致动器

致动器(Actuator)是机器的部件,其负责移动和控制机构或系统,例如通过打开阀门。 简单来说,它是一个“推动者”。

致动器需要控制信号和能量源。 控制信号是相对低的能量并且可以是电压或电流,气动或液压,或甚至是人力。 其主要能量源可以是电流,液压流体压力或气动压力。 当它接收到控制信号时,致动器通过将信号的能量转换成机械运动来响应。

致动器是控制系统作用于环境的机构。 控制系统可以是简单的(固定的机械或电子系统),基于软件的(例如打印机驱动器,机器人控制系统),人或任何其他输入。

历史
气动驱动系统和液压驱动系统的历史可以追溯到第二次世界大战(1938年)左右。 它首先由Xhiter Anckeleman(发音为“Ziter”)创建,他利用自己的发动机和制动系统知识提出了一种新的解决方案,以确保汽车上的制动器发挥最大的力,同时尽可能减少磨损。


液压致动器由气缸或流体马达组成,其使用液压动力以促进机械操作。 机械运动在线性,旋转或振荡运动方面提供输出。 由于液体几乎不可能压缩,液压致动器可以施加很大的力。 这种方法的缺点是加速度有限。

液压缸由空心圆柱形管组成,活塞可沿着该空心管滑动。 当流体压力仅施加到活塞的一侧时,使用术语单作用。 活塞只能在一个方向上移动,经常使用弹簧给活塞一个返回行程。 当在活塞的每一侧施加压力时,使用术语双作用; 活塞两侧之间的任何压力差将活塞移动到一侧或另一侧。

气动
气动致动器能够从相对小的压力变化产生相当大的力。 气动致动器将由高压真空或压缩空气形成的能量转换成线性或旋转运动。 气动能量对于主发动机控制是理想的,因为它可以在启动和停止时快速响应,因为电源不需要存储在操作中。 此外,气动致动器比其他致动器更安全,更便宜,并且通常更可靠和更强大。 这些力通常与阀门一起使用以移动隔膜以影响通过阀门的空气流动。

电动
电动致动器由马达提供动力,马达将电能转换为机械扭矩。 电能用于驱动多回转阀等设备。 另外,制动器通常安装在电动机上方以防止介质打开阀门。 如果没有安装制动器,致动器将打开打开的阀门并将其旋转回到关闭位置。 如果继续发生这种情况,电动机和致动器最终会损坏。 它是最清洁和最容易获得的致动器形式之一,因为它不直接涉及石油或其他化石燃料。

与液压和气动致动器相比,电动致动器的结构简单,因为它们仅需要电能作为能量源。 由于电缆用于传输电力和信号,因此它具有很高的通用性,并且对电源和致动器之间的距离几乎没有限制。

有许多型号,根据应用的不同,它们很容易与标准化电动机一起使用。 在大多数情况下,必须使用减速器,因为电机是连续运转的。

使用电动活塞驱动小阀门。

具有活塞的驱动器的最简单形式是安装杠杆,该杠杆与铰链连接,该铰链连接到平行于驱动活塞的轴线的表面和螺纹入口。

有MuscularFires®,可以在没有马达的情况下进行静音运动。 它是机器人和自动化以及小型致动器实施方面最具创新性的技术。

还有电活性聚合物,PEA(西班牙语的缩写)或EAP(英文首字母缩写),它们是通常在电场刺激时改变形状或大小的聚合物。 它们主要用作致动器,传感器或用于机器人和假肢的人造肌肉的产生。

扭曲和卷曲聚合物(TCP)或超螺旋聚合物(SCP)
扭曲和卷绕的聚合物(TCP)致动器(也称为超螺旋聚合物(SCP)致动器)是可以通过电力致动的盘绕聚合物。 TCP致动器看起来像螺旋弹簧。 TCP致动器通常由镀银尼龙制成。 TCP致动器也可以由其他导电涂层制成,例如金。 TCP致动器应在负载下以保持肌肉伸展。 电能由于电阻而转换成热能,这也称为焦耳加热,欧姆加热和电阻加热。 随着焦耳加热使TCP致动器的温度升高,聚合物收缩并导致致动器收缩。

