Aktuator

Ein Aktuator ist eine Komponente von a Maschine Dies ist verantwortlich für das Verschieben und Steuern eines Mechanismus oder Systems, beispielsweise durch Öffnen eines Ventils. In einfachen Worten ist es ein "Mover".

Ein Aktuator benötigt ein Steuergerät (gesteuert von Steuersignal) und eine Quelle von Energie. Das Kontrollsignal ist relativ gering und kann sein elektrisch Stromspannung oder aktuell, pneumatisch, oder Hydraulikflüssigkeit Druck oder sogar menschliche Kraft. Seine Hauptenergiequelle kann eine sein elektrischer Strom, hydraulisch Druck, oder pneumatisch Druck.^[1] Das Steuergerät ist normalerweise ein Ventil. Wenn es ein Steuersignal empfängt, antwortet ein Aktuator, indem es die Energie der Quelle in mechanische Bewegung umwandelt. In dem elektrisch, hydraulisch, und pneumatisch Sinn, es ist eine Form von Automatisierung oder automatische Steuerung.

Geschichte

Die Geschichte des pneumatischen Betätigungssystems und des hydraulischen Betätigungssystems stammt aus dem Zeitpunkt der Zeit von der Zeit von Zweiter Weltkrieg (1938). Es wurde zuerst von Xhiter Anckeleman geschaffen^[2] wer benutzte sein Wissen über Motoren und Bremse Systeme, um eine neue Lösung zu finden, um sicherzustellen, dass die Bremsen eines Autos die maximale Kraft ausüben, mit dem geringsten Verschleiß.

Arten von Aktuatoren

Weicher Aktuator

Ein weicher Aktuator ist einer, der seine Form als Reaktion auf Reize wie mechanische, thermische, magnetische und elektrische Veränderungen verändert. Weiche Aktuatoren befassen sich hauptsächlich mit der Robotik des Menschen als mit der Industrie, für die die meisten Aktuatoren verwendet werden. Für die meisten Aktuatoren sind sie mechanisch langlebig, haben jedoch keine Anpassungsfähigkeit im Vergleich zu weichen Aktuatoren. Die weichen Aktuatoren bewerben sich hauptsächlich für Sicherheit und Gesundheitsversorgung für Menschen, weshalb sie sich an Umgebungen anpassen können, indem sie ihre Teile zerlegen.^[3] Aus diesem Grund befassen sich die angetriebene Energie hinter weichen Aktuatoren mit flexiblen Materialien wie bestimmten Polymeren und Flüssigkeiten, die für den Menschen harmlos sind.

Hydraulisch

Der hydraulische Aktuator besteht aus Zylinder oder Flüssigkeitsmotor, der hydraulische Leistung verwendet, um den mechanischen Betrieb zu erleichtern. Die mechanische Bewegung ergibt einen Ausgang in linearer, rotatorischer oder Schwingung Bewegung. Da Flüssigkeiten fast nicht komprimiert werden können, kann ein hydraulischer Aktuator eine große Kraft ausüben. Der Nachteil dieses Ansatzes ist seine begrenzte Beschleunigung.

Der hydraulische Zylinder besteht aus einem hohlen zylindrischen Röhrchen, entlang der ein Kolben gleiten kann. Der Begriff Single Schauspiel wird verwendet, wenn der Flüssigkeitsdruck auf nur eine Seite des Kolbens ausgeübt wird. Der Kolben kann sich nur in eine Richtung bewegen, wobei eine Feder häufig verwendet wird, um dem Kolben einen Rückschlag zu geben. Der Begriff doppelte Schauspielerei wird verwendet, wenn Druck auf jeder Seite des Kolbens ausgeübt wird; Jeder Kraftunterschied zwischen den beiden Seiten des Kolbens bewegt den Kolben auf die eine oder andere Seite.^[4]

Pneumatisch

Pneumatische Aktuatoren ermöglichen es erhebliche Kräfte, die aus relativ geringen Druckänderungen erzeugt werden. Pneumatische Energie ist für Hauptmotorensteuerung wünschenswert, da sie beim Starten und Stoppen schnell reagieren kann, da die Stromquelle nicht für den Betrieb in Reserve gespeichert werden muss. Darüber hinaus sind pneumatische Aktuatoren billiger und oft mächtiger als andere Aktuatoren. Diese Kräfte werden häufig mit Ventilen eingesetzt, um Membranen zu bewegen, um den Luftstrom durch das Ventil zu beeinflussen.^[5][6]

Der Vorteil von pneumatischen Aktuatoren besteht genau in der hohen Kraft, die in einem relativ geringen Volumen verfügbar ist. Während der Hauptnachteil der Technologie in der Notwendigkeit eines Druckluftnetzes besteht, das aus mehreren Komponenten wie Kompressoren, Reservoiren, Filtern, Trocknern, Luftbehandlungssubsystemen, Ventilen, Röhrchen usw. besteht kann bis zu 95% summieren

Elektrisch

Seit 1960 wurden mehrere Aktuatortechnologien entwickelt, elektrische Aktuatoren können in den folgenden Gruppen klassifiziert werden:

Elektromechanischer Aktuator (EMA)

Es wandelt die Drehkraft eines elektrischen Drehmotors in eine lineare Bewegung um, um die angeforderte lineare Bewegung durch einen Mechanismus entweder einen Riemen (Riemenantriebsachse mit Stepper oder Servo) oder eine Schraube (entweder eine Kugel oder eine Bleischraube oder planetarische Rollenschraube zu erzeugen ))

Die Hauptvorteile elektromechanischer Aktuatoren sind ihr relativ gutes Maß an Genauigkeit gegenüber der Pneumatik, ihr möglicher langer Lebenszyklus und der erforderlichen geringen Wartungsaufwand (möglicherweise erforderlich). Es ist möglich, relativ hohe Kraft in der Größenordnung von 100 kN zu erreichen.

Die Hauptbeschränkung dieser Aktuatoren ist die erreichbare Geschwindigkeit, die wichtigen Abmessungen und das Gewicht, das sie benötigen. Während die Hauptanwendung solcher Aktuatoren hauptsächlich in Gesundheitsvorrichtungen und Fabrikautomatisierung zu sehen ist.

Elektrohydraulischer Aktuator

Ein anderer Ansatz ist ein Elektrohydraulisch Aktuator, bei dem die Elektromotor bleibt der Hauptgewogen, liefert aber Drehmoment für den Betrieb a Hydraulischer Akkumulator Das wird dann verwendet, um die Betätigungskraft in ähnlicher Weise wie Diesel zu übertragen Motor/Hydraulik werden normalerweise in schweren Geräten verwendet.

Elektrische Energie wird verwendet, um Geräte wie mehreren Turn-Ventile zu betätigen, oder elektrisch betrieben Bau- und Ausgrabungsausrüstung.

Bei Verwendung des Flüssigkeitsflusses durch ein Ventil wird eine Bremse normalerweise über dem Motor installiert, um zu verhindern, dass der Flüssigkeitsdruck das Ventil öffnet. Wenn keine Bremse installiert ist, wird der Aktuator aktiviert, um das Ventil wieder einzukämpfen, das langsam wieder geöffnet wird. Dies bildet eine Schwingung (offen, nah, offen ...) und der Motor und der Stellantrieb werden schließlich beschädigt.^[7]

Linearer Motor

Lineare Motoren unterscheiden sich von elektromechanischen Aktuatoren, sie arbeiten mit demselben Prinzip wie elektrische Rotationsmotoren, die tatsächlich als Rotationsmotor angesehen werden kann, der geschnitten und abgerollt wurde. Anstatt eine Rotationsbewegung zu erzeugen, erzeugen sie eine lineare Kraft entlang ihrer Länge. Da lineare Motoren niedrigere Reibungsverluste verursachen als andere Geräte, können einige lineare Motorprodukte über hundert Millionen Zyklen halten.

