بررسی انواع اکچویتور و عملگرها در صنعت | اجزا، کاربرد و ویژگی ها

اکچویتور چیست؟

اکچویتور یا عملگر (Actuator) یکی از اجزای حیاتی در سیستم‌های صنعتی و مکانیکی است که وظیفه تبدیل سیگنال‌های کنترلی به حرکت مکانیکی را بر عهده دارد. این دستگاه‌ها می‌توانند به صورت الکتریکی، هیدرولیکی یا پنوماتیکی عمل کنند و در طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.اکچویتور، عملگر یا مکانیزمی است که دستورات کنترلی را به حرکت واقعی تبدیل می‌کند. این حرکت می‌تواند به صورت خطی (جلو و عقب) یا چرخشی باشد.عملگر با نام هایی هم چون  شیر برقی، محرک برقی، عملگر برقی و اتوماسیون ولو کارگاهی به کار گرفته می شود. از انواع آن می توان اکچویتور برقی، هیدرولیکی، پنوماتیکی و... را نام برد که در صنایع خودروسازی، نفت و گاز، صنایع غذایی کاربرد دارد.در این مقاله به بررسی انواع اکچویتورها، کاربردها و نحوه عملکرد آن‌ها می‌پردازیم.

انواع اکچویتورها و عملگراها

1. اکچویتورهای الکتریکی یا برقی  (Electrical Actuators)

اکچویتورهای الکتریکی با استفاده از نیروی الکتریکی کار می‌کنند . Electrical Actuators  نوعی از عملگرهاست که از انرژی الکتریکی برای ایجاد حرکت خطی یا دورانی استفاده می‌کند. این حرکت ناشی از انرژی الکتریکی معمولا توسط موتورهای الکتریکی کوچک‌تر مثل موتورهای DC یا موتورهای پله‌ای (Stepper Motor) ایجاد می‌شود.. این نوع اکچویتورها شامل موتورهای الکتریکی هستند که حرکت چرخشی یا خطی ایجاد می‌کنند.از ویژگی های عملگر الکتریکی دقت بالا ( مناسب برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق حرکت دارند)، کنترل آسان (قابلیت کنترل با استفاده از سیستم‌های الکترونیکی) و سرعت و پاسخگویی بالا دانست.اکچویتور های الکتریکی در رباتیک و اتوماسیون صنعتی، تجهیزات پزشکی و سیستم های HVAC کاربرد دارند.

عملکرد اکچویتورهای برقی یا الکتریکی:

1. دریافت سیگنال الکتریکی: سیگنال الکتریکی از کنترلر به موتور الکتریکی ارسال می‌شود.

2. تبدیل سیگنال به حرکت: موتور الکتریکی با توجه به سیگنال دریافتی شروع به چرخش یا حرکت خطی می‌کند.

3. کنترل دقیق: با استفاده از انواع سنسورها و سیستم‌های بازخورد، موقعیت و سرعت حرکت کنترل می‌شود.

انواع اکچویتورهای الکتریکی:

اکچویتور خطی (Linear Actuator): این نوع از اکچویتور الکتریکی حرکت خطی ایجاد می‌کند. خروجی حرکت این اکچویتور شبیه به حرکت رفت و برگشتی پیستون در یک سیلندر است. با توجه به نوع موتور و مکانیزم انتقال نیرو، اکچویتورهای خطی می‌توانند طیف وسیعی از نیرو و سرعت را ارائه دهند.

اکچویتور چرخشی (Rotary Actuator): این نوع از اکچویتور الکتریکی حرکت چرخشی ایجاد می‌کند. موتور الکتریکی در این نوع اکچویتور معمولا به یک گیربکس متصل می‌شود تا گشتاور خروجی را افزایش دهد. اکچویتورهای چرخشی در درجات مختلفی از چرخش، از چند درجه تا ۳۶۰ درجه مداوم،  موجود هستند.

