액튜에이터

Actuator

액추에이터는 예를 들어 밸브를 열어 메커니즘 또는 시스템을 이동 및 제어하는 기계의 구성요소입니다.간단히 말해서, 그것은 "이동자"이다.

액추에이터에는 제어 장치(제어 신호에 의해 제어됨)와 에너지원이 필요합니다.제어 신호는 상대적으로 낮은 에너지이며 전기 전압 또는 전류, 공압 또는 유압 오일 압력, 심지어 사람의 힘일 수 있습니다.주 에너지원은 전류, 유압 또는 [1]공압일 수 있습니다.제어 장치는 일반적으로 밸브입니다.제어 신호를 수신하면 액추에이터는 소스의 에너지를 기계적 운동으로 변환하여 응답합니다.전기, 유압 및 공압적인 의미에서 이것은 자동화 또는 자동 제어의 한 형태입니다.

역사

공압 작동 시스템과 유압 작동 시스템의 역사는 제2차 세계대전(1938년) 무렵으로 거슬러 올라간다.Xhiter Anckeleman은[2] 엔진과 브레이크 시스템에 대한 지식을 활용하여 자동차의 브레이크가 최대한의 힘을 발휘하고 마모와 파손이 최소화되도록 하는 새로운 해결책을 고안하기 위해 처음 고안했습니다.

액추에이터의 종류

소프트 액추에이터

소프트 액튜에이터는 기계적, 열적, 자기적, 전기적 자극에 반응하여 형태를 바꾸는 액추에이터입니다.소프트 액튜에이터는 산업보다는 인간의 로봇 공학을 주로 다루는데, 이것이 대부분의 액튜에이터가 사용되는 이유입니다.대부분의 액추에이터는 기계적으로 내구성이 뛰어나지만 소프트 액추에이터에 비해 적응 능력이 없습니다.소프트 액튜에이터는 주로 인간의 안전과 의료에 적용되기 때문에 부품을 [3]분해하여 환경에 적응할 수 있습니다.이것이 소프트 액튜에이터 뒤에 있는 구동 에너지가 사람에게 무해한 특정 폴리머와 액체와 같은 유연한 물질을 다루는 이유이다.

유압

주요 기사:유압 액추에이터

유압 액추에이터는 유압 동력을 사용하여 기계적 작동을 용이하게 하는 실린더 또는 유체 모터로 구성됩니다.기계적 운동은 선형, 회전 또는 진동 운동 측면에서 출력을 제공합니다.액체는 압축이 거의 불가능하기 때문에 유압 액추에이터는 큰 힘을 발휘할 수 있습니다.이 접근법의 단점은 제한된 가속력입니다.

유압 실린더는 피스톤이 미끄러질 수 있는 중공 원통형 튜브로 구성됩니다.단일 작용이라는 용어는 피스톤의 한쪽 면에만 유체 압력이 인가될 때 사용됩니다.피스톤은 한 방향으로만 움직일 수 있으며, 피스톤에 리턴 스트로크를 주기 위해 스프링을 자주 사용합니다.이중 작용이라는 용어는 피스톤의 각 측면에 압력이 가해질 때 사용됩니다. 피스톤의 두 측면 사이의 힘의 차이가 피스톤을 한쪽으로 이동시킵니다.[4]

수도관 밸브 제어를 위한 공압식 랙 및 피니언 액추에이터

공압식

주요 기사: 공압 액추에이터

공압식 액추에이터는 상대적으로 작은 압력 변화로부터 상당한 힘을 발생시킬 수 있습니다.공압 에너지는 작동을 위해 전원을 예비로 보관할 필요가 없으므로 시동 및 정지 시 신속하게 반응할 수 있기 때문에 주 엔진 제어에 적합합니다.또한 공압식 액추에이터는 다른 액추에이터보다 가격이 저렴하고 종종 더 강력합니다.이러한 힘은 [5][6]밸브를 통과하는 공기 흐름에 영향을 미치기 위해 다이어프램을 이동하기 위해 밸브와 함께 사용되는 경우가 많습니다.