压电致动器
那些产生运动(位移)的装置是否利用了压电的物理现象。 使用这种效果的致动器已经使用了大约20年,并改变了定位的世界。 当电场施加到材料上时产生的精确运动对纳米定位具有重要价值。

可以区分以下类型:

堆栈类型
“Flexure”类型
结合高级电动定位系统

热或磁
可通过施加热能或磁能致动的致动器已用于商业应用中。 热致动器趋于紧凑,重量轻,经济且具有高功率密度。 这些致动器使用形状记忆材料(SMM),例如形状记忆合金(SMA)或磁性形状记忆合金(MSMA)。 这些设备的一些流行制造商是芬兰Modti公司,美国Dynalloy和Rotork。

机械
机械致动器用于通过将一种运动(例如旋转运动)转换成另一种运动(例如线性运动)来执行运动。 一个例子是齿轮齿条。 机械致动器的操作基于结构部件的组合,例如齿轮和导轨,或滑轮和链条。

电子致动器
电子致动器也广泛用于机电设备,例如机器人。 无刷交流伺服电机将来作为精确定位致动器使用,因为操作需求没有核能的维护时间。

液压致动器
最老的液压致动器可根据操作形式分类,基于加压流体操作。 有三个主要群体:

液压缸
液压发动机
液压回转马达
液压缸
根据其功能,我们可以将液压缸分为两种类型:简单效果和双重动作。 在第一种类型中,液压力用于推动,而外力则不同于收缩。 第二种类型使用液压动力来执行两种动作。 转向控制通过螺线管进行。 在内部,它们有一个弹簧,随着电流的流动而改变弹性常数。 也就是说,如果电流流过电动活塞,则可以很容易地延长。

动压缸
承载气缸底部的负载。 制造成本通常很低,因为没有零件在气缸内滑动。

单效缸
杆仅位于活塞的一端,其由弹簧或相同的重力收缩。 负载只能放在气缸的一端。

双效缸
负载可以放在气缸的两侧。 由于活塞端部之间的压力差而产生水平脉冲

伸缩缸
多级管型杆在应用于加压油缸时连续推动。 与气缸的长度相比,可以实现相对长的行程

液压马达
在液压马达中,旋转运动由压力产生。 这些发动机可以分为两大类:第一类是旋转式,其中齿轮由压力下的油直接驱动,第二种是振动型,旋转运动是由活塞或锤子的振荡作用产生的; 由于效率更高,这种类型的需求更高。 以下是此类发动机的分类

减速电机
叶片式旋转电机
螺旋桨马达
液压马达偏心凸轮马达
轴向活塞
摆动式电机,带倾斜轴
减速电机:压力油从作用在每个齿轮的齿面上的入口流出,沿箭头方向产生扭矩。 电机结构简单,因此强烈建议用于高速运行。
带斜轴活塞的电机
从入口流出的加压油将活塞推向凸缘,并且径向方向上产生的力使轴和缸体沿箭头方向旋转。 这种类型的电机非常便于高压和高速应用。 可以通过改变轴的倾斜角度来改变其容量。

带轴向活塞的摆动电机
其功能是在压力下吸收一定体积的流体,并在需要时将其返回到回路中。

气动致动器
将压缩空气的能量转换成机械功的机构称为气动致动器。 虽然它们本质上与液压致动器相同,但在这种情况下压缩范围较低,此外在使用方面和结构方面存在细微差别,因此对电源元件(空气)有启发作用。与液压缸中使用的不同。

