Линейный привод

Линейный привод — это привод, который создает движение по прямой линии, в отличие от кругового движения обычного электродвигателя. Линейные приводы используются в станках и промышленном оборудовании, в компьютерных периферийных устройствах, таких как дисковые накопители и принтеры, в клапанах и демпферах, а также во многих других местах, где требуется линейное движение. Гидравлические или пневматические цилиндры изначально производят линейное движение. Многие другие механизмы используются для генерации линейного движения от вращающегося двигателя.

Типы

Механические приводы
Механические линейные приводы обычно работают путем преобразования вращательного движения в линейное движение. Преобразование обычно осуществляется с помощью нескольких простых типов механизмов:

Винты: винтовые, винтовые, шаровые и роликовые винтовые приводы работают по принципу простой машины, известной как винт. Вращая гайку исполнительного механизма, вал винта перемещается по линии.
Колесо и ось: Подъемник, лебедка, стойка и шестерня, цепной привод, ременный привод, жесткие цепные и жесткие ременные приводы работают по принципу колеса и оси.Вращающееся колесо перемещает кабель, стойку, цепь или ленту для обеспечения линейного движения.
Cam: Приводы Cam функционируют по принципу, аналогичному принципу клина, но обеспечивают относительно ограниченное перемещение. Когда колесный кулачок вращается, его эксцентриковая форма обеспечивает тягу у основания вала.
Некоторые механические линейные приводы только тянут, такие как подъемники, цепной привод и ременные приводы. Другие только толкают (например, кулачковый привод).Пневматические и гидравлические цилиндры или свинцовые винты могут быть спроектированы для создания силы в обоих направлениях.

Механические приводы обычно преобразуют вращательное движение ручки управления или рукоятки в линейное перемещение с помощью винтов и / или зубчатых передач, к которым прикреплена ручка или ручка. Штепсельный винт или автомобильный домкрат — знакомый механический привод. Другое семейство исполнительных механизмов основано на сегментированном шпинделе. Вращение рукоятки гнезда преобразуется механически в линейное движение головки гнезда. Механические приводы также часто используются в области лазеров и оптики для управления положением линейных ступеней, поворотных ступеней, зеркальных креплений, гониометров и других позиционирующих инструментов. Для точного и повторяемого позиционирования на ручках управления могут использоваться указательные метки. Некоторые приводы включают в себя датчик и цифровую индикацию положения. Они аналогичны регуляторам настройки, используемым на микрометрах, за исключением того, что они предназначены для регулировки положения, а не для измерения положения.

Гидравлические приводы
Гидравлические приводы или гидравлические цилиндры обычно включают в себя полый цилиндр, в который вставлен поршень. Несбалансированное давление, прикладываемое к поршню, создает силу, которая может перемещать внешний объект. Поскольку жидкости почти несжимаемы, гидравлический цилиндр может обеспечить контролируемое точное линейное смещение поршня. Вытеснение происходит только вдоль оси поршня. Другим примером гидравлического привода с ручным управлением является гидравлический домкрат. Как правило, термин «гидравлический привод» относится к устройству, управляемому гидравлическим насосом.

Пневматические приводы
Пневматические приводы или пневматические цилиндры подобны гидравлическим приводам, за исключением того, что они используют сжатый газ для создания силы вместо жидкости. Они работают аналогично поршню, в котором воздух закачивается внутри камеры и выталкивается из другой стороны камеры. Воздушные приводы не обязательно используются для тяжелых машин и случаев, когда присутствует большое количество веса. Одной из причин, по которой пневматические линейные приводы предпочтительны для других типов, является тот факт, что источником питания является просто воздушный компрессор. Поскольку воздух является источником входного сигнала, пневматические приводы могут использоваться во многих местах механической деятельности. Недостатком является то, что большинство воздушных компрессоров большие, громоздкие и громкие. Их трудно транспортировать в другие районы после их установки. Пневматические линейные приводы могут протекать, что делает их менее эффективными, чем механические линейные приводы.

