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技术比较:SMC气缸与SMC电动执行器

在设计需要线性运动的应用时,工程师经常被卷入关于哪个更适合自动化的争论:SMC气缸或SMC电动线性执行器。长期以来,SMC气缸一直被用作广泛的制造过程中线性运动的经济来源。它们耐用且易于安装,并且提供了一种低成本的方法来提供线性运动和力所需的东西。但电动杆式执行器已成为直线运动的经济替代品。它们可以在满足应用程序要求的同时提供控制和可靠性优势。

技术比较:SMC气缸与SMC电动执行器
SMC电缸

以下是两者在运动控制等关键标准方性能的技术比较;力量; 速度、加速度和减速度;系统组件和占地面积;可靠性、寿命和维护;数据采集​​; 效率和公用事业成本;以及冲击和侧向载荷。它应该帮助设计团队选择最佳方法。

运动控制
以不同的速度和不同的加速/减速率绘制运动曲线,所有这些都在完全和精确的控制下

气缸很容易完成基本的端到端定位。然而,中间行程定位需要添加硬件来达到第三个位置,这导致定位性能不是非常准确或可重复。伺服气动可以解决这些定位问题,但它们使设计复杂化并增加了成本,使其成本结构类似于电动执行器

除了气缸的定位精度和灵活性不足之外,速度控制也是一个挑战,需要进行微调。在气动技术中,速度控制通过流量控制进行监控。操作员必须手动拨入应用程序的速度,这可能很难满足。一旦调整了速度设置,阀门就会调节气缸所需的压力输出。同样,操作员必须微调气缸以获得所需的力。

最后,气缸的位置、速度和力的可重复性可能会因密封件磨损、泄漏、压降和压缩空气中的峰值以及其他维护因素而降低。这些因素通常使气缸难以在苛刻的工业环境中提供可重复的性能。

设计人员通常选择电动执行器来控制运动过程中任何时间的多个位置、精度、可重复性、输出力、加速度、减速度和速度。

电动执行器与伺服驱动器和电机相结合,可提供对位置的无限控制,以及远远超过气动系统的位置精度和可重复性。此外,多轴伺服控制器对于大多数现代控制系统都是现成的,并且可以轻松地与多个线性和旋转轴一起使用,以运行最复杂的运动曲线。这种运动控制和灵活性可以编程到 PLC、HMI 和其他控制器中。

借助这些附加功能,机器启动和转换时间变得快速且可重复。这让 OEM 可以轻松提升性能,并转化为更高效的流程。

力量
气缸通常在 80 至 100 psi 或 5.5 巴至 7 巴的压力下运行。它们遵循力 = 压力 x 面积流体动力原理,因此它们可以产生的力很容易计算。

然而,气压缸通常不会在其全部输出力下使用,并且通常尺寸过大以改善控制并确保系统运行。对于气缸,由于空气的可压缩性,系统刚度可以被视为低。由于建立压力所需的时间滞后,这可能导致轻微的系统延迟和过程可变性。

电动执行器可以精确控制驱动机械部件的伺服电机的功率,以产生线性运动和力。力几乎是瞬间产生的,基本上是“按需”的。

电动执行器通过伺服电机精确调节电流,以实现精确且可重复的力。

伺服控制器的闭环控制可实现精确、可重复的速度和力。这可确保流程在循环后保持一致,同时防止损坏产品或系统。

在选择电动执行器时,设计人员应使电机的转速和扭矩与执行器的丝杠和传动装置相匹配。尽管此步骤可能看起来使过程复杂化,但许多制造执行器和伺服组件的公司提供了易于使用的选型软件,将所有这些变量都考虑在内。

速度、加速度和减速度
如果压缩空气体积和压力很容易获得,气缸可以产生高速。凭借足够的体积和流量,气缸在基本的端到端定位应用中以高循环率运行,无需详细的尺寸调整或应用工程。

气动系统的一个常见挑战是指令运动的速度难以准确和重复控制。设计将以高线性速度或高加速度和减速度运行的气动系统的工程师通常必须考虑减震器或针对可能存在的冲击和冲击进行设计。否则,由此产生的冲击和冲击会缩短气缸和相关部件的使用寿命。

电动执行器可以精确地控制整个运动曲线的速度和加速/减速曲线。它们也可以轻松地从一种速度更改为另一种速度,而无需停止或超越位置。速度控制提高了整体性能,最大限度地减少了移动时间,并提高了循环率和整体生产力。平稳的运动消除了潜在的冲击和冲击,从而提高了机器的整体可靠性并降低了停机风险。

