Привод

Привод — это компонент машины , который создает силу , крутящий момент или смещение , обычно контролируемым образом, когда электрический , пневматический или гидравлический ) подается к нему в системе (называемой приводной системой 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 разделяет их на два типа: приводы с инкрементальным 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]

Типы приводов

Механический

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

Гидравлический привод обычно использует давление жидкости (обычно масла), чтобы заставить поршень скользить внутри полой цилиндрической трубы 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

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 коленчатого вала механизма .

Электрический

С 1960 года было разработано несколько технологий приводов. Электрические приводы можно разделить на следующие группы:

Электромеханический

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.

Электрогидравлический

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 (открыть, закрыть, открыть...), что в конечном итоге приведет к повреждению двигателя и привода. ^[10]

Роторный

Электрические поворотные приводы используют роторный двигатель для поворота целевой части на определенный угол. ^[11] Поворотные приводы могут вращаться на 360 градусов. Это отличает его 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 имеют 5 подразделов приводов, таких как кулисный механизм, лопастной, реечный, спиральный и электрогидравлический. Все формы имеют свой особый дизайн и использование, позволяющее 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

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:

Высокая точность (равная или менее 0,1 мм);
Высокая скорость цикла (более 100 циклов/мин);
Возможность использования в чистых и строго регламентированных средах (не допускаются утечки воздуха, влаги и смазочных материалов);
Необходимость программируемого движения в ситуации сложных операций

Основными недостатками линейных двигателей являются:

Они дороги по отношению к пневматике и другим электрическим технологиям.
Их нелегко интегрировать в стандартное оборудование из-за их большого размера и большого веса.
Они имеют низкую плотность силы по сравнению с пневматическими и электромеханическими приводами.

Термальный

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]

Магнитный

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 .

Мягкие приводы

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] прочное изготовление 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 СМП, 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.

Примеры и приложения

В технике приводы часто используются в качестве механизмов для создания движения или зажима объекта, чтобы предотвратить движение. ^[18] В электронной технике актуаторы являются подразделением преобразователей. Это устройства, которые преобразуют входной сигнал (в основном электрический сигнал ) в некоторую форму движения.

Примеры приводов

Преобразование кругового в линейное

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:

Винт : Винтовой домкрат , шарико-винтовой винт и приводы с ролико-винтовой передачей работают по принципу простой машины, известной как винт. При вращении гайки привода вал винта перемещается по прямой. При перемещении вала винта гайка вращается.
Колесо и ось : Подъемник , лебедка , реечная передача , цепная передача , ременная передача , приводы с жесткой цепью и жестким ремнем работают по принципу колеса и оси. При вращении колеса/оси (например, барабана , шестерни , шкива или вала линейный элемент (например, трос , стойка, цепь или ремень ) перемещается ). При перемещении линейного элемента колесо/ось вращается. ^[19]

Виртуальный инструментарий

В виртуальных приборах исполнительные механизмы и датчики являются аппаратными дополнениями виртуальных приборов.

Показатели производительности

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.

Сила

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

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.

Условия эксплуатации

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.

Долговечность

Это будет определяться каждым отдельным производителем в зависимости от использования и качества.