공압식 액추에이터의 장점은 정확히 비교적 작은 볼륨에서 사용할 수 있는 높은 수준의 힘에 있습니다.이 기술의 주요 단점은 압축기, 탱크, 필터, 건조기, 공기 처리 서브시스템, 밸브, 튜브 등의 여러 구성요소로 구성된 압축 공기 네트워크의 필요성에 있지만, 이 때문에 기술에너지가 비효율적이고 에너지 손실이 최대 95%에 달합니다.

needle 니들 밸브를 제어하는 전기 밸브 액추에이터.

전기

주요 기사:전기 모터

1960년부터 여러 액추에이터 기술이 개발되었으며, 전기 액추에이터는 다음과 같은 그룹으로 분류할 수 있습니다.

전기 기계식 액추에이터(EMA)

전기 회전 모터의 회전력을 선형 운동으로 변환하여 벨트(스테퍼 또는 서보가 있는 벨트 구동 축) 또는 나사(볼 또는 리드 나사 또는 유성 롤러 나사)를 통해 요청된 선형 운동을 생성합니다.

전기기계식 액추에이터의 주요 장점은 공압학에 대한 비교적 양호한 수준의 정확성, 가능한 긴 수명 주기 및 약간의 유지 보수 작업(그리스가 필요할 수 있음)이다.약 100kN 정도의 비교적 높은 힘에 도달할 수 있습니다.

이러한 액추에이터의 주요 한계는 도달 가능한 속도, 필요한 중요한 치수 및 중량이다.이러한 액추에이터의 주요 적용 분야는 주로 의료 기기 및 공장 자동화 분야이다.

전기 유압 액추에이터

또 다른 접근 방식은 전기 모터가 원동력을 유지하면서도 유압 어큐뮬레이터를 작동하기 위한 토크를 제공하는 전기 유압 액추에이터입니다. 유압 어큐뮬레이터는 디젤 엔진/유압 장치가 일반적으로 중장비에서 사용되는 것과 거의 동일한 방식으로 작동력을 전달하는 데 사용됩니다.

전기에너지는 멀티턴 밸브, 또는 전동식 건설 및 굴착 장비와 같은 장비를 작동시키는 데 사용됩니다.

밸브를 통과하는 유체의 흐름을 제어하는 데 사용되는 브레이크는 일반적으로 유체 압력이 밸브를 강제로 여는 것을 방지하기 위해 모터 위에 장착됩니다.브레이크가 장착되어 있지 않으면 액추에이터가 작동하여 밸브가 다시 닫히고 밸브가 천천히 강제로 다시 열립니다.그러면 진동(열림, 닫힘, 열림...)이 설정되고 모터와 액추에이터가 [7]손상됩니다.

리니어 모터

리니어 모터는 전기 기계식 액추에이터와 다르며, 전기 회전 모터와 동일한 원리로 작동하며, 사실상 절단 및 전개된 회전 모터로 간주할 수 있습니다.따라서 회전 운동을 하는 대신 길이를 따라 직선적인 힘을 생성합니다.리니어 모터는 다른 장치보다 마찰 손실이 적기 때문에 일부 리니어 모터 제품은 1억 사이클 이상 지속될 수 있습니다.

선형 모터는 플랫 선형 모터(클래식), U 채널 선형 모터 및 튜브형 선형 모터의 세 가지 기본 범주로 나뉩니다.

리니어 모터 기술은 최고 수준의 속도, 제어 및 정확도를 제공하기 때문에 저부하(최대 30Kgs) 상황에서 최고의 솔루션입니다.

사실, 이 테크놀로지는 가장 바람직하고 다재다능한 테크놀로지를 나타내고 있습니다.공압학의 한계로 인해 현재의 전기 액추에이터 기술은 특정 산업 애플리케이션에 대한 실행 가능한 솔루션이며 시계 제조, 반도체 및 제약 산업(애플리케이션의 60%까지)과 같은 시장 세그먼트에 성공적으로 도입되었습니다.이 테크놀로지에 대한 관심이 높아지고 있는 것은 다음과 같은 특징이 있습니다.