Пьезоэлектрические приводы
Пьезоэлектрический эффект является свойством некоторых материалов, в которых применение напряжения к материалу заставляет его расширяться. Очень высокие напряжения соответствуют только крошечным разложениям. В результате пьезоэлектрические приводы могут достичь чрезвычайно точного разрешения позиционирования, но также имеют очень короткий диапазон движения. Кроме того, пьезоэлектрические материалы проявляют гистерезис, что затрудняет контроль их экспансии повторяемым образом.

Приводы с витыми и свернутыми полимерами (TCP)
Привод витой и спирального полимера (TCP), также известный как исполнительный механизм сверхпрочного полимера (SCP), представляет собой спиральный полимер, который может приводиться в действие электрической энергией. Привод TCP выглядит как винтовая пружина.Приводы TCP обычно изготавливаются из нейлона с серебряным покрытием. Приводы TCP также могут быть изготовлены из другого электрического проводящего покрытия, такого как золото. Привод TCP должен находиться под нагрузкой, чтобы удлинить удлинитель.Электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию из-за электрического сопротивления, которое также известно как джоулево нагревание, омическое нагревание и резистивный нагрев. По мере того, как температура приемопередатчика TCP увеличивается на джоулевом нагреве, полимер сжимается и вызывает сжатие привода.

Электро-механические приводы
Электро-механические приводы аналогичны механическим приводам, за исключением того, что ручка управления или рукоятка заменены электродвигателем. Вращательное движение двигателя преобразуется в линейное смещение. Существует множество проектов современных линейных приводов, и каждая компания, которая производит их, имеет свой собственный фирменный метод. Ниже приводится обобщенное описание очень простого электромеханического линейного привода.

Упрощенный дизайн
Как правило, электродвигатель механически соединен для поворота свинцового винта.Ведущий винт имеет непрерывную спиральную резьбу, обработанную по ее окружности, проходящую по длине (аналогично резьбе на болте). Резьбовым винтом на свинцовом винте является свинцовая гайка или шаровая гайка с соответствующими винтовыми резьбами. Гайку нельзя вращать с помощью свинцового винта (обычно гайка блокируется с невращающейся частью корпуса исполнительного механизма). Поэтому, когда ведущий винт вращается, гайка будет двигаться вдоль нитей. Направление движения гайки зависит от направления вращения ведущего винта. Путем соединения соединений с гайкой, движение может быть преобразовано в удобное линейное перемещение. Большинство современных приводов построены для высокой скорости, высокой силы или компромисса между ними. При рассмотрении исполнительного механизма для конкретного приложения наиболее важными характеристиками являются, как правило, перемещение, скорость, сила, точность и срок службы. Большинство сортов монтируются на заслонках или заслонках.

Существует много типов двигателей, которые могут использоваться в линейной системе привода. К ним относятся dc brush, dc бесщеточный, степпер или, в некоторых случаях, даже асинхронные двигатели. Все зависит от требований к приложениям и нагрузок, которые привод выполняет для перемещения. Например, для управления большим клапаном на нефтеперерабатывающем заводе можно использовать линейный привод с индуктивным двигателем с постоянным напряжением переменного тока, приводящим в действие винт. В этом случае точность и высокое разрешение движения не требуются, но высокая сила и скорость. Для электромеханических линейных приводов, используемых в лабораторных инструментальных робототехнике, оптическом и лазерном оборудовании или таблицах XY, в тонком разрешении в микронном диапазоне и высокой точности может потребоваться использование линейного привода с шаговым двигателем с дробным ходом с винт с точной высотой шага. В системе электромеханических линейных исполнительных механизмов существует множество изменений. Крайне важно понять требования к дизайну и ограничения приложений, чтобы узнать, какой из них лучше.

