선형 액추에이터

선형 액추에이터는 일반적인 전기 모터의 원 운동과 달리 직선으로 운동을 생성하는 액추에이터입니다. 선형 액추에이터는 공작 기계 및 산업 기계, 디스크 드라이브 및 프린터와 같은 컴퓨터 주변 장치, 밸브 및 댐퍼 및 직선 운동이 필요한 다른 많은 장소에서 사용됩니다. 유압식 또는 공압식 실린더는 기본적으로 직선 운동을 생성합니다. 회전하는 모터로부터 직선 운동을 생성하기 위해 많은 다른 메커니즘이 사용됩니다.

유형

기계식 액추에이터
기계식 선형 액추에이터는 일반적으로 회전 운동을 직선 운동으로 변환하여 작동합니다. 변환은 일반적으로 몇 가지 간단한 유형의 메커니즘을 통해 이루어집니다.

나사 : 리드 스크류, 스크류 잭, 볼 스크류 및 롤러 스크류 구동기는 모두 스크류로 알려진 간단한 기계의 원리로 작동합니다. 액추에이터의 너트를 회전 시키면 나사 축이 일렬로 움직입니다.
휠 및 액슬 : 호이스트, 윈치, 랙 및 피니언, 체인 드라이브, 벨트 드라이브, 고정식 체인 및 강체 벨트 액추에이터는 휠 및 액슬의 원리에 따라 작동합니다. 회전 휠은 케이블, 랙, 체인 또는 벨트를 움직여 직선 운동을 생성합니다.
캠 : 캠 액추에이터는 웨지와 비슷한 원리로 작동하지만 상대적으로 제한된 주행 거리를 제공합니다.바퀴 모양의 캠이 회전함에 따라 편심 형상이 샤프트의 기저부에 추력을 제공합니다.
호이스트, 체인 드라이브 및 벨트 드라이브와 같은 일부 기계식 선형 액추에이터 만 당깁니다. 다른 것은 밀어 넣기 만합니다 (예 : 캠 액추에이터). 공압 및 유압 실린더 또는 리드 스크류는 양방향으로 힘을 발생 시키도록 설계 될 수 있습니다.

기계식 액추에이터는 일반적으로 손잡이 나 핸들이 부착 된 나사 및 / 또는 기어를 통해 제어 손잡이 또는 핸들의 회전 운동을 선형 변위로 변환합니다. jackscrew 또는 car 잭은 잘 알려진 기계식 액추에이터입니다. 다른 액추에이터 제품군은 세그먼트 스핀들을 기반으로합니다. 잭 손잡이의 회전은 기계적으로 잭 헤드의 직선 운동으로 변환됩니다. 기계식 액추에이터는 또한 선형 스테이지, 회전 스테이지, 미러 마운트, 측거기 및 기타 위치 측정 장치의 위치를 ​​조작하기 위해 레이저 및 광학 분야에서 자주 사용됩니다. 정확하고 반복적 인 위치 설정을 위해 컨트롤 노브에 인덱스 마크를 사용할 수 있습니다. 일부 작동기에는 엔코더 및 디지털 위치 판독기가 포함됩니다. 이것은 마이크로 미터에서 사용되는 조정 손잡이와 비슷하지만 위치 측정 대신 위치 조정이 목적입니다.

유압 액츄에이터
유압 액추에이터 또는 유압 실린더는 전형적으로 피스톤이 삽입 된 중공 실린더를 포함한다. 피스톤에 불균형 한 압력이 가해지면 외부 물체를 움직일 수있는 힘이 발생합니다. 액체는 거의 압축되지 않기 때문에 유압 실린더는 피스톤의 정밀한 선형 변위를 제어 할 수 있습니다. 변위는 피스톤 축을 따른다.수동으로 작동되는 유압 작동기의 친숙한 예는 유압식 자동차 잭입니다. 그러나 일반적으로 “유압 액추에이터”라는 용어는 유압 펌프로 제어되는 장치를 의미합니다.

공압 실린더
공압식 액츄에이터 또는 공압식 실린더는 액체 대신에 압축 가스를 사용하여 힘을 생성한다는 점을 제외하면 유압식 액추에이터와 유사합니다. 그들은 공기가 챔버 내부로 펌핑되고 ​​챔버의 다른 쪽에서 밀어내는 피스톤과 유사하게 작동합니다. 에어 액추에이터는 중량이 큰 중부 하 기계 및 인스턴스에 반드시 사용되는 것은 아닙니다. 공압 선형 액추에이터가 다른 유형보다 선호되는 이유 중 하나는 전원이 단순히 공기 압축기라는 사실입니다. 공기가 입력 소스이기 때문에 공압식 액추에이터는 기계적 활동의 여러 장소에서 사용할 수 있습니다. 단점은 대부분의 공기 압축기는 크고 부피가 크며 소리가 크다는 것입니다. 일단 설치되면 다른 지역으로 운송하기가 어렵습니다. 공압 리니어 액추에이터는 새는 경향이있어 기계식 리니어 액추에이터보다 효율이 떨어집니다.

압전 액츄에이터
압전 효과는 재료에 전압을 가하면 팽창하는 특정 재료의 특성입니다. 매우 높은 전압은 작은 팽창에만 해당합니다. 결과적으로, 압전 액추에이터는 매우 정밀한 위치 분해능을 얻을 수있을뿐만 아니라 운동 범위가 매우 좁습니다. 또한 압전 재료는 히스테리시스 (hysteresis)를 나타내어 반복적 인 방식으로 팽창을 제어하기가 어렵습니다.

꼬인 코일 형 폴리머 (TCP) 액추에이터
supercoiled polymer (SCP) 액츄에이터로도 알려져있는 꼬인 코일 형 폴리머 (TCP) 액추에이터는 전력으로 작동 할 수있는 코일 형 폴리머입니다. TCP 액추에이터는 헬리컬 스프링처럼 보입니다. TCP 액추에이터는 일반적으로은 코팅 된 나일론으로 만들어집니다. TCP 액추에이터는 또한 금과 같은 다른 전기 컨덕턴스 코팅으로 만들 수 있습니다. TCP 액츄에이터는 msucle을 확장 된 상태로 유지하기 위해 부하를 받아야합니다. 전기 에너지는 Joule heating, Ohmic heating 및 resistive heating으로도 알려진 전기 저항으로 인해 열에너지로 변환됩니다. 주울 열 (Joule heating)에 의해 TCP 액추에이터의 온도가 상승하면 폴리머가 수축하여 액추에이터 수축이 발생합니다.

전기 기계적 액추에이터
전기 기계식 액추에이터는 컨트롤 노브 또는 핸들이 전기 모터로 교체된다는 점을 제외하면 기계식 액추에이터와 유사합니다. 모터의 회전 운동은 선형 변위로 변환됩니다. 현대 선형 액추에이터의 많은 디자인이 있으며, 이들을 제조하는 모든 회사는 독점적 인 방법을 사용하는 경향이 있습니다. 다음은 매우 간단한 전기 기계식 선형 액추에이터에 대한 일반화 된 설명입니다.

단순화 된 디자인
전형적으로, 전동 모터는 리드 스크류를 회전시키기 위해 기계적으로 연결된다. 리드 스크류는 길이 방향으로 달린 원주에 가공 된 연속 나선형 나사를 가지고 있습니다 (볼트의 나사산과 유사). 리드 스크류에 나사산은 대응 나선형 나사가있는 리드 너트 또는 볼 너트입니다. 너트는 리드 스크류 (일반적으로 너트가 액추에이터 몸체의 회전하지 않는 부분과 맞물림)로 회전하지 못합니다. 따라서 리드 스크류가 회전하면 나사산을 따라 너트가 구동됩니다. 너트의 운동 방향은 리드 스크류의 회전 방향에 따라 다릅니다. 링크를 너트에 연결하면 모션을 사용 가능한 선형 변위로 변환 할 수 있습니다. 대부분의 현재 액추에이터는 고속, 높은 힘 또는이 ​​둘 사이의 타협을 위해 제작되었습니다. 특정 적용 분야의 액추에이터를 고려할 때 가장 중요한 사양은 일반적으로 이동 거리, 속도, 힘, 정확도 및 수명입니다.대부분의 품종은 댐퍼 또는 버터 플라이 밸브에 장착됩니다.

선형 액추에이터 시스템에 사용할 수있는 많은 종류의 모터가 있습니다. 여기에는 DC 브러시, DC 브러시리스, 스테퍼 또는 경우에 따라 유도 모터가 포함됩니다. 그것은 모두 액츄에이터가 움직이기 위해 고안된 어플리케이션 요구 사항과 부하에 따라 달라집니다. 예를 들어, 리드 스크루를 구동하는 일체형 마력 AC 유도 모터를 사용하는 선형 액추에이터는 정유 공장의 대형 밸브를 작동시키는 데 사용될 수 있습니다. 이 경우 정확도와 높은 이동 해상도가 필요하지 않지만 높은 힘과 속도가 필요합니다.실험 장비의 로보틱스, 광학 및 레이저 장비 또는 XY 테이블에 사용되는 전자 기계식 리니어 액추에이터의 경우 미크론 범위와 고정밀의 정밀 분해능에는 미세 피치 리드 스크류가있는 분수 마력 스테퍼 모터 선형 액추에이터가 필요합니다. 전기 기계식 선형 액추에이터 시스템에는 많은 변형이 있습니다.어떤 것이 가장 좋을지를 알기 위해서는 설계 요구 사항과 애플리케이션 제약을 이해하는 것이 중요합니다.

표준 대 소형 건축
표준 모터를 사용하는 선형 액추에이터는 일반적으로 액츄에이터와 평행하거나 액츄에이터에 수직 인 액츄에이터 측면에 부착 된 별도의 실린더로 모터를 갖습니다. 모터는 액츄에이터의 끝에 부착 될 수 있습니다. 구동 모터는 액츄에이터의 구동 너트 또는 구동 나사에 맞춘 솔리드 드라이브 샤프트가있는 일반적인 구조입니다.

컴팩트 리니어 액추에이터는 모터와 액추에이터를 가능한 한 작은 형태로 맞추기 위해 특별히 고안된 모터를 사용합니다.

모터 샤프트의 내경은 확대 될 수 있으므로 구동 샤프트는 중공이 될 수 있습니다. 따라서 드라이브 스크류와 너트는 모터와 드라이브 스크류 사이에 추가적인 기어링이 필요없이 모터의 중심을 차지할 수 있습니다.
마찬가지로 모터는 매우 작은 외경을 갖도록 만들 수 있지만 대신에 극 표면은 길이 방향으로 늘어나므로 모터는 여전히 작은 직경 공간에 적합하면서 매우 높은 토크를 가질 수 있습니다.
원칙
대부분의 선형 액추에이터 설계에서 작동의 기본 원리는 경 사진 평면입니다. 리드 스크류의 나사는 짧은 거리에서 큰 하중의 이동을 달성하기 위해 장거리에서 작은 회전력을 사용할 수있는 연속적인 경사로 역할을합니다.

변형
기본 디자인에 대한 많은 변형이 만들어졌습니다. 대부분의 기계 효율, 속도 또는 부하 용량과 같은 일반적인 개선 사항을 제공하는 데 중점을 둡니다. 또한 액추에이터의 소형화에 대한 대규모 엔지니어링 운동이 있습니다.

대부분의 전기 기계 설계에는 리드 스크류와 리드 너트가 통합되어 있습니다. 일부는 볼 나사와 볼 너트를 사용합니다. 두 경우 모두 스크류는 직접 또는 일련의 기어를 통해 모터 또는 수동 제어 노브에 연결될 수 있습니다. 일반적으로 기어는 모터가 직접 구동 할 수있는 것보다 무거운 하중으로 스크류를 회전시키는 데 필요한 토크를 제공하기 위해 더 높은 rpm에서 회전하는 더 작고 (약한) 모터를 기어드로 연결하는 데 사용됩니다. 효과적으로 이것은 액추에이터 속도를 희생시켜 액추에이터 추력을 증가시킵니다. 일부 용도에서는 웜기어가 일반적으로 사용되므로 치수가 작아 여행 거리가 길어질 수 있습니다.

이동 너트 선형 액추에이터는 리드 스크류의 한쪽 끝 (아마도 기어 박스를 통해 간접적으로)에 부착 된 모터를 가지며, 모터는 리드 스크류를 회전시키고 리드 너트는 회전이 억제되어 모터를 위아래로 움직입니다 리드 스크류.

이송 스크류 선형 액추에이터는 모터 전체를 통과하는 리드 스크류를 가지고 있습니다. 주행 스크류 선형 액추에이터에서 모터는 회전이 억제 된 리드 스크류를 위아래로 “크롤링”합니다. 유일한 회전 부품은 모터 내부에 있으며 외부에서 볼 수 없습니다.

일부 리드 나사에는 “시작”이 여러 개 있습니다. 즉, 동일한 샤프트에 여러 개의 나사산이 교대로 있음을 의미합니다. 이것을 시각화하는 한 가지 방법은 캔디 지팡이의 여러 색상 줄무늬와 비교하는 것입니다. 이렇게하면 나사 피치와 너트 / 나사 나사 접촉 영역 사이의 조정이 더 가능 해져 각각 나사산의 신장 속도와 하중 전달 용량을 결정합니다.

정적 부하 용량
선형 스크류 액츄에이터는 정적 부하 용량을 가질 수 있습니다. 즉, 모터가 멈 추면 액추에이터가 기본적으로 제자리에 고정되고 액추에이터를 당기거나 당기는 부하를 지탱할 수 있습니다. 이 정적 부하 용량은 이동성과 속도를 증가시킵니다.

액츄에이터의 제동력은 나사산의 각도 피치 및 나사산의 특수 설계에 따라 달라집니다. Acme 나사산은 매우 높은 정적 부하 용량을 가지며 볼 나사는 매우 낮은 부하 용량을 가지며 거의 자유롭게 움직일 수 있습니다.