在这种分类中,出现了使用压缩空气并被认为是简单效果致动器的波纹管和隔膜,以及最近引起很多关注的人造橡胶肌肉。

效果简单
气缸
双效气动致动器
无柄的双效直线致动器
带齿轮和齿条
带齿轮和双拉链
带叶片的气动马达
带活塞
随着风向标同时进行
阀组
带活塞的旋转发动机
从垂直槽
柱塞
波纹管,横膈膜和人造肌肉
单效缸
旋转托盘
它们是设计用于在输出轴中提供有限转弯的马达元件。 气压直接作用在一个或两个刀片上,印刷转动运动。 这些不超过270°,双托盘的不超过90°。

致动器的部件
“安全钥匙”系统:这种用于保持致动器盖的安全钥匙方法在机加工的滑槽中使用柔性圆柱形不锈钢带。 这消除了由以盖子和螺旋桨的螺钉为中心的载荷引起的应力集中。 安全钥匙大大增加了致动器组件的强度,并提供安全锁定以防止危险的脱开。
带插槽的小齿轮:小齿轮上部的凹槽为位置指示器和位置开关提供自定心直接传动,无需使用联轴器法兰。 (根据那慕尔标准)。
拼接轴承:这些拼接和螺纹拼接轴承用于简化安装在顶部的配件的连接。 (根据ISO 5211和VDI标准)。
大风量通道:超大空气通道的内部管道可以快速操作并避免堵塞。
Muñoneras:新设计和最大耐用性,永久润滑,耐腐蚀且易于更换,延长了致动器在最严苛应用中的使用寿命。
结构:必须提供最大的力来抵抗凹痕,冲击和疲劳。 它的齿条和小齿轮必须具有很好的口径,必须用高精度机械加工,并且消除了游戏以获得精确的位置。
Ceramigard:表面坚固,耐腐蚀,与陶瓷相似。 保护致动器的所有部件免受磨损和腐蚀。
涂层:双层涂层,为侵蚀性环境提供额外保护。
耦合:弹簧式更换模块的耦合或分离,或气压故障时的安全性。
行程调节螺钉:调节小齿轮在两个行进方向上的旋转; 每个四分之一转阀都必不可少。
小齿轮的径向和承重链轮:可更换的耳轴,可防止垂直载荷。 径向消声器支持所有径向载荷。
小齿轮密封 – 上部和下部:小齿轮密封的位置可以最大限度地减少每个可能的间隙,以防止腐蚀。
在发生故障时坚不可摧的安全弹簧:这些弹簧的设计和制造永不失效,并随后防止腐蚀。 弹簧按特定方式分类和分配,以补偿每个弹簧所承受的记忆损失; 对于空气供应失败的真实信心。

最常见的致动器是:

气动和液压缸。 它们执行线性运动。
气动和液压马达(转动致动器)。 它们通过液压或气动能量进行转动。
阀门。 有直接控制,电动,电动气动等。它们用于调节气体和液体的流动。
加热电阻器。 它们用于加热。
电动机。 最常用的是感应,连续,无刷和一步一步。
泵,压缩机和风扇。 通常由电感应马达移动。

3D打印软驱动器
正在开发软致动器以处理易碎物体,例如农业中的水果收获或操纵生物医学中的内部器官,这对于机器人技术来说一直是一项具有挑战性的任务。 与传统的致动器不同,软致动器由于将分子水平的微观变化整合到致动器材料的宏观变形中而产生柔性运动。

大多数现有的软致动器是使用多步低成品工艺制造的,例如微成型,固体自由成型制造和掩模光刻。 然而,这些方法需要手动制造器件,后处理/组装和冗长的迭代,直到实现制造成熟。 为了避免当前制造工艺的繁琐和耗时,研究人员正在探索适当的制造方法,以有效地制造软致动器。 因此,可以通过快速原型制作方法(例如3D打印)在一个步骤中制造的特殊软系统用于缩小软致动器的设计和实施之间的差距,使得该过程更快,更便宜且更简单。 它们还可以将所有致动器组件整合到一个结构中,无需使用外部接头,粘合剂和紧固件。 这导致分立部件数量,后处理步骤和制造时间的减少。