Lineare Motoren sind in 3 grundlegende Kategorien unterteilt: flacher linearer Motor (klassisch), lineare U-Kanal-Motoren und röhrenförmige lineare Motoren.

Die lineare Motorechnologie ist die beste Lösung im Kontext einer niedrigen Belastung (bis zu 30 kg), da sie die liefert Höchstes Maß an Geschwindigkeit, Kontrolle und Genauigkeit.

Tatsächlich ist es die gewünschte und vielseitigste Technologie. Aufgrund der Einschränkungen der Pneumatik ist die derzeitige Electric Actuator -Technologie eine praktikable Lösung für bestimmte Branchenanwendungen und wurde erfolgreich in Marktsegmenten wie der Uhrmacher-, Halbleiter- und Pharmaindustrie eingeführt (bis zu 60% der Anwendungen. Das Wachstum Interesse für diese Technologie kann durch die folgenden Merkmale erklärt werden:

• Hohe Präzision (gleich oder weniger als 0,1 mm);
• Hohe Radsportrate (mehr als 100 Zyklen/min);
• Mögliche Verwendung in sauberen und hochregulierten Umgebungen (keine Leckagen von Luft, Luftfeuchtigkeit oder Schmiermittel);
• Bedarf an programmierbaren Bewegungen in der Situation komplexer Operationen

Die Hauptnachteile der linearen Motoren sind:

• Sie sind teurer Respekt gegenüber Pneumatik und anderen elektrischen Technologien.
• Aufgrund ihrer wichtigen Größe und ihres hohen Gewichts sind sie nicht einfach in Standardmaschinen zu integrieren.
• Sie haben eine geringe Kraftdichte respektieren pneumatischer und elektromechanischer Aktuatoren.

Drehmotor

Rotationsmotoren sind Aktuatoren, die ein Energiestück verwenden, um eine oszillatorische Bewegung in einem bestimmten Bewegungswinkel zu bilden.^[8] Rotationsaktuatoren können bis zu einer Rotation von 360 Grad haben. Dies ermöglicht es, sich von einem linearen Motor zu unterscheiden, da der Linear im Vergleich zum Drehmotor an einen festgelegten Abstand gebunden ist. Rotationsmotoren können in einem Feld auf einen bestimmten Grad eingestellt werden, was das Gerät mit Haltbarkeit und einem festgelegten Drehmoment leichter einrichten kann.

Rotationsmotoren können mit 3 verschiedenen Techniken wie elektrisch, flüssig oder manuell angetrieben werden.^[9] Fluid angetriebene Drehantriebsantriebe haben jedoch 5 Unterabschnitte von Aktuatoren wie schottischem Joch, Schaufel, Rack-and-Pinion, Helical und Electrohydraulic. Alle Formen haben ihr eigenes Design und verwenden die Möglichkeit, mehrere Abschlusswinkel auszuwählen.

Bewerbungen für die Rotationsaktuatoren sind nahezu endlos, werden jedoch höchstwahrscheinlich mit hauptsächlich hydraulischen Druckgeräten und -industrien befasst. Rotationsaktuatoren werden sogar im Robotikfeld verwendet, wenn Roboterarme in Branchenlinien sehen. Alles, was Sie sehen, das sich mit Bewegungssteuerungssystemen zur Ausführung einer Aufgabe in der Technologie befasst, ist eine gute Chance, ein Rotary -Aktuator zu sein.^[9]

Thermisch oder magnetisch

Aktuatoren, die durch die Anwendung thermischer oder magnetischer Energie auf ein Festkörpermaterial betätigt werden können, wurden in kommerziellen Anwendungen verwendet. Wärmeaktuatoren können durch Temperatur oder Erhitzen durch die ausgelöst werden Jouleffekt und neigen dazu, kompakt, leicht, wirtschaftlich und mit hoher Stromdichte zu sein. Diese Aktuatoren verwenden Form Speichermaterialien wie z. Form-Memory-Legierungen (SMAS) oder Magnetische Form-Memory-Legierungen (Msmas).^[10]

Mechanisch

Ein mechanischer Aktuator wirkt, um Bewegung auszuführen, indem eine Art von Bewegung wie z. Drehbewegung, in eine andere Art, wie z. lineare Bewegung. Ein Beispiel ist a Rack und Ritzel. Der Betrieb mechanischer Aktuatoren basiert auf Kombinationen von strukturellen Komponenten, wie z. Getriebe und Schienen oder Riemenscheiben und Ketten.

