Lineær aktuator: beregn kraft og slaglengde til luke

Med en lineær aktuator er det festepunktene som avgjør, ikke tallet i produktnavnet. Samme luke kan trenge 289 N eller 868 N, bare fordi festene sitter ulikt. Her bruker vi kalkulatoren på en loftsluke på 60 × 90 cm og 18 kg, velger aktuator fra hyllen og kobler den til med bryter eller Arduino.

Passer for

Stiv luke med vannrett hengsel

Måling og beregning

30 minutter

Styring på bordet

1 til 2 timer

Spenning

12 V DC

Kalkulator for lineær aktuator, med luken ferdig lagt inn

Kalkulatoren står allerede på eksempelluken. Dra det oransje festet A, det blå festet B eller det gule tyngdepunktet C, og se hva som skjer med tallene. Knappen «Eksempel: 60 × 90 cm» henter verdiene tilbake. Vil du ha et mål utenfor glidebryterens område, skriver du det i tallfeltet ved siden av.

Tre ting å prøve i kalkulatoren:

1. Dra B mot hengselet. Kraften stiger, mens slaget blir kortere. Det er hele avveiningen i én bevegelse.
2. Dra A nærmere luken. Se hvordan arbeidsvinkelen faller, og når kalkulatoren begynner å varsle om dødpunkt.
3. Doble massen. Kraften dobles, men slaget står stille. Slaget kommer bare av geometrien.

Hva er en lineær aktuator, og hvordan virker den?

En lineær aktuator er en motor som skyver og trekker i en rett linje i stedet for å rotere. Inni driver en DC-motor et gir, giret dreier en spindel, og en mutter på spindelen flytter stangen. Snur du polariteten, snur stangen. Det er derfor en vanlig elektrisk aktuator på 12 V bare trenger to ledninger og en bryter.

Fire tall på produktsiden avgjør valget: kraft i newton, slag i millimeter, hastighet og arbeidssyklus. Kraft og hastighet følger hverandre: Med samme motor gir mer gir høyere kraft og lavere fart. 3500 N går med 3 mm/s, mens 1000 N går med 160 mm/s. Arbeidssyklusen sier hvor stor andel av tiden aktuatoren kan gå uten å bli for varm.

Fra bagasjevekt til ferdig valg: eksempelet steg for steg

Steg 1: mål masse og tyngdepunkt uten å ta av luken

Det enkleste måleverktøyet er en bagasjevekt. Heng den i ytterkanten av luken, 900 mm fra hengselet, og løft til luken står vannrett. Viser vekten 9,0 kg, tilsvarer det 18 kg med tyngdepunkt 450 mm fra hengselet.

Pakninger og stive hengsler legger noe på toppen. Eksempelet bruker 5 N·m som ekstra motmoment. Det er en antatt verdi, så mål din egen luke, for eksempel med vekten i det øyeblikket luken slipper karmen.

Steg 2: legg festepunktene på en tegning

Hengselet er origo. X går langs den lukkede luken, og Y er negativ nedover. Aktuatoren står langs siden av karmen, så det faste festet A kan sitte 230 mm under lukeplanet uten å sperre åpningen mer enn aktuatorens egen diameter.

Steg 3: les av kraften

Fra steg 1 har vi 79,4 N·m fra tyngden og 5 N·m fra pakningen, til sammen 84,4 N·m. Deler du på momentarmen 0,292 m, får du 289 N. Med faktor 1,5 blir det 434 N, under grensen på 500 N.

F = (m × g × c × cos(θ) + M_ekstra) / h
F = (18 × 9,80665 × 0,45 × cos(0°) + 5) / 0,292 = 289 N

Her er c avstanden til tyngdepunktet og h momentarmen. Kalkulatoren gjør dette i 201 trinn gjennom hele åpningen og tar den høyeste verdien.

Steg 4: kontroller slag og innbyggingsmål

Avstanden mellom festeboltene går fra 496 mm lukket til 786 mm åpen, altså 289 mm slag. Målet må passe både i den korte og i den lange enden. En aktuator på 300 mm slag med 495 mm inntrukket lengde går til 795 mm, så luken når omtrent 62,5° før aktuatorens ytre endestopp.

Steg 5: velg aktuator

I kategorien lineære aktuatorer er det fire modeller som viser hvordan valget faller ut. Alle går på 12 V. Tallene er fra produktsidene.

Lineær aktuator 12 V, 24 V eller 230 V?

Velg 12 V hvis du ikke har en grunn til noe annet. Alt i denne guiden er laget for det, og tilbehøret er lett å få tak i. De andre spenningene løser andre problemer.

