтом имеет ходовой винт, который полностью проходит через двигатель. В линейном приводе с ходовым винтом двигатель «ползает» вверх и вниз по ходовому винту, который удерживается от вращения. Единственные вращающиеся части находятся внутри двигателя и могут быть не видны снаружи.
Некоторые ходовые винты имеют несколько «заходов». Это означает, что они имеют несколько нитей, чередующихся на одном и том же валу. Один из способов наглядно представить это — сравнить это с несколькими цветными полосками на леденце. Это позволяет лучше регулировать шаг резьбы и контактную поверхность резьбы гайки/винта, что определяет скорость выдвижения и грузоподъемность (резьбы) соответственно.
Линейные винтовые приводы могут иметь статическую грузоподъемность, что означает, что когда двигатель останавливается, привод по существу фиксируется на месте и может выдерживать нагрузку, которая либо тянет, либо толкает привод. Эта статическая грузоподъемность увеличивает мобильность и скорость.
Тормозное усилие привода меняется в зависимости от углового шага резьбы винта и конкретной конструкции резьбы. Резьба Acme имеет очень высокую статическую грузоподъемность, в то время как шариковые винты имеют чрезвычайно низкую грузоподъемность и могут быть почти свободно плавающими.
Как правило, невозможно изменять статическую грузоподъемность винтовых приводов без дополнительных технологий. Шаг резьбы винта и конструкция гайки привода определяют определенную грузоподъемность, которая не может быть динамически отрегулирована.
В некоторых случаях в линейные винтовые приводы можно добавлять смазку высокой вязкости для увеличения статической нагрузки. Некоторые производители используют это для изменения нагрузки в соответствии с конкретными потребностями.
Статическая грузоподъемность может быть добавлена к линейному винтовому приводу с помощью электромагнитной тормозной системы, которая прикладывает трение к вращающейся гайке привода. Например, пружина может использоваться для приложения тормозных колодок к гайке привода, удерживая ее в положении при отключении питания. Когда привод необходимо переместить, электромагнит противодействует пружине и снимает тормозное усилие с гайки привода.
Аналогично электромагнитный храповой механизм может использоваться с линейным винтовым приводом, так что приводная система, поднимающая груз, будет фиксироваться в положении, когда питание привода будет отключено. Чтобы опустить привод, используется электромагнит, который противодействует силе пружины и разблокирует храповик.
Динамическая грузоподъемность обычно определяется как величина силы, которую линейный привод способен обеспечить во время работы. Эта сила будет зависеть от типа винта (величина трения, ограничивающего движение) и двигателя, приводящего движение. Динамическая нагрузка — это показатель, по которому классифицируется большинство приводов, и является хорошим показателем того, для каких приложений он подойдет лучше всего.
В большинстве случаев при использовании электромеханического привода предпочтительнее иметь какой-либо тип управления скоростью. Такие контроллеры изменяют напряжение, подаваемое на двигатель, что в свою очередь изменяет скорость вращения ходового винта. Регулировка передаточного отношения — еще один способ регулировки скорости. Некоторые приводы доступны с несколькими различными вариантами передач.
Рабочий цикл двигателя относится к количеству времени, в течение которого привод может работать до того, как ему понадобится охлаждение. Соблюдение этого правила при эксплуатации привода является ключом к его долговечности и производительности. Если номинальный рабочий цикл превышен, возникает риск перегрева, потери мощности и возможного возгорания двигателя.
Линейный двигатель функционально такой же, как и роторный электродвигатель, с ротором и статорными компонентами кругового магнитного поля, расположенными по прямой линии. В то время как роторный двигатель вращался бы вокруг и повторно использовал бы те же самые магнитные полюсные поверхности снова, структуры магнитного поля линейного двигателя физически повторяются по всей длине привода.
Поскольку двигатель движется линейно, для преобразования вращательного движения в линейное не требуется ходовой винт. Хотя возможна высокая производительность, ограничения по материалу и/или двигателю в большинстве конструкций преодолеваются относительно быстро из-за зависимости исключительно от сил магнитного притяжения и отталкивания. Большинство линейных двигателей имеют низкую грузоподъемность по сравнению с другими типами линейных приводов. Линейные двигатели имеют преимущество в наружных или грязных средах, поскольку двум половинам не нужно контактировать друг с другом, и поэтому электромагнитные катушки привода могут быть водонепроницаемыми и герметизированными от влаги и коррозии, что обеспечивает очень долгий срок службы. Линейные двигатели широко используются в высокопроизводительных системах позиционирования для приложений, которые требуют различных комбинаций высокой скорости, высокой точности и высокой силы.
Телескопические линейные приводы — это специализированные линейные приводы, используемые в условиях ограниченного пространства. Диапазон их движения во много раз превышает нерастянутую длину исполнительного элемента.
Распространенная форма состоит из концентрических трубок примерно одинаковой длины, которые выдвигаются и втягиваются как рукава, один внутри другого, например, телескопический цилиндр .
Другие более специализированные телескопические приводы используют исполнительные элементы, которые действуют как жесткие линейные валы при выдвижении, но разрывают эту линию путем складывания, разделения на части и/или разматывания при втягивании. Примеры телескопических линейных приводов включают:
