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Attuatori 101. Che cos'è un attuatore, cosa fanno, come funzionano.

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Un attuatore è un dispositivo che richiede un ingresso di una fonte di energia, solitamente energia elettrica, un segnale di ingresso esterno in qualche forma per dire all'attuatore cosa fare, quindi il dispositivo si attiva. L'output sotto forma di movimento può essere rotativo o lineare e viene utilizzato per ottenere un risultato desiderato in un sistema.

Il termine attuatore deriva dall'atto di azionare qualcosa, in altre parole azionare è azionare qualcosa. Quindi, per semplificare l'espressione di ciò che fa, un attuatore legge un segnale e poi si attiva, oppure opera. Gli attuatori fanno tipicamente parte di un sistema o macchina o dispositivo generale. È un componente all'interno di quella macchina che fa qualcosa facendola muovere.

Attuatori 101 cos'è un attuatore

Affinché un attuatore funzioni, è necessaria una fonte di energia in ingresso, generalmente energia elettrica. Richiede anche un ingresso di segnale esterno in una qualche forma per dire all'attuatore cosa fare, quindi il dispositivo si attiva. L'output è solitamente sotto forma di un movimento che può essere rotativo o lineare che viene utilizzato per ottenere il risultato desiderato in un sistema.

Storia degli attuatori

Gli attuatori esistono da oltre 100 anni e il loro nome deriva da ciò che fanno, azionano qualcosa. Ovvero muovono qualcosa aprendo o chiudendo, spingendo o tirando, sollevando o facendo cadere ecc. Il tipo più comune di attuatore che usi ogni giorno è l'attuatore a solenoide per bloccare e sbloccare la portiera della tua auto, o un attuatore lineare elettrico utilizzato per aprire e chiudere il bagagliaio di un'auto. Questi sono tipi molto comuni di attuatori elettromeccanici che vengono ampiamente utilizzati nella nostra vita quotidiana. Prima che l'elettricità fosse creata, erano ancora prodotti ma sarebbero stati controllati dall'uomo, come un chiavistello su una porta.

Dove vengono utilizzati gli attuatori?

Ci sono oltre 50 attuatori utilizzati in un'auto moderna, probabilmente le auto hanno il maggior numero di attuatori che utilizzeremmo nella nostra vita quotidiana. Un'auto li utilizza negli iniettori del carburante, nelle valvole per l'alimentazione e nella gestione del carburante, nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento, anche i sistemi di intrattenimento possono utilizzarli per aprire e chiudere altoparlanti, schermi GPS e così via.

Attuatori 101 - Cos'è un attuatore e come funziona

cos'è un attuatore

Vediamo un tipico esempio di un sistema di attuatori utilizzato nella nostra vita quotidiana. Il riscaldamento in un'auto ha impostazioni di temperatura sia calda che fredda e una ventola anche con diversi livelli di forza. L'impostazione della temperatura è effettivamente controllata tramite un attuatore che regola la quantità di aria che fluisce su uno scambiatore di calore. Quell'attuatore controlla la posizione del flusso d'aria, più scorre sullo scambiatore di calore più è calda l'aria, al contrario, più è lontana dallo scambiatore di calore più è fredda.

attuatori nelle automobili

Un relè è un attuatore?

UN Relè a volte è anche considerato una forma di attuatore elettrico, cioè il relè si attiva e il segnale elettrico o il collegamento di qualche tipo. Anche se questo può suonare come un componente elettrico senza parti mobili, in realtà ha un componente in movimento. Un relè è una bobina caricata magneticamente che apre e chiude un connettore tramite un campo elettromagnetico. Quindi, come puoi vedere, è una forma di attuatore solo su piccola scala.