En aktuator på 230 V kobler du ikke med relémodulen i denne guiden. På MR-00280 kan stangen flyttes for hånd med en nøkkel på 6 mm, slik at du kan få luken opp ved strømbrudd.

Hvorfor gir en kort arm tre ganger så stor kraft?

Flytt festene nærmere hengselet, og aktuatoren får et kortere slag og et mindre innbyggingsmål. Det er fristende, men regningen kommer som kraft.

Kraft ganger slag blir omtrent det samme i begge: 84 J. Det er ingen tilfeldighet. Luken krever samme arbeid, så du kan bare velge hvordan det fordeles. Tabellen viser hva det betyr i praksis, og alle radene kan du taste inn selv med lukeverdiene over.

Oppsettet for MR-01103 åpner luken på under 3 sekunder med en aktuator som kan skyve med 2000 N. Det virker, men er et dårligere valg rundt fingre og hoder enn 41 sekunder med 500 N.

Kraften er ikke den samme gjennom hele åpningen

Når luken løftes, blir tyngdemomentet mindre, men momentarmen endrer seg også. Derfor kan toppen komme midt i bevegelsen, ikke bare i lukket stilling.

Verst går det når aktuatoren ligger nesten flatt mot luken. Da går kraftlinjen nær hengselet, og små forskyvninger gir store utslag.

Tre oppsett på tegnebrettet

Forhåndsvalgene i kalkulatoren er tegnet her i målestokk, lukket i grått og åpen i farge. Hengselaksen står vinkelrett inn i tegningen. Trykk på et bilde for å forstørre det.

Etter valget: slik styrer du aktuatoren

Aktuatorene over skifter retning når polariteten snus. Det kan du gjøre med en bryter eller med to reléer. Velg ut fra hvem som står i nærheten.

Har aktuatoren endebrytere?

Innebygde brytere stopper aktuatoren, ikke nødvendigvis luken. Treffer luken karmen før aktuatoren er i bunn, må du flytte festene, justere braketten eller bruke eksterne endebrytere som i nivå 3.

1. Mål bryteren uten spenning. Bruk multimeter og kontroller at stilling 1 lukker 1-2 og 5-6, og at stilling 2 lukker 3-4 og 7-8. Produktsiden oppgir ikke hvilke par som lukker i hver stilling. Stemmer målingen ikke, må du ikke koble som på tegningen: en annen kombinasjon kan kortslutte forsyningen.
2. Koble som på tegningen, med sikringen nærmest plussen på adapteren.
3. Test aktuatoren løs på bordet. Går den feil vei, bytter du om leder A og B.

Reléene har en felles kontakt COM som hviler på NC og skifter til NO når spolen får strøm. Kobler du NO til +12 V og NC til 0 V, får du en H-bro med to reléer. Kontaktene er merket 10 A ved 30 V DC på reléhusene, slik bildet av MR-00058 viser. Produktsiden oppgir bare 10 A ved 250 V AC, så les merkingen på ditt eget kort.

// Lineær aktuator med to reléer og to holdeknapper.
// Kort: Arduino UNO R4 WiFi. Relémodul MR-00058 med S1 og S2 i stilling High.

const int KNAPP_APNE = 2;   // Knapp mot GND, LOW = trykket
const int KNAPP_LUKKE = 3;
const int RELE_UT = 7;      // IN1: COM1 får +12 V
const int RELE_INN = 8;     // IN2: COM2 får +12 V

const unsigned long PAUSE_MS = 500;            // Stilltid før ny retning
const unsigned long MAKS_KJORETID_MS = 60000;  // Vern hvis noe henger

enum Retning { STOPP, UT, INN };

Retning aktiv = STOPP;
bool sperret = false;
unsigned long startTid = 0;
unsigned long stoppTid = 0;

void slaAvBegge() {
  digitalWrite(RELE_UT, LOW);
  digitalWrite(RELE_INN, LOW);
}

void stopp() {
  slaAvBegge();
  if (aktiv != STOPP) {
    stoppTid = millis();
    Serial.print("Stopp etter ");
    Serial.print((stoppTid - startTid) / 1000.0, 1);
    Serial.println(" s");
  }
  aktiv = STOPP;
}

void start(Retning ny) {
  slaAvBegge();  // Blokkering: det eneste stedet et relé slås på, og det andre er av først
  digitalWrite(ny == UT ? RELE_UT : RELE_INN, HIGH);
  aktiv = ny;
  startTid = millis();
  Serial.println(ny == UT ? "Kjører ut: luken åpnes" : "Kjører inn: luken lukkes");
}

void setup() {
  pinMode(KNAPP_APNE, INPUT_PULLUP);
  pinMode(KNAPP_LUKKE, INPUT_PULLUP);
  pinMode(RELE_UT, OUTPUT);
  pinMode(RELE_INN, OUTPUT);
  slaAvBegge();
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Klar. Hold en knapp inne for å kjøre.");
}

void loop() {
  bool apne = digitalRead(KNAPP_APNE) == LOW;
  bool lukke = digitalRead(KNAPP_LUKKE) == LOW;