同时提供高速度和力量需要更复杂的尺寸调整过程。设计人员将需要评估具有满足其要求的转速和扭矩范围的各种丝杠、齿轮和伺服电机。这些因素的综合限制可能会限制执行器的最大速度或推力能力。在某些情况下,气缸系统提供更高的整体线速度。然而,当使用以相似但较低速度运行的电动执行器时,通常可以减少总循环时间。这是通过仅移动所需的最小距离来实现的,而不是像使用气缸时那样端到端运行。

系统组件和占地面积
SMC气缸需要气缸、压缩机或压缩空气供应、阀门、过滤器、调节器、管道和配件,以及辅助部件。与电动执行器相比,这导致组件数量增加。

气动系统由多个组件和附件组成。

压缩机或压缩空气供应在机器上占用了额外的占地面积,或者需要一个压缩机室,这会占用大量的厂房空间。将压缩机计入总占地面积时,气动装置在工厂中的总占地面积大于电动执行器。

大多数压缩空气供应还需要架空空气软管和空气下降管线,以将压缩空气输送到工作站。这些长软管意味着要压缩更多的空气,增加潜在的泄漏并降低整体效率。

电动执行器在物理上比气缸大,并且很少(如果有的话)直接替代,因此它们需要更多空间。但是,电动执行器的组件较少​​:机械执行器;电机(伺服或其他);可选变速箱;电缆;驱动器/放大器,通常安装在控制柜中。

SMC电动致动器系统具有相对较少的组件。

SMC电动执行器由于在组件内部具有动力传动系部件(动力螺钉、轴承等),因此比气缸长。但是,执行器的整体占地面积更小,足以弥补这个额外的长度。

可靠性、使用寿命和维护
如果维护得当,气缸可以提供坚固的性能并具有较长的使用寿命。延长使用寿命所必需的一项关键要素是耐用的活塞杆和活塞密封件。它们必须与其密封表面保持适当的接合,以包含给定运动和力所需的压力。

气动/压缩空气系统可能很广泛,需要大量维护和维修。

随着气缸来回循环,密封磨损是不可避免的。任何泄漏都会降低气缸的效率、力、速度和响应能力。

预测密封件何时可能失效以及何时进行及时维护几乎是不可能的。随着密封件的磨损,操作员必须手动调整各个设备上的空气流速和压力,以确保机器正常运行和过程可重复性。

许多工厂都有气缸的预防性维护和更换计划,以避免意外停机。时间表必须包括在启动时测试和调整系统的时间。虽然气缸的定期维护提高了机器和过程的可靠性,但它也增加了更换零件的时间、劳动力和成本,并且必须有人管理维护计划。

气缸可靠性和使用寿命的最后一个因素是注意空气供应,以使压缩空气清洁且不含水分。空气管路中的冷凝会使气动元件因腐蚀而过早失效,并通过可能污染制造过程的细菌生长造成环境风险。

电动执行器的尺寸可根据应用的寿命要求进行调整。它们的主要扭矩和力传递元件——丝杠组件(滚珠丝杠或滚柱丝杠)和轴承——具有估计执行器使用寿命的动态额定载荷 (DLR)。设计人员可以使用行业标准 L10 寿命估算来确定和选择组件,以帮助确保设备满足寿命要求。其中一些组件可能会终身润滑。对于那些需要维护的人来说,有一些简单的现场润滑方法可以延长它们在苛刻应用中的使用寿命。

电动杆式执行器上的次要磨损元件是杆密封件。它可以防止水、灰尘和其他污染物进入执行器内部并损坏扭矩传递部件。与气缸上的密封件不同,电动执行器中的密封件不具备容纳高压所需的精确密封要求。即使密封失效,电动执行器仍然可以工作。大多数电动执行器上的杆密封件可以轻松且廉价地更换。

误用是电动执行器失效的主要原因。最常见的误用形式是长时间超出执行器的性能规格,以及在调试或安装期间由于对控制参数关注不足而造成损坏。

数据采集
气缸可以配备带有 IO Link 或以太网阀组的接近传感器,以提供性能数据。但是,如果没有昂贵的线性传感器和其他传感器来提供绝对定位反馈,反馈给控制系统的信息通常不足以实时密切监控和控制过程。

电动执行器通常使用伺服驱动器,这些驱动器具有现成的功能,可让操作员监控性能数据并将其发送到数据采集系统。提供给电机的电流可以很容易地用于跟踪力和可重复性。电机上的反馈装置用于在整个运动周期中的任意时间点准确跟踪位置、速度和加减速。借助每个周期的这些数据,工程师可以密切监控执行器的操作,然后提高机器性能、可靠性和控制。