Ai fini di questo articolo, ci concentreremo maggiormente sugli attuatori lineari. Il termine attuatori è in realtà molto ampio e può coprire anche attuatori rotanti, solenoidi e altri tipi.

attuatori

Attuatori a solenoide

Attenendoci all'Automotive, spieghiamo un altro tipo di attuatore molto comune, e questo è l'attuatore a solenoide. I solenoidi funzionano come un relè, assorbono una corrente elettrica e creano un campo elettromagnetico, è quella forza magnetica che poi fa muovere un'asta dentro e fuori. In genere, maggiore è il campo magnetico fornito all'attuatore del solenoide, maggiore è la forza creata e viceversa. Questi sono attuatori di tipo on / off molto semplici con poche opzioni di controllo oltre all'accensione o allo spegnimento. Ad esempio non si ha un reale controllo sulla velocità o sulla forza, infatti a peggiorare le cose l'attuatore a solenoide ha anche una corsa molto limitata. È raro trovare un attuatore a solenoide con più di 2 pollici (pollici) di corsa.

attuatori a solenoide

La chiusura centralizzata sulle portiere dell'auto sono i tipi più comuni di attuatori a solenoide utilizzati. semplicemente collegano e scollegano il fermo dalla maniglia della porta. Il meccanismo di controllo è anche molto semplice per un attuatore a solenoide e questo è un singolo impulso di elettricità a 12 V cc che viene inviato al solenoide per attivarlo, e una molla è ciò che lo fa tornare.

Di seguito è riportato un tipico attuatore a solenoide, utilizzato nella maggior parte delle auto. Probabilmente sembrano poco familiari, ma questo perché la maggior parte delle persone non riesce a vedere all'interno dei pannelli delle portiere di un'auto.

tipo di attuatore

Attuatori piezoelettrici

Il movimento di questi attuatori deriva dall'eccitazione della tensione e richiedono tensioni molto elevate per farli espandere e contrarsi, tipicamente oltre i 200V. Il materiale piezoelettrico è un tipo di ceramica, è molto fragile e avrà molti strati con piastre metalliche tra ogni strato in modo che ogni pila piezoelettrica venga energizzata.

Sono necessarie grandi quantità di tensione per cambiamenti di lunghezza molto piccoli, in genere un piezo si espanderà solo di circa l'1% delle sue dimensioni, ma la loro forza è molto alta, questo significa che puoi amplificare l'espansione delle pile piezo per ottenere il movimento di movimento e forza di compromesso per la corsa. L'amplificazione potrebbe essere eseguita meccanicamente quasi come un'idea a leva, ma sono tipicamente utilizzati in applicazioni in cui è necessaria una precisione e un controllo molto elevati. Sono più comunemente usati come iniettori di carburante per auto in cui l'attuatore piezo controlla il volume di carburante che entra nel cilindro e il livello di controllo deve essere al livello del micron.

Attuatori piezoelettrici

Attuatori pneumatici

Questi tipi di attuatori utilizzano gas pressurizzato o aria in un cilindro creato da una pompa ad alta pressione per spostare un pistone per creare un movimento lineare. Come gli attuatori idraulici, il design dell'attuatore lineare pneumatico esiste da molto tempo. Un compressore d'aria viene utilizzato per pressurizzare l'aria o il gas inerte in un serbatoio e quell'aria ad alta pressione viene utilizzata per far scorrere il pistone degli attuatori dentro e fuori. Una volta che il pistone nell'attuatore ha raggiunto la fine della corsa, un interruttore della valvola viene quindi spostato per aprire la valvola all'altra estremità dell'attuatore, dove di nuovo l'aria ad alta pressione spinge il pistone nell'attuatore nell'altra direzione.

Attuatori pneumatici

I vantaggi dell'utilizzo della pneumatica sono:

  1. L'alta velocità è possibile ed è controllata dalla valvola di pressione e dalla capacità volumetrica del sistema
  2. È possibile ottenere una forza abbastanza elevata
  3. Viene emesso poco rumore a parte quando la pompa deve riempire il serbatoio ad alta pressione
  4. Sono possibili colpi molto lunghi
  5. Affidabilità e durata del ciclo estremamente elevate.
  6. Gli attuatori possono effettivamente essere molto piccoli e di dimensioni compatte poiché sono abbastanza semplici nella costruzione.

Inconvenienti degli attuatori pneumatici:

  1. Sono necessarie attrezzature aggiuntive come un serbatoio e una pompa ad alta pressione
  2. Non è possibile consentire all'intero sistema di fuoriuscire dal sistema
  3. L'aria è un gas comprimibile e come tale significa che poiché un attuatore pneumatico sta muovendo una forza elevata, c'è sempre un ritardo perché il gas si comprimerà naturalmente prima di muovere il pistone all'interno dell'attuatore. Ciò significa che ci sarà un ritardo nel sistema. Gli attuatori idraulici risolvono questo problema
  4. È possibile ottenere un controllo della posizione molto basso. Guarda il video qui sotto in cui utilizziamo Lego per dimostrare la mancanza di controllo rispetto a un attuatore meccanico e utilizzando un DTI (Dial Test Indicator) per mostrare la differenza

Dove vengono utilizzati gli attuatori pneumatici?

Sono utilizzati dove è richiesto un movimento ad alta velocità o quando è necessario coprire rapidamente una grande quantità di distanza lineare, come pollici al secondo o 30 pollici al secondo. Una volta installati, sono difficili da spostare da un luogo all'altro poiché richiedono molto tempo per l'installazione. Questi attuatori si trovano sulle linee di assemblaggio degli stabilimenti di produzione in quanto sono ideali per eseguire milioni di cicli senza manutenzione e possono muoversi molto rapidamente.

Attuatori idraulici

Gli attuatori idraulici funzionano esattamente allo stesso modo degli attuatori pneumatici, tranne per il fatto che invece di utilizzare aria o gas ad alta pressione utilizzano un liquido non comprimibile chiamato fluido idraulico. Poiché il fluido non è comprimibile ha un enorme vantaggio, questi sistemi sono in grado di forze immense ed è per questo che li vedi usati esclusivamente su macchine edili pesanti, scavatori, autocarri con cassone ribaltabile, carrelli elevatori, trattori ecc.

Attuatori idraulici

Come funziona l'attuatore idraulico?

L'attuatore idraulico utilizza un fluido ad alta pressione per spingere un pistone avanti e indietro dove la commutazione viene effettuata tramite gli interruttori delle valvole. TQuesti sistemi richiedono pompe ad alta pressione, valvole e tubazioni ad alta pressione e un serbatoio per contenere tutto quel fluido idraulico. Quindi, se si dispone di molto spazio e denaro e si richiede una quantità di forza molto elevata, l'idraulica potrebbe essere ben fatto.

I vantaggi dell'utilizzo di attuatori idraulici sono:

  1. È possibile una velocità moderata, controllata dalla velocità della pompa.
  2. È possibile ottenere una forza estremamente elevata
  3. Sono possibili colpi molto lunghi
  4. Affidabilità e durata del ciclo estremamente elevate.
  5. Gli attuatori possono effettivamente essere molto piccoli e di dimensioni compatte poiché sono abbastanza semplici nella costruzione.

Inconvenienti degli attuatori idraulici:

  1. Ci sono degli svantaggi nell'utilizzo dell'idraulica dal punto di vista operativo. Il principale è il controllo. Hai pochissimo controllo di precisione quando si tratta di questi sistemi.
  2. Il fluido idraulico è necessario per il funzionamento del sistema e se questo perde il fluido può essere molto tossico
  3. Quando la pompa idraulica è in funzione, può essere rumorosa e maggiore è la forza richiesta, maggiore è il rumore
  4. Il fluido idraulico ha una viscosità molto bassa, quindi non scorre uniformemente attraverso tubi e valvole, ecc. Tutto ciò richiede energia per spingere tutto quel fluido ad alta pressione attraverso tutti questi tubi e raccordi, ecc. Di conseguenza i sistemi idraulici sono molto inefficienti da funzionare e utilizzare.
  5. Questi sistemi sono costosi da acquistare e installare.

Attuatori rotanti

Un attuatore rotante è un attuatore che produce un movimento rotatorio, che li rende ideali per l'apertura e la chiusura delle valvole. Esistono molti modi diversi per creare un movimento rotatorio e quindi un attuatore rotante. Le differenze si presentano nella forma dell'applicazione. Ad esempio nella figura sopra si può vedere che il movimento rotatorio è stato creato tramite una cremagliera un movimento in stile pignone dove la "cremagliera" è stata controllata come un pistone. Il pistone può essere controllato idraulicamente o utilizzando aria e gas ad alta pressione da controllare pneumaticamente. Quindi quale sarebbe la differenza? Se l'attuatore rotante sopra è controllato idraulicamente, le forze esercitate possono essere enormi e quindi questo potrebbe adattarsi alle applicazioni industriali quando sono richieste grandi forze per aprire e chiudere una valvola. Se questo attuatore rotativo è controllato pneumaticamente, l'attuatore potrebbe richiedere una forza minore per ruotare l'albero principale, che è ciò che verrà utilizzato per eseguire le attività richieste.

attuatori rotanti

Principio dell'attuatore rotante

Il movimento prodotto da un attuatore rotante può essere una rotazione continua, come si vede in un motore elettrico, oppure il movimento potrebbe essere una rotazione angolare fissa. Con un attuatore rotativo controllato pneumaticamente o idraulicamente è più probabile che sia del tipo a rotazione angolare fissa, questo perché la cremagliera o il pistone che fa ruotare l'albero principale può spostarsi solo fino a un certo punto e quindi il movimento rotatorio è limitato dalla corsa lineare disponibile . Se è necessaria una rotazione maggiore, il pistone deve scorrere ulteriormente, in alternativa e viene utilizzato un rapporto di trasmissione diverso per creare il movimento.

rapporto di trasmissione dell'attuatore rotante

Servo attuatore rotativo

Un altro tipo di attuatore rotativo è un servomotore e un motore passo-passo. Si tratta di attuatori controllati elettricamente che hanno un movimento rotatorio costante, ma offrono anche un controllo rotazionale molto preciso.

Servo attuatore rotativo

Questi tipi di attuatori sono comunemente usati nella robotica e nell'elettronica di consumo dove il movimento rotatorio e la coppia sono prodotti da un motore rotativo che tramite alcuni ingranaggi la velocità viene ridotta e la coppia aumentata per creare il movimento rotatorio. Per ottenere un controllo preciso l'attuatore avrà un sensore che misura la posizione. Questo di solito è sotto forma di un sensore di hall o un encoder che invia un segnale al sistema di controllo che si traduce in posizione. Una grande caratteristica dei servomotori è che possono essere realizzati molto piccoli e utilizzati in luoghi molto ristretti.

Conversione del movimento rotatorio da un servomotore attuatore a movimento lineare

 convertire il movimento rotatorio da un servomotore in movimento lineare

Poiché i servoattuatori rotanti sono così comunemente usati e relativamente poco costosi da acquistare, è diventato un modo popolare per le persone di creare movimento lineare. Attraverso semplici collegamenti e qualche forma di sistema di guida lineare è possibile creare un movimento lineare. La corsa che ne risulterà sarà direttamente proporzionale alla lunghezza del braccio della leva come puoi vedere nella foto sopra. Più lungo è il braccio dal servo attuatore, più lunga sarà la corsa, tuttavia lo svantaggio è che la forza sarà ridotta perché la coppia è proporzionale alla lunghezza del braccio.

Di seguito l'equazione della coppia per gli attuatori rotanti

equazione di coppia per attuatori rotanti

Attuatori lineari elettromeccanici.

Con gli attuatori lineari elettrici, il movimento rotatorio di un motore CA o CC viene convertito in movimento lineare tramite una vite. Una Leadscrew è fondamentalmente un ingranaggio elicoidale lavorato su un'asta. Quando la vite guida ruota a causa del motore che ruota la vite direttamente o tramite alcuni ingranaggi, il dado (come mostrato in giallo sotto) scorre su e giù per la vite guida in un movimento lineare e crea quel movimento lineare - da qui il nome "attuatore lineare". Questo è molto diverso da un attuatore a solenoide che è ancora una forma di attuatore lineare, ma nel settore dell'ingegneria, gli ingegneri in genere differenziano i due chiamandoli "attuatori a solenoide" e "attuatori lineari" anche se entrambi generano movimento lineare.

attuatore lineare un tipo di attuatore

Con gli attuatori lineari elettrici, le viti di lunghezza diversa consentono di ottenere lunghezze di corsa diverse. Ruotando la vite di comando più velocemente o più lentamente dal motore si ottengono corse lineari a velocità diverse. E quindi più forza dal motore viene applicata alla vite, maggiore è la forza data al dado che scorre su e giù per la vite. Il dado è attaccato a ciò che chiamiamo Rod, ed è a questo Rod che si attaccano le cose per creare quel movimento lineare. Maggiore è la coppia che è possibile applicare alla vite, maggiore sarà la forza lineare disponibile per essere utilizzata dall'asta scorrevole.

Esistono diversi modi per creare la coppia di un attuatore. L'aggiunta di ingranaggi tra il motore e la vite è il metodo più comune, maggiore è il rapporto di trasmissione, maggiore è la forza creata, ma c'è un compromesso, maggiore è la forza, minore è la velocità, al contrario, maggiore è la velocità del abbassare la forza. Guadagnare velocità extra per una data forza significa dover usare un motore di ingresso più grande, e ciò richiede più corrente e un motore più grande e quindi più soldi.

Attuatori lineari elettrici

Un elettrico attuatore è un dispositivo che converte il movimento rotatorio di un motore in movimento lineare, oppure prende corrente elettrica per creare un campo elettromagnetico e utilizza il magnetismo per forzare un oggetto metallico a cercare di allontanarsi dal suo campo magnetico. Sebbene entrambi siano molto diversi, condividono lo stesso nome ed entrambi risultano in ciò che suggerisce il loro nome ... si attivano. Ciò significa che tutti forniscono sia movimenti di spinta che di trazione con un movimento lineare o rotatorio.

Per una panoramica più dettagliata su come funziona un attuatore lineare elettrico, abbiamo creato questo articolo "All'interno di un attuatore lineare: come funziona un attuatore"

Se stai cercando di acquistare un attuatore lineare elettrico abbiamo creato un articolo chiamato "Non usare un attuatore lineare finché non hai letto questi 5 passaggi"Questo può aiutarti a evitare alcuni problemi comuni prima di spendere soldi.

Micro attuatori lineari

micro attuatori

 Micro attuatorio Mini attuatori lineari sono utilizzati in applicazioni in cui lo spazio è limitato o la corsa dell'attuatore richiesta è piccola. Forse hai bisogno di spostare qualcosa di piccolo o non molto lontano, quindi un micro attuatore lineare sarebbe l'ideale per tale applicazione. In genere le corse dei micro attuatori vanno da 10 mm a 100 mm e sono di dimensioni molto compatte. Uno degli svantaggi di un microattuatore è che le forze tendono ad essere molto inferiori a causa dei motori più piccoli incorporati.

Riassumiamo cos'è un attuatore?

Gli attuatori sono disponibili in molte forme diverse, da rotativi a lineari, il tipo richiesto dipende dall'applicazione per cui devono essere utilizzati. I grandi attuatori rotanti industriali azionati idraulicamente sono ottimi per aprire enormi valvole per tubi dell'olio e micro attuatori può essere alimentato da piccole sorgenti di alimentazione 12v con grande accuratezza e precisione per la robotica e le piccole applicazioni.

attuatori lineari elettromeccanici

 

 

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