리니어 액추에이터
Linear actuator |
리니어 액튜에이터는 기존의 전기 모터의 원형 운동과 대조적으로 직선으로 운동을 만드는 액튜에이터입니다.리니어 액튜에이터는 공작기계 및 산업기계, 디스크 드라이브 및 프린터와 같은 컴퓨터 주변기기, 밸브와 댐퍼, 그리고 리니어 모션이 필요한 다른 많은 장소에서 사용됩니다.유압 또는 공압 실린더는 본질적으로 선형 운동을 생성합니다.회전 모터로부터 직선 운동을 일으키기 위해 다른 많은 메커니즘이 사용됩니다.
종류들
기계식 액추에이터
기계식 선형 액추에이터는 일반적으로 회전 운동을 선형 운동으로 변환하여 작동합니다.변환은 일반적으로 몇 가지 간단한 유형의 메커니즘을 통해 이루어집니다.
- 나사: 리드 나사, 나사 잭, 볼 나사 및 롤러 나사 액추에이터는 모두 나사라고 하는 간단한 기계의 원리로 작동합니다.액추에이터의 너트를 회전시키면 나사축이 일렬로 움직입니다.
- 휠 및 액슬:호이스트, 윈치, 랙 및 피니언, 체인 구동, 벨트 구동, 강체 체인 및 강체 벨트 액추에이터는 휠과 액슬의 원리에 따라 작동합니다.회전하는 휠은 케이블, 랙, 체인 또는 벨트를 움직여 직선 운동을 [1]일으킵니다.
- 캠: 캠 액추에이터는 쐐기와 비슷한 원리로 작동하지만 상대적으로 제한된 이동 거리를 제공합니다.바퀴 모양의 캠이 회전할 때 편심 형상이 샤프트의 기부에 추력을 제공합니다.
호이스트, 체인 구동 및 벨트 구동과 같은 일부 기계식 선형 액추에이터는 당기기만 합니다.그 외는 (캠 액튜에이터 등)만 누릅니다.공압 및 유압 실린더 또는 납 나사는 양방향으로 힘을 발생하도록 설계할 수 있습니다.
기계식 액추에이터는 일반적으로 노브 또는 핸들이 부착된 나사 및/또는 기어를 통해 제어 노브 또는 핸들의 회전 운동을 선형 변위로 변환합니다.잭 나사 또는 자동차 잭은 익숙한 기계식 액추에이터입니다.또 다른 액추에이터 제품군은 분할된 스핀들을 기반으로 합니다.잭 핸들의 회전은 기계적으로 잭 헤드의 직선 운동으로 변환됩니다.기계식 액추에이터는 레이저 및 광학 분야에서도 선형 스테이지, 회전 스테이지, 미러 마운트, 각도계 및 기타 위치 측정 기기의 위치를 조작하기 위해 자주 사용됩니다.정확하고 반복 가능한 배치를 위해 제어 노브에 인덱스 마크를 사용할 수 있습니다.일부 액추에이터에는 인코더 및 디지털 위치 판독값이 포함되어 있습니다.마이크로미터에 사용되는 조정 노브와 유사하지만 그 용도는 위치 측정이 아니라 위치 조정입니다.
유압 액추에이터
유압 액추에이터 또는 유압 실린더는 일반적으로 피스톤이 삽입된 중공 실린더를 포함합니다.피스톤에 가해지는 불균형한 압력은 외부 물체를 움직일 수 있는 힘을 생성합니다.액체는 거의 압축할 수 없기 때문에 유압 실린더는 피스톤의 정확한 선형 변위를 제어할 수 있습니다.변위는 피스톤의 축을 따라서만 이루어집니다.수동 작동식 유압 액추에이터의 친숙한 예로는 유압 차량 잭이 있습니다.단, 일반적으로 "유압 액추에이터"라는 용어는 유압 펌프에 의해 제어되는 장치를 말합니다.