  // Begge knapper samtidig gir stopp, ikke en tilfeldig retning.
  Retning onsket = STOPP;
  if (apne && !lukke) onsket = UT;
  if (lukke && !apne) onsket = INN;

  if (onsket == STOPP) sperret = false;  // Sluppet knapp opphever sperren

  if (aktiv != STOPP && millis() - startTid >= MAKS_KJORETID_MS) {
    stopp();
    sperret = true;
    Serial.println("Maks kjøretid nådd: slipp knappen og kontroller luken.");
  }
  if (sperret) onsket = STOPP;

  if (onsket != aktiv) {
    if (aktiv != STOPP) stopp();
    if (onsket != STOPP && millis() - stoppTid >= PAUSE_MS) start(onsket);
  }
  delay(20);
}

Tre linjer gjør jobben. slaAvBegge() først i start() er blokkeringen: det finnes bare ett sted i koden som slår på et relé, og der er det andre allerede av. PAUSE_MS gir aktuatoren et halvt sekund i ro før den bytter retning, så motoren slipper å snus i fart. MAKS_KJORETID_MS stopper alt etter 60 sekunder hvis noe har hengt seg opp, og krever at du slipper knappen. Slik skal Serial Monitor se ut på 115200 baud, med egne tider:

Klar. Hold en knapp inne for å kjøre.
Kjører ut: luken åpnes
Stopp etter 12.4 s
Kjører inn: luken lukkes
Stopp etter 3.0 s

Vil du bruke kortet uten USB-kabelen, tar UNO R4 WiFi 6 til 24 V på VIN. Mer om relémoduler står i guiden om relémodul med Arduino, og guiden om motorstyring forklarer H-bro med transistorer og hastighetsregulering.

Her kommer noe nytt: programmet passer på arbeidssyklusen. MR-00916 har 10 %. Det betyr at 41 sekunders åpning krever cirka 6 minutter hvile før neste kjøring. Produktsiden til MR-00558 oppgir ikke arbeidssyklus, så der er 10 % et forsiktig anslag til du har målt selv. NC-koblingen gjør også at en brutt ledning oppfører seg som en trykket bryter, så aktuatoren stopper i stedet for å fortsette.

// Nivå 3: holdeknapper, eksterne endebrytere og hviletid etter arbeidssyklus.
// Endebryter: C til GND, NC til pinnen. Trykket bryter eller brutt ledning gir HIGH og stopp.

const int KNAPP_APNE = 2;
const int KNAPP_LUKKE = 3;
const int ENDE_APEN = 4;
const int ENDE_LUKKET = 5;
const int RELE_UT = 7;
const int RELE_INN = 8;

const unsigned long PAUSE_MS = 500;
const unsigned long MAKS_KJORETID_MS = 60000;
const unsigned long ARBEIDSSYKLUS_PROSENT = 10;  // Fra databladet til aktuatoren

enum Retning { STOPP, UT, INN };

Retning aktiv = STOPP;
bool sperret = false;
unsigned long startTid = 0;
unsigned long stoppTid = 0;
unsigned long hvileMs = 0;     // Hviletid som gjenstår, regnet fra stoppTid
unsigned long sistMelding = 0;

void slaAvBegge() {
  digitalWrite(RELE_UT, LOW);
  digitalWrite(RELE_INN, LOW);
}

unsigned long gjenstaendeHvile() {
  unsigned long gatt = millis() - stoppTid;
  return gatt >= hvileMs ? 0 : hvileMs - gatt;
}

void stopp() {
  slaAvBegge();
  if (aktiv != STOPP) {
    unsigned long kjort = millis() - startTid;
    unsigned long rest = gjenstaendeHvile();
    stoppTid = millis();
    hvileMs = rest + kjort * (100 - ARBEIDSSYKLUS_PROSENT) / ARBEIDSSYKLUS_PROSENT;
    Serial.print("Stopp etter ");
    Serial.print(kjort / 1000.0, 1);
    Serial.print(" s, hvile ");
    Serial.print(hvileMs / 1000);
    Serial.println(" s");
  }
  aktiv = STOPP;
}

