La guida definitiva agli attuatori

Autore: Robbie Dickson

Wikipedia: Robbie Dickson

Sbloccare il potere degli attuatori: la guida definitiva alla progettazione, alla selezione e all'ottimizzazione

Sapevi che ci sono centinaia diattuatoriin un'auto tipica?, in effetti, essoè stimato che ci sono oltre 50 attuatori di molti tipi diversi all'interno di un'auto che non puoi mai vedere. Che ne dici di casa? Esistono anche molti tipi diversi utilizzati a casa per più applicazioni e casi d'uso. Il punto è che gli attuatori sono disponibili in molte forme e tipi diversi, possono usare utilizzati per accendere automaticamente l'acqua e di una lavatrice, per sollevare una TV da un mobile o per far funzionare quella macchina da caffè ogni mattina. Il punto è che gli attuatori sono in circolazione da decenni in applicazioni che tutti noi diamo per scontate ogni giorno.

FIRGELLI È un leader mondiale, fornitore e produttore di attuatori elettrici, siamo in circolazione da oltre 20 anni e collaborano con migliaia di clienti per applicazioni molto specifiche in ogni settore che puoi immaginare. Il nostro obiettivo è sulla creazione di dispositivi adatti alle esigenze dei nostri clienti, motivo per cui abbiamo uno dei più grandi gamme di attuatori possibili. Da Tesla al Terminator forniamo una gamma folle di aziende con diverse gamme di prodotti e lo facciamo a livello globale.

QuestoLa guida definitiva agli attuatori riguarda l'educazione delle persone su tutto ciò che è un attuatore. Ci entreremo in modo molto dettagliato e li copriremo da ogni angolo. Il nostro obiettivo principale sarà sugli attuatori elettrici in quanto questa è la nostra gamma di prodotti principali, tuttavia, non possiamo dimenticare altri tipi e ne copriremo anche, perché è importante comprendere i pro e i contro di tutti questi diversi tipi, indipendentemente dal fatto che sviluppiamo questi altri tipi o no.

ElettricoAttuatori lineari sono dispositivi che convertono una fonte di energia in un movimento fisico-meccanico in linea retta (attuatore lineare) o un movimento rotante (attuatore rotante). Sono diversi dagli attuatori idraulici e pneumatici, poiché usano l'aria o il fluido compresso per far muovere qualcosa. Sono anche più affidabili, richiedono meno manutenzione e sono spesso meno costosi, ma andiamo in questo modo più dettagliatamente.

Il funzionamento di un attuatore elettrico si ottiene convertendo il movimento rotazionale di un motore CA o CC in un movimento lineare o movimento rotante ma orientato verso il basso da una tipica velocità di 2000rpm+ di un motore, a qualcosa di più adatto per creare movimento (lineare o rotante) Questo può quindi essere reso utile per fare qualcosa di pratico. Per utile intendiamo aumentare la coppia abbassando la velocità, un processo necessario per qualsiasi attuatore elettrico. Per gli attuatori lineari, a seconda della direzione della rotazione della vite, l'albero fissato alla vite (vite di piombo) si muove in linea retta, su o giù, fornendo un effetto push o tiro sul carico. Gli attuatori lineari elettrici possono anche essere facilmente integrati con il feedback di posizionamento per un controllo preciso. La tensione CC è in genere considerata più sicura della tensione CA, ma gli attuatori sono disponibili in entrambe le fonti.

Tipi comuni di attuatori elettrici

Esistono diversi stili di attuatori lineari elettrici disponibili sul mercato, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi a seconda dell'applicazione specifica. In questo articolo, esploreremo i tre stili principali di attuatori lineari elettrici: In linea, a forma di L e parallelo, rotativo e traccia (Attuatore Slide)

Attuatore in linea

Gli attuatori lineari elettrici in linea sono una scelta popolare per le applicazioni che richiedono capacità ad alta velocità e forza in un design compatto. Questi attuatori presentano un'asta di motori e attuatori che sono allineati sullo stesso asse, consentendo un design semplificato che risparmia spazio. Gli attuatori in linea hanno un grande svantaggio tuttavia, ed è che tendono ad essere più lunghi di qualsiasi altro tipo di attuatore, perché il motore e il cambio devono sedersi dietro la vite di guida che richiede che la lunghezza complessiva sia più lunga, mentre la maggior parte degli altri attuatori I tipi del motore possono sedersi lungo il lato del corpo principale. Il grande vantaggio è tuttavia che tendono ad essere un design molto più bello da guardare, sembrano più eleganti e più attraenti, il che li rende ideali per le applicazioni in cui sono viste.

