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选择步进电机或伺服驱动器替代气缸

  气动(气压)气缸由于其低的每轴成本和高速/强制能力而被广泛用于工业自动化。他们在自动化行业中是受欢迎的主力军已有悠久的历史。但是,有很多理由使用电动执行器代替气缸:减少机器停机时间,减少能耗,提高精度和提高速度。另外,电致动器可以由伺服或步进电机与控制设备一起提供动力,以提供线性运动。

  电动直线执行器的优点

  减少停机时间。电动线性执行器(无论是螺杆驱动还是皮带驱动)的维护成本都很低。润滑可能是唯一必要的常规维护,并且在执行机构的整个使用寿命期间,对许多螺杆驱动型号进行了润滑。

  电动执行器通常使用步进电动机或无刷直流伺服电动机来产生扭矩。由于两个电动机均为无刷电动机,因此除负载轴承外,转子与定子之间没有接触。这消除了电动机的维护,并允许电动机的寿命等于轴承的寿命。

  另一方面,必须定期停用气缸以进行重建或更换。在全负荷运行期间,根据气缸的类型,气缸可能需要每月至少进行一次更换或更换。重建包括清洁;检查磨损或刮擦的物品;更换密封件,垫子和衬套;并重新涂抹油脂。还必须识别并修理管路和配件中的漏气。这种维护需要几个小时的停机时间,这会因生产损失而增加成本。

  减少能源消耗。节能的“绿色机器”趋势促使制造商考虑一段时间内的能源使用情况。伺服驱动的线性电动执行器仅消耗执行编程运动所需的能量。空闲时消耗很少的能量。

  步进电机在运动过程中可能以其额定电流的100%运行,并且还具有相当大的稳态保持电流。该保持电流会浪费能量,因为无论是否进行任何工作,它都会将转子锁定在某个位置。但是,许多步进驱动器可以将电流减小到最小水平。

  气动缸通常超大尺寸,因为大口径缸的成本可能不会更高。如果压缩机的尺寸不正确,或者没有监测和控制空气泄漏,则气动执行器系统会消耗大量能量。气动系统只有在根据所用气缸的数量正确确定尺寸并且应用的占空比较高时才有效。

  提高了精度和速度。随着技术的进步,工程师和最终用户需要以更低的成本获得更多功能。在工业自动化的情况下,这意味着产品必须更快地流经生产线,并满足日益严格的规格要求,同时最大程度地减少机器停机时间和能耗。

  电动线性执行器可以满足这些要求,因为它们可以提供对位置,速度和力的更多控制。高分辨率反馈设备如今很常见,并且可以轻松实现微米级的精度。先进的驱动器调整功能可以补偿负载变化,惯性和防止机械共振等情况。电动执行器制造商通常会提供尺寸调整软件,以根据应用精确调整电动执行器的尺寸,并选择具有足够扭矩以达到所需速度的电动机。

  选择步进或伺服

  在为电动直线执行器选择电机时,电机类型是主要考虑因素。电动执行器有两种常见的电动机选择:步进电动机和伺服电动机,每种都有其优点和局限性。

  步进电机。步进电机的优点是在开环位置控制中可以得到精确控制。开环控制意味着不需要反馈信息来定位电机。由于不需要位置反馈传感器或相关的电缆,因此与伺服电机相比,可节省成本。

  步进电机的位置通过输入的脉冲数或步进数来确定。普通的步进电机每步可具有1.8度的机械角,这导致每转200步。在典型的步进电机中,制造商将指定步距角精度的3%到5%(非累积值)。

  在步进电机中,转子的许多磁齿(图1)“锁定”或对准由通电电机相产生的定子中的电磁极。这种设计在低速时可提供高扭矩,并具有很高的开环位置精度。但是,如果没有足够的扭矩来驱动负载,则会导致精度下降,从而导致电动机失步。为了防止步进丢失,运行开环控制的步进电机的尺寸通常比应用中所需的最大扭矩大50%。电机共振是步进电机设计中的常见问题。在特定的速度范围内可能会产生共振,并可能导致扭矩损失和听得见的噪音。调整运动曲线,微步速和负载惯量可以减少共振。

  当与电动执行器结合使用时,步进电机在需要每次都在同一位置捕获图像的相机系统等应用中提供了很高的可重复性。在这些应用中,高扭矩和转子对极的锁定以及3%到5%的步进精度相结合,可提供非常一致的结果,并减少了校正位置误差所需的图像处理量。

  步进电动机还具有制动转矩,该转矩是当电动机未通电且轴从外部旋转时在输出轴上看到的转矩。当系统掉电时,这很有用,因为止动扭矩可以保持执行器的位置。在许多情况下,这可以防止负载的重量使电动机反向驱动。

  伺服马达。BLDC伺服电动机在高占空比应用中(与有刷电动机相比)是首选,因为无刷电动机不会造成磨损。在没有电刷可用于换向的情况下,电机驱动器负责换向。

  电压和电流感应电路与编码器位置反馈相结合,可使电机驱动器精确计算转子位置。这也使驾驶员可以命令电流流向电动机相,从而在任何速度下都能产生最佳转矩。

  在BLDC电机中,定子中存在三个接线相。在转子上,几对永磁铁与交替的南极和北极对齐。通常,在NEMA-17至NEMA-34机架尺寸上,转子上有4至8个磁极(图2)。

  使相绕组通电会在相电磁体和转子上的磁极之间产生扭矩,从而使转子旋转。调整相绕组中的电流量可控制速度。更大的电流会产生更多的转矩,从而加速转子和负载。通常,驱动器中存在电流,速度和位置的控制回路,以帮助控制运动。必须对它们进行调整,以满足每个系统上的性能标准。调整会影响所有伺服运动,包括系统响应时间,位置超调和速度。这种调整要求会使伺服电机系统比步进电机系统更复杂。

  BLDC电动机在整个速度范围内均保持相对恒定的转矩。它们还可以输出短暂的较高转矩,称为“峰值转矩”,在此期间,电流最高可达到连续额定电流的两倍。伺服电机驱动的线性电动执行器是需要高速和高推力的应用以及对扭矩敏感的应用(例如压力或焊接应用)的理想选择。汽车零件的点焊是使用伺服线性致动器的一个很好的例子。焊缝之间的按压力必须是可重复的,以形成稳定的焊缝。

  速度和扭矩比较

  伺服电机在其大部分速度范围内可保持几乎恒定的转矩。然后,当速度接近电动机的反电动势极限(速度接近电源电压水平时,电动机产生的反电压)时,它会向下倾斜至零,并且不再产生维持转矩所需的电流。步进电机比BLDC电机以更高的转矩启动,即使电机电流要小得多。但是,转矩会随着速度的增加而迅速下降。如果需要BLDC电机提供更大的扭矩,则可以增加齿轮箱,但需要支付额外的费用。该图显示了相同BLDC电机但变速箱为5:1的扭矩。

  与步进电机不同,伺服驱动的线性电动执行器仅在工作时才消耗能量。即使那样,它们也仅消耗足够的能量来执行编程的运动。闲置时,它们只需要很少的能量。

  结论

  确定在给定应用中是否应使用步进或伺服执行器并不总是容易的。气动缸因其速度/力功能和每轴成本低而广为人知并得到广泛使用。带步进电机的电动执行器具有开环控制功能,可为低速,高转矩和高重复性应用提供出色的性能和较低的成本。伺服执行器在较高速度和力敏感应用中表现良好。减少机器停机时间,降低能耗,提高精度和速度是可能影响步进或伺服电动执行器之间选择的因素。


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