2. اکچویتورهای هیدرولیکی (Hydraulic Actuators):

اکچویتورهای هیدرولیکی با استفاده از مایع تحت فشار عمل می‌کنند. این نوع اکچویتورها قدرت زیادی دارند و برای کاربردهایی که نیاز به نیروی زیاد دارند، مناسب هستند.از ویژگی های عملگرهای هیدرولیکی  قدرت بالا و توانایی تولید نیروی زیاد،  پایداری و قابل اطمینان بودن و کنترل خوب در سرعت و موقعیت دانست. از اکچویتور برقی در ماشین آلات سنگین، تجهیزات ساخت و ساز و سیستم حمل و نقل استفاده می شود.

عملکرد اکچویتورهای هیدرولیکی:

1. دریافت سیگنال هیدرولیکی: سیگنال هیدرولیکی از کنترلر به پمپ هیدرولیکی ارسال می‌شود.

2. تبدیل سیگنال به حرکت: پمپ هیدرولیکی مایع تحت فشار را به سیلندر هیدرولیکی منتقل می‌کند.

3. ایجاد نیروی زیاد: مایع تحت فشار باعث حرکت پیستون در سیلندر هیدرولیکی می‌شود.

3. اکچویتورهای پنوماتیکی (Pneumatic Actuators):

اکچویتورهای پنوماتیکی با استفاده از هوای فشرده کار می‌کنند. این نوع اکچویتورها سریع و مناسب برای کاربردهایی هستند که نیاز به حرکت‌های تکراری و سریع دارند. عضوی از یک دستگاه است که از انرژی هوای فشرده برای ایجاد حرکت خطی یا دورانی استفاده می‌کند. این نوع از اکچویتورها معمولا سبک‌تر، کم‌صداتر و با سرعت بالاتر نسبت به انواع دیگر اکچویتورها هستند و به همین دلیل در بسیاری از کاربردهای صنعتی پرکاربرد می‌باشند.در اکچویتورهای پنوماتیکی، هوای فشرده توسط یک کمپرسور هوا تولید شده و از طریق شیرهای برقی کنترل می‌گردد. با اعمال جریان الکتریکی به شیر برقی، مسیر عبور هوا باز شده و هوای فشرده وارد سیلندر اکچویتور می‌شود. سیلندر اکچویتور شبیه به یک استوانه توخالی است که یک پیستون در داخل آن حرکت می‌کند. هوای فشرده بر روی پیستون درون سیلندر نیرو وارد می‌کند و باعث حرکت رفت و برگشتی آن می‌شود. این حرکت خطی پیستون می‌تواند به کمک میله‌ای که به آن متصل است، به حرکت خروجی خطی یا بوسیله‌ی مکانیزم‌های خاصی به حرکت خروجی چرخشی تبدیل شود.از ویژگی‌های اکچویتور پنوماتیکی می توان به پاسخگویی سریع به سیگنال های کنترلی ، سازگاری با محیط های خطرناک بدون تولید جرقه و مناسب برای محیط های قابل اشتعال و ساختار ساده و نگهداری اسان آن دانست : از کاربرد های عملگر پنوماتیکی در سیستم های اتوماسیون صنعتی، خطوط تولید و بسته بندی و تجهیزات آزمایشگاهی نام برد.اکچویتور پنوماتیکی به دو نوع اکچویتور پنوماتیکی پیستومی و دیافراگمی تقسیم می شود.

عملکرد اکچویتورهای پنوماتیکی:

1. دریافت سیگنال پنوماتیکی: سیگنال پنوماتیکی از کنترلر به شیر پنوماتیکی ارسال می‌شود.

2. تبدیل سیگنال به حرکت: هوای فشرده به سیلندر پنوماتیکی وارد شده و باعث حرکت پیستون می‌شود.

3. حرکت سریع: پیستون با سرعت بالا حرکت می‌کند و عملیات مورد نظر را انجام می‌دهد.