Attuatore a forma di L.

Gli attuatori lineari elettrici a forma di L sono un'altra opzione popolare, in particolare per le applicazioni in cui lo spazio è limitato. Questi attuatori presentano un file motore e cambio montati ad angolo retto rispetto all'asta dell'attuatore, creando una forma a L. Gli attuatori a forma di L sono spesso utilizzati nell'automazione dei mobili, nell'automazione industriale e nelle applicazioni automobilistiche.

Attuatore parallelo

Gli attuatori lineari elettrici paralleli sono forse lo stile più comune di attuatore progettato per applicazioni ad alta forza e precisione e presentano a Motore e cambio montati paralleli al corpo dell'attuatore permettendo così alla lunghezza complessiva di essere più compatta. Il meccanismo di trasmissione è in genere ingranaggi che possono renderli più rumorosi, ma questo è il compromesso per un attuatore più compatto.

Attuatore rotante

UN Attuatore rotante è un tipo di attuatore in cui il Il movimento dell'unità finale è rotante anziché lineare. Al contrario, un attuatore lineare può essere pensato come un attuatore rotante con una vite, un dado di unità e una canna, che converte il movimento rotante da un attuatore rotante in movimento lineare attraverso la vite di piombo. Gli attuatori rotanti hanno un movimento di guida continuo in entrambe le direzioni, senza sosta o limiti a meno che non venga aggiunto un componente di arresto.

Gli attuatori rotanti sono versatili e possono essere utilizzati collegando qualcosa alla flangia di guida per creare il movimento desiderato nell'applicazione finale. Tuttavia, è importante considerare la coppia e la velocità necessarie per l'applicazione. Poiché gli attuatori rotanti hanno una forza angolare, sono selezionati in base alle dimensioni della coppia e della velocità. Vale la pena notare che la coppia e la velocità tra loro, quindi una coppia elevata si traduce in una velocità inferiore e viceversa. Ciò è dovuto al modo in cui i rapporti di marcia funzionano in qualsiasi tipo di movimento in cui ci sono marcia tra il motore di guida e la ruota finale.

Attuatore di traccia - Attuatore Slide

L'attuatore della pista, noto anche come attuatore di diapositive, opera in modo diverso da altri attuatori in quanto non ha un albero o una canna che scorre dentro e fuori dalla fine dell'attuatore. Invece, Un carrello scivola lungo il corpo principale o la pista dell'attuatore. Questo design unico lo rende ideale per applicazioni specifiche, come sedie da massaggio o linee di assemblaggio industriali in cui la pista deve far entrare e uscire ripetutamente qualcosa.

Un vantaggio significativo di questo tipo di attuatore è la sua versatilità quando si tratta di installazione. La carrozza o il dado, come a volte chiamate, hanno vari fori filettati che rendono facile attaccare le cose a loro. Inoltre, è possibile installare più di un carrello sulla stessa pista, che aumenta la forza e la rigidità.

Come scegliere l'attuatore lineare elettrico giusto

Quando si seleziona un attuatore elettrico, è fondamentale considerare i requisiti specifici dell'applicazione. Con vari modelli di attuatori, come motori paralleli, a forma di L o in linea, disponibili per una vasta gamma di applicazioni, la scelta di quella giusta può essere impegnativa. Abbiamo scritto un articolo separato specificamente sull'argomento del Diversi tipi di stili di attuatore elettrico qui. 

Confronto di diversi sistemi di attuatori: pneumatico, idraulico ed elettrico

Gli attuatori sono componenti essenziali nel settore della produzione e dell'automazione. Sono usati per creare movimenti in macchine e sistemi, convertendo l'energia in movimento. Esistono diversi tipi di sistemi attuatori, con i tre più comuni sono pneumatici, idraulici ed elettrici. Discuteremo le caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi di ciascun sistema di attuatori e lo confronteremo tra loro.

