Исполнительный механизм — это компонент машины , который производит силу , крутящий момент или перемещение , обычно контролируемым образом, когда на него подается электрический , пневматический или гидравлический вход в системе (называемой исполнительной системой ). [1] Исполнительный механизм преобразует такой входной сигнал в требуемую форму механической энергии . Это тип преобразователя . [2] Проще говоря, это «движитель».
Исполнительный механизм требует устройства управления (управляемого сигналом управления ) и источника энергии . Сигнал управления имеет относительно низкую энергию и может быть электрическим напряжением или током, пневматическим или гидравлическим давлением жидкости или даже человеческой силой. [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 двигателей и роторных двигателей соответственно. Вращательное движение более естественно для небольших машин, создающих большие смещения. С помощью ходового винта вращательное движение может быть адаптировано для работы в качестве линейного привода (линейное движение, но не линейный двигатель).
Другая широкая классификация приводов делит их на два типа: приводы с инкрементальным приводом и приводы с непрерывным приводом. Шаговые двигатели являются одним из типов приводов с инкрементальным приводом. Примерами приводов с непрерывным приводом являются двигатели постоянного тока с крутящим моментом , асинхронные двигатели , гидравлические и пневматические двигатели и поршневые цилиндровые приводы (тараны). [4]
Исполнительный механизм может быть просто механизмом , который напрямую приводится в действие движениями или силами других частей системы. Примером являются распределительные валы , которые приводят в действие впускные и выпускные клапаны в двигателях внутреннего сгорания , приводимые в действие самим двигателем. Другим примером является механизм, который отбивает часы в традиционных напольных часах или часах с кукушкой .
Гидравлический привод обычно использует давление жидкости (обычно масла), чтобы заставить поршень скользить внутри полой цилиндрической трубки линейно, вращательно или колебательно . В приводе одинарного действия давление жидкости прикладывается только к одной стороне поршня, так что оно прикладывает полезную силу только в одном направлении. Противоположное движение может осуществляться пружиной, силой тяжести или другими силами, присутствующими в системе. В приводе двойного действия обратный ход осуществляется давлением жидкости, приложенным к противоположной стороне поршня. [5]
Поскольку жидкости практически невозможно сжать, гидравлический привод может оказывать большое усилие. Недостатком этого подхода является его ограниченное ускорение. Они быстро реагируют на изменения входных данных, имеют небольшую инерцию, могут работать непрерывно в относительно большом рабочем диапазоне и могут удерживать свое положение без существенного ввода энергии.
Гидравлический привод может использоваться для перемещения зубчатой рейки реечного механизма, заставляя шестерню вращаться. Такая конструкция используется, например, для управления клапанами в трубопроводах и других промышленных установках транспортировки жидкостей. [6]
Пневматический привод похож на гидравлический, но использует газ (обычно воздух) вместо жидкости. [8] [9] По сравнению с гидравлическими приводами пневматические менее сложны, поскольку им не нужны трубы для возврата и рециркуляции рабочей жидкости. С другой стороны, им все еще нужна внешняя инфраструктура, такая как компрессоры, резервуары, фильтры и подсистемы обработки воздуха, что часто делает их менее удобными, чем электрические и электромеханические приводы.
В первых паровых двигателях и во всех паровозах давление пара использовалось для приведения в действие пневматических приводов, создающих возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение с помощью своего рода кривошипно-шатунного механизма.
С 1960 года было разработано несколько технологий приводов. Электроприводы можно разделить на следующие группы:
Электромеханический привод (ЭМА) использует механические средства для преобразования вращательной силы обычного (вращательного) электродвигателя в линейное движение. Механизм может быть зубчатым ремнем или винтом (шариковым, ходовым винтом или планетарным роликовым винтом).
Основными преимуществами электромеханических приводов являются их относительно высокий уровень точности по сравнению с пневматикой, их возможный длительный срок службы и небольшие затраты на техническое обслуживание (может потребоваться смазка). Возможно достижение относительно высокого усилия, порядка 100 кН.
Основным ограничением этих приводов являются достижимая скорость, важные размеры и вес, которые им требуются. Основное применение таких приводов в основном наблюдается в медицинских устройствах и автоматизации производства.