Стандартная и компактная конструкция
Линейный привод с использованием стандартных двигателей обычно имеет двигатель в качестве отдельного цилиндра, прикрепленного к стороне привода, либо параллельно с приводом, либо перпендикулярно к приводу. Двигатель может быть присоединен к концу привода. Приводной двигатель имеет типичную конструкцию с твердым приводным валом, который предназначен для приводной гайки или приводного винта привода.

Компактные линейные приводы используют специально разработанные двигатели, которые стараются вместить двигатель и привод в наименьшую возможную форму.

Внутренний диаметр вала двигателя может быть увеличен, так что приводной вал может быть полым. Таким образом, приводной винт и гайка могут занимать центр двигателя, без необходимости дополнительной передачи между двигателем и винтом привода.
Аналогично, двигатель может иметь очень небольшой наружный диаметр, но вместо этого полюсные поверхности растягиваются по длине, так что двигатель все еще может иметь очень высокий крутящий момент при установке в пространстве с небольшим диаметром.
принципы
В большинстве конструкций линейных исполнительных механизмов основным принципом работы является принцип наклона плоскости. Потоки свинцового винта действуют как непрерывная рампа, которая позволяет использовать небольшое вращательное усилие на большом расстоянии для совершения движения большой нагрузки на короткое расстояние.

вариации
Было создано множество вариантов базового дизайна. Основное внимание уделяется обеспечению общих улучшений, таких как более высокая механическая эффективность, скорость или грузоподъемность. Существует также большое инженерное движение к миниатюризации привода.

В большинстве электро-механических конструкций имеется свинцовый винт и свинцовая гайка.Некоторые используют шариковый винт и шариковую гайку. В любом случае винт может быть подключен к двигателю или ручке управления вручную либо через серию передач. Механизмы обычно используются, чтобы обеспечить меньший (и более слабый) двигатель, вращающийся при более высоких оборотах, чтобы быть направленным вниз, чтобы обеспечить крутящий момент, необходимый для вращения винта под более тяжелой нагрузкой, чем двигатель в противном случае мог бы управлять непосредственно. Эффективно это приносит в жертву скорость привода в пользу увеличения тяги привода. В некоторых применениях использование червячной передачи является обычным, так как это позволяет меньший встроенный размер по-прежнему обеспечивает большую длину движения.

Линейный привод бегущей гайки имеет двигатель, который остается прикрепленным к одному концу винта (возможно, косвенно через коробку передач), двигатель вращает ведущий винт, а свинцовая гайка удерживается от вращения, так что она перемещается вверх и вниз по свинцовый винт.

Линейный привод с вращающимся винтом имеет винт, который полностью проходит через двигатель. В линейном приводном двигателе с ходовым винтом двигатель «сканирует» вверх и вниз по винту, который удерживается от вращения. Единственные прядильные части находятся внутри двигателя и могут быть не видны снаружи.

Некоторые винты имеют несколько «стартов». Это означает, что они имеют несколько потоков, чередующихся на одном и том же валу. Один из способов визуализации этого заключается в сравнении с несколькими цветными полосками на конфетном тростнике. Это позволяет увеличить настройку между шагом резьбы и областью контакта гайки / винтовой резьбы, которая определяет скорость расширения и грузоподъемность (резьбы) соответственно.

Статическая грузоподъемность
Линейные винтовые приводы могут иметь статическую грузоподъемность, а это означает, что когда двигатель останавливается, привод практически блокируется и может поддерживать нагрузку, которая либо тянет, либо нажимает на привод. Эта статическая грузоподъемность увеличивает мобильность и скорость.

Тормозное усилие привода зависит от углового шага резьбы винта и конкретного исполнения резьбы. Нити Acme имеют очень высокую статическую нагрузку, в то время как шариковые винты имеют чрезвычайно низкую грузоподъемность и могут быть почти свободно плавающими.

Как правило, невозможно изменять статическую нагрузку винтовых исполнительных механизмов без дополнительных технологий. Шаг резьбовой резьбы и конструкция приводной гайки определяют удельную грузоподъемность, которую невозможно динамически регулировать.

В некоторых случаях смазочный материал с высокой вязкостью может быть добавлен к линейным винтовым приводам для увеличения статической нагрузки. Некоторые производители используют это для изменения нагрузки для конкретных потребностей.

Статическая грузоподъемность может быть добавлена ​​к линейному винтовому приводу с использованием электромагнитной тормозной системы, которая применяет трение к вращающейся приводной гайке. Например, пружину можно использовать для прикладывания тормозных колодок к приводной гайке, удерживая ее в положении, когда питание выключено.Когда привод необходимо перемещать, электромагнит противодействует пружине и высвобождает тормозное усилие на приводной гайке.

Аналогичным образом электромагнитный храповой механизм можно использовать с линейным винтовым приводом, так что приводная система, поднимающая нагрузку, будет заблокирована, когда питание на привод отключится. Чтобы опустить привод, электромагнит используется для противодействия усилию пружины и разблокировки храповика.

Динамическая грузоподъемность
Динамическая грузоподъемность обычно называется величиной силы, которую линейный привод может обеспечить во время работы. Эта сила будет варьироваться в зависимости от типа винта (количество движения, ограничивающего трение), и двигателя, движущего движение. Динамическая нагрузка — это показатель, который классифицирует большинство приводов, и является хорошим показателем того, какие приложения он наилучшим образом подходит.

Контроль скорости
В большинстве случаев при использовании электромеханического привода предпочтительно иметь некоторый тип управления скоростью. Такие контроллеры изменяют напряжение, подаваемое на двигатель, что, в свою очередь, изменяет скорость вращения винта.Регулировка передаточного отношения — еще один способ регулировки скорости. Некоторые исполнительные механизмы доступны с несколькими вариантами передачи.

Рабочий цикл
Рабочий цикл двигателя относится к количеству времени, в течение которого привод может работать до его остывания. Пребывание в этом руководстве при работе с приводом является ключевым фактором его долговечности и производительности. Если превышено значение рабочего цикла, возникает риск перегрева, потери мощности и возможного горения двигателя.

Линейные двигатели
Линейный двигатель функционально такой же, как и роторный электродвигатель с компонентами кругового магнитного поля ротора и статора, расположенными по прямой линии.Когда вращающийся двигатель будет вращаться вокруг и снова использовать те же магнитные полюсные поверхности, структуры магнитного поля линейного двигателя физически повторяются по всей длине привода.

Поскольку двигатель движется линейным образом, для преобразования вращательного движения в линейный нет необходимости. В то время как высокая производительность возможна, ограничения на материал и / или мотор на большинстве конструкций превзойдены относительно быстро из-за зависимости исключительно от магнитных сил притяжения и отталкивания. Большинство линейных двигателей имеют низкую грузоподъемность по сравнению с другими типами линейных приводов. Линейные двигатели имеют преимущество в наружной или грязной среде, так что обе половинки не должны контактировать друг с другом, и поэтому катушки электромагнитного привода могут быть гидроизолированы и герметизированы против влаги и коррозии, что обеспечивает очень длительный срок службы.

Телескопический линейный привод
Телескопические линейные приводы представляют собой специализированные линейные приводы, используемые там, где существуют ограничения пространства. Их диапазон движения во много раз больше, чем длина удлиненного исполнительного элемента.

Обычная форма выполнена из концентрических трубок приблизительно равной длины, которые простираются и втягиваются, как рукава, одна внутри другой, такая как телескопический цилиндр.

Другие более специализированные телескопические приводы используют исполнительные элементы, которые выступают в качестве жестких линейных валов, когда они удлиняются, но разрывают эту линию путем складывания, разделения на куски и / или разматывания при отводе. Примеры телескопических линейных приводов включают:

Приводной редуктор
Жесткий ременный привод
Жесткий цепной привод
Сегментированный шпиндель

Преимущества и недостатки