3D打印的软致动器分为两个主要组,即“半3D打印软致动器”和“3D打印软致动器”。 这种分类的原因是区分通过3D打印整体制造的印刷软致动器和其部件由3D打印机制造并随后进行后处理的软致动器。 这种分类有助于阐明3D打印软驱动器相对于半3D打印软驱动器的优势,因为它们无需任何进一步组装即可操作。

形状记忆聚合物(SMP)致动器与我们的肌肉最相似,可对一系列刺激产生反应,如光,电,磁,热,pH和湿度变化。 它们存在一些缺陷,包括疲劳和高响应时间,这些缺陷通过引入智能材料和通过先进制造技术组合不同材料而得到改善。 3D打印机的出现为制造低成本,快速响应的SMP致动器提供了新的途径。 通过SMP接收外部刺激如热,湿气,电输入,光或磁场的过程被称为形状记忆效应(SME)。 SMP具有一些有益的特性,如低密度,高应变恢复,生物相容性和生物降解性。

光聚合物/光活化聚合物(LAP)是另一种由光刺激激活的SMP。 LAP致动器可以通过即时响应进行远程控制,并且在没有任何物理接触的情况下,仅可以根据光频率或强度的变化进行控制。

软机器人中对柔软,轻质和生物相容的软致动器的需求已经影响了研究人员设计气动软致动器,因为它们具有内在的顺应性和产生肌肉张力的能力。

诸如介电弹性体(DE),离子聚合物金属复合物(IPMC),离子电活性聚合物,聚电解质凝胶和凝胶 – 金属复合物的聚合物是形成3D分层结构的常用材料,其可被定制以用作软致动器。 EAP致动器被归类为3D打印的软致动器,其响应于电激励的形状变形。

示例和应用程序
在工程中,致动器经常用作引入运动或夹紧物体以防止运动的机构。 在电子工程中,致动器是传感器的细分。 它们是将输入信号(主要是电信号)转换成某种形式的运动的装置。

致动器的示例
梳理驱动器
数字微镜器件
电动马达
电活性聚合物
液压缸
压电致动器
气动致动器
螺旋千斤顶
伺服系统
电磁阀
步进电机
形状记忆合金
热双压电晶片
液压致动器

循环到线性转换
电动机主要在需要圆周运动时使用,但也可以通过导螺杆或类似机构将圆形运动转换为线性运动而用于线性应用。 另一方面,一些致动器本质上是线性的,例如压电致动器。 圆形和线性运动之间的转换通常通过几种简单类型的机制进行,包括:

螺丝:螺旋千斤顶,滚珠丝杠和滚柱丝杠致动器都按照称为螺丝的简单机器的原理工作。 通过旋转致动器的螺母,螺杆轴成一直线移动。 通过移动螺杆轴,螺母旋转。
车轮和车轴:提升机,绞车,齿轮齿条,链传动,皮带传动,刚性链条和刚性皮带执行机构根据车轮和车轴的原理工作。 通过旋转轮/轴(例如鼓,齿轮,滑轮或轴),线性构件(例如,缆索,齿条,链或带)移动。 通过移动线性构件,轮/轴旋转。
虚拟仪器
在虚拟仪器中,致动器和传感器是虚拟仪器的硬件补充。

性能指标
致动器的性能指标包括速度,加速度和力(或者,角速度,角加速度和扭矩),以及能量效率和诸如质量,体积,操作条件和耐久性等考虑因素。


在考虑应用致动器的力时,应考虑两个主要指标。 这两个是静态和动态负载。 静载荷是致动器在不运动时的受力能力。 相反,致动器的动态载荷是运动时的力能力。

速度
速度应该主要以空载速度考虑,因为速度将随着负载量的增加而不变地减小。 速度降低的速率将直接与力的大小和初始速度相关联。

运行条件
通常使用标准IP代码评级系统对致动器进行评级。 那些被评定为危险环境的设备将具有比个人或普通工业用途更高的IP等级。

耐久力
这将由每个制造商根据使用和质量确定。

Tags: