Линейный актуатор своими руками: три конструкции и схема управления

Готовый линейный актуатор на 12 вольт с ходом 300 мм и усилием 1500 Н стоит от шести тысяч рублей. Если нужно открывать форточку в теплице, поднимать крышку погреба, наклонять солнечную панель или двигать заслонку — это неоправданно дорого. Всё, что там внутри, собирается из мотора, редуктора и обычной резьбовой шпильки.

Разберём конструкцию по узлам, посчитаем усилие и скорость по формулам, сравним три реальных варианта сборки и соберём схему управления с концевиками, которая не требует ни программирования, ни микроконтроллера.

Как считать усилие и скорость

Прежде чем что-то пилить, посчитайте. Пара «винт–гайка» — это наклонная плоскость, и усилие на штоке связано с моментом на винте так:

F = 2π · η · M / P

где M — момент на винте в ньютон-метрах, P — шаг резьбы в метрах, η — КПД винтовой пары. Для обычной метрической резьбы без смазки η лежит в диапазоне 0,2–0,3 — то есть три четверти работы уходит в тепло и трение. Это не недостаток, а свойство: именно оно даёт самоторможение.

Пример. Шпилька М10 с шагом 1,5 мм, момент на валу после редуктора 3 Н·м, η = 0,25:

F = 6,28 × 0,25 × 3 / 0,0015 ≈ 3140 Н, то есть больше 300 кг.

Скорость считается ещё проще: v = n · P, где n — обороты винта в секунду. Тот же редуктор 1:50 при 3000 об/мин на моторе даёт 1 оборот винта в секунду и 1,5 мм/с на штоке. Метровый ход займёт одиннадцать минут. Это нормально для подъёмного стола и совершенно неприемлемо для ворот.

Отсюда главный вывод: усилие и скорость меняются местами. Хотите быстрее — берите крупный шаг или меньшее передаточное. Хотите мощнее — наоборот.

Три конструкции

Вариант 1. Из шуруповёрта

Самый быстрый путь, если в кладовке лежит шуруповёрт с умершим аккумулятором. Вам достаётся готовый планетарный редуктор с реверсом и — что важно — муфта ограничения момента. Она сработает раньше, чем вы что-нибудь сломаете.

Порядок: снимаем патрон (обычно левая резьба, внутри винт), в шпиндель вставляем шпильку М8 и фиксируем штифтом или сваркой. Гайку врезаем в кусок профильной трубы 20×20, труба ходит внутри трубы 25×25 — это и направляющая, и защита от проворота.

Реально выдаёт до 800 Н при ходе 150–250 мм. Форточка теплицы, лёгкий люк, заслонка вентиляции — его размер.

Вариант 2. Из моторедуктора стеклоподъёмника

Оптимальный вариант для улицы. На разборе стоит 600–1200 рублей, рассчитан на мороз, грязь и вибрацию, и у него червячный редуктор — то есть самоторможение заложено конструктивно, независимо от того, какую резьбу вы поставите.

Момент на выходе — 8–12 Н·м, при шпильке М12 с шагом 1,75 это около 2500 Н при скорости 4–8 мм/с. Ток под нагрузкой доходит до 8 А, при заклинивании — до 25 А. Провод считайте по заклиненному току, не по номиналу.

Вариант 3. Мотор с червячным редуктором на шпильке М10

Когда нужно именно усилие. Мотор-редуктор на 12 или 24 В с передаточным 1:100 стоит полторы-две тысячи, шпилька М10 метровой длины — двести рублей. На выходе до 4000 Н при скорости 1–2 мм/с.

Здесь особенно важна упорная опора винта: осевую нагрузку нельзя вешать на подшипники редуктора, они на это не рассчитаны. Ставьте упорный подшипник 8100-й серии, он стоит сто рублей и спасает редуктор.