  • 고정밀(0.1mm 이하)
  • 높은 사이클 속도(100 사이클/분 이상)
  • 청결하고 고도로 규제된 환경에서 사용 가능(공기, 습도 또는 윤활유 누출 금지)
  • 복잡한 운영 상황에서 프로그래밍 가능한 모션 필요

선형 모터의 주요 단점은 다음과 같습니다.

  • 그것들은 공압학 및 기타 전기 기술에 대한 값비싼 존중이다.
  • 크기가 중요하고 무게가 크기 때문에 표준 기계에 통합하기가 쉽지 않습니다.
  • 공압 및 전기 기계식 액추에이터에 대한 힘 밀도가 낮습니다.

회전 모터

회전 모터는 일정한 운동 [8]각도에서 진동 운동을 형성하기 위해 에너지를 사용하는 액추에이터입니다.회전식 액추에이터는 최대 360도 회전할 수 있습니다.따라서 선형은 회전 모터와 비교하여 설정된 거리에 바인딩되므로 선형 모터와 다를 수 있습니다.회전 모터는 필드에서 주어진 각도로 설정할 수 있는 기능을 갖추고 있어 내구성과 설정된 토크로 장치를 쉽게 설정할 수 있습니다.

회전 모터는 전기, 유체, [9]수동 등 3가지 방법으로 구동할 수 있습니다.그러나 유체 구동식 회전식 액추에이터에는 스카치 요크, 베인, 랙 앤 피니언, 헬리컬 및 일렉트로히드로이컬과 같은 5개의 하위 섹션이 있습니다.모든 양식은 고유한 설계와 용도를 가지고 있어 여러 각도의 각도를 선택할 수 있습니다.

로터리 액튜에이터의 용도는 거의 무한하지만, 대부분 유압에 의해 압력을 받는 장치 및 산업분야를 다루게 될 것입니다.로터리 액튜에이터는 산업 라인의 로봇 팔을 볼 때 로봇 분야에서도 사용됩니다.기술적인 작업을 수행하기 위해 모션 컨트롤 시스템을 다루는 것은 회전식 [9]액추에이터가 될 수 있는 좋은 기회입니다.

열 또는 자기

주요 기사:형상 기억 합금

고체 물질에 열 또는 자기 에너지를 가함으로써 작동할 수 있는 액추에이터는 상업적인 용도로 사용되어 왔다.열 액튜에이터는 줄 효과를 통해 온도 또는 가열에 의해 트리거될 수 있으며 작고 가볍고 경제적이며 높은 출력 밀도를 갖는 경향이 있습니다.이들 액추에이터는 형상기억합금(SMA) 또는 자기형상기억합금(MSMA)[10]과 같은 형상기억재료를 사용한다.

기계

주요 기사:메커니즘(엔지니어링)

기계식 액튜에이터는 회전운동과 같은 한 종류의 운동을 선형운동과 같은 다른 종류의 운동으로 변환함으로써 운동을 실행하는 기능을 한다.예를 들어 랙과 피니언이 있습니다.기계식 액추에이터의 작동은 기어와 레일 또는 풀리와 체인과 같은 구조 구성 요소의 조합을 기반으로 합니다.

3D 프린팅 소프트 액추에이터

기존 소프트 액추에이터의 대부분은 마이크로 몰딩,[11] 솔리드 프리폼 제작,[12] 마스크 리소그래피와 [13]같은 다단계 저수율 공정을 사용하여 제작됩니다.단, 이러한 방법에서는 디바이스의 수동 제작, 사후 처리/조립, 제조가 성숙해질 때까지의 장시간의 반복이 필요합니다.현재 제작 공정의 지루하고 시간이 많이 걸리는 측면을 피하기 위해 연구자들은 소프트 액추에이터의 효과적인 제작을 위한 적절한 제조 방식을 모색하고 있습니다.따라서, 3D 프린팅과 같은 신속한 시제품 제작 방법으로 한 번에 제작할 수 있는 특수 소프트 시스템을 활용하여 소프트 액추에이터의 설계와 구현 간의 격차를 줄여 공정의 신속성, 비용 절감, 단순화를 실현합니다.또한 모든 액추에이터 구성 요소를 단일 구조로 통합할 수 있으므로 외부 조인트, 접착제 및 고정 장치를 사용할 필요가 없습니다.