Другой подход — электрогидравлический привод , в котором электродвигатель остается первичным двигателем, но обеспечивает крутящий момент для работы гидравлического аккумулятора , который затем используется для передачи усилия привода во многом таким же образом, как дизельный двигатель/гидравлика обычно используются в тяжелом оборудовании .
Электроэнергия используется для приведения в действие такого оборудования, как многооборотные клапаны или электроприводное строительное и землеройное оборудование.
При использовании для управления потоком жидкости через клапан тормоз обычно устанавливается над двигателем, чтобы предотвратить принудительное открытие клапана давлением жидкости. Если тормоз не установлен, привод активируется для повторного закрытия клапана, который медленно принудительно открывается снова. Это создает колебания (открывается, закрывается, открывается ...), и двигатель и привод в конечном итоге выходят из строя. [10]
Электрические вращающиеся приводы используют вращающийся двигатель для поворота целевой детали на определенный угол. [11] Вращающиеся приводы могут иметь вращение до 360 градусов. Это позволяет им отличаться от линейного двигателя, поскольку линейный двигатель привязан к заданному расстоянию по сравнению с вращающимся двигателем. Вращающиеся двигатели имеют возможность устанавливаться на любой заданный градус в поле, что упрощает настройку устройства, сохраняя при этом долговечность и заданный крутящий момент.
Роторные двигатели могут быть приведены в действие тремя различными способами, такими как электрический, гидравлический или ручной. [12] Однако, роторные приводы с гидравлическим приводом имеют 5 подсекций приводов, таких как кулисный, лопастной, реечный, винтовой и электрогидравлический. Все формы имеют свою собственную специфическую конструкцию и применение, что позволяет выбирать несколько углов градусов.
Применения для вращающихся приводов практически безграничны, но, скорее всего, будут найдены в основном в устройствах и отраслях с гидравлическим давлением. Вращающиеся приводы используются даже в области робототехники, когда вы видите роботизированные руки в промышленных линиях. Все, что вы видите, что связано с системами управления движением для выполнения задачи в технологии, имеет хорошие шансы быть вращающимся приводом. [12]
Линейный электропривод использует линейный двигатель , который можно представить как вращающийся электродвигатель, который был разрезан и развернут. Таким образом, вместо создания вращательного движения он создает линейную силу вдоль своей длины. Поскольку он обычно имеет меньшие потери на трение, чем альтернативы, линейный электропривод может выдерживать более ста миллионов циклов.
Линейные двигатели делятся на 3 основные категории: плоские линейные двигатели (классические), линейные двигатели с U-образным каналом и трубчатые линейные двигатели.
Технология линейных двигателей является наилучшим решением в условиях низкой нагрузки (до 30 кг), поскольку она обеспечивает высочайший уровень скорости, контроля и точности.
Фактически, это наиболее востребованная и универсальная технология. Из-за ограничений пневматики, текущая технология электропривода является жизнеспособным решением для конкретных промышленных применений и была успешно внедрена в таких сегментах рынка, как часовая, полупроводниковая и фармацевтическая промышленность (до 60% применений). Растущий интерес к этой технологии можно объяснить следующими характеристиками:
Основными недостатками линейных двигателей являются:
Привод может приводиться в действие теплом за счет расширения, которое большинство твердых материалов проявляют при повышении температуры. Этот принцип обычно используется, например, для управления электрическими переключателями в термостатах . Обычно (неэлектронный) термостат содержит полосу с двумя слоями разных металлов, которые будут изгибаться при нагревании.
Тепловые приводы также могут использовать свойства сплавов с эффектом памяти формы . [13]
Некоторые приводы приводятся в действие внешними магнитными полями . Обычно они содержат детали из ферромагнитных материалов, которые сильно притягиваются друг к другу, когда намагничиваются внешним полем. Примером являются герконовые переключатели , которые могут использоваться в качестве датчиков открытия дверей в системе безопасности здания .
В качестве альтернативы в магнитных приводах могут использоваться магнитные сплавы с эффектом памяти формы .