공압식 액추에이터
공압식 액추에이터 또는 공압식 실린더는 액체 대신 압축 공기를 사용하여 힘을 발생시킨다는 점을 제외하고는 유압식 액추에이터와 유사합니다.피스톤은 챔버 내부에서 공기를 펌핑하여 챔버 반대쪽에서 밀어내는 피스톤과 유사하게 작동합니다.공기 액추에이터는 중량이 큰 기계 및 많은 경우 반드시 사용되지는 않습니다.공압 선형 액추에이터가 다른 유형보다 선호되는 이유 중 하나는 전원이 단순히 공기 압축기이기 때문입니다.공기는 입력원이기 때문에 공압식 액추에이터는 기계적 활동이 이루어지는 많은 장소에서 사용할 수 있습니다.단점은 대부분의 공기 압축기가 크고, 부피가 크고, 소음이 크다는 것입니다.한 번 설치하면 다른 지역으로 운반하기가 어렵습니다.공압식 선형 액추에이터는 누출될 가능성이 높기 때문에 기계식 선형 액추에이터보다 효율이 떨어집니다.
압전 액추에이터
압전 효과는 특정 재료의 특성으로, 재료에 전압을 가하면 재료가 팽창합니다.매우 높은 전압은 아주 작은 팽창에만 해당합니다.그 결과 압전 액튜에이터는 매우 미세한 위치결정 분해능을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 매우 짧은 동작 범위를 가진다.또한 압전 재료는 히스테리시스를 나타내므로 반복적인 팽창 제어가 어렵다.
전기 기계식 액추에이터
전기 기계식 액추에이터는 제어 노브 또는 핸들이 전기 모터로 대체된다는 점을 제외하면 기계식 액추에이터와 유사합니다.모터의 회전 운동을 직선 변위로 변환한다.전기 기계식 액추에이터는 전기 에너지를 기계적 토크로 변환하는 모터에 전원을 공급하기 위해 사용될 수도 있습니다.현대식 리니어 액추에이터에는 많은 디자인이 있으며, 이를 제조하는 모든 회사는 독점적인 방법을 가지고 있는 경향이 있습니다.다음은 매우 단순한 전기 기계식 선형 액추에이터에 대한 일반적인 설명입니다.
심플한 설계
일반적으로 전기 모터는 리드 나사를 회전시키기 위해 기계적으로 연결됩니다.리드 나사는 길이를 따라 이어지는 원주에 가공된 연속된 나선형 나사산이 있습니다(볼트의 나사산과 유사).리드 나사에는 나선형 나사산이 있는 리드 너트 또는 볼 너트가 있습니다.너트가 리드 나사와 함께 회전하는 것을 방지합니다(일반적으로 너트는 액추에이터 본체의 회전하지 않는 부분과 연동됩니다).리드 나사가 회전하면 너트가 나사산을 따라 구동됩니다.너트의 이동 방향은 리드 스크루의 회전 방향에 따라 달라집니다.너트에 링크를 연결함으로써 운동을 사용 가능한 선형 변위로 변환할 수 있다.대부분의 현재 액추에이터는 고속, 고력 또는 양자 간의 타협을 위해 설계되었습니다.특정 애플리케이션의 액추에이터를 고려할 때 가장 중요한 사양은 일반적으로 이동, 속도, 힘, 정확도 및 수명입니다.대부분의 종류는 댐퍼 또는 버터플라이 [3][4]밸브에 장착됩니다.
선형 액추에이터 시스템에서 사용할 수 있는 모터에는 여러 종류가 있습니다.여기에는 dc 브러시, dc 브러시리스, 스테퍼, 또는 경우에 따라서는 유도 모터 등이 포함됩니다.이 모든 것은 애플리케이션 요구 사항과 액추에이터가 이동하도록 설계된 부하에 따라 달라집니다.예를 들어 리드나사를 구동하는 일체형 마력 AC유도모터를 이용한 리니어 액튜에이터를 사용하여 제련소의 대형 밸브를 조작할 수 있다.이 경우 정밀도와 높은 움직임 해상도는 필요 없지만 높은 힘과 속도는 필요합니다.실험실 계측 로봇, 광학 및 레이저 장비 또는 X-Y 테이블에서 사용되는 전기 기계식 선형 액추에이터의 경우, 마이크로 레인지의 미세 분해능과 높은 정확성을 위해서는 미세한 피치 리드 스크루가 있는 부분 마력 스테퍼 모터 선형 액추에이터를 사용해야 할 수 있습니다.전기 기계식 선형 액추에이터 시스템에는 여러 가지 종류가 있습니다.설계 요건과 애플리케이션 제약 조건을 이해하고 어떤 것이 가장 적합한지 파악하는 것이 중요합니다.