4-اکچویتور عضله‌ای مصنوعی(Artificial Muscle Actuator):

این نوع از اکچویتورها با استفاده از مواد خاصی که در اثر جریان الکتریکی تغییر شکل می‌دهند، حرکت ایجاد می‌کنند. آن‌ها شباهت زیادی به عملکرد عضلات بدن دارند و در حال حاضر در زمینه رباتیک و ساخت اندام‌های مصنوعی مورد پژوهش قرار دارند. Artificial Muscle Actuator نوع جدیدی از عملگرها هستند که با الهام از عملکرد عضلات بدن انسان طراحی شده‌اند. این نوع از اکچویتورها از مواد خاصی که در اثر جریان الکتریکی تغییر شکل می‌دهند، حرکت ایجاد می‌کنند.اکچویتورها با دریافت سیگنال کنترلی از یک سیستم کنترل (مانند PLC یا کنترلر دیجیتال)، آن را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند. این سیگنال‌ها می‌توانند الکتریکی، هیدرولیکی یا پنوماتیکی باشند.اکچویتور عضله‌ای مصنوعی از مواد پلیمری یا کامپوزیت ساخته شده است که در اثر اعمال جریان الکتریکی منقبض یا منبسط می‌شوند. این تغییر شکل می‌تواند به حرکت خطی یا دورانی تبدیل شود.

5- اکچویتورهای حرارتی (Thermal Actuators):

اکچویتورهای حرارتی یکی از انواع اکچویتورها هستند که از تغییرات دما برای ایجاد حرکت مکانیکی استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها معمولاً بر اساس انبساط و انقباض مواد خاصی مانند موم، فلزات با ضریب انبساط بالا، یا سیالات حرارتی کار می‌کنند. اکچویتورهای حرارتی به دلیل قابلیت کارکرد بدون نیاز به منابع انرژی خارجی، در سیستم‌های کنترلی خاصی که به تغییرات دما حساس هستند، کاربرد دارند.از انواع عملگر های حرارتی می توان اکچویتورهای مومی (Wax Actuators)، اکچویتورهای فلزی (Metallic Actuators) و اکچویتورهای سیالی (Fluidic Actuators) نام برد.

ویژگی‌های اکچویتورهای حرارتی :
1- مناسب برای کنترل‌های دما و فشار
2- حرکت آهسته ولی پیوسته
3- عدم نیاز به منبع انرژی خارجی مداوم
کاربردهای اکچویتورهای حرارتی :
سیستم‌های خودکار گرمایشی و سرمایشی
سیستم‌های تنظیم دما در خودرو
تجهیزات صنعتی حساس به دما

اکچویتورهای هوشمند (Smart Actuators):

اکچویتورهای هوشمند نه تنها قابلیت حرکت مکانیکی دارند، بلکه می‌توانند داده‌های عملکردی را جمع‌آوری و به سیستم‌های کنترلی ارسال کنند. این اکچویتورها معمولاً با سیستم‌های اینترنت اشیاء (IoT) و هوش مصنوعی (AI) یکپارچه می‌شوند.اکچویتورها دستگاه‌هایی هستند که انرژی (معمولاً الکتریکی، هیدرولیکی یا پنوماتیکی) را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند. اما اکچویتورهای هوشمند تفاوت‌هایی با نسخه‌های سنتی خود دارند. این اکچویتورها نه تنها قادر به انجام وظایف مکانیکی هستند، بلکه می‌توانند داده‌ها را جمع‌آوری کرده و با سیستم‌های کنترلی هوشمند ارتباط برقرار کنند. این ویژگی باعث می‌شود که آن‌ها در محیط‌های صنعتی مدرن بسیار کارآمدتر و انعطاف‌پذیرتر عمل کنند.

