ตัวกระตุ้นให้ทำงาน

ตัวกระตุ้นให้ทำงาน (อังกฤษ: actuator) หรือสั้น ๆ ว่า "ตัวกระตุ้น" เป็นชนิดหนึ่งของมอเตอร์ที่รับผิดชอบสำหรับการเคลื่อนไหวหรือการควบคุมกลไกหรือระบบ

มันทำงานโดยแหล่งที่มาของพลังงาน โดยปกติเป็นกระแสไฟฟ้า, แรงดันของเหลวไฮดรอลิก, หรือแรงดันลม จากนั้นก็แปลงพลังงานนั้นให้เป็นการเคลื่อนไหว มันกระตุ้นให้หัวพิมพ์ฉีดสีออกมา หรือกระตุ้นให้ก้ามปูเบรกจับเข้ากับล้อ เป็นต้น

ตัวกระตุ้นให้ทำงานเป็นกลไก โดยที่ระบบการควบคุมของตัวกระตุ้นจะทำงานอยู่กับสภาพแวดล้อม ระบบการควบคุมอาจเป็นแค่ระบบง่าย ๆ (ระบบเครื่องกลอยู่กับที่หรือระบบอิเล็กทรอนิกส์), ระบบตัวขับที่ใช้ซอฟต์แวร์ (เช่นตัวขับเครื่องพิมพ์, ระบบการควบคุมหุ่นยนต์), มนุษย์, หรืออินพุทอื่น ๆ

ประวัติ

ประวัติความเป็นมาของระบบการกระตุ้นด้วยลมและระบบการกระตุ้นด้วยไฮดรอลิกสามารถย้อนกลับไปช่วงเวลาราวสงครามโลกครั้งที่สอง (1938) มันถูกสร้างขึ้นเป็นครั้งแรกโดย Xhiter Anckeleman (ออกเสียง 'Ziter') [ต้องการอ้างอิง] ผู้ซึ่งใช้ความรู้ของเขาด้านเครื่องยนต์และระบบเบรกให้เกิดเป็นคำตอบใหม่เพื่อให้แน่ใจว่าเบรกในรถยนต์ออกแรงได้สูงสุดแต่มีการสึกหรอน้อยที่สุดที่เป็นไปได้

ไฮดรอลิก

 

ทรงกระบอกไฮดรอลิกที่ปลายของเครื่องตักดินเป็นตัวอย่างหนึ่งของตัวกระตุ้นไฮดรอลิก

ตัวกระตุ้นทำงานด้วยไฮดรอลิกจะประกอบด้วยมอเตอร์แบบกระบอกสูบหรือของเหลวที่ใช้พลังไฮดรอลิกเพื่ออำนวยความสะดวกในการดำเนินงานของเครื่องจักรกล การเคลื่อนไหวทางกลให้พลังงานในรูปของการเคลื่อนที่ในแนวราบหรือการหมุนหรือสั่น เนื่องจากของเหลวเกือบจะเป็นไปได้ที่จะบีบอัด ตัวกระตุ้นไฮดรอลิกสามารถออกแรงขนาดใหญ่ได้ ข้อเสียเปรียบของวิธีนี้คือการเร่งความเร็วของมันถูกจำกัด

กระบอกไฮดรอลิกประกอบด้วยท่อกลวงทรงกระบอกพร้อมกับลูกสูบหนึ่งตัวที่สามารถเลื่อนไปมาได้ คำที่ใช้สำหรับการกระตุ้นเดี่ยวจะถูกใช้เมื่อแรงดันของเหลวถูกใส่เข้าไปเพียงด้านใดด้านหนึ่งของลูกสูบ ลูกสูบจะสามารถเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวเท่านั้น, สปริงจะถูกนำมาใช้บ่อยครั้งเพื่อให้ลูกสูบเคลื่อนที่กลับมาตำแหน่งเดิม คำว่ากระตุ้นสองครั้งจะหมายถึงความดันจะถูกใส่เข้าไปในแต่ละด้านของลูกสูบ; ความแตกต่างในความดันระหว่างสองด้านของลูกสูบจะเคลื่อนลูกสูบไปด้านหนึ่งหรืออีกด้านหนึ่ง

ลม

 

ตัวกระตุ้นแบบราวปีกนก (อังกฤษ: rack and pinion actuator) ที่ทำงานด้วยลมสำหรับควบคุมการทำงานของวาล์วท่อน้ำ

ตัวกระตุ้นที่ทำงานด้วยลมจะแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นจากสูญญากาศหรืออากาศบีบอัดที่ความดันสูงให้เป็นการเคลื่อนที่ในแนวราบหรือแบบหมุน พลังงานนิวเมติกเป็นที่พึงประสงค์สำหรับการควบคุมเครื่องยนต์หลักเพราะมันสามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วในการเริ่มต้นและการหยุดโดยที่แหล่งจ่ายไฟไม่จำเป็นต้องถูกเก็บไว้ในทุนสำรองสำหรับการดำเนินงาน

