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 компьютерной периферии , такой как дисководы и принтеры, в клапанах и демпферах , а также во многих других местах, где требуется линейное движение. Гидравлические или пневматические цилиндры по своей сути обеспечивают линейное движение. Многие другие механизмы используются для создания линейного движения от вращающегося двигателя.
Механические линейные приводы обычно работают путем преобразования вращательного движения в линейное. Преобразование обычно осуществляется с помощью нескольких простых типов механизмов:
Некоторые механические линейные приводы, такие как подъемники, цепные и ременные передачи, только тянут. Другие только толкают (например, кулачковый привод ). Пневматические и гидравлические цилиндры или ходовые винты могут быть рассчитаны на создание силы в обоих направлениях.
Механические приводы обычно преобразуют вращательное движение ручки или ручки управления в линейное перемещение с помощью винтов и/или шестерен, к которым прикреплена ручка или ручка. Домкрат или автомобильный домкрат — это всем известный механический привод. Другое семейство приводов основано на сегментированном шпинделе . Вращение рукоятки домкрата механически преобразуется в линейное движение головки домкрата. Механические приводы также часто используются в области лазеров и оптики для управления положением линейных и поворотных столиков , креплений зеркал , гониометров и других инструментов позиционирования. Для точного и повторяемого позиционирования на ручках управления можно использовать индексные метки. Некоторые приводы оснащены энкодером и цифровым устройством считывания положения. Они аналогичны регулировочным ручкам, используемым на микрометрах , за исключением того, что их целью является регулировка положения, а не измерение положения.
Гидравлические приводы или гидравлические цилиндры обычно представляют собой полый цилиндр, в который вставлен поршень. Несбалансированное давление, приложенное к поршню, создает силу, которая может сдвинуть внешний объект. Поскольку жидкости практически несжимаемы, гидравлический цилиндр может обеспечить контролируемое точное линейное перемещение поршня. Смещение происходит только вдоль оси поршня. Известным примером гидравлического привода с ручным управлением является автомобильный гидравлический домкрат . Однако обычно термин «гидравлический привод» относится к устройству, управляемому гидравлическим насосом .
Пневматические приводы, или пневматические цилиндры , аналогичны гидравлическим приводам, за исключением того, что для создания силы в них используется сжатый воздух, а не жидкость. Они работают аналогично поршню, в котором воздух нагнетается внутрь камеры и выталкивается с другой стороны камеры. Пневматические приводы не обязательно используются в тяжелых машинах и в случаях, когда присутствует большой вес. Одной из причин, по которой пневматические линейные приводы предпочтительнее других типов, является тот факт, что источником энергии является воздушный компрессор. Поскольку воздух является источником входного сигнала, пневматические приводы можно использовать во многих местах механической деятельности. Обратной стороной является то, что большинство воздушных компрессоров большие, громоздкие и шумные. После установки их трудно транспортировать в другие места. Пневматические линейные приводы склонны к утечкам, что делает их менее эффективными, чем механические линейные приводы.
Пьезоэлектрический эффект — это свойство некоторых материалов, при котором приложение напряжения к материалу приводит к его расширению. Очень высокие напряжения соответствуют лишь незначительному расширению. В результате пьезоэлектрические приводы могут достигать чрезвычайно точного разрешения позиционирования, но при этом иметь очень короткий диапазон движения. Кроме того, пьезоэлектрические материалы обладают гистерезисом , что затрудняет повторяемый контроль их расширения.