Sistema di attuatore pneumatico

I sistemi di attuatori pneumatici sono ampiamente utilizzati nel settore a causa del loro basso costo e semplicità. Sono costituiti da un semplice pistone all'interno di un cilindro cavo, che si muove con un movimento lineare. Questi attuatori richiedono un compressore d'aria, un regolatore e un cilindro dell'aria per mantenere la pressione. Quando viene applicata la pressione al cilindro, il pistone si muove, creando la forza lineare necessaria. La retrazione può essere realizzata da una forza di back-back o fornendo fluido sul lato opposto del pistone.

Uno dei principali svantaggi degli attuatori pneumatici è che è difficile raggiungere l'accuratezza della posizione. Il posizionamento a medio raggruppamento richiede componenti aggiuntivi e supporto degli utenti, rendendo difficile ottenere i risultati desiderati. Inoltre, gli attuatori pneumatici hanno un rating di carico limitato rispetto agli attuatori idraulici ed elettrici.

Sistema di attuatore idraulico

I sistemi di attuatori idraulici sono noti per la loro capacità di produrre forze molto alte e lunghi colpi. Usano un liquido incomprimibile fornito da una pompa per spostare il cilindro in un movimento lineare. Questi attuatori sono costituiti da due componenti essenziali: un dispositivo di controllo, come thottles variabili o valvole di scorrimento accoppiate e un componente di attuazione, come un pistone o una diapositiva della valvola di controllo. Sono in grado di forze molto alte e colpi lunghi ma non sono programmabili.

Gli attuatori idraulici sono a prova di esplosione, a prova di shock e a prova di scintilla, che li rendono adatti per ambienti pericolosi. Tuttavia, sono anche molto complessi, che richiedono una pompa ad alta pressione, regolatori ad alta pressione e un serbatoio di fluido idraulico. Le perdite e lo smaltimento del fluido idraulico possono anche essere impegnativi e richiedere manutenzione.

Sistema di attuatore elettrico

I sistemi di attuatori elettrici sono molto precisi, rendendoli adatti per applicazioni ad alta velocità, forza, precisione e accelerazione e decelerazione controllate. Questi attuatori convertono la forza di rotazione di un motore in movimento lineare, usando una vite per creare un effetto push/tiro. Ruotando la vite dell'attuatore tramite il motore, il dado si muoverà su e giù con un movimento lineare. Anche gli attuatori elettrici sono programmabili, offrendo flessibilità nelle capacità di controllo del movimento con un controller elettronico.

Rispetto agli attuatori idraulici e pneumatici, Gli attuatori elettrici sono i più affidabili e richiedono una manutenzione quasi zero. Sono anche rispettosi dell'ambiente e hanno effetti minimi. Tuttavia, hanno una capacità limitata di gestire carichi di shock, che possono causare danni meccanici. Sono anche lenti a alti, ma altamente correlati alla forza, il che significa che un'alta velocità significherà una bassa forza, ma a bassa velocità significa capacità di forza elevate.

Confronto delle caratteristiche

Nella tabella seguente, abbiamo riassunto le caratteristiche di ciascun sistema di attuatori. Gli attuatori elettrici sono l'opzione più semplice ed economica, Pneumatic è al secondo posto, ma hanno valutazioni di carico limitate e sono difficili da raggiungere l'accuratezza della posizione. Gli attuatori idraulici sono in grado di produrre forze molto alte e colpi lunghi, rendendoli adatti per applicazioni per impieghi pesanti, ma sono complessi e richiedono manutenzione. Gli attuatori elettrici sono i più affidabili e precisi, ma sono limitati nella gestione dei carichi di shock.

Quando si tratta di costi di efficienza e operativa, gli attuatori elettrici sono il chiaro vincitore, con bassi costi operativi e di manutenzione. Gli attuatori pneumatici hanno costi di acquisto e operazione moderati, mentre gli attuatori idraulici hanno alti costi di acquisto e operativo. Tuttavia, gli attuatori idraulici hanno una lunga durata, rendendoli una soluzione economica a lungo termine.