Направляющая: узел, который чаще всего забывают

Если гайку ничем не удерживать, она будет крутиться вместе с винтом, и шток никуда не поедет. Нужна защита от проворота. Три рабочих способа:

• Труба в трубе. Квадратный профиль внутри квадратного — самый простой и самый надёжный вариант. Зазор 0,5–1 мм, изнутри проклеить полоской фторопласта.
• Шпонка в пазу. Болт, вкрученный в гайку, ходит в пропиле корпуса. Требует точности, зато компактно.
• Две направляющие по бокам. Гладкие валы 8–10 мм с линейными подшипниками. Дороже, но ход получается самым плавным.

Схема управления с концевиками

Логика простая. В покое обе катушки обесточены, и через нормально замкнутые контакты обе клеммы мотора сидят на массе — двигатель заторможен коротким замыканием обмотки. Нажали «вперёд» — реле K1 перекинуло контакт на плюс, ток пошёл через мотор. Шток дошёл до края, разомкнулся концевик — реле отпустило, движение прекратилось само.

Четыре вещи, без которых схема проработает недолго:

1. Диоды 1N4007 параллельно катушкам реле, катодом к плюсу. Без них выброс самоиндукции подпаливает контакты кнопок.
2. Предохранитель в разрыв плюса, номинал — полтора тока заклиненного мотора.
3. Взаимная блокировка кнопок. Если нажать обе сразу без блокировки, получите короткое через контакты обоих реле.
4. Концевики ставим в цепь катушки, а не в силовую. Через контакты концевика не должен идти ток мотора — он их сожжёт за неделю.

Сами концевики удобнее делать бесконтактными — на герконе с магнитом на гайке. Тогда нечему подгорать и нечему заедать от пыли. Как сделать геркон самому, у нас есть отдельный разбор.

Частые ошибки

Концевик прикручен к штоку. Шток под нагрузкой уводит на доли миллиметра, и датчик перестаёт срабатывать — или срабатывает не там. Концевик всегда ставится по подвижной гайке.

Шпилька из строймаркета вместо калиброванной. Обычная шпилька имеет биение до полумиллиметра на метр. На коротком ходу это не видно, на длинном — актуатор начинает «вилять» и есть ток.

Нет смазки. Литол в паре «винт–гайка» поднимает КПД с 0,2 до 0,3 — это плюс 50% к усилию бесплатно. Обновлять раз в сезон.

Расчёт по номинальному току. Мотор на 5 А в момент пуска и при упоре в концевик берёт 20–30 А. Провод, реле и предохранитель считаются по этому числу.

Частые вопросы

Можно ли обойтись без редуктора?
Нет. Мотор на 3000 об/мин напрямую на шпильке М10 даст скорость 75 мм/с и усилие в районе 60 Н — то есть шесть килограммов. Ни на что, кроме шторки, этого не хватит.

Как изменить положение концевиков после сборки?
Если концевики закреплены на направляющей трубе через прорезь-паз с барашком, ход перенастраивается за минуту без разборки. Делайте паз сразу — переделывать потом обидно.

Что будет, если снять питание на середине хода?
При метрической резьбе и червячном редукторе шток останется на месте под нагрузкой. При шарико-винтовой паре он сложится под собственным весом груза — там нужен электромагнитный тормоз.

Как управлять с пульта?
Ставьте вместо кнопок автомобильный модуль дистанционного управления на два канала. Он выдаёт как раз сухие контакты на нужные катушки, и схему переделывать не придётся.

Подойдёт ли шаговый двигатель?
Подойдёт, если нужно точное позиционирование. Но у шаговика момент падает с ростом скорости, и для силовой задачи он проигрывает коллекторному мотору с редуктором при той же цене.

Продолжение темы на сайте

• Самодельный электрический актуатор — первая конструкция: подробные фото сборки и испытания.
• Система управления линейным актуатором, часть 1: развитие схемы с плавным пуском.
• Простой самодельный геркон — бесконтактный концевик своими руками.
• Устройство плавного пуска: если актуатор дёргает конструкцию при старте.

Фото на обложке: Ben Spray / Unsplash.