См. также

Ссылки

^ Эскюдье, Марсель; Аткинс, Тони (2019). «Словарь машиностроения» . Оксфордский справочник . doi : 10.1093/acref/9780198832102.001.0001 . ISBN 978-0-19-883210-2 .
^ Баттерфилд, Эндрю Дж.; Шимански, Джон, ред. (2018). «Словарь по электронике и электротехнике» . Оксфордский справочник . doi : 10.1093/acref/9780198725725.001.0001 . ISBN 978-0-19-872572-5 .
^ Несбитт, Б. (2011). Справочник по арматуре и приводам: Международное руководство по арматуре . Эльзевир Наука. п. 2. ISBN 978-0-08-054928-6 . Проверено 11 ноября 2021 г.
^ Кларенс В. де Сильва. Мехатроника: комплексный подход (2005). ЦРК Пресс. п. 761.
^ «В чем разница между пневматическими, гидравлическими и электрическими приводами?» . www.machinedesign.com . Архивировано из оригинала 23 апреля 2016 г. Проверено 26 апреля 2016 г.
^ «Роль реечных приводов в двухпозиционном и регулирующем управлении». Журнал Valve (весна 2010 г.). Ассоциация производителей клапанов.
^ «Пневматические реечные приводы серии Automax SuperNova» (PDF) . Корпорация Флоусерв . Проверено 7 июля 2014 г.
^ «Что такое пневматический привод?» . www.tech-faq.com . Архивировано из оригинала 21 февраля 2018 г. Проверено 20 февраля 2018 г.
^ «Информация о приводах пневматических клапанов — IHS Engineering360» . www.globalspec.com . Архивировано из оригинала 24 июня 2016 г. Проверено 26 апреля 2016 г.
^ Тиссеран, Оливье. «Как работает электрический привод?» . Архивировано из оригинала 21 февраля 2018 г. Проверено 20 февраля 2018 г.
^ «В чем разница между линейными и поворотными приводами?» . Робототехника завтра . Проверено 13 июля 2022 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Поворотный привод – обзор» . Темы ScienceDirect . Проверено 13 июля 2022 г.
^ «Сверхкомпактные: клапаны с приводами с памятью формы» . 24 марта 2021 г.
^ Эль-Атаб, Назек; Мишра, Ришаб Б.; Аль-Модаф, Фахад; Джохарджи, Лана; Альшариф, Алджохара А.; Аламуди, Ханин; Диас, Марлон; Кайзер, Надим; Хусейн, Мухаммад Мустафа (октябрь 2020 г.). «Мягкие приводы для мягкой робототехники: обзор» . Передовые интеллектуальные системы . 2 : 2000128.doi : (10 ) 10.1002/aisy.202000128 . hdl : 10754/664810 . ISSN 2640-4567 . S2CID 224805628 .
^ Фэн, Го-Хуа; Йен, Ши-Чи (2015). «Сменный мягкий привод для микроманипуляционных инструментов с механизмами усиления силы захвата и преобразования выходного движения». 2015 Преобразователи - 2015 18-я Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным устройствам и микросистемам (ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) . стр. 1877–80. doi : 10.1109/TRANSDUCERS.2015.7181316 . ISBN 978-1-4799-8955-3 . S2CID 7243537 .
^ Мэлоун, Эван; Липсон, Ход (2006). «Изготовление иономерных полимерно-металлических композитных приводов произвольной формы». Журнал быстрого прототипирования . 12 (5): 244–53. дои : 10.1108/13552540610707004 . S2CID 1172362 .
^ Кердлапи, Понгсак; Виситсораат, Анурат; Пхокараткул, Дицают; Лексакул, Комгрит; Пхаттанакун, Рунгренг; Туантранонт, Адисорн (2013). «Изготовление электростатического МЭМС-микроактюатора на основе рентгеновской литографии с рентгеновской маской на основе свинца и процесса переноса сухой пленки на печатную плату». Микросистемные технологии . 20 : 127–35. дои : 10.1007/s00542-013-1816-x . S2CID 110234049 .
^ Шабестари, НП (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой спекл-интерферометрии». Журнал оптики . 48 (2): 272–282. дои : 10.1007/s12596-019-00522-4 . S2CID 155531221 .
^ Склетер, Н. (2007). Справочник по механизмам и механическим устройствам (4-е изд.). МакГроу-Хилл.

[1] Эскюдье, Марсель; Аткинс, Тони (2019). «Словарь машиностроения» . Оксфордский справочник . doi : 10.1093/acref/9780198832102.001.0001 . ISBN 978-0-19-883210-2 .

[2] Баттерфилд, Эндрю Дж.; Шимански, Джон, ред. (2018). «Словарь по электронике и электротехнике» . Оксфордский справочник . doi : 10.1093/acref/9780198725725.001.0001 . ISBN 978-0-19-872572-5 .

[Nesbitt_2011_p._2-3] Несбитт, Б. (2011). Справочник по арматуре и приводам: Международное руководство по арматуре . Эльзевир Наука. п. 2. ISBN 978-0-08-054928-6 . Проверено 11 ноября 2021 г.

[4] Кларенс В. де Сильва. Мехатроника: комплексный подход (2005). ЦРК Пресс. п. 761.

[5] «В чем разница между пневматическими, гидравлическими и электрическими приводами?» . www.machinedesign.com . Архивировано из оригинала 23 апреля 2016 г. Проверено 26 апреля 2016 г.

[6] «Роль реечных приводов в двухпозиционном и регулирующем управлении». Журнал Valve (весна 2010 г.). Ассоциация производителей клапанов.

[7] «Пневматические реечные приводы серии Automax SuperNova» (PDF) . Корпорация Флоусерв . Проверено 7 июля 2014 г.

[8] «Что такое пневматический привод?» . www.tech-faq.com . Архивировано из оригинала 21 февраля 2018 г. Проверено 20 февраля 2018 г.

[9] «Информация о приводах пневматических клапанов — IHS Engineering360» . www.globalspec.com . Архивировано из оригинала 24 июня 2016 г. Проверено 26 апреля 2016 г.

[10] Тиссеран, Оливье. «Как работает электрический привод?» . Архивировано из оригинала 21 февраля 2018 г. Проверено 20 февраля 2018 г.

[11] «В чем разница между линейными и поворотными приводами?» . Робототехника завтра . Проверено 13 июля 2022 г.

[ScienceDirect-12] Перейти обратно: ^а ^б «Поворотный привод – обзор» . Темы ScienceDirect . Проверено 13 июля 2022 г.

[13] «Сверхкомпактные: клапаны с приводами с памятью формы» . 24 марта 2021 г.

[14] Эль-Атаб, Назек; Мишра, Ришаб Б.; Аль-Модаф, Фахад; Джохарджи, Лана; Альшариф, Алджохара А.; Аламуди, Ханин; Диас, Марлон; Кайзер, Надим; Хусейн, Мухаммад Мустафа (октябрь 2020 г.). «Мягкие приводы для мягкой робототехники: обзор» . Передовые интеллектуальные системы . 2 : 2000128.doi : (10 ) 10.1002/aisy.202000128 . hdl : 10754/664810 . ISSN 2640-4567 . S2CID 224805628 .

[15] Фэн, Го-Хуа; Йен, Ши-Чи (2015). «Сменный мягкий привод для микроманипуляционных инструментов с механизмами усиления силы захвата и преобразования выходного движения». 2015 Преобразователи - 2015 18-я Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным устройствам и микросистемам (ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) . стр. 1877–80. doi : 10.1109/TRANSDUCERS.2015.7181316 . ISBN 978-1-4799-8955-3 . S2CID 7243537 .

[16] Мэлоун, Эван; Липсон, Ход (2006). «Изготовление иономерных полимерно-металлических композитных приводов произвольной формы». Журнал быстрого прототипирования . 12 (5): 244–53. дои : 10.1108/13552540610707004 . S2CID 1172362 .

[17] Кердлапи, Понгсак; Виситсораат, Анурат; Пхокараткул, Дицают; Лексакул, Комгрит; Пхаттанакун, Рунгренг; Туантранонт, Адисорн (2013). «Изготовление электростатического МЭМС-микроактюатора на основе рентгеновской литографии с рентгеновской маской на основе свинца и процесса переноса сухой пленки на печатную плату». Микросистемные технологии . 20 : 127–35. дои : 10.1007/s00542-013-1816-x . S2CID 110234049 .

[18] Шабестари, НП (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой спекл-интерферометрии». Журнал оптики . 48 (2): 272–282. дои : 10.1007/s12596-019-00522-4 . S2CID 155531221 .

[19] Склетер, Н. (2007). Справочник по механизмам и механическим устройствам (4-е изд.). МакГроу-Хилл.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]