표준구조와 콤팩트구조
표준 모터를 사용하는 선형 액추에이터는 일반적으로 모터를 액추에이터 측면에 별도의 실린더로 부착하여 액추에이터와 평행하거나 액추에이터에 수직입니다.모터는 액추에이터 끝에 부착할 수 있습니다.드라이브 모터는 액추에이터의 드라이브 너트 또는 드라이브 나사에 맞춰져 있는 솔리드 드라이브 샤프트로 구성된 전형적인 구조입니다.
콤팩트 리니어 액추에이터는 모터와 액추에이터를 가능한 한 작은 형상으로 맞추기 위해 특별히 설계된 모터를 사용합니다.
- 모터 샤프트의 내경을 확대하여 구동 샤프트를 중공으로 만들 수 있습니다.따라서 모터와 드라이브 나사 사이에 추가 기어를 넣을 필요 없이 드라이브 나사와 너트가 모터의 중심을 차지할 수 있습니다.
- 마찬가지로 모터의 외경이 매우 작도록 만들 수 있지만, 대신 극면이 세로로 늘어나기 때문에 모터가 작은 직경 공간에 장착되는 동안에도 매우 높은 토크를 가질 수 있습니다.
원칙
대부분의 선형 액추에이터 설계에서 기본 작동 원리는 경사면의 작동 원리다.리드 나사의 나사산은 작은 회전력을 장거리에 걸쳐 사용하여 짧은 거리에 걸쳐 큰 하중을 이동할 수 있도록 하는 연속 램프 역할을 합니다.전원 장치는 DC 또는 AC 모터에서 공급됩니다.일반적인 모터는 12V DC이지만 다른 전압을 사용할 수 있습니다.액추에이터에는 모터의 극성을 반전시키는 스위치가 있어 액추에이터의 움직임을 변화시킵니다.
액추에이터의 속도와 힘은 변속기에 따라 달라집니다.힘의 양은 액추에이터의 속도에 따라 달라집니다.모터 속도와 힘이 일정하기 때문에 속도가 낮을수록 더 큰 힘이 공급됩니다.
액추에이터 간의 기본적인 차이 중 하나는 스트로크이며, 이는 나사와 샤프트의 길이로 정의됩니다.속도는 모터를 나사에 연결하는 기어에 따라 달라집니다.
액추에이터의 스트로크를 멈추는 메커니즘은 아래 이미지에 나와 있는 리미트 또는 마이크로 스위치입니다.마이크로스위치는 샤프트의 상단과 하단에 위치하며 나사의 상하 이동에 의해 트리거됩니다.
바리에이션
기본 디자인에 대한 많은 변형이 생성되었습니다.대부분은 높은 기계적 효율성, 속도 또는 부하 용량과 같은 일반적인 개선을 제공하는 데 초점을 맞추고 있습니다.액추에이터 소형화를 향한 엔지니어링의 움직임도 크다.
대부분의 전자 기계 설계에는 리드 나사와 리드 너트가 포함되어 있습니다.일부는 볼 스크루와 볼 너트를 사용한다.두 경우 모두 나사를 모터 또는 수동 제어 노브에 직접 연결하거나 일련의 기어를 통해 연결할 수 있습니다.일반적으로 기어는 더 높은 rpm으로 회전하는 더 작은(더 약한) 모터를 감속시켜 모터가 직접 주행할 수 있는 것보다 더 무거운 부하에서 나사를 회전시키는 데 필요한 토크를 제공하기 위해 사용됩니다.결과적으로 액추에이터 스러스트 증가를 위해 액추에이터 속도가 희생됩니다.일부 용도에서는 웜 기어를 사용하는 것이 일반적입니다. 웜 기어를 사용하면 더 작은 빌트인 치수를 사용할 수 있기 때문에 이동 거리가 길어집니다.
주행 너트 리니어 액튜에이터는 리드 나사의 한쪽 끝(아마도 기어 박스를 통해 간접적으로)에 부착된 모터를 가지며, 모터는 리드 나사를 회전시키고, 리드 너트는 리드 나사의 상하로 회전하는 것을 억제한다.
주행 나사 리니어 액추에이터는 모터 전체를 통과하는 리드 나사를 가지고 있습니다.주행 나사 리니어 액추에이터에서는 모터가 회전이 억제된 리드 나사를 위아래로 "크롤"합니다.회전하는 부품은 모터 내부에 있기 때문에 외부에서 보이지 않을 수 있습니다.