형상 기억 폴리머(SMP) 액추에이터는 우리의 근육과 가장 유사하며 빛, 전기, 자기, 열, pH, 그리고 수분 변화와 같은 다양한 자극에 대한 반응을 제공합니다.스마트 소재 도입과 첨단 제작기술로 다양한 소재의 조합을 통해 개선한 피로감과 높은 응답시간 등 단점이 있다.3D 프린터의 등장은 저비용의 고속 응답 SMP 액추에이터를 제작하는 새로운 길을 열어 주었습니다.SMP에 의해 열, 습기, 전기입력, 빛 또는 자기장 등의 외부 자극을 받는 과정을 형상기억효과(SME)라고 합니다.SMP는 저밀도, 고변형 회수, 생체적합성, 생분해성 등의 유익한 특징을 보입니다.

광중합체/광활성화 고분자(LAP)는 빛 자극에 의해 활성화되는 SMP의 또 다른 유형이다.LAP 액추에이터는 즉각적인 응답으로 원격으로 제어할 수 있으며, 물리적 접촉 없이 광 주파수 또는 강도의 변화만으로 제어할 수 있습니다.

소프트 로보틱스에서 부드럽고 가볍고 생체 적합성이 있는 소프트 액추에이터의 필요성은 연구자들이 공압 소프트 액추에이터의 고유한 준수 특성 및 근육 긴장 생성 능력 때문에 공압 소프트 액추에이터를 고안하는 데 영향을 미쳤다.

유전체 엘라스토머(DE), 이온성 폴리머 메탈 컴포지트(IPMC), 이온성 전기 활성 폴리머, 폴리 전해질 겔, 겔 금속 컴포지트 등의 폴리머는 소프트 액튜에이터로서 기능하도록 커스터마이즈 가능한 3D 층 구조를 형성하는 일반적인 재료입니다.EAP 액튜에이터는 3D 프린팅 소프트 액튜에이터로 분류되며, 전기 들뜸에 반응하는 형태가 변형됩니다.

예와 응용 프로그램

공학에서 액튜에이터는 움직임을 도입하거나 움직임을 [14]방지하기 위해 물체를 클램프하는 메커니즘으로 자주 사용된다.전자 공학에서 액추에이터는 변환기의 하위 항목입니다.입력 신호(주로 전기 신호)를 모종의 동작으로 변환하는 장치입니다.

액추에이터의 예

원형에서 선형으로 변환

모터는 주로 원형 모션이 필요할 때 사용되지만 리드 나사 또는 유사한 메커니즘으로 원형 모션을 선형으로 변환하여 선형 적용에도 사용할 수 있습니다.반면 압전 액추에이터와 같은 일부 액추에이터는 본질적으로 선형입니다.원형 운동과 선형 운동 간의 변환은 일반적으로 다음과 같은 몇 가지 간단한 유형의 메커니즘을 통해 이루어집니다.

가상 기기

가상 계측에서 액추에이터와 센서는 가상 계측기의 하드웨어 보완물이다.

퍼포먼스 지표

액추에이터의 성능 지표에는 속도, 가속도 및 힘(각속도, 각가속도 및 토크), 에너지 효율 및 질량, 부피, 작동 조건 및 내구성과 같은 고려 사항이 포함됩니다.

힘.

애플리케이션을 위한 액추에이터의 힘을 고려할 때 두 가지 주요 지표를 고려해야 한다.이 두 가지는 정적 부하와 동적 부하입니다.정적 하중은 동작하지 않을 때 액추에이터의 힘 능력입니다.반대로 액튜에이터의 동적 부하는 이동 중의 힘 능력입니다.