void start(Retning ny) {
  slaAvBegge();
  digitalWrite(ny == UT ? RELE_UT : RELE_INN, HIGH);
  aktiv = ny;
  startTid = millis();
  Serial.println(ny == UT ? "Kjører ut: luken åpnes" : "Kjører inn: luken lukkes");
}

void setup() {
  pinMode(KNAPP_APNE, INPUT_PULLUP);
  pinMode(KNAPP_LUKKE, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ENDE_APEN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ENDE_LUKKET, INPUT_PULLUP);
  pinMode(RELE_UT, OUTPUT);
  pinMode(RELE_INN, OUTPUT);
  slaAvBegge();
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Klar. Hold en knapp inne for å kjøre.");
}

void loop() {
  bool apne = digitalRead(KNAPP_APNE) == LOW;
  bool lukke = digitalRead(KNAPP_LUKKE) == LOW;

  Retning onsket = STOPP;
  if (apne && !lukke) onsket = UT;
  if (lukke && !apne) onsket = INN;

  if (onsket == STOPP) sperret = false;

  if (onsket == UT && digitalRead(ENDE_APEN) == HIGH) onsket = STOPP;
  if (onsket == INN && digitalRead(ENDE_LUKKET) == HIGH) onsket = STOPP;

  if (aktiv != STOPP && millis() - startTid >= MAKS_KJORETID_MS) {
    stopp();
    sperret = true;
    Serial.println("Maks kjøretid nådd: slipp knappen og kontroller luken.");
  }
  if (sperret) onsket = STOPP;

  if (onsket != aktiv) {
    if (aktiv != STOPP) stopp();
    if (onsket != STOPP && millis() - stoppTid >= PAUSE_MS) {
      unsigned long rest = gjenstaendeHvile();
      if (rest == 0) {
        start(onsket);
      } else if (millis() - sistMelding >= 5000) {
        sistMelding = millis();
        Serial.print("Aktuatoren hviler, ");
        Serial.print(rest / 1000);
        Serial.println(" s igjen");
      }
    }
  }
  delay(20);
}

Klar. Hold en knapp inne for å kjøre.
Kjører ut: luken åpnes
Stopp etter 41.2 s, hvile 370 s
Aktuatoren hviler, 368 s igjen

Begge programmene er kompilert for UNO R4 WiFi, men ikke prøvd på en virkelig luke. Test dem først med aktuatoren løs på bordet. Skal stoppen være del av en sikkerhetsfunksjon, må den ikke hvile på en mikrokontroller alene.

Fra tegning til ferdig luke: montering og første test

Tallene fra kalkulatoren er bare til nytte hvis festene havner der tegningen sier. Her er rekkefølgen som lar deg bygge luken uten å måtte flytte skruer etter hvert. Den bygger på eksempelluken med MR-00558, så bruk dine egne tall hvis luken din er en annen. Du finner alle modeller under lineære aktuatorer.

• 
  Lineær aktuator 500 N, 300 mm1 stk, 12 V, IP66, øyefester i begge ender
• 
  Festesett med pinner 5,8 mmHvis øyet er minst 6 mm: pinne 37 mm, innvendig 20 mm
• 
  Festesett med pinner 9,8 mmHvis øyet er minst 10 mm: pinne 53 mm, innvendig 33 mm
• 
  Retningsbryter 32 A1 stk, eller reléene fra nivå 2
• 
  Strømforsyning 12 V, 2,5 ATil prøvingen. Mål strømmen under last før du lar den bli

1. Mål øyet. Produktsiden til MR-00558 oppgir ikke hullets diameter. Mål hullet og bredden på øyet. Pinnen må passe i hullet, og øyet må passe innvendig i braketten.
2. Finn fast materiale. Festene skal tåle aktuatorens fulle kraft, ikke bare de 289 N i regnestykket. Blir luken blokkert, kan aktuatoren presse med hele kraften sin før den stopper. Bruk bjelke eller stender ved A, og gjennomgående bolter med stor skive ved B.
3. Bor og skru fast A. Bruk målene fra din tegning. Monter aktuatoren i A med pinne og splint, og la den henge fritt.
4. Kjør aktuatoren uten last. Koble retningsbryteren eller reléene, og kjør begge veier. Kjør deretter til lengden mellom pinnene er lik lukket mål, her 496 mm. MR-00558 er 495 mm inntrukket, så her er det nesten helt inne.
5. Fest B med luken støttet. La en medhjelper eller en stiv støtte holde luken. Sett inn pinne og splint.
6. Kjør 20 mm og stopp. Se etter skeiv gange, klemming og fester som beveger seg. Kjør så litt lenger, og til slutt hele veien.
7. Monter fallsikring. Sett på den mekaniske sikringen fra sikkerhetsdelen under før noen går under luken.