일부 리드 나사에는 여러 개의 "시작"이 있습니다.즉, 동일한 샤프트에 여러 개의 나사산이 번갈아 표시됩니다.이를 시각화하는 한 가지 방법은 사탕 지팡이에 여러 가지 색상의 줄무늬가 있는 것과 비교하는 것입니다.이를 통해 나사산 피치와 너트/나사 나사산 접촉 영역 사이를 더 많이 조정할 수 있으며, 이 영역은 각각 연장 속도와 (나사의) 하중 전달 용량을 결정합니다.
정적 부하 용량
선형 나사 액추에이터는 정적 부하 용량을 가질 수 있습니다. 즉, 모터가 정지하면 액추에이터가 기본적으로 제자리에 잠기고 액추에이터를 당기거나 밀어넣는 부하를 지지할 수 있습니다.이 정적 부하 용량에 의해 이동성과 속도가 향상됩니다.
액추에이터의 제동력은 나사산의 각도 피치와 나사산의 특정 설계에 따라 달라집니다.Acme 나사산은 정적 부하 용량이 매우 높은 반면 볼 나사는 부하 용량이 매우 낮아 거의 자유 부유할 수 있습니다.
일반적으로 추가 기술 없이는 나사 액추에이터의 정적 부하 용량을 변경할 수 없습니다.나사산 피치 및 드라이브 너트 설계는 동적으로 조정할 수 없는 특정 부하 용량을 정의합니다.
경우에 따라서는 고정 부하를 증가시키기 위해 고점도 그리스가 선형 나사 액추에이터에 첨가될 수 있습니다.일부 제조업체는 이 방법을 사용하여 특정 요구에 맞게 부하를 변경합니다.
회전 구동 너트에 마찰을 가하는 전자 브레이크 시스템을 사용하여 선형 나사 액추에이터에 정적 부하 용량을 추가할 수 있습니다.예를 들어 스프링을 사용하여 구동 너트에 브레이크 패드를 적용하면 전원이 꺼질 때 제자리에 고정할 수 있습니다.액추에이터를 이동해야 할 경우 전자석이 스프링에 반응하여 구동 너트에 가해지는 제동력을 해제합니다.
마찬가지로 전자기 래칫 메커니즘을 선형 나사 액추에이터와 함께 사용하면 액추에이터의 전원이 꺼졌을 때 부하를 들어올리는 구동 시스템이 제자리에 고정됩니다.액추에이터를 낮추기 위해 전자석이 스프링력을 상쇄하고 래칫을 잠금 해제하는 데 사용됩니다.
동적 부하 용량
동적 부하 용량은 일반적으로 선형 액추에이터가 작동 중에 제공할 수 있는 힘의 양이라고 합니다.이 힘은 스크류 유형(마찰로 움직임을 제한하는 양) 및 모터 구동에 따라 달라집니다.동적 부하는 대부분의 액추에이터가 분류되는 수치이며, 어떤 용도에 가장 적합한지를 잘 보여줍니다.
스피드 컨트롤
대부분의 경우 전자 기계식 액추에이터를 사용할 때는 어떤 유형의 스피드 컨트롤이 선호됩니다.이러한 컨트롤러는 모터에 공급되는 전압을 변화시켜 리드 나사가 회전하는 속도를 변화시킵니다.기어비를 조정하는 것도 속도를 조정하는 방법입니다.일부 액추에이터는 몇 가지 다른 기어 옵션과 함께 사용할 수 있습니다.
듀티 사이클
모터의 듀티 사이클은 액추에이터가 냉각될 때까지 구동할 수 있는 시간을 말합니다.액추에이터 작동 시 이 지침을 준수하는 것이 작동 수명 및 성능의 핵심입니다.듀티 사이클 정격을 초과하면 과열, 전원 손실 및 모터 연소 위험이 있습니다.
리니어 모터
리니어 모터는 로터 및 스테이터 원형 자기장 성분이 직선으로 배치되어 있는 로터리 모터와 기능적으로 동일하다.회전 모터가 회전하여 동일한 자극면을 다시 사용할 경우, 선형 모터의 자기장 구조는 액추에이터의 길이에 걸쳐 물리적으로 반복됩니다.