일반적으로 추가적인 기술 없이는 나사 작동기의 정적 부하 용량을 변경할 수 없습니다. 나사산 피치 및 구동 너트 설계는 동적으로 조정할 수없는 특정 하중 용량을 정의합니다.

경우에 따라 고점도 그리스를 선형 스크류 액츄에이터에 추가하여 정적 하중을 증가시킬 수 있습니다.일부 제조업체는 특정 요구 사항에 맞게 부하를 변경하기 위해이를 사용합니다.

정적 구동력은 회전하는 드라이브 너트에 마찰을 적용하는 전자기 브레이크 시스템을 사용하여 선형 스크류 액츄에이터에 추가 할 수 있습니다. 예를 들어 스프링을 사용하여 브레이크 패드를 드라이브 너트에 적용하여 전원이 꺼지면 드라이브 패드를 제 위치에 고정 할 수 있습니다. 액츄에이터가 움직일 필요가있을 때, 전자석은 스프링을 방해하고 구동 너트의 제동력을 해제합니다.

마찬가지로 전자식 래칫 메커니즘을 선형 스크류 엑추에이터와 함께 사용할 수 있으므로 액추에이터의 전원이 꺼지면 구동 시스템이 부하를 들어 올리면 위치가 고정됩니다. 엑츄에이터를 낮추기 위해 전자석이 스프링 힘을 상쇄하고 래칫을 잠금 해제하는 데 사용됩니다.

동적 부하 용량
동적 부하 용량은 일반적으로 선형 액추에이터가 작동 중에 제공 할 수있는 힘의 양이라고합니다. 이 힘은 스크류 타입 (마찰을 제한하는 움직임의 양)과 운동을 구동하는 모터에 따라 달라집니다. 동적 부하는 대부분의 액추에이터가 분류 한 수치이며, 가장 적합한 액추에이터를 나타내는 좋은 지표입니다.

속도 제어
전기 기계식 액추에이터를 사용할 때 대부분의 경우 속도 제어 장치가 필요합니다. 이러한 컨트롤러는 모터에 공급되는 전압을 변화시켜 리드 스크류가 회전하는 속도를 변경합니다. 기어비를 조정하는 것이 속도를 조정하는 또 다른 방법입니다. 일부 액추에이터에는 여러 가지 기어링 옵션이 있습니다.

듀티 사이클
모터의 듀티 사이클은 작동기가 냉각되기 전에 작동 할 수있는 시간을 나타냅니다. 액추에이터를 작동 할 때이 지침을 준수하는 것이 수명과 성능의 핵심입니다. 듀티 사이클 정격을 초과하면 과열, 전력 손실 및 모터의 최종 연소가 위험합니다.

선형 모터
선형 모터는 기능적으로 회 전자 및 고정자 원형 자기장 성분이 직선으로 배치 된 회전 전기 모터와 동일합니다. 회전 모터가 돌아가고 동일한 자극이 다시 사용되면 선형 모터의 자기장 구조가 액추에이터의 길이에 걸쳐 물리적으로 반복됩니다.

모터가 선형으로 움직이기 때문에 회전 운동을 선형으로 변환하기 위해 리드 스크류가 필요하지 않습니다. 고용량이 가능하지만 대부분의 설계에서 재료 및 / 또는 모터 제한은 자기 인력 및 반발력에만 의존하기 때문에 상대적으로 빠르게 초과합니다. 대부분의 선형 모터는 다른 종류의 선형 액추에이터에 비해 낮은 부하 용량을 가지고 있습니다. 선형 모터는 두 개의 반쪽이 서로 접촉 할 필요가 없으므로 실외 또는 더러운 환경에서 장점이 있습니다. 따라서 전자기 구동 코일은 방수 및 습기 및 부식으로부터 밀봉되어 매우 긴 서비스 수명을 허용합니다.

텔레 스코핑 선형 액추에이터
텔레 스코핑 선형 액추에이터는 공간 제한이있는 경우 사용되는 특수 선형 액추에이터입니다. 운동 범위는 작동 부재의 연장되지 않은 길이보다 수 배 더 큽니다.

일반적인 형태는 텔레스코픽 실린더와 같이 슬리브처럼 늘어나고 수축하는 거의 동일한 길이의 동심 튜브로 만들어집니다.

다른보다 특수화 된 텔레 스코핑 액추에이터는 연장시 단단한 선형 샤프트 역할을하는 작동 부재를 사용하지만, 수축시 폴딩, 분리 및 / 또는 풀림에 의해 그 라인을 파괴한다. 텔레 스코핑 선형 액추에이터의 예는 다음과 같습니다.

나선형 밴드 액추에이터
강성 벨트 구동기
리지드 체인 액추에이터
분할 된 스핀들

장점과 단점