Mål resultatet: fyll inn tabellen

Kalkulatoren er en forstudie, og det er målingene som viser om du har regnet riktig. Sett multimeteret på 10 A i serie med plussledningen, eller bruk en strømtang for DC.

Lineær aktuator med fjernkontroll

Du kan bytte ut knappen med radio. Den trådløse kontrolleren på 12 til 48 V har reléer på 30 A og fire driftsmoduser. Fjernkontrollen på 433,92 MHz selges for seg, og den trådløse veggbryteren passer også til samme kontroller. Koble etter bruksanvisningen på produktsiden. Velg en modus der aktuatoren bare går mens du holder knappen, og stå der du ser hele luken. Trådløs styring gjør det fristende å åpne luken fra et annet rom, og da ser du ikke om noen står under den.

Sikkerhet: fingre, hoder og strømbrudd

Klemkraften er størst ved hengselet. Trekker aktuatoren med 500 N og armen 292 mm, gir det 146 N·m. Sammen med tyngden blir det 225 N·m på vei ned. Ved ytterkanten, 900 mm ut, tilsvarer det 250 N. Bare 100 mm fra hengselet er det omtrent 2250 N. Skjerm derfor spalten ved hengselet, ikke bare forkanten.

Over hodet er holdeknapp det riktige valget, plassert slik at du ser hele luken. Slipper du knappen, stopper bevegelsen.

Selvlåsing er ikke en sikring. Mange spindelaktuatorer holder lasten uten strøm fordi spindelen ikke lar seg drive baklengs. Produktsidene her oppgir ingen holdekraft, så du må prøve det med sikret last. Er aktuatoren selvlåsende, står luken der den er ved strømbrudd, og du kan ikke skyve den for hånd. Bruk en festebolt du kan trekke ut, og la aldri denne luken være eneste vei ut av et rom.

Ikke regn to aktuatorer som dobbel kraft. Små forskjeller i hastighet vrir luken og overbelaster den ene. Sitter én aktuator langs kanten av en bred luke, må luken være stiv nok til å tåle vridningen. Det regner ikke kalkulatoren på.

Test deg selv

Vanlige spørsmål

Hvilken aktuator 12 V skal jeg velge?

Regn først kraft og slag i kalkulatoren. Til små bevegelser kan en aktuator med 50 mm slag holde, og til en luke trenger du ofte 300 mm slag. Se alle under lineære aktuatorer.

Er 500 N det samme som å løfte 50 kg?

Bare i rett loddrett løft. På en hengslet luke avgjør momentarmen. Eksempelluken på 18 kg krever 289 N med god geometri og 868 N med kort arm.

Hvorfor ligger toppkraften noen ganger midt i åpningen?

Tyngdemomentet avtar når luken løftes, men momentarmen kan avta raskere. Derfor regner kalkulatoren på hele banen, ikke bare lukket stilling.

Kan jeg bare velge neste lengre slag?

Nei. Både inntrukket og utskutt lengde må passe. En aktuator med for langt slag når ikke sitt eget endestopp og kan presse mot karmen eller trekke luken forbi ønsket vinkel.

Hvilken dimensjoneringsfaktor skal jeg bruke?

Ingen faktor dekker ukjente laster. Eksempelet bruker 1,5 for å vise en reserve. Vind, snø, støt og følgene av svikt må vurderes for seg.

Hva regner ikke kalkulatoren på?

Den regner statisk likevekt. Vind og snø, støt, knekking av stangen, styrken i hengsler og skruer, motorens elektriske effekt og vridning av luken må du kontrollere separat. Fjærer og motvekter må legges inn som en kjent last, fordi ekstra motmoment bare er en konstant.

Neste steg og kilder

Mål din egen luke, tast inn tallene og prøv geometrien med en trelist før du bestiller. Trenger du et annet spenningsnivå til styringen, forklarer guiden om step-down og step-up valget av omformer.

Regnemåten følger momentlikevekt, slik også Firgellis guide til løftehjelp beskriver den, og formlene ligger i kalkulatorens testede kildekode. Spenningsområdet for kortet er fra Arduinos dokumentasjon for UNO R4 WiFi. Produktdata er fra MRSMARTs produktsider, og spoleeffekten fra databladet til SRD-05VDC-SL-C.