ویژگی‌ها اکچویتور هوشمند :
قابلیت ارتباط با سیستم‌های کنترل خودکار
جمع‌آوری و تحلیل داده‌های عملکردی
دقت و کارایی بالا
کاربردهای عملگر هوشمند :
صنایع پیشرفته مانند رباتیک و خودروسازی
خطوط تولید هوشمند
سیستم‌های مدیریت انرژی

بیشتر بخوانید: هوش مصنوعی و تاثیر آن در تولید قطعات صنعتی

اکچویتور مکانیکی یا دستی: 

اکچویتورهای دستی و مکانیکی از انواع ساده و ابتدایی اکچویتورها هستند که برای تبدیل نیروی انسانی یا انرژی مکانیکی به حرکت استفاده می‌شوند. این اکچویتورها به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان بالا و عدم نیاز به منابع انرژی خارجی، در بسیاری از کاربردهای صنعتی و روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند. اکچویتورهای دستی به طور کامل به نیروی انسانی وابسته‌اند و از طریق چرخاندن، فشار دادن یا کشیدن قطعات مکانیکی کنترل می‌شوند. این اکچویتورها برای کاربردهایی که به نیروی کم یا کنترل‌های ساده نیاز دارند، بسیار مناسب هستند.

از ویژگی های عملگر دستی می توان سادگی در طراحی و عملکرد، هزینه بسیار کم و قابلیت کنترل توسط انسان نام برد. این عملگر ها در شیرهای صنعتی، ابزارهای دستی و درب و پنجره ها کاربرد دارد.

اجزای تشکیل دهنده عملگرها یا اکچویتور ها:

از اجزای تشکیل دهنه اکچویتور می توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱. موتور (Motor): موتور یکی از اجزای اصلی اکچویتورهای الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. بسته به نوع اکچویتور، موتور ممکن است به صورت‌ها موتور الکتریکی (مورد استفاده در اکچویتور های برقی)، موتور هیدرولیکی (مورد استفاده در اکچویتور های هیدرولیکی) و موتور پنوماتیکی (مورد استفاده در اکچویتور های پنوماتیکی با استفاده از فشار هوای فشرده) باشد:۲. پیستون و سیلندر (Piston and Cylinder): پیستون و سیلندر یکی از اجزای اصلی اکچویتورهای هیدرولیکی و پنوماتیکی هستند. سیال یا هوای فشرده وارد سیلندر می‌شود و باعث حرکت پیستون می‌گردد که در نتیجه این حرکت به حرکت مکانیکی تبدیل می‌شود.

۳. دنده‌ها و چرخ‌دنده‌ها (Gears): در برخی از اکچویتورها (خصوصاً الکتریکی و مکانیکی)، دنده‌ها و چرخ‌دنده‌ها برای تبدیل یا تقویت حرکت استفاده می‌شوند. چرخ‌دنده‌ها به تنظیم سرعت، افزایش گشتاور، و تغییر جهت حرکت کمک می‌کنند.

انواع دنده‌ه شامل دنده‌های حلزونی (Worm Gears) برای کاهش سرعت و افزایش گشتاور و چرخ‌دنده‌های خورشیدی (Planetary Gears) برای توزیع نیرو به چندین محور استفاده کرد.

۴. فنر (Spring): فنرها در بسیاری از اکچویتورها برای ایجاد نیروی برگشت به کار  و ذخیره سازی انرژی می‌روند. به عنوان مثال، در برخی از اکچویتورهای مکانیکی، فنرها کمک می‌کنند تا پس از انجام حرکت، قطعات به موقعیت اولیه خود بازگردند.

۵. شیرها و پمپ‌ها (Valves and Pumps):در اکچویتورهای هیدرولیکی و پنوماتیکی، شیرها و پمپ‌ها نقش مهمی در کنترل جریان سیال یا هوا دارند. این اجزا تنظیم می‌کنند که چگونه و با چه فشاری سیال وارد سیستم شود و به پیستون فشار وارد کند.از اجزای اصلی :

۶. شفت (Shaft): شفت‌ها قطعاتی هستند که در اکچویتورها حرکت چرخشی یا خطی را از موتور به بخش‌های دیگر سیستم منتقل می‌کنند. در اکچویتورهای الکتریکی یا مکانیکی، شفت‌ها معمولاً به چرخ‌دنده‌ها یا مکانیزم‌های دیگر متصل می‌شوند تا حرکت را به بیرون از اکچویتور انتقال دهند.

