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Aktuatoren 101. Was ist ein Aktuator, was machen sie, wie arbeiten sie?

Was ist ein Aktuator? Pneumatische Aktuatoren Hydraulische Akteure Drehantriebe Elektrische Linearantriebe

Ein Aktuator ist ein Gerät, das eine Energiequelle benötigt, normalerweise elektrische Energie, einen externen Signaleingang in irgendeiner Form, um dem Aktuator mitzuteilen, was zu tun ist, und dann betätigt das Gerät. Die Ausgabe in Form einer Bewegung kann entweder rotierend oder linear sein und wird verwendet, um ein gewünschtes Ergebnis in einem System zu erzielen.

Der Begriff Aktuator kommt vom Akt des Betätigens von etwas, mit anderen Worten bedeutet Aktuieren, etwas zu bedienen. Um den Ausdruck dessen, was es tut, zu vereinfachen, liest ein Aktuator ein Signal und betätigt dann oder arbeitet. Aktuatoren sind normalerweise Teil eines Gesamtsystems, einer Maschine oder eines Geräts. Es ist eine Komponente in dieser Maschine, die etwas tut, indem sie sie bewegt.

Aktuatoren 101 Was ist ein Aktuator?

Damit ein Aktuator funktioniert, ist eine Energiequelle erforderlich, normalerweise elektrische Energie. Es ist auch ein externer Signaleingang in irgendeiner Form erforderlich, um dem Aktuator mitzuteilen, was zu tun ist, und dann aktiviert das Gerät. Die Ausgabe erfolgt normalerweise in Form einer Bewegung, die entweder rotierend oder linear sein kann und verwendet wird, um das gewünschte Ergebnis in einem System zu erzielen.

Geschichte der Aktuatoren

Aktuatoren gibt es seit über 100 Jahren und ihr Name kommt von dem, was sie tun, sie betätigen etwas. Das heißt, sie bewegen etwas durch Öffnen oder Schließen, Drücken oder Ziehen, Heben oder Fallenlassen usw. Die häufigste Art von Stellantrieb, die Sie täglich verwenden, ist der Magnetantrieb zum Ver- und Entriegeln Ihrer Autotür oder eines elektrischer Linearantrieb verwendet, um den Kofferraum in einem Auto zu öffnen und zu schließen. Dies sind sehr verbreitete Arten von elektromechanischen Aktuatoren, die in unserem täglichen Leben häufig verwendet werden. Bevor Elektrizität erzeugt wurde, wurden sie noch hergestellt, aber von Menschen kontrolliert, wie zum Beispiel ein Riegel an einer Tür.

Wo werden Aktuatoren eingesetzt?

Es gibt über 50 Aktuatoren, die in einem modernen Auto verwendet werden. Autos haben wahrscheinlich die meisten Aktuatoren, die wir als Teil unseres täglichen Lebens verwenden würden. Ein Auto verwendet sie in den Einspritzdüsen, Ventilen für die Kraftstoffversorgung und -verwaltung, Heiz- und Kühlsystemen, sogar die Unterhaltungssysteme können sie zum Öffnen und Schließen von Lautsprechern, GPS-Bildschirmen usw. verwenden.

Aktuatoren 101 - Was ist ein Aktuator und wie funktioniert er?

Was ist ein Aktuator?

Schauen wir uns ein typisches Beispiel für ein Aktuatorsystem an, das in unserem täglichen Leben verwendet wird. Die Heizung in einem Auto hat sowohl eine heiße als auch eine kalte Temperatureinstellung sowie einen Lüfter mit unterschiedlichen Kraftstufen. Die Temperatureinstellung wird tatsächlich über einen Aktuator gesteuert, der regelt, wie viel Luft über einen Wärmetauscher strömt. Dieser Aktuator steuert die Luftströmungsposition. Je mehr er über den Wärmetauscher strömt, desto heißer ist die Luft. Je weiter er vom Wärmetauscher entfernt ist, desto kühler ist sie.