Conclusione

In conclusione, la scelta del giusto sistema di attuatori per l'applicazione richiede un'attenta considerazione delle tue esigenze specifiche, poiché ciascuno ha i suoi vantaggi e svantaggi. I sistemi di attuatori pneumatici, idraulici ed elettrici hanno tutte caratteristiche uniche che le rendono adatte a determinate applicazioni. I sistemi pneumatici sono ideali per applicazioni semplici che richiedono alta velocità, mentre i sistemi idraulici sono più adatti per applicazioni per impieghi pesanti che richiedono forze elevate e colpi lunghi. I sistemi elettrici sono altamente preciso e affidabile, rendendoli l'opzione migliore per le applicazioni che richiedono precisione e ripetibilità.

Ci sono molti componenti all'interno di un tipico attuatore elettrico. Ecco alcuni dei componenti comuni che possono essere trovati all'interno di un attuatore lineare elettrico:

1. Motore elettrico - fornisce la potenza per spostare l'asta dell'attuatore o l'albero dentro e fuori
2. Vite di piombo o vite a sfera - Converte il movimento rotante del motore in movimento lineare dell'asta di uscita dell'attuatore
3. Interruttori encoder o limite: fornire feedback di posizione e limitare la gamma di movimento dell'attuatore per prevenire danni o sovraccarico
4. Alloggiamento o involucro - contiene e protegge i componenti interni e fornisce punti di montaggio per l'attuatore
5. Cuscinetti: supportare l'asta di uscita e ridurre l'attrito durante il movimento
6. CASSEBOX: riduce la velocità del motore e aumenta l'uscita della coppia, consentendo all'attuatore di spostare carichi più pesanti o di esercitare una forza maggiore.

Si noti che i componenti specifici e le loro configurazioni possono variare a seconda del tipo e dell'applicazione dell'attuatore lineare elettrico. L'immagine sotto è un'immagine di livello molto alto che mostra i componenti principali.

 Vuoi vedere maggiori dettagli all'interno di un attuatore?

 Nell'immagine qui sotto puoi vedere un tipico FIRGELLI Attuatore e tutti i suoi componenti in modo molto più dettagliato. Questo livello di dettaglio mancano ancora molte parti come O-ring, cablaggio ecc., Poiché questo inghiottirebbe troppo l'immagine, quindi abbiamo rimosso alcuni componenti non core per una visione più facile.

Il motore

Tutti gli attuatori elettrici hanno un motore AC o DC. La maggior parte sono DC perché sono più sicuri da maneggiare e la DC può essere controllata molto più semplice. La dimensione del motore è ciò che dà all'attuatore la sua potenza, e quindi i motori più grandi significano più potenza e viceversa.

Quando si tratta di motori ci sono due tipi, spazzolati e senza spazzole. Un motore spazzolato, che è il tipo più comune, è un tipo di motore CC che utilizza pennelli (realizzati in carbonio o grafite) per Trasferisci l'alimentazione elettrica al rotore (la parte rotante del motore). I componenti di base di un motore spazzolato includono lo statore (parte stazionaria), il rotore (parte rotante) e il commutatore.

.

Lo statore contiene una o più bobine di filo che sono avvolte attorno a un nucleo in metallo. Queste bobine sono generalmente disposte in un motivo circolare attorno al rotore. Il rotore, d'altra parte, è costituito da un albero che è montato su cuscinetti e una serie di avvolgimenti di filo o magneti permanenti disposti in un motivo cilindrico attorno all'albero.

Il commutatore è un conduttore cilindrico segmentato che è montato sull'albero ed è collegato agli avvolgimenti del rotore. I pennelli entrano in contatto con il commutatore, consentendo energia elettrica da trasferire dalla fonte di alimentazione al rotore.

Quando viene applicata energia elettrica alle bobine dello statore, crea un campo magnetico attorno al rotore. Il campo magnetico interagisce con il campo magnetico prodotto dal rotore, causando la ruota del rotore. Mentre il rotore gira, i segmenti del commutatore si spostano oltre le spazzole, cambiando la polarità della corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti del rotore, che produce la coppia che guida il motore.

I segmenti del commutatore sono disposti in uno schema specifico in modo che la polarità della corrente negli avvolgimenti del rotore cambi al momento appropriato durante ogni rotazione del rotore. Questa commutazione della corrente consente al motore di continuare a ruotare nella stessa direzione.

