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 делит их на два типа: приводы с инкрементным 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]
Исполнительный механизм может быть просто механизмом , который напрямую приводится в движение движениями или силами других частей системы. Примером могут служить распределительные валы , приводящие в движение впускные и выпускные клапаны в двигателях внутреннего сгорания , приводимые в движение 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 в линейном, вращательном или колебательном движении. В приводе одностороннего действия давление жидкости прикладывается только к одной стороне поршня, поэтому полезная сила применяется только в одном направлении. Противоположное движение может быть вызвано пружиной, силой тяжести или другими силами, присутствующими в системе. В приводе двойного действия обратный ход приводится в движение давлением жидкости, приложенным к противоположной стороне поршня. [5]
Поскольку жидкости практически невозможно сжать, гидравлический привод может оказывать большую силу. Недостатком этого подхода является ограниченное ускорение. Они быстро реагируют на изменения входных данных, имеют небольшую инерцию, могут работать непрерывно в относительно большом рабочем диапазоне и удерживать свое положение без каких-либо значительных затрат энергии.
Гидравлический привод можно использовать для смещения рейки реечного механизма , вызывая вращение шестерни. Такое устройство используется, например, для управления клапанами в трубопроводах и других установках для транспортировки промышленных жидкостей. [6]
Пневматический привод аналогичен гидравлическому, но вместо жидкости использует газ (обычно воздух). [8] [9] По сравнению с гидроприводами пневматические менее сложны, поскольку не требуют труб для возврата и рециркуляции рабочей жидкости. С другой стороны, им по-прежнему нужна внешняя инфраструктура, такая как компрессоры, резервуары, фильтры и подсистемы очистки воздуха, что часто делает их менее удобными, чем электрические и электромеханические приводы.
В первых паровых машинах и во всех паровозах давление пара используется для приведения в действие пневматических приводов для создания возвратно-поступательного движения, которое преобразуется во вращательное движение с помощью какого-либо механизма коленчатого вала .
С 1960 года было разработано несколько технологий приводов. Электрические приводы можно разделить на следующие группы:
Электромеханический привод (ЭМА) использует механические средства для преобразования вращательной силы обычного (вращательного) электродвигателя в линейное движение. Механизм может представлять собой зубчатый ремень или винт (шариковый, ходовой или планетарный роликовый винт).
Основными преимуществами электромеханических приводов являются их относительно хороший уровень точности по сравнению с пневматическими приводами, 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 — это 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 вызывает колебание (открытие, закрытие, открытие...), что в конечном итоге приводит к повреждению двигателя и привода. [10]
Электрические поворотные приводы используют роторный двигатель для поворота целевой части на определенный угол. [11] Поворотные приводы могут вращаться на 360 градусов. Это позволяет ему отличаться 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. [12] Однако поворотные приводы с гидравлическим приводом состоят из 5 подразделов приводов, таких как кулисный механизм, лопастной, реечный, винтовой и электрогидравлический. Все формы имеют свой собственный дизайн и использование, что позволяет 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. [12]
Линейный электрический привод использует линейный двигатель , который можно рассматривать как вращающийся электродвигатель, который был разрезан и развернут. Таким образом, вместо вращательного движения он создает линейную силу по их длине. Поскольку потери на трение обычно ниже, чем у альтернативных вариантов, линейный электрический привод может прослужить 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 внедрена 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:
Привод может приводиться в движение за счет тепла за счет расширения, которое наблюдается у большинства твердых материалов при повышении температуры. Этот принцип обычно используется, например, для управления электрическими переключателями в термостатах . Обычно (неэлектронный) термостат содержит полоску с двумя слоями разных металлов, которая изгибается при нагревании.
Термические приводы также могут использовать свойства сплавов с памятью формы . [13]
Некоторые приводы приводятся в действие внешними магнитными полями . Обычно они содержат детали, изготовленные из ферромагнитных материалов, которые сильно притягиваются друг к другу, когда намагничиваются внешним полем. Примером являются герконы , которые можно использовать в качестве датчиков открытия дверей в системе безопасности здания .
Альтернативно, магнитные приводы могут использовать магнитные сплавы с памятью формы .
Мягкий привод изготовлен из гибкого материала, который меняет свою форму в ответ на механические, термические, магнитные и электрические воздействия. 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. [14] Вот почему движущая энергия мягких приводов связана с гибкими материалами, такими как некоторые полимеры и жидкости, которые безвредны.
Большинство существующих мягких приводов изготавливаются с использованием многоэтапных низкопроизводительных процессов, таких как микроформование, [15] изготовление твердых форм произвольной формы, [16] и масочная литография. [17] 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 SMP, 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. [18] 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.
