与传统电动机的圆周运动相比,线性致动器(Linear actuator)是以直线产生运动的致动器。 线性致动器用于机床和工业机械,计算机外围设备,例如磁盘驱动器和打印机,阀门和阻尼器,以及许多其他需要线性运动的地方。 液压缸或气动缸固有地产生线性运动。 许多其他机构用于从旋转马达产生线性运动。
类型
机械致动器
机械线性致动器通常通过将旋转运动转换为线性运动来操作。 转换通常通过几种简单的机制进行:
螺杆:丝杠,螺旋千斤顶,滚珠丝杠和滚柱丝杠致动器均按照称为螺杆的简单机器的原理运行。 通过旋转致动器的螺母,螺杆轴成一直线移动。
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。 旋转轮可移动电缆,齿条,链条或皮带,以产生线性运动。
凸轮:凸轮致动器的功能与楔形相似,但行程相对有限。 当轮状凸轮旋转时,其偏心形状在轴的基部提供推力。
一些机械线性致动器仅拉动,例如提升机,链传动和皮带传动。 其他人只推(例如凸轮致动器)。 气动和液压缸或导螺杆可以设计成在两个方向上产生力。
机械致动器通常通过旋钮或手柄所附接的螺钉和/或齿轮将控制旋钮或手柄的旋转运动转换成线性位移。 千斤顶或汽车千斤顶是熟悉的机械致动器。 另一系列致动器基于分段主轴。 千斤顶手柄的旋转机械地转换成千斤顶头的线性运动。 机械致动器还经常用于激光器和光学器件领域,以操纵线性平台,旋转平台,镜座,测角器和其他定位仪器的位置。 为了精确和可重复定位,可以在控制旋钮上使用索引标记。 一些致动器包括编码器和数字位置读数。 这些类似于千分尺上使用的调节旋钮,除了它们的目的是位置调节而不是位置测量。
液压致动器
液压致动器或液压缸通常包括具有插入其中的活塞的中空圆筒。 施加到活塞的不平衡压力产生可以移动外部物体的力。 由于液体几乎不可压缩,液压缸可以提供活塞的受控精确线性位移。 位移仅沿着活塞的轴线。 手动操作的液压致动器的熟悉示例是液压千斤顶。 然而,通常,术语“液压致动器”指的是由液压泵控制的装置。
气动致动器
气动致动器或气动缸类似于液压致动器,除了它们使用压缩气体来产生力而不是液体。 它们的工作方式类似于活塞,其中空气被泵送到腔室内并被推出腔室的另一侧。 空气致动器不一定用于重型机械和存在大量重量的情况。 气动线性致动器优于其他类型的原因之一是动力源仅仅是空气压缩机。 由于空气是输入源,气动致动器能够用于许多机械活动场所。 缺点是,大多数空气压缩机体积大,体积大,噪音大。 一旦安装,它们很难运输到其他区域。 气动线性致动器可能泄漏,这使得它们比机械线性致动器效率低。
压电致动器
压电效应是某些材料的特性,其中向材料施加电压使其膨胀。 非常高的电压仅对应于微小的扩展。 结果,压电致动器可以实现极其精细的定位分辨率,但也具有非常短的运动范围。 另外,压电材料表现出滞后现象,这使得难以以可重复的方式控制它们的膨胀。
扭曲和卷曲聚合物(TCP)致动器
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msucle扩展。 电能由于电阻而转换成热能,电阻也称为焦耳加热,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。
电动机械致动器
除了用电动马达代替控制旋钮或手柄之外,机电致动器类似于机械致动器。 电机的旋转运动转换为线性位移。 现代线性致动器有许多设计,并且制造它们的每个公司都倾向于采用专有方法。 以下是非常简单的机电线性致动器的概括描述。
简化设计