Электромеханические приводы аналогичны механическим приводам, за исключением того, что ручка или ручка управления 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, производящая их, имеет свой 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, обработанную по окружности и идущую по длине (аналогично резьбе на болте ) . На ходовой винт навинчена ходовая гайка или шариковая гайка с соответствующей винтовой резьбой. Вращение гайки предотвращается ходовым винтом (обычно гайка блокируется с невращающейся частью корпуса привода). При вращении ходового винта гайка будет перемещаться по резьбе. Направление движения гайки зависит от направления вращения ходового винта. Подсоединив тяги к гайке, движение можно преобразовать в полезное линейное смещение. Большинство современных приводов рассчитаны на высокую скорость, большую силу или компромисс между ними. При выборе привода для конкретного применения наиболее важными характеристиками обычно являются ход, скорость, усилие, 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 щеточные двигатели постоянного тока, бесщеточные двигатели постоянного тока, шаговые двигатели или, в некоторых случаях, даже асинхронные двигатели. Все зависит от требований применения и нагрузок, на которые рассчитан привод. Например, линейный привод, использующий встроенный асинхронный двигатель переменного тока, приводящий в движение ходовой винт, можно использовать для управления большим клапаном на нефтеперерабатывающем заводе. В этом случае не нужна точность и высокая разрешающая способность движений, а нужны высокая сила и скорость. Для электромеханических линейных приводов, используемых в лабораторной приборостроении, 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 с ходовым винтом с малым шагом. Существует множество вариаций электромеханической системы линейного привода. Крайне важно понимать требования к проектированию и ограничения приложения, чтобы понять, 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 со сплошным приводным валом, который соединен с приводной гайкой или приводным винтом привода.
В компактных линейных приводах используются специально разработанные двигатели, которые стараются придать двигателю и приводу минимально возможную форму.
В большинстве конструкций линейных приводов основным принципом работы является наклонная плоскость . Резьба ходового винта действует как непрерывная рампа, которая позволяет использовать небольшую вращательную силу на большом расстоянии для перемещения большого груза на короткое расстояние. Питание осуществляется от двигателя постоянного или переменного тока. Типичный двигатель имеет напряжение 12 В постоянного тока, но доступны и другие напряжения. Приводы имеют переключатель, меняющий полярность двигателя, что заставляет привод изменять свое движение.
Скорость и сила привода зависят от его редуктора. Величина силы зависит от скорости привода. Более низкие скорости обеспечивают большую силу, поскольку скорость и сила двигателя постоянны.
Одним из основных различий между приводами является их ход, который определяется длиной винта и вала. Скорость зависит от шестерен, которые соединяют двигатель с винтом.
Механизм остановки хода привода представляет собой ограничитель или микровыключатель, который можно увидеть на изображении ниже. Микровыключатели расположены вверху и внизу вала и срабатывают при движении винта вверх и вниз.
Было создано множество вариаций базовой конструкции. Большинство из них сосредоточено на обеспечении общих улучшений, таких как более высокий механический КПД, скорость или грузоподъемность. Существует также большое инженерное движение в сторону миниатюризации приводов.
Большинство электромеханических конструкций включают в себя 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 напрямую или через ряд шестерен. Зубчатые передачи обычно используются для того, чтобы позволить меньшему (и более слабому) двигателю, вращающемуся с более высокими оборотами в минуту, понижать передачу, чтобы обеспечить крутящий момент, необходимый для вращения винта при более высокой нагрузке, чем в противном случае двигатель мог бы вращаться напрямую. Фактически это жертвует скоростью привода в пользу увеличения тяги привода. В некоторых приложениях широко распространено использование червячной передачи , поскольку она позволяет уменьшить встроенный размер, но при этом обеспечивает большую длину хода.
Линейный привод с подвижной гайкой имеет двигатель, который остается прикрепленным к одному концу ходового винта (возможно, косвенно через коробку передач), двигатель вращает ходовой винт, а ходовая гайка удерживается от вращения, поэтому она перемещается вверх и вниз по ходовой винт.
Линейный привод с подвижным винтом имеет ходовой винт, который полностью проходит через двигатель. В линейном приводе с подвижным винтом двигатель «ползет» вверх и вниз по ходовому винту, который удерживается от вращения. Единственные вращающиеся части находятся внутри двигателя и могут быть незаметны снаружи.
Некоторые ходовые винты имеют несколько «заходов». Это означает, что они имеют несколько резьб, чередующихся на одном валу. Один из способов визуализировать это — сравнить несколько цветных полос на леденце. Это позволяет лучше регулировать шаг резьбы и площадь контакта резьбы гайки/винта, что определяет скорость выдвижения и несущую способность (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.
Тормозная сила привода варьируется в зависимости от углового шага резьбы и конкретной конструкции резьбы. Резьба Acme выдерживает очень высокую статическую нагрузку, тогда как шарико-винтовые пары имеют чрезвычайно низкую несущую способность и могут практически свободно плавать.
Как правило, невозможно изменить статическую грузоподъемность винтовых приводов без дополнительных технологий. Шаг резьбы винта и конструкция приводной гайки определяют определенную грузоподъемность, которую нельзя регулировать динамически.
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 создает трение о вращающейся приводной гайке. Например, пружину можно использовать для крепления тормозных колодок к приводной гайке, удерживая ее в этом положении при отключении питания. Когда привод необходимо переместить, электромагнит противодействует пружине и ослабляет тормозное усилие на приводной гайке.
Аналогичным образом, электромагнитный храповой механизм можно использовать с линейным винтовым приводом, чтобы система привода, поднимающая груз, фиксировалась в положении при отключении питания привода. Чтобы опустить привод, используется электромагнит, который противодействует силе пружины и разблокирует храповой механизм.
Под динамической нагрузкой обычно понимают величину силы, которую линейный привод способен обеспечить во время работы. Эта сила будет варьироваться в зависимости от типа винта (величина трения, ограничивающего движение) и двигателя, приводящего в движение. Динамическая нагрузка – это показатель, по которому классифицируется большинство приводов, и он является хорошим показателем того, для каких применений он подойдет лучше всего.
В большинстве случаев при использовании электромеханического привода предпочтительно иметь какой-либо тип регулирования скорости. Такие контроллеры изменяют напряжение, подаваемое на двигатель, что, в свою очередь, изменяет скорость вращения ходового винта. Регулировка передаточного числа — еще один способ регулировки скорости. Некоторые приводы доступны с несколькими различными вариантами зубчатой передачи.
Рабочий цикл двигателя обозначает время, в течение которого привод может работать, прежде чем ему потребуется остыть. Соблюдение этих правил при эксплуатации привода является ключом к его долговечности и производительности. Если номинальный рабочий цикл превышен, существует риск перегрева, потери мощности и возможного возгорания двигателя.
Линейный двигатель функционально аналогичен роторному электродвигателю, в котором компоненты кругового магнитного поля ротора и статора расположены по прямой линии. В то время как роторный двигатель будет вращаться и снова использовать одни и те же поверхности магнитных полюсов, структуры магнитного поля линейного двигателя физически повторяются по всей длине привода.
Поскольку двигатель движется линейно, для преобразования вращательного движения в линейное ходовой винт не требуется. Хотя высокая производительность возможна, ограничения материала и/или двигателя в большинстве конструкций относительно быстро преодолеваются благодаря использованию исключительно сил магнитного притяжения и отталкивания. Большинство линейных двигателей имеют низкую нагрузочную способность по сравнению с другими типами линейных приводов. Преимущество линейных двигателей при использовании на открытом воздухе или в загрязненных средах заключается в том, что двум половинам не нужно контактировать друг с другом, поэтому катушки электромагнитного привода могут быть водонепроницаемы и герметизированы от влаги и коррозии, что обеспечивает очень длительный срок службы. Линейные двигатели широко используются в высокопроизводительных системах позиционирования для приложений, требующих различных сочетаний высокой скорости, высокой точности и большого усилия.
Телескопические линейные приводы — это специализированные линейные приводы, используемые там, где существуют ограничения по пространству. Диапазон их движения во много раз превышает длину исполнительного органа в невыдвинутом состоянии.
Обычная форма состоит из концентрических трубок примерно одинаковой длины, которые выдвигаются и втягиваются, как втулки, одна внутри другой, как, например, телескопический цилиндр .
В других более специализированных телескопических приводах используются исполнительные элементы, которые при выдвижении действуют как жесткие линейные валы, но разрывают эту линию, складываясь, разделяясь на части и/или разматываясь при втягивании. Примеры телескопических линейных приводов включают:
