Um atuador linear é um atuador que cria movimento em uma linha reta, em contraste com o movimento circular de um motor elétrico convencional. Os atuadores lineares são usados ​​em máquinas-ferramentas e maquinário industrial, em periféricos de computador, como unidades de disco e impressoras, em válvulas e amortecedores, e em muitos outros lugares onde o movimento linear é necessário. Cilindros hidráulicos ou pneumáticos inerentemente produzem movimento linear. Muitos outros mecanismos são usados ​​para gerar movimento linear a partir de um motor rotativo.

Tipos

Atuadores mecânicos
Atuadores lineares mecânicos tipicamente operam por conversão de movimento rotativo em movimento linear. A conversão é comumente feita por meio de alguns tipos simples de mecanismo:

Parafuso: todos os atuadores de fuso, macaco de parafuso, fuso de esferas e parafuso de rolo operam segundo o princípio da máquina simples conhecida como o parafuso. Girando a porca do atuador, o eixo do parafuso se move em uma linha.
Roda e eixo: guincho, guincho, cremalheira e pinhão, acionamento por corrente, acionamento por correia, corrente rígida e atuadores de correia rígida operam de acordo com o princípio da roda e do eixo. Uma roda giratória move um cabo, rack, corrente ou correia para produzir movimento linear.
Cam: Os actuadores de came funcionam num princípio semelhante ao da cunha, mas proporcionam uma deslocação relativamente limitada. À medida que um came tipo roda gira, sua forma excêntrica fornece empuxo na base de um eixo.
Alguns atuadores lineares mecânicos apenas puxam, como guinchos, correntes e correias. Outros apenas empurram (como um atuador de came). Cilindros pneumáticos e hidráulicos, ou parafusos de avanço podem ser projetados para gerar força em ambas as direções.

Atuadores mecânicos tipicamente convertem o movimento rotativo de um botão ou alavanca de controle em deslocamento linear por meio de parafusos e / ou engrenagens aos quais o botão ou a alça é presa. Um jackscrew ou jack de carro é um atuador mecânico familiar. Outra família de atuadores é baseada no fuso segmentado. A rotação da manivela do macaco é convertida mecanicamente no movimento linear da cabeça do macaco. Atuadores mecânicos também são freqüentemente usados ​​no campo de lasers e óptica para manipular a posição de estágios lineares, estágios rotativos, montagens de espelho, goniômetros e outros instrumentos de posicionamento.Para posicionamento preciso e repetitivo, marcas de índice podem ser usadas nos botões de controle. Alguns atuadores incluem um encoder e leitura de posição digital. Estes são similares aos botões de ajuste usados ​​nos micrômetros, exceto que sua finalidade é o ajuste de posição em vez da medição de posição.

Atuadores hidráulicos
Atuadores hidráulicos ou cilindros hidráulicos normalmente envolvem um cilindro oco com um pistão inserido nele. Uma pressão desequilibrada aplicada ao pistão gera força que pode mover um objeto externo. Como os líquidos são quase incompressíveis, um cilindro hidráulico pode fornecer deslocamento linear preciso e controlado do pistão. O deslocamento é somente ao longo do eixo do pistão. Um exemplo conhecido de um atuador hidráulico operado manualmente é um macaco hidráulico. Normalmente, porém, o termo “atuador hidráulico” refere-se a um dispositivo controlado por uma bomba hidráulica.

Atuadores pneumáticos
Atuadores pneumáticos, ou cilindros pneumáticos, são similares aos atuadores hidráulicos, exceto pelo uso de gás comprimido para gerar força em vez de líquido. Eles funcionam de maneira semelhante a um pistão no qual o ar é bombeado para dentro de uma câmara e empurrado para fora do outro lado da câmara. Atuadores de ar não são necessariamente usados ​​para máquinas pesadas e instâncias onde grandes quantidades de peso estão presentes. Um dos motivos pelos quais os atuadores lineares pneumáticos são preferidos a outros tipos é o fato de que a fonte de energia é simplesmente um compressor de ar. Como o ar é a fonte de entrada, os atuadores pneumáticos podem ser usados ​​em muitos locais de atividade mecânica. A desvantagem é que a maioria dos compressores de ar são grandes, volumosos e altos. Eles são difíceis de transportar para outras áreas, uma vez instalados. Os atuadores lineares pneumáticos tendem a vazar e isso os torna menos eficientes que os atuadores lineares mecânicos.

Atuadores piezoelétricos
O efeito piezelétrico é uma propriedade de certos materiais em que a aplicação de uma tensão ao material faz com que ele se expanda. Tensões muito altas correspondem apenas a pequenas expansões. Como resultado, os atuadores piezoelétricos podem alcançar uma resolução de posicionamento extremamente fina, mas também têm uma amplitude de movimento muito pequena.Além disso, materiais piezoelétricos exibem histerese que dificulta o controle de sua expansão de maneira repetível.

Atuadores de polímero trançado e enrolado (TCP)
O atuador de polímero trançado e enrolado (TCP), também conhecido como polímero superenrolado (SCP), é um polímero espiralado que pode ser acionado por energia elétrica. Um atuador TCP parece uma mola helicoidal. Atuadores TCP são geralmente feitos de nylon revestido de prata. Os atuadores TCP também podem ser feitos de outro revestimento de condutância elétrica, como o ouro. O atuador TCP deve estar sob carga para manter o msúcleo estendido. A energia elétrica se transforma em energia térmica devido à resistência elétrica, também conhecida como aquecimento Joule, aquecimento ôhmico e aquecimento resistivo. À medida que a temperatura do atuador TCP aumenta por aquecimento Joule, o polímero se contrai e causa a contração do atuador.

Atuadores eletromecânicos
Os atuadores eletromecânicos são semelhantes aos atuadores mecânicos, exceto pelo fato de que o botão ou alavanca de controle é substituído por um motor elétrico. O movimento rotativo do motor é convertido em deslocamento linear. Existem muitos projetos de atuadores lineares modernos e cada empresa que os fabrica tende a ter um método próprio. Segue-se uma descrição generalizada de um atuador linear eletromecânico muito simples.

Design simplificado
Normalmente, um motor elétrico é mecanicamente conectado para girar um parafuso de avanço.Um parafuso de avanço tem uma rosca helicoidal contínua usinada em sua circunferência que corre ao longo do comprimento (semelhante à rosca de um parafuso). Rosca no parafuso de avanço é uma porca de chumbo ou porca esférica com roscas helicoidais correspondentes. A porca é impedida de girar com o parafuso de avanço (normalmente, os intertravamentos da porca com uma parte não rotativa do corpo do atuador). Portanto, quando o parafuso de avanço é girado, a porca será acionada ao longo das roscas. A direção do movimento da porca depende da direção de rotação do parafuso guia. Ao ligar as ligações à porca, o movimento pode ser convertido em deslocamento linear utilizável. A maioria dos atuadores atuais é construída para alta velocidade, alta força ou um compromisso entre os dois. Ao considerar um atuador para uma aplicação específica, as especificações mais importantes são tipicamente viagem, velocidade, força, precisão e vida útil.A maioria das variedades é montada em abafadores ou válvulas borboleta.

Existem muitos tipos de motores que podem ser usados ​​em um sistema de atuador linear. Estes incluem escova DC, DC brushless, stepper, ou em alguns casos, até mesmo motores de indução.Tudo depende dos requisitos da aplicação e das cargas para as quais o atuador foi projetado. Por exemplo, um atuador linear usando um motor de indução AC de potência integral acionando um parafuso de avanço pode ser usado para operar uma válvula grande em uma refinaria. Neste caso, precisão e alta resolução de movimento não são necessárias, mas alta força e velocidade são. Para atuadores lineares eletromecânicos usados ​​em robótica de instrumentação de laboratório, equipamentos ópticos e laser ou mesas XY, resolução fina na faixa de mícron e alta precisão podem exigir o uso de um atuador linear de motor de passo fracionário com um parafuso de avanço fino.Existem muitas variações no sistema de atuadores lineares eletromecânicos. É fundamental entender os requisitos de design e as restrições de aplicativos para saber qual deles seria o melhor.

Construção compacta padrão vs
Um atuador linear usando motores padrão normalmente terá o motor como um cilindro separado preso ao lado do atuador, seja paralelo ao atuador ou perpendicular ao atuador. O motor pode ser conectado à extremidade do atuador. O motor de acionamento é de construção típica com um eixo de acionamento sólido que é direcionado para a porca de acionamento ou parafuso de acionamento do atuador.

Os atuadores lineares compactos usam motores especialmente projetados que tentam encaixar o motor e o atuador na menor forma possível.

O diâmetro interno do eixo do motor pode ser aumentado, de modo que o eixo de acionamento possa ser oco. O parafuso de acionamento e a porca podem, portanto, ocupar o centro do motor, sem necessidade de engrenagens adicionais entre o motor e o parafuso de acionamento.
Da mesma forma, o motor pode ter um diâmetro externo muito pequeno, mas as faces dos pólos são alongadas no sentido do comprimento, de modo que o motor ainda pode ter um torque muito alto enquanto se encaixa em um espaço de pequeno diâmetro.
Princípios
Na maioria dos projetos de atuadores lineares, o princípio básico de operação é o de um plano inclinado. As roscas de um parafuso de avanço atuam como uma rampa contínua que permite que uma pequena força de rotação seja usada por uma longa distância para realizar o movimento de uma grande carga em uma distância curta.

Variações
Muitas variações no design básico foram criadas. A maioria se concentra em fornecer melhorias gerais, como maior eficiência mecânica, velocidade ou capacidade de carga. Há também um grande movimento de engenharia em direção à miniaturização do atuador.

A maioria dos projetos eletromecânicos incorpora um parafuso de avanço e uma porca de chumbo.Alguns usam um parafuso de esfera e porca de esfera. Em ambos os casos, o parafuso pode ser conectado a um motor ou botão de controle manual, diretamente ou através de uma série de engrenagens. As engrenagens são normalmente usadas para permitir que um motor menor (e mais fraco) girando a uma rpm mais alta seja ajustado para fornecer o torque necessário para girar o parafuso sob uma carga mais pesada do que o motor seria capaz de dirigir diretamente.Efetivamente isso sacrifica a velocidade do atuador em favor do impulso aumentado do atuador. Em algumas aplicações, o uso de engrenagens helicoidais é comum, uma vez que isso permite uma menor dimensão incorporada, permitindo ainda um grande comprimento de percurso.

Um atuador linear com porca transportadora tem um motor que permanece preso a uma extremidade do parafuso de avanço (talvez indiretamente através de uma caixa de engrenagens), o motor gira o parafuso de avanço ea porca de chumbamento é impedida de girar para cima e para baixo. parafuso de avanço.

Um atuador linear de parafuso móvel possui um parafuso de avanço que passa inteiramente pelo motor. Em um atuador linear de parafuso móvel, o motor “arrasta” para cima e para baixo um parafuso de avanço que é impedido de girar. As únicas partes giratórias estão dentro do motor e podem não ser visíveis do lado de fora.

Alguns parafusos de chumbo têm vários “inícios”. Isso significa que eles têm vários segmentos alternando no mesmo eixo. Uma maneira de visualizar isso é em comparação com as várias listras de cor em uma bengala de doces. Isso permite um maior ajuste entre o passo da rosca e a área de contato da rosca / porca, que determina a velocidade de extensão e a capacidade de carga (das roscas), respectivamente.

Capacidade de carga estática
Os atuadores de parafuso linear podem ter uma capacidade de carga estática, o que significa que quando o motor para, o atuador essencialmente se encaixa no lugar e pode suportar uma carga que esteja puxando ou empurrando o atuador. Esta capacidade de carga estática aumenta a mobilidade e a velocidade.

A força de frenagem do atuador varia com o passo angular das roscas e o design específico das roscas. Os fios Acme têm uma capacidade de carga estática muito alta, enquanto os fusos de esferas têm uma capacidade de carga extremamente baixa e podem estar quase flutuando livremente.

Geralmente não é possível variar a capacidade de carga estática dos atuadores de parafuso sem tecnologia adicional. O passo da rosca e o design da porca de acionamento definem uma capacidade de carga específica que não pode ser ajustada dinamicamente.

Em alguns casos, graxa de alta viscosidade pode ser adicionada aos atuadores de parafuso linear para aumentar a carga estática. Alguns fabricantes usam isso para alterar a carga para necessidades específicas.

A capacidade de carga estática pode ser adicionada a um atuador de parafuso linear usando um sistema de freio eletromagnético, que aplica fricção à porca de acionamento da fiação. Por exemplo, uma mola pode ser usada para aplicar pastilhas de freio na porca de acionamento, mantendo-a em posição quando a energia é desligada. Quando o atuador precisa ser movido, um eletroímã neutraliza a mola e libera a força de frenagem na porca de acionamento.

Da mesma forma, um mecanismo de catraca eletromagnética pode ser usado com um atuador de parafuso linear, de modo que o sistema de acionamento que levanta uma carga seja travado na posição quando a energia para o atuador é desligada. Para abaixar o atuador, um eletroímã é usado para neutralizar a força da mola e destravar a catraca.

Capacidade de carga dinâmica
A capacidade de carga dinâmica é normalmente referida como a quantidade de força que o atuador linear é capaz de fornecer durante a operação. Esta força irá variar com o tipo de parafuso (quantidade de movimento de restrição de fricção) e o motor acionando o movimento. A carga dinâmica é a figura pela qual a maioria dos atuadores é classificada e é uma boa indicação de quais aplicações ela melhor se adequaria.

Controle de velocidade
Na maioria dos casos, ao usar um atuador eletromecânico, é preferível ter algum tipo de controle de velocidade. Tais controladores variam a tensão fornecida ao motor, que por sua vez muda a velocidade na qual o parafuso de avanço gira. Ajustar a relação de transmissão é outra maneira de ajustar a velocidade. Alguns atuadores estão disponíveis com várias opções de engrenagens diferentes.

Ciclo de trabalho
O ciclo de serviço de um motor refere-se à quantidade de tempo que o atuador pode ser executado antes de precisar resfriar. Permanecer dentro desta diretriz ao operar um atuador é fundamental para sua longevidade e desempenho. Se a taxa de ciclo de serviço for excedida, o superaquecimento, a perda de energia e a eventual queima do motor serão afetados.

Motores lineares
Um motor linear é funcionalmente o mesmo que um motor elétrico rotativo com os componentes do campo magnético circular do rotor e do estator dispostos em uma linha reta. Quando um motor rotativo girar e reutilizar novamente as mesmas faces do pólo magnético, as estruturas do campo magnético de um motor linear são repetidas fisicamente ao longo do comprimento do atuador.

Como o motor se move de forma linear, nenhum parafuso de avanço é necessário para converter o movimento rotativo em linear. Embora a alta capacidade seja possível, as limitações materiais e / ou motoras na maioria dos projetos são superadas com relativa rapidez devido à dependência exclusiva das forças de atração e repulsão magnéticas. A maioria dos motores lineares tem baixa capacidade de carga em comparação com outros tipos de atuadores lineares. Motores lineares têm uma vantagem em ambientes externos ou sujos, pois as duas metades não precisam entrar em contato umas com as outras e, portanto, as bobinas de acionamento eletromagnético podem ser impermeabilizadas e vedadas contra umidade e corrosão, permitindo uma vida útil muito longa.

Atuador linear telescópico
Atuadores lineares telescópicos são atuadores lineares especializados utilizados onde existem restrições de espaço. Sua amplitude de movimento é muitas vezes maior que o comprimento não estendido do membro de atuação.

Uma forma comum é feita de tubos concêntricos de comprimento aproximadamente igual que se estendem e se retraem como mangas, uma dentro da outra, como o cilindro telescópico.

Outros atuadores telescópicos mais especializados usam membros de atuação que atuam como eixos lineares rígidos quando estendidos, mas quebram essa linha dobrando, separando em pedaços e / ou desenrolando quando retraídos. Exemplos de atuadores lineares telescópicos incluem:

Atuador de banda helicoidal
Atuador de correia rígido
Atuador de corrente rígida
Eixo segmentado

Vantagens e desvantagens

Tipo de Atuador	Vantagens	Desvantagens
Mecânico	Barato. Repetivel. Nenhuma fonte de energia é necessária. Auto-contido.Comportamento idêntico que se estende ou se retrai.	Apenas operação manual. Sem automação.
Eletro-mecânica	Barato. Repetivel. A operação pode ser automatizada. Auto-contido.Comportamento idêntico que se estende ou se retrai. Motores DC ou de passo. Posicionar feedback possível.	Muitas partes móveis propensas a usar.
Motor linear	Design simples. Mínimo de partes móveis. Altas velocidades possíveis.Auto-contido. Comportamento idêntico que se estende ou se retrai.	Força baixa a média.
Piezoelétrico	Movimentos muito pequenos possíveis em altas velocidades. Consome quase nenhum poder.	Curto curso a menos que amplificado mecanicamente. Tensões altas requeridas, tipicamente 24V ou mais. Caro e frágil. Bom apenas em compressão, não em tensão.Normalmente usado para injetores de combustível.
Polímero trançado e enrolado (TCP)	leve, simples	Baixa eficiência, alta temperatura, apenas contração
Hidráulico	Forças muito altas possíveis. Relação de potência para tamanho relativamente alta (ou densidade de potência).	Pode vazar. Requer feedback de posição para repetibilidade. Bomba hidráulica externa necessária. Alguns designs são bons somente em compactação.
Pneumático	Forte, leve, simples e rápido.	Controle de posição preciso impossível, exceto em pontos finais
Motor de cera	Operação suave.	Não é tão confiável quanto outros métodos.
Eixo segmentado	Muito compacto. Amplitude de movimento maior que o comprimento do atuador.	Movimento linear e rotativo.
Bobina movente	Força, posição e velocidade são controláveis ​​e repetíveis. Capaz de altas velocidades e posicionamento preciso. São possíveis ações lineares, rotativas e lineares + rotativas.	Requer feedback de posição para ser repetível.
MICA (atuador controlável de ferro em movimento)	Alta força e controlável. Maior força e menos perdas que as bobinas móveis.Perdas fáceis de dissipar. Driver eletrônico fácil de projetar e configurar.	Curso limitado a vários milímetros, menos linearidade do que as bobinas móveis.