Aktuaatorid – tehnikamaailma lihased
Ülo Vaher
11.10.2006

Tehnikamaailmas üks levinumaid mehaanilise liikumise ja jõu allikaid on aktuaatorid. Nende äärmiselt mitmekesine ja arvukas pere areneb ja täiustub pidevalt. Kuigi nad ümbritsevad meid kõikjal – kui palju me neist teame?

Ligi pooltuhat firmat on turule toonud tuhandeid erinevaid mudeleid. Aktuaatorite arengus lülitas uue “käigu” sisse elektriliste lineaarmootorite kasutuselevõtt. Samuti rikastus aktuaatorite maailm viimastel aastatel täiesti uutel põhimõtetel töötavate mudelitega nagu piesoelektrilised mootorid, vormimäletavad sulamid, elektroreoloogilised vedelikud, magnetoaktiivsed muundurid ja elektroaktiivsed polümeerid, mille puhul termini “lihased” ümbert võiks jutumärgid isegi ära jätta.
Inimese eksistentsi üheks paratamatuks tingimuseks on vajadus liigutada mitmesuguseid esemeid, eeskätt muidugi tööriistu, ja tegema seejuures füüsilist-mehaanilist tööd. Inimkonna koidikul oli selleks energia- ja jõuallikaks inimese enda lihaste töö, hiljem lisandus ka koduloomade panus. Tehnikaajastu saabudes tulid appi seadmed ja masinad, mis tegutsevad peamiselt soojus- või elektrienergia abil ja muudavad selle mehaaniliseks tööks kas pöörd- või siis kulg- ehk lineaarliikumisest. Üldiselt nimetatakse seda tüüpi abiseadmeid ehk liikumise muundajaid ka aktuaatoriteks.
Aktuaatorite rakendusvaldkonnad ja kasutusvõimalused on peaaegu piiramatud ning üha laienevad, mistõttu on nende kõikide üleslugemine praktiliselt võimatu – garaa_iukse avajast fotokaamera objektiivi suumijani, haigevoodi peatsi ja jalutsi asendi mugavamaks muutmise seadmest kompuutertomograafi regulaatorini, päikeseenergial töötavates elektrijaamades päikesepaneelide ja peeglite asendi muutmisest ja videovalveseadmete suunamisest kuu- ja marsikulgurite juhtimiseni, eriti aga automatiseeritud toomisliinides ja robotitehnikas jne jne. Ka tänapäeva autos võib olla üle saja erinevat tüüpi aktuaatori.
Aktuaatorite perekonnad
Tüüpilised ja levinumad aktuaatorite põhiliigid on hüdraulilised, pneumaatilised ja elektrilised, neil kõigil on omakorda palju alaliike ja variante. Hüdraulilistes aktuaatorites kasutatakse jõu arendajana ja liikumise tekitajana suletud kambris õli surve all liikuva kolvi külge kinnitatud varrast. Nende eeliseks on suur jõud, mistõttu kasutatakse neid peamiselt mitmesuguste suure võimsusega tõstukite juures, kuid puuduseks keskkonna saastumine võimalike õlilekete puhul, samuti sellega seotud tuleoht. Kui surve tekitamiseks kasutatakse elektrimootoreid, siis on tegu elektrohüdrauliliste aktuaatoritega. Hüdrauliliste aktuaatorite otsesteks järeltulijateks on pneumaatilised aktuaatorid, milles kasutatakse kolvi liikuma panemiseks silindris suruõhku. Need mõlemad võivad olla nii ühe- kui ka kahesuunalise toimega.
Viimastel aastatel on aktuaatorite maailmas juhtpositsiooni haaranud elektromehaanilised ja elektrilised aktuaatorid tänu eeskätt nende väga erinevatele kasutusvõimalustele, mudeliterohkusele ja energiasäästlikkusele.
Nagu igasugune aktuaator, koosneb ka elektromehaaniline aktuaator kahest põhiosast – paigalseisvast elektrimootorit sisaldavast staatorist ja vahetult ettenähtud tööd tegevast lineaarselt liikuvast osast ehk jooksurist, mis võib olla väga erineva kujuga. Tüüpilised jooksurid on varda- või plaadikujulised. Liigutatav objekt kinnitatakse jooksuri varda otsa kas keermes- või mõne muu liidesega. Plaadikujulisel jooksuril on enamasti kruviaugud mitmesuguste esemete, näiteks tööorganite, kinnitamiseks. Seda abiseadet võib kasutada ka lihtsalt esemete transpordiks tehnoloogilisel liinil.
Elektromehaaniliste aktuaatorite tüübid erinevad selle poolest, kuidas nad muudavad tavalise elektrimootori pöörleva liikumise jooksuri sirgjooneliseks ehk lineaarliikumiseks. Varasemates mudelites kasutati selleks rihm- või hammaslattülekannet, samuti tiguajamit või ka tavalise keermega juhtkruvi, mis pöörles mutris. Kui mootori toimel panna pöörlema mutter liikumatus pesas, mis ei võimalda tal liikuda aksiaalselt (piki telge), siis hakkab liikuma keermega juhtkruvi (umbes nagu korgitser korgis), kuni mootor peatub ja muudab pöörlemissuunda, mis omakorda muudab ka juhtkruvi liikumissuunda. Mõnedes aktuaatorites pannakse mootori toimel pöörlema hoopis aksiaalselt liikumatu kruvi, mis kutsub esile mittepöörleva, kuid aksiaalselt vaba mutri ning sellega ühendatud jooksuri aksiaalse liikumise. Nii on lihtsam vältida jooksuri juhtkruvi pöörlemist.
Aktuaatorite töö paranes, kui tavalise v-keerme asemel hakati juhtkruvil kasutama trapetsikujulise ristlõikega ACME-keeret. Veelgi olulisema aktuaatorite tehniliste näitajate paranemise andis kuul-kruvi-mutter-süsteemi kasutuselevõtt. Sellise süsteemi korral on kruvile ja mutrile kantud poolringikujulise profiiliga keere, mis on mutri sees täidetud kuulidega, nii et mutter liigub nagu kuullaagritel, tänu millele tavalises keermes toimuv suur hõõrdumine, energiakulu ja soojenemine praktiliselt kaovad (vähenevad umbes 90%). Koos sellega pikeneb mitmekordselt ka seadme tööiga ja täpsus ning lisaks töötab ta hästi vaikselt. Kuulmutter on tähelepanuvääriv tehnikasaavutus. Tänu tema nutikale konstruktsioonile tagatakse selles kuulide retsirkulatsioon ja kuulid jäävad kogu aeg mutri sisse ka pöörlemissuuna muutudes.
Saagem lähemalt tuttavaks
Vaataksime nüüd ka aktuaatorite peamisi tehnilisi näitajaid. Nendeks on jõud, mida aktuaator arendab (eristatakse lühiajalist tippjõudu ja pidevat jõudu), jooksuri kiirus ja kiirendus ning jooksuri liikumisulatus e käik. Samuti on paljudes rakendustes olulised ka aktuaatori jäikus (lõtk) ja sellega seotud positsioneerimise täpsus ja korratavus. Kõik need parameetrid varieeruvad erinevate mudelite juures laiades piirides.
Üsna revolutsioonilise hüppe tekitas elektriliste aktuaatorite arengus elektriliste lineaarmootorite kasutuselevõtt. Viimase 5–10 aasta jooksul hakkasid just need mängima peaosa aktuaatorite laval.
Elektrimootorite töö põhineb teatavasti elektromagnetilise induktsiooni nähtusel ja tema kahe põhiosa – paigalseisva staatori ja liikuva rootori või jooksuri tekitatud magnetväljade vastastikusel tõukel/tõmbel. Kui tavalises (rootor)elektrimootoris indutseeritakse pöörlev magnetväli, mille toimel hakkab rootor pöörlema, siis lineaarmootoris, erinevalt rootormootorist, tekitatakse lineaarselt ehk kulgevalt liikuv magnetväli, mille mõjul pannakse sirgjooneliselt liikuma ka jooksur. Piltlikult võiks seda kujutada kui pöördmootorisse kuni südamikuni ulatuva sisselõike tegemist ja selle tasapinnaliselt laiali laotamist.
Kuna lineaarmootoris saavutatakse jooksuri sirgjooneline liikumine otse ehk vahetult, siis jääb nende puhul ära erinevat tüüpi reduktorite ja ülekannete vajadus ringliikumise muutmiseks kulgliikumiseks. Sellega lihtsustub oluliselt nende ehitus, tõuseb töökindlus ja energeetiline efektiivsus ning langeb ka hind, tänu millele neil õnnestuski turgu vallutada.
Lineaarmootorite hulgas on sõltuvalt nende ehitusest ja tarbitavast voolust nii alalisvoolumootoreid – sealhulgas servo-, sammu- ja harjadeta mootoreid – kui ka vahelduvvoolumootoreid. Harjadega alalisvoolumootoreis aktiveeritakse järjestikku uusi voolumähiseid liikuval osal, harjadeta mootoris kasutatakse aga välist ajamit, mis aktiveerib järjestikku mähiseid staatoril. Tarbitava voolu pinge on tavaliselt 12–24 V. Vahelduvvoolumootoritest kasutatakse nii ühe- ja mitmefaasilisi mootoreid kui ka induktsioon- ja sünkroonmootoreid. Servomootoreid iseloomustab suur kiirendus. Sammumootorid liiguvad üliväikeste sammukeste kaupa, mis võimaldab neid kasutada ülitäpseteks positsioneerimisteks.
Uus ajajärk
Lineaarmootorite efektiivsuse kasvule on olulisel määral kaasa aidanud ka uute neodüümiühenditel põhinevate ülitugevate püsimagnetite kasutuselevõtt. Samuti oli oluliseks sammuks lineaarmootorite arengus digitaalsete kontrollerite (CNC – computer numerical controller) laialdane rakendamine. Korpuste valmistamisel kasutatakse (roostevaba)terast, alumiiniumi ja plasti. Lisaelementide valikus leidub nii käigupikkuse regulaatoreid, pidureid kui ka positsioonihoidjaid ja löökide absorbeerijaid. Integreeritud sensorid jälgivad jooksuri asendit, termilise ülekoormuse kaitseseadmed aitavad vältida ülekuumenemist.
Lineaarmootorite jõud ja kiirus on limiteeritud vaid rakendatava elektrivoolu pinge ja tugevusega. Kiirused kuni 3 m/s koos positsioneerimistäpsusega 1 mkm ei ole veel piir. Ka on nende vooruseks see, et oma olemuselt ohutuid lineaarmootoreid võib kasutada ka ohtlikes tingimustes, näiteks keemiatööstuses.
Piesoelektrilised aktuaatorid
on seadmed, mis tekitavad väga tugevat jõudu ning kiirendust lühikesel liikumisulatusel, kui neile rakendada elektrilist pinget. Nende üks peamisi rakendusvaldkondi on ultratäpne positsioneerimine, mida vajab ka eeskätt kiirestiarenev nanotehnoloogia. Piesoelektrilised aktuaatorid, mis põhinevad tahke materjali staatilisest hõõrdumisest vabal elastsel deformatsioonil, võimaldavad luua nanopositsioneerimis- ja skaneerimisseadmeid, mille inkrement (muutuvate suuruste vahe) ja korratavus on subnanomeetrilises piirkonnas.
Viimastel aastatel on hakanud arenema ka täiesti uus suund aktuaatorite alal, mis pakub paljulubavaid tehnilisi lahendeid. Selleks on nn elektroaktiivsed polümeerid (EAP), mida iseloomustab võime elektrivoolu toimel venida või kokku tõmbuda nende pinna suunas. Stanfordi uurimisinstituudis on juba saavutatud väljavenimist üle 100% ja rõhku üle 100 psi (naela ruuttolli kohta), kusjuures energiatihedus ületab ka piesoelektriliste ja magnetstriktiivsete seadmete oma. Suure venitamise korral genereerivad EAPd ka elektrivoolu. USA mereväe uurimiskeskus toetab projekti, mille eesmärgiks on välja töötada EAPdel põhinevat uut väikerobotite-aktuaatorite generatsiooni, kus need EAPd täidaks robotites lihaste rolli analoogselt inimeste omadega. Tahetakse luua ka miniatuurset lennumasinat, mis liiguks tiivasarnaste organite lehvitamise abil.
Igamehe võimalused
Selliste ulmega piirnevate süsteemide asemel on ka igal keskmisel meistrimehel juba praegu võimalus mehhaniseerida ja automatiseerida oma kodu mugavamaks. Selleks otstarbeks toodavad lihtsaid ja suhteliselt odavaid aktuaatoreid juba paljud firmad. Üks selliseid ja ülemaailmselt tuntumaid firmasid on Taanis paikneva peakorteriga LINAK, mille edasimüüja OÜ Techtrade asub ka Tallinnas. Selle hiigelfirma toodete nomenklatuuris on üle 10 000 artikli, mis jaotuvad nelja põhisuuna vahel. Mitte reklaamiks, vaid infoks ütleks, et MEDLINE/CARELINE tähendab haiglate mööbli, eeskätt voodite asendite seadmist patsiendile meelepäraseks, ning läbivaatus- ja teraapiliste protseduurides kasutatavate seadmete reguleerimist. HOMELINE seeriasse kuuluvad aktuaatorid komfortse koduse mööbli tarbeks, eeskätt muidugi vooditele ja lamamistoolidele. Seeria DESKLINE aktuaatorid võimaldavad aga muuta töökohta ergonoomiliseks seal kasutatavate töölaudade, toolide ja riiulite kõrguse ja asendi muutmise teel. TECHLINE seeriasse kuuluvad seadmed, mis võimaldavad kergendada tööprotsesse tootmises ja tõsta sellega tööviljakust. Nende lineaaraktuaatorid on peamiselt elektromehaanilist tüüpi ja töötavad alalisvoolul 12–24 V. Nende tüüpiline jõud on 40–10 000 N, käik 50–500 mm ja jooksuri kiirus 15–65 mm/s. Seadmete komplekti kuuluvad enamasti ka elektrooniline plokk ja käsijuhtimispult. Kõigi nende tehnilisi parameetreid ja põhjalikku kirjeldust võib hõlpsasti leida firma kodulehel aadressiga www.linak.com.

Sarnased artiklid