电动推杆可以将以太网连接用于工业 4.0 和物联网 (IoT) 设计。

效率和电力成本
气缸、支撑部件和压缩空气供应通常以 10% 到 20% 的效率运行。许多因素会影响这种效率,包括组件的数量、泄漏和空气质量。随着效率的变化,准确性和可重复性也会发生变化。此外,气动系统必须始终加压以保证指定的运动和力。当系统处于活动状态时,即使许多气缸可能不工作,压缩机也必须运行——这是对电力的低效使用。

设施的压缩空气子系统中的空气泄漏可能代价高昂。 该图表显示了压缩空气网络中不同大小泄漏的估计年度成本。 它们是使用每千瓦时 0.07 美元的工业电价计算的,并假设运行一致且压缩机高效。
设施的压缩空气子系统中的空气泄漏可能代价高昂。该图表显示了压缩空气网络中不同大小泄漏的估计年度成本。它们是使用每千瓦时 0.07 美元的工业电价计算的,并假设运行一致且压缩机高效。

如果有泄漏,这种低效率会加剧。压缩机继续工作,提供空气压力和体积流量,同时空气不断泄漏。即使是几个小的泄漏也可能意味着大量的空气损失。对压缩机的需求增加增加了电力成本。在具有复杂压缩空气子系统的大型工厂中,通常很难定位和修复系统中的所有泄漏点。

电动执行器通常在 75% 至 80% 的效率范围内运行。由于机械结构和扭矩传递部件,这种效率随着时间的推移保持一致。

电动执行器仅在需要力时才需要电机电流。这意味着当电动执行器处于静止状态时,它们几乎不需要电流来保持位置(除非需要力),从而降低了电力使用和成本。

这是估算电动执行器所用功率和估算电力成本的图解方法。 蓝色箭头描绘了在 75% 占空比下的气缸操作。
这是估算电动执行器所用功率和估算电力成本的图解方法。蓝色箭头描绘了在 75% 占空比下的气缸操作。

虽然气动系统总是需要能量来保持系统准备就绪和响应能力,但电动执行器可按需提供运动,并且在需要操作时非常高效。使用抱闸可以在关闭执行器电源的同时将大负载保持在适当位置,从而进一步提高效率。

随着越来越多的监管要求许多制造公司限制或限制他们的电力使用,进而限制压缩空气的使用,电动执行器通常被用于降低电力使用并满足绿色和能源效率目标。

冲击和侧向载荷
气缸通常使用一体式气垫,使其能够承受冲击载荷。与气缸杆成一直线的冲击载荷通常被活塞与气缸中的压缩空气反应吸收。

由于未对准或力矩臂的力引起的侧向载荷会对气缸和电动执行器施加压力。在气缸中,它们会导致过早磨损或密封失效。这会导致速度和力性能差、泄漏增加和气缸过早失效。为了防止侧向载荷,气缸应与预期的运动轴对齐。

SMC电动执行器及其螺钉组件和轴承缺乏对冲击和侧向载荷的任何固有保护,因此它们会缩短执行器的寿命。在某些情况下,它有助于加大执行器的尺寸以更好地承受预期的冲击。使用滚柱丝杠还增加了对冲击载荷的保护,因为它提供了更多的接触点(滚柱作为从螺母到丝杠的载荷传递元件)来抵抗载荷。根据冲击和负载的大小,可以通过添加减震器来提供另一层保护。

电动杆式执行器也不能很好地处理侧向载荷。他们将横向力施加在执行器的前杆密封件以及螺钉和螺母上。杆密封件上增加的负载通常会对其造成更多磨损,从而使污染物进入执行器并导致螺钉和轴承过早失效。此外,螺钉和螺母上的侧向载荷会缩短它们的寿命。

此图表描述了电动缸、液压缸和气动缸的相对性能。
概括
气缸作为经济型自动化组件享有盛誉。如果已经有压缩空气源,那么安装它们比电动执行器/伺服系统便宜得多。但与电动执行器相比,气缸有一些缺点。例如,它们通常仅限于两个位置的运动曲线;他们有更多的组件;他们的寿命较短且不可预测;它们需要手动调整;他们消耗更多的电力。

电动执行器让设计人员能够可靠地控制位置、速度、加速/减速和力。除了这种灵活性之外,电动执行器的尺寸还可以根据应用程序的生命周期进行正确调整。电动执行器还可以使用闭环控制,从而简化收集数据和改进过程控制的任务。它们几乎免维护且高效,并且不需要压缩空气,从而降低了成本。尽管初始购买价格较高,但与替代气缸相比,它们的总拥有成本通常较低。

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