ตัวกระตุ้นนิวเมติกสร้างพลังอย่างมากที่ผลิตจากการเปลี่ยนแปลงความดันเพียงเล็กน้อย พลังเหล่านี้มักจะใช้กับวาล์วเพื่อเปิดไดอะแฟรมเพื่อให้มีผลต่อการไหลของของเหลวผ่านวาล์ว

ไฟฟ้า

ตัวกระตุ้นไฟฟ้าได้พลังงานจากมอเตอร์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าให้เป็นที่แรงบิดกล พลังงานไฟฟ้าถูกใช้ในการสั่งอุปกรณ์เช่นวาล์วหลายรอบให้ทำงาน มันเป็นหนึ่งในรูปแบบที่สะอาดที่สุดและพร้อมใช้งานที่สุดของตัวกระตุ้นเพราะมันไม่เกี่ยวข้องกับน้ำมัน

 

กลไกเซอร์โวที่ใช้ R/C ขนาดเล็ก
1. มอเตอร์ไฟฟ้า
2. feedback ตำแหน่ง โปเทนฉิโอมิเตอร์
3. เฟืองลด
4. แขนตัวกระตุ้น

ความร้อนหรือแม่เหล็ก (โลหะผสมจำรูป)

ตัวกระตุ้นที่สามารถถูกกระตุ้นโดยพลังงานความร้อนหรือแม่เหล็กได้ถูกนำมาใช้งานทางธุรกิจ พวกมันมักจะมีขนาดกะทัดรัด, น้ำหนักเบา, ประหยัดและมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ตัวกระตุ้นเหล่านี้ใช้วัสดุจำรูป (อังกฤษ: shape memory material (SMM)) เช่นโลหะผสมจำรูป (อังกฤษ: shape memory alloy (SMA)) หรือโลหะผสมจำรูปแม่เหล็ก (อังกฤษ: magnetic shape memory alloy (MSMA)) บางผู้ผลิตที่เป็นที่นิยมของอุปกรณ์เหล่านี้ได้แก่ Finnish Modti Inc., American Dynalloy และ Rotork

กลไก

 

ตัวอย่าง rack and pinion ในพวงมาลัยรถยนต์

ตัวกระตุ้นแบบกลไกมีหน้าที่ในการทำให้เกิดการเคลื่อนไหวโดยการแปลงชนิดหนึ่งของการเคลื่อนไหว เช่นการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นวงกลม ให้เป็นการเคลื่อนที่อีกชนิดหนึ่ง เช่นเปลี่ยนให้เป็นการเคลื่อนที่ในแนวราบ ตัวอย่างเช่นราวปีกนก (อังกฤษ: rack and pinion) ตัวกระตุ้นแบบกลไกจะทำงานบนพื้นฐานของการทำงานร่วมกันของชิ้นส่วนทางโครงสร้างมากกว่าหนึ่งชิ้น เช่นเฟืองกับราง หรือรอกกับโซ่

ตัวอย่างและการประยุกต์ใช้

ในด้านวิศวกรรม ตัวกระตุ้นมักมีการใช้เป็นกลไกเพื่อให้เกิดการเคลื่อนไหว หรือเพื่อการยึดวัตถุเพื่อป้องกันไม่ให้เคลื่อนที่ ในวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ตัวกระตุ้นเป็นแผนกย่อยของตัวแปรสัญญาณ พวกมันเป็นอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณอินพุต (ส่วนใหญ่เป็นสัญญาณไฟฟ้า) ให้เป็นการเคลื่อนไหว

ตัวอย่างของตัวกระตุ้น

 

แม่แรงที่ใช้ในรถยนต์เป็นตัวอย่างหนึ่งของตัวกระตุ้นที่ใช้ Screw jack

• Comb drive
• Digital micromirror device
• มอเตอร์ไฟฟ้า
• Electroactive polymer
• Hydraulic cylinder
• Piezoelectric actuator
• Pneumatic actuator
• Servomechanism
• Thermal bimorph
• Screw jack

การแปลงจากวงกลมให้เป็นแนวราบ

มอเตอร์จะถูกใช้เป็นส่วนใหญ่เมื่อต้องการการเคลื่อนที่แบบวงกลม แต่มันก็สามารถถูกนำมาใช้สำหรับงานในแนวราบโดยการเปลี่ยนการเคลื่อนที่เป็นวงกลมให้เป็นแนวราบด้วยสกรูเจาะหรือกลไกที่คล้ายกัน ในทางตรงกันข้าม ตัวกระตุ้นบางตัวโดยเนื้อแม้เป็นแบบแนวราบ เช่นตัวกระตุ้น piezoelectric การแปลงระหว่างการเคลื่อนไหวแบบวงกลมและแบบแนวราบมักจะถูกทำโดยการใช้กลไกง่าย ๆ เพียงไม่กี่ประเภท ได้แก่ :