Мягкий привод изготовлен из гибкого материала, который меняет свою форму в ответ на стимулы, включая механические, тепловые, магнитные и электрические. Мягкие приводы в основном имеют дело с робототехникой людей, а не с промышленностью, для которой используется большинство приводов. Для большинства приводов они механически прочны, но не обладают способностью адаптироваться по сравнению с мягкими приводами. Мягкие приводы применяются в основном для обеспечения безопасности и здравоохранения для людей, поэтому они способны адаптироваться к окружающей среде, разбирая свои части. [14] Вот почему движущая сила мягких приводов имеет дело с гибкими материалами, такими как некоторые полимеры и жидкости, которые безвредны.
Большинство существующих мягких приводов изготавливаются с использованием многоступенчатых процессов с низким выходом, таких как микроформовка, [15] изготовление твердых свободных форм, [16] и масочная литография. [17] Однако эти методы требуют ручного изготовления устройств, постобработки/сборки и длительных итераций до достижения зрелости в изготовлении. Чтобы избежать утомительных и трудоемких аспектов текущих процессов изготовления, исследователи изучают подходящий производственный подход для эффективного изготовления мягких приводов. Поэтому специальные мягкие системы, которые могут быть изготовлены за один шаг с помощью методов быстрого прототипирования, таких как 3D-печать , используются для сокращения разрыва между проектированием и реализацией мягких приводов, делая процесс более быстрым, менее дорогим и простым. Они также позволяют включать все компоненты привода в единую структуру, устраняя необходимость использования внешних соединений , клеев и крепежей .
Приводы из полимера с эффектом памяти формы (SMP) наиболее похожи на наши мышцы, обеспечивая реакцию на ряд стимулов, таких как свет, электричество, магнитное поле, тепло, изменение pH и 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 передовой технологии изготовления. Появление 3D-принтеров открыло новый путь для изготовления недорогих и быстродействующих приводов SMP. Процесс получения внешних стимулов, таких как тепло, влажность, электрический вход, свет или магнитное поле, с помощью SMP называется эффектом памяти формы (SME). SMP демонстрирует некоторые полезные особенности, такие как низкая плотность, высокая степень восстановления после деформации, биосовместимость и биоразлагаемость .
Фотополимеры или полимеры, активируемые светом (LAP), являются другим типом SMP, которые активируются световыми стимулами. Приводы LAP могут управляться дистанционно с мгновенным откликом и без какого-либо физического контакта, только с помощью изменения частоты или интенсивности света.
Потребность в мягких, легких и биосовместимых мягких приводах в мягкой робототехнике побудила исследователей разработать пневматические мягкие 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 3D-слоистых структур, которые могут быть адаптированы для работы в качестве мягких актуаторов. Актуаторы EAP классифицируются как 3D-печатные мягкие актуаторы, которые реагируют на электрическое возбуждение деформацией своей формы.
В инженерии приводы часто используются как механизмы для введения движения или для зажима объекта с целью предотвращения движения. [18] В электронной инженерии приводы являются подразделением преобразователей. Это устройства, которые преобразуют входной сигнал (в основном электрический сигнал ) в некоторую форму движения.
Двигатели в основном используются, когда необходимы круговые движения, но также могут использоваться для линейных приложений путем преобразования кругового движения в линейное с помощью ходового винта или аналогичного механизма. С другой стороны, некоторые приводы являются по своей сути линейными, например, пьезоэлектрические приводы. Преобразование кругового движения в линейное обычно осуществляется с помощью нескольких простых типов механизмов, включая:
В виртуальном приборостроении исполнительные механизмы и датчики являются аппаратными дополнениями виртуальных приборов.
Показатели производительности приводов включают в себя 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 прочих.
При рассмотрении силы в приводах для приложений следует учитывать два основных показателя. Это статические и динамические нагрузки. Статическая нагрузка — это сила, которую способен развить привод, когда он не находится в движении. И наоборот, динамическая нагрузка привода — это сила, которую способен развить привод, когда он находится в движении.
Скорость следует рассматривать в первую очередь в темпе без нагрузки, поскольку скорость будет неизменно уменьшаться по мере увеличения величины нагрузки. Скорость уменьшения скорости будет напрямую коррелировать с величиной силы и начальной скоростью.
Приводы обычно оцениваются с использованием стандартной системы рейтинга IP Code . Те, которые рассчитаны на опасные среды, будут иметь более высокий рейтинг IP, чем те, которые предназначены для личного или общего промышленного использования.
Это будет определяться каждым отдельным производителем в зависимости от условий эксплуатации и качества.