스피드

속도는 부하량이 증가함에 따라 항상 감소하기 때문에 주로 무부하 속도로 고려되어야 한다.속도가 감소하는 속도는 힘의 양 및 초기 속도와 직접적으로 관련이 있습니다.

동작 조건

액추에이터는 일반적으로 표준 IP 코드 정격 시스템을 사용하여 정격됩니다.위험한 환경에 대해 등급이 매겨진 제품은 개인 또는 일반 산업용보다 높은 IP 등급을 가집니다.

내구성

이것은, 용도나 품질에 따라, 각 메이커 마다 다릅니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Nesbitt, B. (2011). Handbook of Valves and Actuators: Valves Manual International. Elsevier Science. p. 2. ISBN 978-0-08-054928-6. Retrieved 2021-11-11.
  2. ^ "A Great Combination: Pneumatic Actuator, Pneumatic Timer, Pneumatic Valves, and Pneumatic Indicators : Ellis/Kuhnke Controls". www.ekci.com. Archived from the original on 2018-02-21. Retrieved 2018-02-20.
  3. ^ El-Atab, Nazek; Mishra, Rishabh B.; Al-Modaf, Fhad; Joharji, Lana; Alsharif, Aljohara A.; Alamoudi, Haneen; Diaz, Marlon; Qaiser, Nadeem; Hussain, Muhammad Mustafa (October 2020). "Soft Actuators for Soft Robotic Applications: A Review". Advanced Intelligent Systems. 2 (10): 2000128. doi:10.1002/aisy.202000128. ISSN 2640-4567.
  4. ^ "What's the Difference Between Pneumatic, Hydraulic, and Electrical Actuators?". machinedesign.com. Archived from the original on 2016-04-23. Retrieved 2016-04-26.
  5. ^ "What is a Pneumatic Actuator?". www.tech-faq.com. Archived from the original on 2018-02-21. Retrieved 2018-02-20.
  6. ^ "Pneumatic Valve Actuators Information IHS Engineering360". www.globalspec.com. Archived from the original on 2016-06-24. Retrieved 2016-04-26.
  7. ^ Tisserand, Olivier. "How does an electric actuator work?". Archived from the original on 2018-02-21. Retrieved 2018-02-20.
  8. ^ "What Are the Differences Between Linear and Rotary Actuators? RoboticsTomorrow". roboticstomorrow.com. Retrieved 2022-07-13.
  9. ^ a b "Rotary Actuator - an overview ScienceDirect Topics". www.sciencedirect.com. Retrieved 2022-07-13.
  10. ^ "Ultra-compact: Valves with shape memory actuators".
  11. ^ Feng, Guo-Hua; Yen, Shih-Chieh (2015). "Micromanipulation tool replaceable soft actuator with gripping force enhancing and output motion converting mechanisms". 2015 Transducers - 2015 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS). pp. 1877–80. doi:10.1109/TRANSDUCERS.2015.7181316. ISBN 978-1-4799-8955-3. S2CID 7243537.
  12. ^ Malone, Evan; Lipson, Hod (2006). "Freeform fabrication of ionomeric polymer‐metal composite actuators". Rapid Prototyping Journal. 12 (5): 244–53. doi:10.1108/13552540610707004.
  13. ^ Kerdlapee, Pongsak; Wisitsoraat, Anurat; Phokaratkul, Ditsayuth; Leksakul, Komgrit; Phatthanakun, Rungreung; Tuantranont, Adisorn (2013). "Fabrication of electrostatic MEMS microactuator based on X-ray lithography with Pb-based X-ray mask and dry-film-transfer-to-PCB process". Microsystem Technologies. 20: 127–35. doi:10.1007/s00542-013-1816-x. S2CID 110234049.
  14. ^ Shabestari, N. P. (2019). "Fabrication of a simple and easy-to-make piezoelectric actuator and its use as phase shifter in digital speckle pattern interferometry". Journal of Optics. 48 (2): 272–282. doi:10.1007/s12596-019-00522-4. S2CID 155531221.
  15. ^ Sclater, N., Mechanics and Mechanical Devices 소스북, 제4판(2007년),
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