۷. سیستم کنترل (Control System): بسیاری از اکچویتورها به سیستم‌های کنترلی مجهز هستند که به کاربر امکان می‌دهد تا حرکت و عملکرد اکچویتور را کنترل و نظارت کند. این سیستم‌ها می‌توانند ساده (دستی) یا پیچیده و خودکار باشند.

انواع سیستم‌های کنترلی شامل کنترل دستی (استفاده از دستگیره یا دکمه اکچویتور) یا کنترل الکتریکی (استفاده از سیستم های الکتریکی یا رایانه ای جهت کنترل دقیق) می باشد.

۸. مکانیزم حرکت (Motion Mechanism):این بخش از اکچویتور به گونه‌ای طراحی شده است که حرکت تولید شده توسط موتور یا فشار سیال را به حرکت خطی یا چرخشی تبدیل کند. مکانیزم حرکت بسته به نوع اکچویتور متفاوت است. در اکچویتورهای الکتریکی مکانیزم پیچ و مهره (Lead Screw) برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی استفاده می‌شود و در اکچویتورهای چرخشی، مکانیزم روتاری حرکت چرخشی موتور را تقویت و به سیستم منتقل می‌کند.

۹. سنسورها (Sensors): در اکچویتورهای هوشمند و خودکار، سنسورها نقش حیاتی در کنترل دقیق حرکت ایفا می‌کنند. سنسورها داده‌هایی مانند موقعیت، سرعت، فشار، و دما را اندازه‌گیری کرده و به سیستم کنترل ارسال می‌کنند.این سنسورها شامل سنسور موقعیت، فشار و دما می باشد.

کاربردهای اکچویتورها در صنعت:

اکچویتورها در صنایع مختلف و کاربردهای گوناگونی استفاده می‌شوند از جمله :

1. صنعت خودروسازی: در صنعت خودرو سازی از اکچویتور ها در کنترل دریچه ها و دریچه های گاز، سیستم ترمز و کلاچ، تنظیمات صندلی و آینه و... استفاده می شود.

2. رباتیک: جهت حرکت مفاصل ربات ها، سیستم های جابجایی و حمل و نقل، عملیات دقیق مونتاژ و جوشکاری و... از عملگر ها استفاده می شود.

3. صنایع نفت و گاز: اکچویتر ها در کنترل شیرها و دریچه ها، سیستم های حفاری و تجهیزات انتقال و ذخیره سازی در صنایع نفت و گاز کاربرد دارند.

4. صنایع غذایی و دارویی: جهت بسته بندی و بر چسب زنی، تجهیزات تمیزکاری و شستشو و کنترل فرایندهای تولید از اکچویتور استفاده می شود.

5. صنایع انرژی : در کنترل توربین و ژنراتورها، سیستم های تولید انرژی تجدید ناپذیر و تجهیزات انتقال و توزیع انرژی عملگر ها کاربرد دارند

نتیجه‌گیری:

اکچویتورها نقش بسیار مهمی در سیستم‌های صنعتی و مکانیکی ایفا می‌کنند. انتخاب صحیح نوع اکچویتور با توجه به نیازها و کاربردهای مختلف می‌تواند به بهبود عملکرد سیستم‌ها و افزایش بهره‌وری کمک کند. با توجه به انواع و ویژگی‌های مختلف اکچویتورها، می‌توان در صنایع مختلف از آن‌ها بهره‌برداری کرد و به اهداف مورد نظر دست یافت.

مقاله های پیشنهادی: معرفی انواع بشکه های فلزی در صنعت