I motori spazzolati sono relativamente semplici nella progettazione e nella costruzione, ma hanno alcuni limiti. Uno dei principali svantaggi è che il Spazzoli e usura del commutatore nel tempo, portando ad un aumento dell'attrito e alla ridotta efficienza. Questa usura può anche generare scintille e causare interferenze elettromagnetiche. Inoltre, i motori spazzolati tendono ad essere meno efficienti e hanno un rapporto potenza-peso inferiore rispetto ai motori senza spazzole. Tuttavia, i motori spazzolati sono più comuni, prezzi molto più bassi e molto più facili da controllare. Questo è il motivo per cui sono più comunemente usati negli attuatori elettrici.

Di seguito è riportato un motore senza spazzole

Un motore senza spazzole (BLDC) utilizza una configurazione diversa in cui il rotore è la parte rotante e lo statore (parte fissa) ha l'avvolgimento. Il rotore in un motore BLDC è in genere costituito da una serie di magneti permanenti disposti in un motivo circolare attorno all'albero. Lo statore, che circonda il rotore, ha più bobine di filo ferita in uno schema specifico. Gli avvolgimenti dello statore sono eccitati da un controller elettronico che utilizza i sensori per determinare la posizione dei magneti del rotore e controllare il flusso della corrente alle bobine dello statore, producendo un campo magnetico rotante che interagisce con i magneti permanenti sul rotore, causando la rotazione .

Le principali differenze tra i due tipi di motori sono:

1. I motori spazzolati richiedono pennelli per trasferire l'alimentazione al rotore, mentre i motori senza spazzole non richiedono pennelli poiché lo statore è la parte fissa che ha gli avvolgimenti.
2. I motori spazzolati tendono a generare più interferenze elettromagnetiche e produrre più calore a causa delle spazzole che entrano in contatto con il commutatore, mentre i motori senza spazzole non hanno alcun contatto, producendo meno calore e interferenze elettromagnetiche.
3. I motori senza spazzole hanno un rapporto potenza-peso più elevato e sono più efficienti rispetto ai motori spazzolati in quanto non vi sono perdite di energia a causa dell'attrito tra i pennelli e il commutatore.
4. I motori senza spazzole sono in genere più costosi dei motori spazzolati a causa dell'elettronica più complessa necessaria per controllare il motore.
5. La durata della vita di un motore senza spazzole è significativamente più lunga perché non vi sono punti di contatto tra il commutatore e le spazzole, in effetti, le uniche parti indossate sono nei cuscinetti che in genere hanno una durata molto lunga.

Le parti importanti: il saccheggio

Un carrello (a volte scritto "Clevice") è un dispositivo di fissaggio meccanico che viene utilizzato per unirsi a due oggetti insieme, in genere un'asta o un albero per un carico o un collegamento. È costituito da una staffa di metallo a forma di U con fori alle estremità delle braccia che consentono l'attacco di un perno o un bullone. I Cuggi possono essere utilizzati per trasmettere forze o movimenti tra gli oggetti consentendo un certo grado di rotazione o perno. Le camicie sono comunemente utilizzate in varie applicazioni industriali, come nella costruzione di macchinari, veicoli e aeromobili. Possono anche essere trovati nei sistemi idraulici e pneumatici, dove vengono utilizzati per attaccare cilindri, pistoni o altri componenti a un carico o attuatore.

Di seguito è riportata un'immagine del Clevis sia sull'estremità dell'asta (la parte che si muove) e l'estremità del motore (la parte che rimane fissa in posizione)

Lo scopo delle estremità di Clevis di un attuatore è che un'estremità è fissata (di solito l'estremità del motore) e l'estremità dell'asta che è la parte che si estende dentro e fuori ha anche un supporto per il Clevis. Le staffe a forma di U che si adattano a entrambe le estremità usano un perno rotondo e ciò consente alla staffa di ruotare attorno a un asse. Questo è molto importante perché poiché un attuatore sta spingendo qualcosa aperto e chiuso, l'attuatore cambia anche l'angolo, senza essere in grado di ruotare attorno ad almeno un asse, il sistema fallirebbe.

Protezione da sovraccarico

Alcuni attuatori sono dotati di un sistema di protezione corrente di sovraccarico incorporato chiamato termistore.