모터가 선형으로 이동하기 때문에 회전 운동을 선형으로 변환하는 데 리드 나사가 필요하지 않습니다.대용량도 가능하지만, 대부분의 설계에 대한 재료 및/또는 모터 제한은 자기 흡인력과 반발력에만 의존하기 때문에 비교적 빠르게 초과된다.대부분의 선형 모터는 다른 유형의 선형 액추에이터에 비해 부하 용량이 낮습니다.리니어 모터는 실외 또는 더러운 환경에서 두 부분이 서로 접촉할 필요가 없으므로 전자파 구동 코일이 방수되고 습기와 부식으로부터 밀봉되어 매우 긴 사용 수명이 보장된다는 점에서 유리합니다.리니어 모터는 고속, 고정밀 및 고력의 다양한 조합을 필요로 하는 애플리케이션용 고성능 포지셔닝 시스템에 광범위하게 사용되고 있습니다.
텔레스코핑 리니어 액추에이터
텔레스코핑 리니어 액튜에이터는 공간 제약이 있는 경우에 사용되는 특수한 리니어 액튜에이터입니다.동작 부재의 연장되지 않은 길이보다 운동 범위가 몇 배 더 큽니다.
일반적인 형태는 텔레스코픽 실린더와 같은 다른 내부 슬리브처럼 연장 및 수축하는 거의 동일한 길이의 동심 튜브로 만들어집니다.
다른 보다 전문적인 텔레스코핑 액추에이터는 확장 시 단단한 선형 축 역할을 하지만 접힘, 조각 분리 및/또는 접힘 시 풀림으로써 라인을 파괴하는 작동 부재를 사용한다.텔레스코핑 선형 액추에이터의 예는 다음과 같습니다.
장점과 단점
| 액추에이터 유형 | 이점 | 단점들 |
|---|---|---|
| 기계 | 싸고 반복할 수 있어 전원은 필요 없습니다.자급자족. 늘리거나 접히는 동작은 동일합니다. | 수동 조작만.자동화 없음. |
| 전기 기계 | 싸고 반복할 수 있어 조작을 자동화할 수 있습니다.자급자족. 늘어나거나 접히는 동작은 동일합니다. DC 또는 스테핑 모터.위치 피드백 가능. | 많은 가동 부품이 마모되기 쉽다. |
| 리니어 모터 | 심플한 디자인최소 가동 부품. 고속화 가능.자급자족. 늘리거나 접히는 동작은 동일합니다. | 중저력. |
| 압전 | 고속에서는 매우 작은 움직임도 가능합니다. 전력을 거의 소비하지 않습니다. | 기계적으로 증폭되지 않는 한 짧은 주행. 일반적으로 24V 이상의 고전압이 필요합니다. 비싸고 깨지기 쉽다. 압축에만 좋고 긴장 상태에서는 좋지 않습니다. 일반적으로 연료 인젝터에 사용됩니다. |
| TCP: 트위스트 및 코일 폴리머 | 가볍고 저렴한 | 저효율 및 고온 범위 필요 |
| 유압 | 매우 높은 힘이 가능합니다. 비교적 높은 전력 대 크기 비율(또는 전력 밀도). | 누출될 수 있습니다.반복성을 위해 위치 피드백이 필요합니다. 외부 유압 펌프가 필요합니다. 압축에만 적합한 설계도 있습니다. |
| 공압식 | 강하고, 가볍고, 단순하고, 빠릅니다. | 완전 정지 상태 이외에는 정확한 위치 제어가 불가능합니다. |
| 왁스 모터 | 원활한 조작 | 다른 방법보다 신뢰성이 떨어집니다. |
| 세그먼트 스핀들 | 아주 콤팩트해요. 동작 범위가 액추에이터 길이보다 큼 | 선형 및 회전 운동 모두. |
| 무빙 코일 | 힘, 위치 및 속도는 제어 가능하고 반복 가능합니다. 고속으로 정확한 위치 결정 가능. 선형, 회전 및 선형 + 회전 동작이 가능합니다. | 위치 피드백이 반복 가능해야 합니다. |
| MICA: 움직이는 철 제어 가능한 액추에이터 | 높은 힘으로 제어할 수 있습니다. 움직이는 코일보다 힘이 크고 손실도 적습니다. 손실은 쉽게 해소됩니다. 설계와 셋업이 용이한 전자 드라이버. | 뇌졸중은 몇 밀리미터로 제한되고 움직이는 코일보다 선형성이 떨어집니다. |
「 」를 참조해 주세요.
- 헬리컬 밴드 액추에이터
- 호이스트 – 하중을 올리거나 내리는 데 사용되는 장치
- 랙 및 피니언 – 선형 액추에이터 유형
- 솔레노이드 – 와이어 코일에 의해 형성된 전자석의 유형