3D -gedruckte weiche Aktuatoren

Die Mehrheit der vorhandenen weichen Aktuatoren wird unter Verwendung von mehrstufigen Ertragsverfahren wie Mikro-Moulten hergestellt.^[11] Feste Freiformherstellung,^[12] und Maske Lithographie.^[13] Diese Methoden erfordern jedoch eine manuelle Herstellung von Geräten, Nachverarbeitung/Baugruppe und lange Iterationen, bis die Herstellung vor Fälligkeit erreicht ist. Um die mühsamen und zeitaufwändigen Aspekte der aktuellen Fertigungsprozesse zu vermeiden, untersuchen die Forscher einen geeigneten Herstellungsansatz für eine effektive Herstellung weicher Aktuatoren. Daher sind spezielle weiche Systeme, die in einem einzigen Schritt durch schnelle Prototyping -Methoden hergestellt werden können, wie z. 3d Drucken, werden verwendet, um die Lücke zwischen dem Design und der Implementierung von weichen Aktuatoren einzugrenzen, wodurch der Prozess schneller, günstiger und einfacher wird. Sie ermöglichen auch die Einbindung aller Aktuatorkomponenten in eine einzelne Struktur Gelenke, Klebstoffe, und Befestigungselemente.

Formgedächtnispolymer (SMP) Aktuatoren sind unseren Muskeln am ähnlichsten und geben eine Reaktion auf eine Reihe von Stimuli wie leichte, elektrische, magnetische, Wärme, pH- und Feuchtigkeitsänderungen. Sie haben einige Mängel, einschließlich Müdigkeit und hoher Reaktionszeit, die durch die Einführung von verbessert wurden Smart Materialien und Kombination verschiedener Materialien mittels fortschrittlicher Herstellungstechnologie. Das Aufkommen von 3D-Druckern hat einen neuen Weg zur Herstellung kostengünstiger und schneller Reaktions-SMP-Aktuatoren gemacht. Der Prozess des Empfangens externer Reize wie Wärme, Feuchtigkeit, elektrischer Eingang, Licht oder Magnetfeld durch SMP wird als Formgedächtniseffekt (KMU) bezeichnet. SMP zeigt einige lohnende Merkmale wie eine so niedrige Dichte, eine hohe Dehnungsrückgewinnung, Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit.

Photopolymer/Lichtaktivierte Polymere (LAP) sind eine andere Art von SMP, die durch Lichtstimuli aktiviert werden. Die LAP -Aktuatoren können mit sofortiger Reaktion und ohne physischen Kontakt nur mit der Variation der Lichtfrequenz oder -intensität kontrolliert werden.

Ein Bedarf an weichem, leichtem und Biokompatibel Weiche Aktuatoren in weichen Robotik haben Forscher beeinflusst, um pneumatische weiche Aktuatoren zu entwickeln, da sie die Natur und die Fähigkeit zur Erzeugung von Muskelverspannungen erzeugen.

Polymere wie dielektrische Elastomere (De), Ionenpolymermetall -Verbundwerkstoffe (IPMC), ionische elektroaktive Polymere, Polyelektrolyt Gele und Gel-metalische Verbundwerkstoffe sind übliche Materialien zur Bildung von 3D-Schichtstrukturen, die auf die Arbeit als weiche Aktuatoren zugeschnitten werden können. EAP -Aktuatoren werden als 3D -gedruckte weiche Aktuatoren eingestuft, die auf elektrische Anregungen reagieren Verformung in ihrer Form.