Un termistore è un Tipo di resistenza la cui resistenza varia con la temperatura. Il nome "Thermistor" è una combinazione di "termico" e "resistenza". I termistori sono comunemente usati nei circuiti elettronici come sensori di temperatura, in cui i loro cambiamenti di resistenza con la temperatura vengono misurati e utilizzati per determinare la temperatura dell'ambiente circostante.

Esistono due tipi di termistori: coefficiente di temperatura positivo (PTC) e coefficiente di temperatura negativo (NTC). I termistori PTC hanno una resistenza che aumenta con l'aumentare della temperatura, mentre i termistori NTC hanno una resistenza che diminuisce con l'aumentare della temperatura.

I termistori sono realizzati con materiali a semiconduttore come ossidi metallici, che hanno a elevata sensibilità alle variazioni di temperatura. La relazione di resistenza-temperatura di un termistore non è lineare, il che significa che il cambiamento di resistenza non è costante con la temperatura. La relazione tra resistenza e temperatura può essere approssimata da un'equazione matematica chiamata Equazione Steinhart-Hart.

I termistori sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui la misurazione e il controllo della temperatura nei circuiti elettronici, la compensazione della temperatura nei circuiti di oscillatore e la protezione dei dispositivi elettronici dalle condizioni di sovratemperatura. Sono anche utilizzati nelle applicazioni automobilistiche, HVAC e mediche per il rilevamento e il controllo della temperatura. FIRGELLI li ha integrati in uno dei nostri modelli di attuatori per il cliente a cui piace questa funzione.

Non tutti gli attuatori hanno i termisti integrati perché per resettare il Termistore Una volta entrato, devi rimuovere il carico che ha causato l'inizio del taglio e quindi invertire la polarità all'attuatore. Questo può essere molto facile da fare con un programma di controllo, ma per una configurazione analogica con solo un alimentatore e un interruttore, potrebbe non essere più adatto. Ma questo tipo di sicurezza è molto efficace e ideale per le applicazioni in cui i bambini o le dita potrebbero essere feriti altrimenti.

Diverse caratteristiche dell'attuatore possono influire sulla sua velocità e capacità di carico, tra cui tensione, tipo di vite e specifiche del motore. Ecco alcune delle caratteristiche e dei loro effetti:

1. Tensione: la tensione fornita all'attuatore influisce sulla velocità e la coppia che può essere prodotta. Tensioni più elevate in genere comportano velocità e coppia più elevate. Tuttavia, l'uso di tensioni più elevate può anche comportare un maggiore consumo di energia e può richiedere alimentatori e controller più costosi. La scelta della tensione per un motore CC dipende dai requisiti e dai vincoli dell'applicazione. Ecco alcuni vantaggi e svantaggi dell'utilizzo di motori DC 12V, 24 V e 48 V

2. Tipo di vite da piombo: la vite di piombo è Responsabile della conversione del movimento rotante dal motore al movimento lineare dell'attuatore. Diversi tipi di equipaggi dei lead possono influire sulla velocità e la capacità di carico dell'attuatore a causa dell'attrito che ciascuno creano. Le viti di piombo ACME sono meno costose e possono gestire carichi più pesanti, ma hanno una minore efficienza e possono produrre più calore. Le viti a sfera, d'altra parte, sono più efficienti e hanno velocità più elevate, ma possono essere più costose ma hanno comunque capacità di carico elevate.

3. Specifiche del motore: il motore è responsabile della fornitura di energia per spostare l'attuatore. Diverse specifiche motorie possono influire sulla velocità e la coppia che possono essere prodotte. I motori RPM più elevati possono produrre velocità più elevate ma possono avere una coppia inferiore, mentre i motori a coppia più elevati possono gestire carichi più pesanti ma possono avere velocità più basse. Le dimensioni e il peso del motore possono anche influire sulle dimensioni complessive e il peso dell'attuatore.

Ecco una tabella che riassume alcune delle caratteristiche, pro e contro di diversi componenti dell'attuatore elettrico AC:

La durata della vita di un attuatore non è solo colpito dai suoi componenti interni ma anche la sua capacità di resistere alle intrusioni ambientali come oggetti solidi e liquidi. Per garantire che i nostri attuatori elettrici abbiano una durata duratura,FIRGELLI Aggiunge un sigillo protettivo attorno al loro esterno.