通常,电动机机械连接以旋转导螺杆。 导螺杆在其圆周上沿着长度方向加工有连续的螺旋螺纹(类似于螺栓上的螺纹)。 螺纹连接到导螺杆上的是带有相应螺旋螺纹的导螺母或滚珠螺母。 通过导螺杆防止螺母旋转(通常螺母与致动器主体的非旋转部分互锁)。 因此,当导螺杆旋转时,螺母将沿螺纹被驱动。 螺母的运动方向取决于导螺杆的旋转方向。 通过将连杆连接到螺母,可以将运动转换为可用的线性位移。 大多数现有的致动器都是为高速,高力或两者之间的折衷而设计的。 在考虑特定应用的致动器时,最重要的规格通常是行程,速度,力,精度和寿命。 大多数品种都安装在阻尼器或蝶阀上。
有许多类型的电动机可用于线性致动器系统。 这些包括直流电刷,直流无刷,步进电机,或者在某些情况下甚至是感应电机。 这一切都取决于应用要求和致动器设计移动的负载。 例如,使用驱动导螺杆的整体马力AC感应电动机的线性致动器可用于操作炼油厂中的大阀。 在这种情况下,不需要精确度和高运动分辨率,但是力和速度很高。 对于在实验室仪器机器人,光学和激光设备或XY工作台中使用的机电线性致动器,微米范围内的精细分辨率和高精度可能需要使用具有细间距导螺杆的分数马力步进电机线性致动器。 机电线性致动器系统有许多变化。 了解设计要求和应用约束以了解哪一个最佳是至关重要的。
标准与紧凑结构
使用标准电动机的线性致动器通常将电动机作为连接到致动器侧面的单独汽缸,或者与致动器平行或者垂直于致动器。 电动机可以连接到致动器的末端。 驱动马达具有典型结构,具有坚固的驱动轴,该驱动轴与驱动螺母或致动器的驱动螺杆啮合。
紧凑型线性致动器使用专门设计的电机,试图将电机和致动器安装到尽可能小的形状。
电动机轴的内径可以增大,因此驱动轴可以是空心的。 因此,驱动螺杆和螺母可以占据电机的中心,而不需要在电机和驱动螺杆之间增加额外的传动装置。
类似地,电动机可以制成具有非常小的外径,但是极面纵向拉伸,因此电动机在装配在小直径空间中时仍然可以具有非常高的扭矩。
原则
在大多数线性致动器设计中,操作的基本原理是倾斜平面。 导螺杆的螺纹用作连续斜坡,其允许在长距离上使用小的旋转力以实现大负载在短距离上的移动。
变化
已经创建了许多基本设计的变体。 大多数专注于提供一般改进,例如更高的机械效率,速度或负载能力。 还有一个朝向致动器小型化的大型工程运动。
大多数机电设计都包含导螺杆和导螺母。 有些使用滚珠丝杠和滚珠螺母。 在任何一种情况下,螺钉可以直接或通过一系列齿轮连接到电动机或手动控制旋钮。 齿轮通常用于允许较小(和较弱)的电动机在较高转速下旋转以减小齿轮以提供在比电动机能够直接驱动的较重负载下旋转螺杆所需的扭矩。 有效地,这牺牲了致动器速度,有利于增加致动器推力。 在一些应用中,蜗轮的使用是常见的,因为这允许较小的内置尺寸仍允许较大的行程长度。
行走螺母线性致动器具有电动机,该电动机保持附接到导螺杆的一端(可能间接地通过齿轮箱),电动机旋转导螺杆,并且导致螺母被限制旋转以使其上下移动。导螺杆。
行走螺旋线性致动器具有完全穿过电动机的导螺杆。 在行走螺旋线性致动器中,电动机“上下”爬行,导致螺杆被限制旋转。 唯一的旋转部件位于电机内部,可能从外部看不到。
一些导螺杆有多个“启动”。 这意味着它们在同一根轴上交替出现多个螺纹。 与糖果手杖上的多色条纹相比,一种可视化方法。 这允许在螺距和螺母/螺纹接触区域之间进行更多调整,这分别决定了(螺纹的)延伸速度和承载能力。
静载荷能力
直线螺杆致动器可以具有静态负载能力,这意味着当电机停止时,致动器基本上锁定到位并且可以支撑拉动或推动致动器的负载。 这种静态负载容量可提高移动性和速度。
致动器的制动力随螺纹的角距和螺纹的具体设计而变化。 Acme螺纹具有非常高的静载荷能力,而滚珠丝杠具有极低的承载能力并且几乎可以自由浮动。
通常,如果没有额外的技术,则不可能改变螺杆致动器的静态负载能力。 螺纹螺距和驱动螺母设计定义了无法动态调整的特定负载能力。
在某些情况下,可以在线性螺杆执行机构中添加高粘度润滑脂,以增加静载荷。 一些制造商使用它来改变特定需求的负载。