Beispiele und Anwendungen

Im IngenieurwesenAktuatoren werden häufig als Mechanismen verwendet, um Bewegung einzuführen oder ein Objekt zu klemmen, um Bewegung zu verhindern.^[14] In der Elektrotechnik sind Aktuatoren eine Unterteilung von Wandler. Es handelt sich um Geräte, die ein Eingangssignal (hauptsächlich ein elektrisches Signal) in eine Bewegungsform umwandeln.

Beispiele für Aktuatoren

• Kammantrieb
• Digitalmikromirror -Gerät
• Elektromotor
• Elektroaktives Polymer
• Hydraulischer Zylinder
• Piezoelektrischer Aktuator
• Pneumatikantrieb
• Schrauben Siebranch
• Servomechanismus
• Magnet
• Schrittmotor
• Form-Memory-Legierung
• Thermal Bimorph
• Hydraulische Aktuatoren

Kreisförmige bis lineare Umwandlung

Motoren werden hauptsächlich verwendet, wenn kreisförmige Bewegungen erforderlich sind, können aber auch für lineare Anwendungen verwendet werden Bleischraube oder ähnlicher Mechanismus. Andererseits sind einige Aktuatoren intrinsisch linear, wie z. B. piezoelektrische Aktuatoren. Die Umwandlung zwischen kreisförmiger und linearer Bewegung wird üblicherweise über einige einfache Arten von Mechanismus durchgeführt, einschließlich:

• Schrauben: Schrauben Siebranch, Kugelschraube und Rollenschraube Aktuatoren alle operieren nach dem Prinzip der einfache Maschine bekannt als die Schraube. Durch Drehen der Nuss des Aktuators bewegt sich die Schraubwelle in einer Linie. Durch Bewegen der Schraubenwelle dreht sich die Mutter.
• Rad und Achse: Hissen, Winde, Rack und Ritzel, Kettenantrieb, Riemenantrieb, Starrkette und starrer Gürtel Aktuatoren arbeiten nach dem Prinzip des Rades und der Achse. Durch Drehen eines Rades/Achse (z. Trommel, Ausrüstung, Rolle oder Welle) Ein lineares Mitglied (z. Kabel, Gestell, Kette oder Gürtel) Bewegt. Durch Bewegen des linearen Elements dreht sich das Rad/die Achse.^[15]

Virtuelle Instrumentierung

Im Virtuelle InstrumentierungAktuatoren und Sensoren sind die Hardware -Ergänzungen von virtuellen Instrumenten.

Leistungsmetriken

Leistungsmetriken für Aktuatoren umfassen Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft (Alternativ, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung und Drehmoment) sowie Energieeffizienz und Überlegungen wie Masse, Volumen, Betriebsbedingungen und Haltbarkeit unter anderem.

Macht

Bei der Prüfung der Kraft in Aktuatoren für Anwendungen sollten zwei Hauptmetriken berücksichtigt werden. Diese beiden sind statische und dynamische Lasten. Die statische Belastung ist die Kraftfähigkeit des Stellantriebs, wenn sie nicht in Bewegung ist. Umgekehrt ist die dynamische Belastung des Aktuators die Kraftfähigkeit in Bewegung.

Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit sollte hauptsächlich in einem Tempo ohne Last berücksichtigt werden, da die Geschwindigkeit mit zunehmender Lastmenge immer abnimmt. Die Geschwindigkeit, die die Geschwindigkeit abnimmt, korreliert direkt mit der Kraftmenge und der Anfangsgeschwindigkeit.

Betriebsbedingungen

Aktuatoren werden üblicherweise mit dem Standard bewertet IP -Code Bewertungssystem. Diejenigen, die für gefährliche Umgebungen bewertet werden, haben eine höhere IP -Bewertung als diejenigen für persönliche oder gemeinsame industrielle Verwendung.

Haltbarkeit

Dies wird je nach Verwendung und Qualität von jedem einzelnen Hersteller bestimmt.

Siehe auch

Verweise