Линейные актуаторы: руководство по использованию
Линейные актуаторы предназначены для совершения линейно поступательных движений: поднимать и опускать, открывать и закрывать, толкать и втягивать, извлекать и вставлять. Например линейный привод сможет открывать/закрывать гаражные ворота, управлять окнами и дверьми в умном доме или же поднимать и опускать багажник вашего DIY-авто.
Список моделей
| Модель | Напряжение питания | Длина штока | Усилие | Скорость | Рабочий цикл |
|---|---|---|---|---|---|
| XDHA12-50 | 12 В | 50 мм | 900 Н | 10 мм/с | 20% |
| XDHA12-100 | 12 В | 100 мм | 900 Н | 10 мм/с | 20% |
| XDHA12-200 | 12 В | 200 мм | 900 Н | 10 мм/с | 20% |
| XDHA12-300 | 12 В | 300 мм | 900 Н | 10 мм/с | 20% |
| XDHA12-500 | 12 В | 500 мм | 900 Н | 10 мм/с | 20% |
Общие сведения
Линейный актуатор (привод) – это устройство, которое преобразует электрическую энергию в линейное перемещение выходного штока.
Актуатор состоит из двигателя, редуктора и механического винтового привода с выходным штоком. При подаче питания → вращается вал двигателя → вращается редуктор → вращается ходовой винт → поступает линейное перемещение штока. При смены полярности — шток начнет перемещается в противоположную сторону. При снятии питания — процесс останавливается.
Конструкция актуатора
Мотор
Мотор (двигатель) — устройство для преобразования электрической энергии в механическую. При подключении питания выходной вал двигателя начинает вращаться в одну сторону, при смене полярности — выходной вал двигателя меняет направления вращения в противоположную сторону.
Редуктор
Выходной вал мотора соединён с группой металлических шестеренок, которые пропорционально позволяют увеличить крутящий момент, но при этом снизить скорость вращения вала. В итоге, чем больше передаточное число, тем больше крутящий момент и соответственно меньше скорость вращения выходного вала из редуктора. Всё аналогично коробке передач в автомобиле.
Механический привод
Продолжением вала редуктора является механический привод, который выполнен по конструкции винт-гайка или правильнее сказать винтовая передача, где гайка установлена на винтовую направляющую ось и неподвижно соединена со штоком. При работе двигателя, гайка перемещается по резьбе вдоль всего винта, соответственно перемещая шток актуатора.
Шток — выходная часть линейного актуатора. Шток выдвигается или втягивается, перемещаясь по направляющей. Направление перемещения задается направлением вращения двигателя.
Концевики
Для автоматической остановки штока в конечных положениях, в корпусе актуатора расположено два концевых выключателя: один датчик установлен для фиксации крайнее выдвинутого положения, а второй — для крайнее втянутого положения.
При достижении крайних положений, датчик срабатывает и питание двигателя выключается. Дальнейшее движение возможно только в противоположном направлении, т.е. при смене полярности питания для реверса двигателя.
Выходной кабель
На выходе актуатора расположен кабель с двумя проводами для подключения линейного привода к питанию или коммутирующему устройству. При подаче питания поступает линейное перемещение штока. При смены полярности — шток начнет перемещается в противоположную сторону. При снятии питания — процесс останавливается.
Корпус
Все конструктивные компоненты линейного привода изготовлены из алюминия, что обеспечивает легкость и прочность устройства. Линейные актуаторы соответствуют степени защиты IP54, что гарантирует работу в пыльной среде и допускает попадания воды. А это позволяет использовать модули не только в домашних, но и уличных условиях.
Характеристики актуатора
Актуаторы отличаются между собой длиной штока, осевым усилием, скоростью перемещения штока, рабочим циклом и напряжением. Характеристики на конкретно ваш привод, ищите в описании товара на интересующую модель устройства. А мы пока рассмотрим подробнее что это за данные и на что они влияют.
Длина штока
Длина штока — это расстояние на которое шток может выдвинутся относительно корпуса устройства. Самые ходовые модели с длиной штока от 50 до 500 мм.
Осевое усилие и скорость штока
- Осевое усилие — это максимальная нагрузка в ньютонах, которую шток актуатора способен перемещать.
- Скорость штока — это средняя скорость, с которой шток совершает линейное перемещение.
Осевое усилие и скорость движения штока взаимосвязаны между собой с помощью редуктора. Редуктор при неизменной мощности двигателя изменяет соотношение скорости его вращения и крутящего момента, что в итоге влияет на конечную скорость линейного перемещения и усилие на штоке актуатора. Чем больше передаточное отношение редуктора, тем больше усилие и меньше скорость.
Рабочий цикл
Рабочий цикл актуатора (коэффициент нагрузки) — это доля времени в процентах безостановочной работы актуатора от общей продолжительности полного цикла. Например, показатель рабочего цикла равный 10% означает, что актуатор способен непрерывно работать в течение 1 минуты из каждых 10 минут. Средний статистический рабочий цикл актуаторов варьируется от 10 до 25%.
Питание
Для штатного режима работы актуатора необходим источник питания напряжением 12 вольт с током не менее 2,5 А.
Примеры работы
Рассмотрим несколько примеров работы с линейными актуаторами.
Простой пульт
Работать с актуатором можно даже без микроконтроллера. Соберём простую схему, где трёхпозиционный тумблер сможет рулить линейным приводом.
Что понадобится
- 1× Линейный актуатор XDHA12-50 ( 900 Н / 12 В / 50 мм)
- 1× Источник питания на 12 В
- 1× Трёхпозиционный переключатель (ON-OFF-ON)
Т.к. переключатель будет коммутировать силовые линии питания, то соответственно должен быть рассчитан на максимальный ток работы линейного привода, в нашем случае 2,5 А.
Схема устройства
Результат работы
В зависимости от положения переключателя актуатор совершает разные действия:
- В режиме ON1 → шток совершает линейное перемещение вперед.
- В режиме OFF → шток стоит на месте.
- В режиме ON2 → шток совершает линейное перемещение назад.
Автоматика на Arduino с драйвером мотора
Автоматизируем процесс, заставим линейный привод совершать движения по заданному алгоритму. На роль контроллера для работы с актуатором рассмотрим платформу Arduino Uno, а на роль коммутатора — драйвер мотора.
Что понадобится
- 1× Линейный актуатор XDHA12-50 ( 900 Н / 12 В / 50 мм)
- 1× Источник питания на 12 В
- 1× Arduino Uno
- 1× Trema Shield
- 1× Драйвер мотора (Trema-модуль)
- 1× Кабель USB (A — B)
Схема устройства
Программная настройка
Исходный код
Результат работы
После прошивки Arduino, шток линейного привода каждые 7 секунд буде перемещаться вверх или вниз.
Габаритный чертёж
Размеры линейных актуаторов отличаются между собой. Габариты на конкретно ваш модуль, читайте в описании товара на интересующую модель устройства.
Что такое актуатор и как он работает – объясняю на пальцах
Сегодня подробно изучим актуатор в автомобили. Какие типы бывают и как они работают. Разберем устройство и возможные поломки.
Что такое актуатор в машине и для чего он нужен
Актуатор турбины – это устройство, которое открывает или закрывает клапан сброса давления выхлопных газов или регулирует положение лопаток в турбокомпрессорах с изменяемой геометрией. Оно бывает пневматическое или электронное, то есть, управляется воздухом или электроникой.
Его назначение – регулировать производительность турбокомпрессора. Делается это разными способами, в зависимости от типа турбины. В простых типах – открывается или закрывается байпас вестгейта и травится давление помимо крыльчатки горячей части. То есть, выхлопные газы проходят не через рабочее колесо, а вылетают мимо его в выхлопной коллектор.
В турбонагнетателях с изменяемой геометрией, актуатор регулирует положение лопаток той самой геометрии. При определенных режимах работы двигателя, он поворачивает лопатки в нужном направлении. Тем самым, изменяется направление движения выхлопных газов относительно лопастей турбоколеса. Это меняет производительность турбоагрегата.
Какие виды существуют
Бывает двух видов:
- Пневматический – управляется воздухом.
- Электронный – управление происходит электроникой при помощи электромотора и привода с шестерёнками.
Рассмотрим оба типа подробно. Потому что первый вид можно разделить на два подвида по принципу работы – вакуумный и работающий под давлением.
Вакуумный актуатор
Это пневматический тип. Он работает за счет разряжения, которое образуется во впускном коллекторе бензинового двигателя или вакуумного насоса дизельного мотора.
То есть, работа актуатора начинается только тогда, когда в его корпусе образуется вакуум. При атмосферном давлении его шток возвращается в начальное или нулевое положение.
Работающий от давлением
То есть, этот вид актуаторов работает при избыточном давлении воздуха. Первый тип от давления ниже атмосферного, а этот – от давления выше атмосферного. Чувствуете разницу?
Его шток начинает двигаться при появлении избыточного давления в его корпусе. Это давление, чаще всего, берется из горячей улитки. То есть, она соединена с корпусом актуатора шлангом или трубкой. Значит, давления перед крыльчаткой турбины передается на мембрану. При его повышении выше определенного значения, шток механизма начинает двигаться, снижая его.
Электронный
В его работе не принимает участие воздух. Он управляется только за счет электроэнергии. А именно, блок управления двигателем подает сигнал на электромотор, который через червячный механизм вращает шестерни. Они приводят в движение шток актуатора.
Это упрощенная схема, более подробно устройство и принцип работы обсудим ниже в статье. Надежность данного типа спорная, так как в ней больше подвижных частей, есть электродвигатель, пластиковые шестерни, датчики положения штока и т.д.
Устройство актуатора турбины
Начнем с самых простых – пневматических. В зависимости от типа, их устройство немного отличается. Но общая схема остается одинаковой. На рисунке представлены два вида: слева – работающий от давления, справа – вакуумный. Найди десять отличий!
Турбинный актуатор состоит:
- Корпуса. Он завальцован из двух половинок: верхней и нижней крышки.
- Поршня. Он связан непосредственно со штоком, который управляет клапаном вестгейта или геометрией.
- Резиновой мембраной. Она также служит уплотнительной прокладкой между двумя половинками корпуса.
- Возвратной пружины. Она возвращает поршень и шток в исходное положение.
А как их можно отличить между собой? – В первом типе носик, на который надевается шланг, находится в боковой стенке корпуса. Во втором виде он закреплен в верхней крышке корпуса.
Электронный
Он состоит:
- Электромотора. Он вращает шестеренки и тягу.
- Червячной шестерни. Она передает вращение от электродвигателя к управляющему элементу.
- Сектора. На нём насажены зубья, которые от «червяка» получают вращение, за счет которых поворачивается сектор. Кроме того, он указывает электронике положение клапана.
- Тяга, которая непосредственно соединяется с клапаном сброса давления.
Так почему он быстрее выходит из строя, чем пневматический? Почти все детали пластиковые, а этот материал быстро изнашивается. Чаще стираются зубья сектора, а это приводит к неадекватной работе электронного актуатора турбины.
Как работает актуатор
Пневматические типы
Первый вид актуатора, который работает от избыточного давления, соединен с горячей частью турбокомпрессора шлангом или трубкой. При повышении давления выхлопных газов выше расчетного значения, это давление давит на поршень механизма.
Тот, вместе со штоком, опускается вниз. Тем самым, открывая или закрывая клапан вестгейта или меняя положение лопаток в геометрии турбины.
При понижении давления на выпуске, оно снижается над клапаном. За счет упругости возвратной пружины, клапан со штоком поднимается вверх, возвращаясь в начальное положение.
Вакуумный актуатор начинает работать при появлении разряжения над поршнем. Его значение регулируется клапаном N75. То есть, разряжение над поршнем поднимает его, преодолевая упругость возвратной пружины. Как помните, она находиться над ним.
Чем больше вакуум, тем выше поднимается поршень. Он тянет за собой шток и клапан байпаса или геометрию турбонагнетателя. При закрытии клапана N75 давление над поршнем становиться равным атмосферному. Пружина возвращает поршень и шток в нулевое положение, а значит и механизм управления производительностью турбины.
Существуют варианты, при которых работа пневматического актуатора регулируется только клапаном N75. Это касается не только вакуумных актуаторов. Поэтому, работоспособность турбокомпрессора напрямую зависит от его исправности. При проверке турбины его нельзя исключать из диагностических мероприятий.
Видео принципа работы и устройства пневматических актуаторов:
Электроактуаторы
Электронный блок двигателя дает импульс на электромотор. Он, вращаясь, поворачивает сектор через червячную шестерню. Сам сектор соединён с тягой, которая управляет положением клапана вестгейта.
Актуаторы. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности
Актуаторы представляют собой специальные устройства, главной задачей которых является перенос усилия с управляющего или регулирующего механизма на исполнительный. В большинстве случаев это электромеханический агрегат, который позволяет выполнять круговые либо линейные перемещения. Благодаря этому можно значительно облегчить выполнение технологических операций, тестирование, в том числе упростить условия быта. Эти устройства применяются и для совершения специфических задач, к примеру, для осуществления миссий и проведения исследований в космическом пространстве.
Актуаторы бывают линейными и устройствами вращения.
Линейные
Семейство устройств, которые обеспечивают преобразование механической энергии в линейное перемещение. В большинстве случаев такие устройства применяются с целью получения механической энергии из электрической. Выполняются такие устройства из подвижного штока, который устанавливается в корпус из металла или пластмассы. Чтобы к агрегату поступала электроэнергия, предусматриваются разъемы, вилки или кабели. В зависимости от конструкции привод может потреблять 12, 24, 36 либо 220 В.
Линейные агрегаты имеют два основных исполнения:
- Горизонтальное.
- Вертикальное.
То есть конструкция агрегата такова, что шток перемещается в вертикальном либо горизонтальном направлении по отношению к валу мотора.
К преимуществам линейных агрегатов можно отнести:
- Простоту конструкции.
- Длительный срок эксплуатации.
- Неприхотливость в работе, что позволяет использовать их даже в экстремальных условиях.
Конкретные агрегаты в зависимости от модели могут дополнительно иметь защиту, которая обеспечивает стойкость к неблагоприятным условиям.
Актуаторы вращения
Работают несколько иначе. У них имеется редуктор и электродвигатель. Особенность работы такого агрегата в том, что чем ниже передаточное число шестеренок редуктора, тем выше скорость и меньше крутящий момент.
В агрегатах вращения могут применяться различные типы редукторов:
- Цилиндрический.
- Планетарный.
- Червячный.
- Комбинированный.
Благодаря разнообразию редукторов вращающие агрегаты способны решать разнообразные задачи. Поэтому они находят широкое применение в электроэнергетике, станках, бытовых устройствах, в промышленности и других отраслях.
Существуют и специальные виды актуаторов. Подобные агрегаты предназначены для решения специфических и наиболее сложных задач. Их часто применяют в космическом, а также водном пространстве. Также они находят применение в условиях вечной мерзлоты. По конструктивным составляющим они не сильно отличаются от аналогичных агрегатов. Однако их главное отличие – качество исполнения герметичности корпуса. Благодаря пылеустойчивости и водонепроницаемости удается обеспечить бесперебойность работы агрегата даже в сложнейших условиях.
Устройство
Имеется большое количество разных методов для создания линейного перемещения в линейном актуаторе. В большей части случаев используется движок, который передает движение штоку. Шток выдвигается или втягивается, перемещаясь по направляющей. Линейные актуаторы для обеспечения линейного перемещения в большинстве случаев применяют винт, то есть так называемую винтовую передачу. Благодаря вращению винта относительно гайки или наоборот обеспечивается линейное движение штока.
Движки, применяемые в линейных агрегатах, чаще всего представляют собой стандартные коллекторные устройства, работающие на постоянном токе в 12 или 24 В. Более мощным агрегатам требуется электроток на порядок большего значения. Однако возможно применение и других типов движков.
Для изменения направления движения штока следует поменять направление вращения движка. Для примера, в коллекторном движке следует сменить полярность электропитания. С этой целью в конструкцию добавляется переключатель, благодаря нему происходит смена полярности электропитания. В результате простым нажатием кнопки можно изменить вращение движка, а значит попеременно выдвигать или втягивать шток.
Работа
Имеющиеся сегодня линейные актуаторы могут иметь разный ход штока. Это значит, что агрегаты создаются с разными длинами корпуса и винта. Кроме длины хода важнейшее значение имеют скорость и усилие, которые создаются на штоке агрегата. Чтобы обеспечить требуемую скорость и усилие штока, требуется модернизация устройства. Для этого между валом движка и винтом ставится редуктор механического действия.
Движок передает на вал скорость и усилие, которые являются неизменными. Движок же меняет отношение скорости и момента кручения, благодаря чему меняется конечная скорость перемещения штока, а также создаваемое усилие. Движение винта также представляет передачу, которая влияет на скоростное и силовое отношение. Меньший шаг винтовой передачи обеспечивает большее усилие. Однако шток при этом будет перемещаться с меньшей скоростью.
Чтобы можно было остановить шток в необходимом положении, в агрегат ставятся концевики. Их также называют выключателями. Концевики ставятся непосредственно на шток. Они начинают работать в момент, когда гайка достигает крайнего положения. С этой целью ставятся датчики в конечные положения. Когда шток доходит до этого положения, то датчик выключает электропитание. Далее шток сможет двигаться только в обратном направлении. Для этого меняется полярность электропитания либо осуществляется реверс движка.
Как пример можно рассмотреть актуатор центрального замка автомобиля. В его работе используется небольшой электродвижок, соединенный с подвижным штоком. К нему приделана тяга от замка. В момент подачи напряжения начинает работать движок, который заставляет вал вращаться в требуемом направлении, что приводит к движению штока. Вместе со штоком в движение приводится и тяга, у которой один конец находится на рычаге замка. В результате осуществляется блокирование или освобождение замка.
Так как штоку требуется короткий ход, то движок быстро заклинивается. Вследствие этого необходимо ограничивать время подачи напряжения. Для этого используется блок управления, который точно дозирует временной интервал подачи электропитания. Благодаря этому движок защищен от заклинивания и перегорания.
Применение
Актуаторы находят широкое применение практически повсеместно. Их можно задействовать в разнообразных устройствах, к примеру, для регулировки положения телевизионного приемника, для перемещения пандуса, в станках, компрессорах, игрушках, самолетах, подводных лодках, пароходах и космических кораблях и т.п.
В медицине данные агрегаты задействованы для медицинской мебели, чтобы регулировать положения спинки кресла, кровати и другой мебели. Их ставят на подъемники, чтобы перемещать инвалидов и больных с одного этажа на другой. При этом такие устройства преимущественно имеют минимальную шумность, а также высокие значения по качеству и надежности.
В промышленности актуаторы применяются для автоматизации технологических процессов и оборудования. В большинстве случаев это компактные агрегаты, обладающие высокими показателями мощности. Их используют на заводах и фабриках для линейного перемещения. Большое значение здесь имеют технические показатели, в первую очередь это касается нагрузок, скорости, плавности перемещения, в том числе возможности функционировать в неблагоприятных условиях.
Использование промышленных агрегатов позволяет существенно облегчить людской труд, а также снизить финансовые затраты. Благодаря ним, в конце концов, снижается стоимость производимой продукции.
Можно выделить следующие области промышленного применения:
- Электромеханические агрегаты находят применение в станкостроении, машиностроении и пищевой промышленности.
- В сверхтехнологичном производстве они используются в качестве устройств, которые перемещают солнечные батареи по отношению к солнечным лучам. Также подобные агрегаты задействуют для перемещения параболических антенн вслед за спутником.
- В промышленной вентиляции агрегаты обеспечивают перемещение выдвижных панелей вытяжки, чтобы автоматизировать регуляцию воздушных потоков.
В сельском хозяйстве приводы линейного перемещения позволяют максимально автоматизировать труд при возделывании агрокультур, заготовлении кормов, при уходе за фермерскими животными и так далее.
К примеру, это могут быть разбрызгивающие устройства для обработки почв, растений от вредителей, устройства для внесения удобрения. На больших фермерских хозяйствах линейные агрегаты позволяют регулировать воздушные потоки и автоматизировать подачу кормов для животных при кормежке. В растениеводстве линейные приводы помогают открывать теплицы, чтобы огурцы или помидоры не «сгорели» от жары.
Для быта данные актуаторы просто незаменимы. Их можно встретить во многих бытовых приборах. К примеру, это могут быть шторы, жалюзи с приводом и так далее. Все автомобили просто напичканы данными устройствами. Они используются в замках багажника, дверей, магнитол с выдвижным дисплеем и тому подобное. Это полезные устройства, которые позволяют решать многочисленные задачи.