 

Roller screw

• ตัวกระตุ้นแบบสกรู: สกรูแม่แรง, บอลสกรูและโรลเลอร์สกรู ทั้งหมดนี้ทำงานบนหลักการของกลไกเรียบง่ายที่เรียกว่าสกรู โดยการหมุนน็อตของตัวกระตุ้น, แกนของสกรูจะเคลื่อนที่ไปตามความยาว ในทางตรงกันข้าม โดยการเลื่อนแกนของสกรู, น็อตก็จะหมุน
• ล้อและเพลา: ตัวกระตุ้นแบบรอก, กว้าน, แร็คแอนด์พิเนียน, ไดรฟ์โซ่, ไดรฟ์สายพาน, โซ่และสายพาน พวกนี้ทำงานบนหลักการของล้อและเพลา โดยการหมุนล้อ/เพลา (เช่นดรัม, เกียร์, สายพานหรือเพลา), สมาชิกแนวราบ (เช่นสายเคเบิล, เฟืองราว, โซ่หรือสายพาน) จะเคลื่อนที่ ในทางตรงกันข้าม การเคลื่อนที่สมาชิกแนวราบ ก็จะทำให้ล้อ/เพลาหมุน

การวัดคุมเสมือนจริง

ในการวัดคุมเสมือนจริง ตัวกระตุ้นและตัวรับรู้เป็นฮาร์ดแวร์ที่ทำงานเติมเต็มซึ่งกันและกัน

การวัดประสิทธิภาพ

การวัดประสิทธิภาพสำหรับการกระตุ้นรวมถึงความเร็ว, อัตราเร่ง, และแรง (หรืออีกอย่าง ความเร็วเชิงมุม อัตราเร่งเชิงมุม, และแรงบิด) เช่นเดียวกับประสิทธิภาพและการพิจารณาการใช้พลังงานเช่นมวล, ปริมาตร, สภาพการใช้งาน, และความทนทาน ท่ามกลางสิ่งอื่น ๆ

แรง

เมื่อพิจารณาถึงแรงในตัวกระตุ้นสำหรับการใช้งาน มีการวัดหลักสองอย่างที่ควรจะต้องนำมาพิจารณา ได้แก่แบบโหลดคงที่และแบบไดนามิก โหลดแบบคงที่เป็นความสามารถของแรงของตัวกระตุ้นในขณะที่ไม่ได้เคลื่อนไหว ตรงกันข้ามโหลดแบบไดนามิกของตัวกระตุ้นคือความสามารถของแรงในขณะที่มีการเคลื่อนไหว ทั้งสองด้านนี้ยากที่จะมีน้ำหนักด้านความสามารถเท่ากันและจะต้องมีการพิจารณาแยกต่างหาก

ความเร็ว

ความเร็วควรได้รับการพิจารณาในขั้นต้นที่ขั้นตอนแบบไม่มีโหลด เนื่องจากความเร็วจะลดลงเสมอตามการเพิ่มขึ้นของการโหลด อัตราที่ความเร็วจะลดลงจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณของแรงและความเร็วในช่วงเริ่มต้น

สภาพการใช้งาน

ตัวกระตุ้นจะถูกประเมินโดยทั่วไปโดยใช้ระบบการจัดอันดับรหัส IP มาตรฐาน พวกที่ได้รับการประเมินสำหรับสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตรายจะมีอันดับ IP สูงกว่าพวกที่ได้รับการประเมินสำหรับการใช้งานส่วนบุคคลหรืออุตสาหกรรมทั่วไป

ความคงทน

นี้จะถูกกำหนดโดยแต่ละผู้ผลิตขึ้นอยู่กับการใช้งานและคุณภาพ

ดูเพิ่มเติม

• End effector
• Hard disk drive actuator
• Linear actuator
• Load cell
• Microactuator
• Nanotube nanomotor
• Robot actuators
• Torque motor

อ้างอิง

1. "About Actuators". www.thomasnet.com. Retrieved 2016-04-26.
2. "What’s the Difference Between Pneumatic, Hydraulic, and Electrical Actuators?". machinedesign.com. Retrieved 2016-04-26.
3. "Pneumatic Valve Actuators Information | IHS Engineering360". www.globalspec.com. สืบค้นเมื่อ 2016-04-26.
4. "Electric & Pneumatic Actuators". www.baelzna.com. Retrieved 2016-04-26.
5. Sclater, N., Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook, 4th Edition (2007), 25, McGraw-Hill