Aktuatoren in Autos

Ist ein Relais ein Aktuator?

EIN Relais wird manchmal auch als eine Form eines elektrischen Aktuators angesehen, dh das Relais betätigt und ein elektrisches Signal oder eine Verbindung irgendeiner Art. Auch wenn dies wie ein elektrisches Bauteil ohne bewegliche Teile klingt, hat es tatsächlich ein bewegliches Bauteil. Ein Relais ist eine magnetisch geladene Spule, die einen Stecker über ein elektromagnetisches Feld öffnet und schließt. Wie Sie sehen können, handelt es sich um eine Art Aktuator im kleinen Maßstab.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns mehr auf Linearaktuatoren. Der Begriff Aktuatoren ist eigentlich sehr weit gefasst und kann auch Drehantriebe, Magnetspulen und andere Typen abdecken.

Aktuatoren

Magnetantriebe

Wenn wir uns an die Automobilindustrie halten, erklären wir einen anderen sehr gebräuchlichen Aktuatortyp, nämlich den Magnetaktuator. Magnetspulen arbeiten wie ein Relais, sie nehmen elektrischen Strom auf und erzeugen ein elektromagnetisches Feld, die Magnetkraft, die einen Stab zum Ein- und Ausbewegen bringt. Je höher das Magnetfeld ist, das dem Magnetantrieb zugeführt wird, desto mehr Kraft wird normalerweise erzeugt und umgekehrt. Dies sind sehr einfache Ein / Aus-Aktuatoren mit nur geringen Steuerungsoptionen, außer um sie ein- oder auszuschalten. Zum Beispiel haben Sie keine wirkliche Kontrolle über Geschwindigkeit oder Kraft. Um es noch schlimmer zu machen, hat der Magnetantrieb auch einen sehr begrenzten Hub. Es ist selten, einen Magnetantrieb mit mehr als 2 "(Zoll) Hub zu finden.

Magnetantriebe

Die Zentralverriegelung an Autotüren ist die am häufigsten verwendete Art von Magnetantrieb. Sie verbinden und trennen einfach den Riegel vom Türgriff. Der Steuermechanismus ist auch für einen Magnetantrieb sehr einfach, und das ist ein einzelner Impuls von 12 V Gleichstrom, der an den Magneten gesendet wird, um ihn zu betätigen, und eine Feder bewirkt, dass er zurückkehrt.

Unten sehen Sie einen typischen Magnetantrieb, wie er in den meisten Autos verwendet wird. Sie sehen wahrscheinlich ungewohnt aus, aber das liegt daran, dass die meisten Menschen nicht in die Türverkleidungen eines Autos sehen können.

Art des Stellantriebs

Piezoaktoren

Diese Bewegung der Aktuatoren wird durch Spannung erregt und erfordert sehr große Spannungen, damit sie sich ausdehnen und zusammenziehen, typischerweise über 200 V. Das Piezomaterial ist eine Art Keramik, es ist sehr spröde und hat viele Schichten mit Metallplatten zwischen jeder Schicht, so dass jeder Piezostapel mit Energie versorgt wird.

Für eine sehr kleine Längenänderung sind große Spannungsmengen erforderlich. Normalerweise dehnt sich ein Piezo nur um etwa 1% seiner Größe aus, aber seine Kraft ist sehr hoch. Dies bedeutet, dass Sie die Ausdehnung der Piezostapel verstärken können, um Bewegungsbewegungen zu erhalten und Kompromisskraft für Schlaganfall. Die Verstärkung könnte mechanisch fast wie eine Hebelidee erfolgen, wird jedoch normalerweise in Anwendungen verwendet, in denen Sie eine sehr hohe Präzision und Kontrolle benötigen. Sie werden am häufigsten als Einspritzdüsen für Fahrzeuge verwendet, bei denen der Piezoaktor das in den Zylinder eintretende Kraftstoffvolumen regelt und der Steuerpegel auf den Mikrometerpegel gesenkt werden muss.

Piezoaktoren

Pneumatische Aktuatoren

Diese Arten von Aktuatoren verwenden Druckgas oder Luft in einem Zylinder, der durch eine Hochdruckpumpe erzeugt wurde, um einen Kolben zu bewegen und eine lineare Bewegung zu erzeugen. Wie bei hydraulischen Aktuatoren gibt es auch bei pneumatischen Linearantrieben seit langem Konstruktionen. Ein Luftkompressor wird verwendet, um die Luft oder das Inertgas in einem Tank unter Druck zu setzen, und diese Hochdruckluft wird verwendet, um den Kolben des Stellglieds hinein- und herausgleiten zu lassen. Sobald der Kolben im Stellantrieb das Ende der Fahrt erreicht hat, wird ein Ventilschalter bewegt, um das Ventil zum anderen Ende des Stellantriebs zu öffnen, wo erneut Hochdruckluft den Kolben in den Stellantrieb in die andere Richtung drückt.

Pneumatische Aktuatoren

Die Verwendung von Pneumatik bietet folgende Vorteile:

  1. Eine hohe Geschwindigkeit ist möglich und wird durch das Druckventil und die Volumenkapazität des Systems gesteuert
  2. Es kann eine ziemlich hohe Kraft erreicht werden
  3. Abgesehen davon, dass die Pumpe den Hochdrucktank auffüllen muss, wird nur wenig Geräusch abgegeben
  4. Sehr lange Hübe sind möglich
  5. Extrem hohe Zykluszuverlässigkeit und Haltbarkeit.
  6. Die Aktuatoren können tatsächlich sehr klein und kompakt sein, da sie recht einfach aufgebaut sind.

Nachteile von pneumatischen Aktuatoren:

  1. Zusätzliche Ausrüstung wie ein Tank und eine Hochdruckpumpe sind erforderlich
  2. Es kann nicht zugelassen werden, dass das gesamte System ausfällt
  3. Luft ist ein komprimierbares Gas und bedeutet als solches, dass ein pneumatischer Aktuator eine hohe Kraft bewegt. Es gibt immer eine Verzögerung, da das Gas natürlich zuerst komprimiert wird, bevor es den Kolben innerhalb des Aktuators bewegt. Dies bedeutet, dass das System verzögert wird. Hydraulische Stellantriebe lösen dieses Problem
  4. Eine sehr niedrige Positionskontrolle ist erreichbar. Sehen Sie sich das folgende Video an, in dem wir Lego verwenden, um den Mangel an Kontrolle im Vergleich zu einem mechanischen Aktuator zu demonstrieren, und einen DTI (Dial Test Indicator) verwenden, um den Unterschied zu zeigen

Wo werden pneumatische Antriebe eingesetzt?

Sie werden verwendet, wenn eine Bewegung mit hoher Geschwindigkeit erforderlich ist oder wenn ein großer linearer Abstand schnell zurückgelegt werden muss, z. B. Zoll pro Sekunde oder 30 Zoll pro Sekunde. Einmal installiert, sind sie schwer von einem Ort zum anderen zu bewegen, da sie viel Installationszeit erfordern. Diese Aktuatoren befinden sich am Fließband von Fertigungsbetrieben, da sie sich ideal für die Durchführung von Millionen von Zyklen ohne Wartung eignen und sich sehr schnell bewegen lassen.

Hydraulische Stellantriebe

Hydraulische Stellantriebe arbeiten genauso wie pneumatische Stellantriebe, verwenden jedoch anstelle von Hochdruckluft oder -gas eine nicht komprimierbare Flüssigkeit, die als Hydraulikflüssigkeit bezeichnet wird. Da die Flüssigkeit nicht komprimierbar ist, hat sie einen großen Vorteil. Diese Systeme sind immensen Kräften ausgesetzt. Deshalb werden sie ausschließlich für schwere Baumaschinen, Bagger, Muldenkipper, Gabelstapler, Traktoren usw. verwendet.

hydraulische Aktuatoren

Wie funktioniert der hydraulische Stellantrieb?

Der hydraulische Stellantrieb verwendet Hochdruckflüssigkeit, um einen Kolben vor und zurück zu drücken, wo das Schalten über Ventilschalter erfolgt. T.Diese Systeme erfordern Hochdruckpumpen, Hochdruckventile und Rohrleitungen sowie einen Tank, um die gesamte Hydraulikflüssigkeit aufzunehmen. Wenn Sie also viel Platz und Geld haben und eine sehr hohe Kraft benötigen, kann die Hydraulik die richtige sein weit weg.

Die Verwendung von hydraulischen Aktuatoren bietet folgende Vorteile:

  1. Eine mäßige Drehzahl ist möglich und wird durch die Pumpendrehzahl gesteuert.
  2. Es kann eine extrem hohe Kraft erreicht werden
  3. Sehr lange Hübe sind möglich
  4. Extrem hohe Zykluszuverlässigkeit und Haltbarkeit.
  5. Die Aktuatoren können tatsächlich sehr klein und kompakt sein, da sie recht einfach aufgebaut sind.

Nachteile von hydraulischen Aktuatoren:

  1. Die Verwendung von Hydraulik unter betrieblichen Gesichtspunkten hat Nachteile. Das wichtigste ist die Kontrolle. Bei diesen Systemen haben Sie nur sehr wenig Präzisionskontrolle.
  2. Hydraulikflüssigkeit ist erforderlich, damit das System funktioniert. Wenn dies austritt, kann die Flüssigkeit sehr giftig sein
  3. Wenn die Hydraulikpumpe in Betrieb ist, kann sie laut sein. Je höher die erforderliche Kraft, desto höher das Geräusch
  4. Hydraulikflüssigkeit hat eine sehr niedrige Viskosität, so dass sie nicht reibungslos durch Rohre und Ventile usw. fließt. Dies alles erfordert Energie, um all diese Flüssigkeit mit hohem Druck durch all diese Rohre und Formstücke usw. zu drücken. Infolgedessen sind Hydrauliksysteme sehr ineffizient zu betreiben und verwenden.
  5. Diese Systeme sind teuer in Anschaffung und Installation.

Drehantriebe

Ein Drehantrieb ist ein Stellantrieb, der eine Drehbewegung erzeugt, wodurch er sich ideal zum Öffnen und Schließen von Ventilen eignet. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, eine Drehbewegung und damit einen Drehantrieb zu erzeugen. Die Unterschiede liegen in der Form des Antrags. Im obigen Bild sehen Sie beispielsweise, dass eine Drehbewegung über eine Zahnstangenbewegung erzeugt wird, bei der die "Zahnstange" als Kolben gesteuert wird. Der Kolben kann entweder hydraulisch gesteuert werden oder unter Verwendung von Hochdruckluft und -gas zur pneumatischen Steuerung. Was wäre der Unterschied? Wenn der oben genannte Drehantrieb hydraulisch gesteuert wird, können die ausgeübten Kräfte sehr groß sein. Dies würde industriellen Anwendungen entsprechen, wenn zum Öffnen und Schließen eines Ventils große Kräfte erforderlich sind. Wenn dieser Drehantrieb pneumatisch gesteuert wird, benötigt der Stellantrieb möglicherweise weniger Kraft, um die Hauptwelle zu drehen, was zur Ausführung der erforderlichen Aufgaben verwendet wird.

Drehantriebe

Drehantriebsprinzip

Die von einem Drehantrieb erzeugte Bewegung kann entweder eine kontinuierliche Drehung sein, wie dies bei einem Elektromotor der Fall ist, oder eine Bewegung kann eine feste Winkeldrehung sein. Bei einem Drehantrieb, der pneumatisch oder hydraulisch gesteuert wird, handelt es sich eher um einen festen Winkeldrehungstyp. Dies liegt daran, dass sich die Zahnstange oder der Kolben, der die Hauptwelle dreht, nur so weit bewegen kann und die Drehbewegung durch den verfügbaren linearen Hub eingeschränkt wird . Wenn mehr Drehung erforderlich ist, muss der Kolben alternativ weiter gleiten, und es wird ein anderes Übersetzungsverhältnis verwendet, um die Bewegung zu erzeugen.

Übersetzungsverhältnis des Drehantriebs

Servo-Drehantrieb

Eine andere Art von Drehantrieb ist ein Servomotor und ein Schrittmotor. Dies sind elektrisch gesteuerte Aktuatoren, die eine konstante Drehbewegung haben, aber auch eine sehr genaue Drehsteuerung bieten.

Servo-Drehantrieb

Diese Arten von Aktuatoren werden üblicherweise in der Robotik und in der Unterhaltungselektronik verwendet, wo Drehbewegung und Drehmoment von einem Rotationsmotor erzeugt werden, der über einige Zahnräder die Drehzahl verringert und das Drehmoment erhöht, um die Drehbewegung zu erzeugen. Um eine präzise Steuerung zu erhalten, verfügt der Aktuator über einen Sensor, der die Position misst. Dies erfolgt normalerweise in Form eines Hallsensors oder -gebers, der ein Signal an das Steuerungssystem zurücksendet, das sich in Position umwandelt. Ein großartiges Merkmal von Servomotoren ist, dass sie sehr klein gemacht und an sehr engen Stellen eingesetzt werden können.

Umwandlung der Drehbewegung von einem Servoantriebsmotor in eine lineare Bewegung

 Umwandlung der Drehbewegung von einem Servomotor in eine lineare Bewegung

Da rotierende Servoaktuatoren so häufig verwendet werden und relativ kostengünstig zu kaufen sind, ist sie für Menschen zu einer beliebten Methode geworden, um lineare Bewegungen zu erzeugen. Durch einfache Verknüpfungen und irgendeine Form eines linearen Führungssystems ist es möglich, eine lineare Bewegung zu erzeugen. Der resultierende Hub ist direkt proportional zur Hebelarmlänge, wie Sie in der Abbildung oben sehen können. Je länger der Arm vom Servoaktuator entfernt ist, desto länger ist der Hub. Der Nachteil ist jedoch, dass die Kraft reduziert wird, da das Drehmoment proportional zur Armlänge ist.

Unterhalb der Drehmomentgleichung für Drehantriebe

Drehmomentgleichung für Drehantriebe

Elektromechanische Linearantriebe.

Bei elektrischen Linearantrieben wird die Drehbewegung eines Wechselstrom- oder Gleichstrommotors über eine Leitspindel in eine Linearbewegung umgewandelt. Eine Leitspindel ist im Grunde ein Stirnrad, das auf eine Stange bearbeitet wird. Wenn sich die Leitspindel dreht, weil der Motor die Leitspindel direkt oder über einige Zahnräder dreht, gleitet die Mutter (wie unten gelb dargestellt) in einer linearen Bewegung auf der Leitspindel auf und ab und erzeugt diese lineare Bewegung - daher der Name "Linearantrieb". Dies unterscheidet sich stark von einem Magnetantrieb, der immer noch eine Form eines Linearantriebs ist. In der Maschinenbauindustrie unterscheiden Ingenieure die beiden jedoch normalerweise, indem sie sie "Magnetantriebe" und "Linearantriebe" nennen, obwohl beide eine lineare Bewegung ausgeben.

Linearantrieb eine Art Aktuator

Bei elektrischen Linearantrieben erhalten Sie mit unterschiedlich langen Leitspindeln unterschiedliche Hublängen. Wenn Sie die Leitspindel schneller oder langsamer vom Motor drehen, erhalten Sie lineare Hube mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Je mehr Kraft vom Motor auf die Leitspindel ausgeübt wird, desto mehr Kraft wird auf die Mutter ausgeübt, die auf der Leitspindel auf und ab gleitet. Die Mutter ist an dem befestigt, was wir den Stab nennen, und an diesem Stab befestigen Sie Dinge, um diese lineare Bewegung zu erzeugen. Je mehr Drehmoment auf die Leitspindel ausgeübt werden kann, desto mehr lineare Kraft steht für die Gleitstange zur Verfügung.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Drehmoment eines Stellantriebs zu erzeugen. Das Hinzufügen eines Zahnrads zwischen dem Motor und der Leitspindel ist die häufigste Methode. Je höher das Übersetzungsverhältnis, desto mehr Kraft wird erzeugt. Es gibt jedoch einen Kompromiss. Je höher die Kraft, desto niedriger die Geschwindigkeit. Umgekehrt ist die Geschwindigkeit umso höher Verringern Sie die Kraft. Um für eine bestimmte Kraft eine zusätzliche Geschwindigkeit zu erreichen, muss ein größerer Eingangsmotor verwendet werden. Dies erfordert mehr Strom und einen größeren Motor und damit mehr Geld.

Elektrische Linearantriebe

Ein elektrischer Aktuator ist ein Gerät, das die Drehbewegung eines Motors in eine lineare Bewegung umwandelt oder elektrischen Strom zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes aufnimmt und mithilfe von Magnetismus ein Metallobjekt zwingt, sich von seinem Magnetfeld zu entfernen. Obwohl beide sehr unterschiedlich sind, haben sie denselben Namen und beide führen zu dem, was ihr Name andeutet ... sie betätigen. Dies bedeutet, dass sie alle sowohl Druck- als auch Zugbewegungen entweder linear oder rotierend ausführen.

Für einen detaillierteren Überblick über die Funktionsweise eines elektrischen Linearantriebs haben wir diesen Artikel erstellt. "In einem linearen Aktuator - Wie ein Aktuator funktioniert"

Wenn Sie einen elektrischen Linearantrieb kaufen möchten, haben wir einen Artikel mit dem Titel „Fahren Sie erst mit einem Linearantrieb, wenn Sie diese 5 Schritte gelesen habenDies kann Ihnen helfen, ein häufiges Problem zu vermeiden, bevor Sie Geld ausgeben.

Mikrolineare Aktuatoren

Mikroaktuatoren

 Mikroaktorenoder Mini-Linearantriebe werden in Anwendungen verwendet, in denen der Platz begrenzt ist oder der erforderliche Hub des Stellantriebs gering ist. Vielleicht müssen Sie etwas Kleines oder Nicht sehr weit bewegen, dann wäre ein Mikrolinearantrieb ideal für eine solche Anwendung. Typische Hubs von Mikroaktoren betragen 10 mm bis 100 mm und sind sehr kompakt. Einer der Nachteile eines Mikroaktuators besteht darin, dass die Kräfte aufgrund der in sie eingebauten kleineren Motoren tendenziell viel geringer sind.

Fassen wir zusammen, was ein Aktuator ist.

Aktuatoren gibt es in vielen verschiedenen Formen, von rotierend bis linear. Der erforderliche Typ hängt von der Anwendung ab, für die sie verwendet werden sollen. Große industrielle Drehantriebe, die hydraulisch angetrieben werden, eignen sich hervorragend zum Öffnen großer Ölleitungsventile und Mikroaktuatoren kann mit kleinen 12-V-Stromquellen mit großer Genauigkeit und Präzision für Robotik und kleine Anwendungen betrieben werden.

elektromechanische Linearantriebe

 

 

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