静态负载能力可以使用电磁制动系统添加到线性螺杆致动器,该系统对旋转驱动螺母施加摩擦力。 例如,可以使用弹簧将制动衬块施加到驱动螺母,在关闭电源时将其保持就位。 当需要移动致动器时,电磁铁抵消弹簧并释放驱动螺母上的制动力。
类似地,电磁棘轮机构可以与线性螺杆致动器一起使用,使得当关闭致动器的动力时,提升负载的驱动系统将锁定就位。 为了降低致动器,使用电磁铁来抵消弹簧力并解锁棘轮。
动态负载能力
动态负载能力通常被称为线性致动器在操作期间能够提供的力的大小。 该力将随螺杆类型(限制运动的摩擦量)和驱动运动的马达而变化。 动态负载是大多数致动器所分类的数字,并且很好地指示了哪种应用最适合。
速度控制
在大多数情况下,当使用机电致动器时,优选具有某种类型的速度控制。 这种控制器改变提供给电动机的电压,这又改变了导螺杆转动的速度。 调整传动比是调节速度的另一种方法。 一些致动器可提供多种不同的传动选项。
占空比
电机的工作循环是指致动器在需要冷却之前可以运行的时间。 操作致动器时遵守此准则是其寿命和性能的关键。 如果超过占空比额定值,则可能会出现过热,断电和电机最终烧毁的风险。
直线电机
线性马达在功能上与旋转电动机相同,其中转子和定子圆形磁场分量布置成直线。 在旋转马达旋转并再次使用相同的磁极面的情况下,线性马达的磁场结构在致动器的整个长度上物理地重复。
由于电机以线性方式移动,因此不需要导螺杆将旋转运动转换为线性运动。 尽管可以实现高容量,但是由于仅依靠磁吸引力和排斥力,大多数设计的材料和/或电机限制被相对快速地超过。 与其他类型的线性致动器相比,大多数线性电动机具有低负载能力。 直线电动机在室外或肮脏的环境中具有优势,因为两个半部不需要彼此接触,因此电磁驱动线圈可以防水和密封以防潮和腐蚀,从而允许非常长的使用寿命。
伸缩线性致动器
伸缩线性致动器是在存在空间限制的情况下使用的专用线性致动器。 它们的运动范围比致动件的未伸长长度大许多倍。
一种常见的形式是由大致相等长度的同心管制成,它们像套筒一样伸展和缩回,一个在另一个内,例如伸缩筒。
其他更专业的伸缩式致动器使用致动构件,其在伸展时充当刚性线性轴,但在缩回时通过折叠,分离成片和/或展开来破坏该线。 伸缩线性致动器的示例包括:
螺旋带致动器
刚性皮带致动器
刚性链传动装置
分段主轴
的优点和缺点
致动器类型 | 好处 | 缺点 |
---|---|---|
机械 | 廉价。 重复。 无需电源。 自成一体。相同的行为延伸或缩回。 | 仅手动操作。 没有自动化。 |
机电 | 廉价。 重复。 操作可以自动化。 自成一体。 相同的行为延伸或缩回。 直流或步进电机。 可能的位置反馈。 | 许多运动部件容易磨损。 |
直线电机 | 设计简单。 最少的运动部件。 高速可能。 自成一体。 相同的行为延伸或缩回。 | 中低强度。 |
压电 | 高速时可以进行非常小的动作。 消耗几乎没有任何力量。 | 短途旅行,除非机械放大。 需要高电压,通常为24V或更高。 昂贵,脆弱。 仅适用于压缩,而不是紧张。 通常用于燃油喷射器。 |
扭曲和卷曲聚合物(TCP) | 轻,简单 | 效率低,温度高,仅收缩 |
液 | 很高的力量可能。 相对较高的功率与尺寸比(或功率密度)。 | 可以泄漏。 需要位置反馈以获得可重复性。 需要外部液压泵。 有些设计仅适用于压缩。 |
气动 | 坚固,轻便,简单,快速。 | 除了完全停止外,无法精确控制位置 |
蜡电机 | 运行平稳。 | 不如其他方法可靠。 |
分段主轴 | 非常紧凑。 运动范围大于致动器的长度。 | 线性和旋转运动。 |
动圈 | 力,位置和速度是可控的和可重复的。能够实现高速和精确定位。 可以进行线性,旋转和线性+旋转动作。 | 要求位置反馈可重复。 |
MICA(动铁可控致动器) | 力量大,可控。 比动圈更高的力和更少的损失。 损失容易消散。 电子驱动器易于设计和设置。 | 行程限制在几毫米,线性度低于动圈。 |