在 工 业 系 统 设 计 中 如 何 在 机 电 式 和 流 体 动 力 式 执 行 器 间 做 出 选 择 文 / James Marek, Thomson Systems 公 司 业 务 部 主 管 Thomson Industries, Inc. 540-633-3549 www.thomsonlinear.com Thomson@thomsonlinear.com 直 线 执 行 器 在 各 种 各 样 的 产 品 和 工 艺 流 程 中 都 占 有 举 足 轻 重 的 地 位, 如 在 工 厂 自 动 化 包 装 医 疗 设 备 及 许 多 其 它 领 域 直 线 执 行 器 通 常 分 为 两 种 类 型 : 一 种 是 依 靠 压 差 实 现 动 作 的 流 体 动 力 缸, 另 一 种 是 由 电 动 马 达 驱 动 的 机 电 式 执 行 器 采 用 何 种 类 型 的 执 行 器 对 于 设 备 的 性 能 初 始 安 装 成 本 及 生 产 费 用 至 关 重 要 本 文 从 正 反 两 方 面 分 析 每 种 执 行 器 的 优 缺 点, 为 客 户 选 型 和 应 用 提 供 一 般 性 指 导 精 密 直 线 执 行 器 能 够 成 功 应 用 于 物 料 搬 运 机 械 加 工 制 造 等 应 用 领 域 丰 富 的 配 置 选 项 和 配 件 让 大 多 数 应 用 都 能 够 容 易 地 选 择 最 合 适 的 执 行 器
气 动 缸 的 传 统 最 佳 应 用 是 轻 载 在 两 点 间 的 前 后 往 复 运 动, 行 程 的 起 点 和 末 端 由 气 缸 上 的 机 械 限 位 开 关 或 机 械 强 制 止 动 部 件 控 制 在 这 种 应 用 中 执 行 器 到 达 行 程 限 位 端 点 时 常 发 出 梆 梆 的 噪 声, 因 此 常 被 称 作 梆 梆 应 用 除 了 端 点 位 置 控 制 外, 气 动 缸 不 需 对 其 它 运 动 位 置 进 行 控 制 在 这 类 应 用 中, 气 动 缸 具 有 低 初 始 安 装 成 本 和 高 速 的 特 点, 是 简 单 运 动 方 案 应 用 的 理 想 选 择 化 工 厂 造 纸 厂 焊 接 作 业 及 户 外 应 用 都 适 合 采 用 精 密 直 线 执 行 器 IP65 坚 固 设 计 及 高 质 量 部 件 的 使 用 让 精 密 直 线 执 行 器 可 适 用 于 几 乎 任 何 场 合 液 压 缸 应 用 于 大 输 出 力 场 合, 相 同 尺 寸 下, 液 压 缸 的 输 出 力 大 于 气 动 缸 的 25 倍 工 作 时 液 压 缸 的 管 路 压 力 通 常 可 达 2,500 psi, 而 气 动 缸 一 般 只 有 90 psi 或 更 小 同 气 动 缸 一 样, 液 压 缸 的 运 动 轨 迹 复 杂, 控 制 系 统 昂 贵 整 个 精 密 直 线 执 行 器 系 列 产 品 的 特 点 是 出 力 大 速 度 快 精 确, 能 够 夜 以 继 日 地 工 作 并 可 以 承 受 恶 劣 环 境.
控 制 运 动 和 输 出 力 另 一 方 面, 随 着 设 备 的 复 杂 性 生 产 力 精 确 度 及 安 全 性 的 提 高, 对 执 行 器 位 置 速 度 或 行 程 内 输 出 力 控 制 的 要 求 也 与 日 俱 增 气 缸 采 用 比 例 控 制 器 和 阀 门 可 实 现 更 精 确 的 控 制, 但 也 也 会 大 大 提 高 安 装 系 统 的 成 本 和 复 杂 性, 而 且 会 增 加 系 统 维 护 费 用 空 气 的 可 压 缩 性 同 样 是 气 动 缸 控 制 水 平 的 固 有 限 制 因 素 在 需 要 可 控 低 速 的 特 定 应 用 中, 气 动 缸 同 样 很 难 或 不 可 能 实 现 精 密 直 线 执 行 器 寿 命 长 免 维 护, 适 用 于 物 料 搬 运 包 装 医 疗 和 电 子 工 业 中 的 装 载 或 卸 载 应 用 某 家 大 型 包 装 设 备 生 产 商 发 现 精 密 直 线 执 行 器 具 有 通 过 调 整 产 品 量 和 机 器 的 流 水 线 速 度 来 控 制 运 动 轨 迹 并 轻 松 改 变 运 动 循 环 次 数 的 优 势 运 动 的 第 一 阶 段 需 要 很 高 的 速 度, 没 有 负 载 力, 通 常 是 移 动 到 固 定 位 置 的 运 动 挤 压 产 品 时, 执 行 器 减 速 为 低 速 状 态, 确 保 挤 压 状 态 尽 可 能 可 控, 然 后 执 行 器 又 恢 复 为 高 速 状 态 产 品 的 特 点 要 求 运 动 过 程 要 非 常 平 顺, 并 确 保 整 个 运 动 过 程 耗 能 最 小 事 实 上 只 有 在 执 行 器 运 动 时 才 有 能 量 消 耗 精 密 直 线 执 行 器 特 别 适 合 过 程 及 包 装 工 业 通 风 设 备 和 车 辆 应 用 中 的 阀 门 控 制.
在 越 复 杂 的 应 用 中 机 电 式 执 行 器 就 越 能 够 表 现 出 重 要 的 优 点, 因 为 它 们 能 够 向 工 程 师 提 供 完 整 的 运 动 轨 迹 控 制 许 多 执 行 器 集 成 了 精 确 控 制 速 度 和 位 置 的 编 码 器 而 其 它 一 些 产 品 还 可 以 提 供 扭 矩 控 制 和 监 控, 因 此 可 以 控 制 输 出 力 机 电 式 执 行 器 具 有 可 编 程 功 能, 因 此 输 出 力 和 运 动 轨 迹 可 通 过 更 改 软 件 设 置 来 控 制, 且 不 需 要 关 机 重 新 配 置 机 器 一 位 吹 塑 机 制 造 商 的 工 程 师 从 使 用 气 动 缸 改 为 机 电 式 执 行 器 后 这 样 评 论 道 : 机 电 式 执 行 器 速 度 更 快, 结 果 更 具 有 可 预 见 性 在 过 去, 气 压 导 致 的 机 械 波 动 造 成 了 加 工 误 差 使 用 机 电 式 执 行 器 可 以 改 变 运 动 速 度 和 整 个 运 动 轨 迹, 因 此 我 们 具 有 了 更 高 的 可 控 性 这 使 我 们 产 品 的 质 量 更 高, 次 品 更 少 精 密 直 线 执 行 器 的 设 计 非 常 基 础 一 个 电 机 通 过 同 步 带 蜗 轮 行 星 齿 轮 或 直 接 通 过 联 轴 器 驱 动 滚 珠 丝 杆, 通 过 伸 缩 管 将 扭 矩 转 换 为 轴 向 力 机 电 式 执 行 器 的 高 可 控 性 常 可 消 除 产 品 换 产 时 的 设 备 改 造 需 求 在 包 装 工 业 应 用 中, 当 许 多 不 同 大 小 的 包 裹 可 以 在 同 一 生 产 线 上 移 动 时, 就 可 以 节 约 大 量 的 设 备 改 造 时 间 一 位 包 装 企 业 的 工 程 师 最 近 说 道 : 我 们 大 部 分 的 应 用 都 采 用 气 动, 但 我 们 开 始 转 向 机 电 式 执 行 器, 因 为 我 们 发 现 机 电 式 执 行 器 更 可 靠 和 可 控 设 备 改 造 时 间 是 包 装 工 业 中 最 为 重 要 的 因 素 如 果 你 可 以 降 低 这 个 时 间, 那 么 我 们 愿 意 为 此 付 钱 能 耗 在 选 择 替 代 性 直 线 运 动 技 术 时, 能 耗 正 逐 渐 成 为 重 要 的 考 虑 因 素 流 体 动 力 具 有 在 不 需 施 加 额 外 能 量 的 情 况 下 保 持 压 力 的 优 点 但 另 一 方 面, 驱 动 气 缸 的 压 缩 机 即 使 在 气 缸 没 有 工 作 的 情 况 下 依 然 必 须 保 持 不 停 运 转 空 气 泄 漏 造 成 的 能 量 损 耗 增 加 了 气 动 系 统 的 使 用 费 用 一 位 食 品 和 饮 料 工 业 的 工 厂 运 营 经 理 指 出 : 接 头 和 管 道 中 的 气 压 损 失 令 人 苦 恼 你 在 管 道 上 的 任 何 形 式 的 泄 漏 都 将 花 费 你 数 以 千 计 的 钞 票
精 密 直 线 执 行 器 是 液 压 缸 和 气 缸 的 后 续 产 品 执 行 器 具 有 更 清 洁 更 简 单 能 量 传 递 更 节 能 等 优 点 它 们 可 以 更 加 简 单 地 集 成 现 代 可 编 程 控 制 器, 精 度 更 高, 噪 声 更 小. 气 动 和 液 压 传 动 经 历 了 两 步 能 量 转 换 过 程, 造 成 能 量 利 用 率 较 低 而 另 一 方 面, 机 电 式 执 行 器 在 大 多 数 应 用 中 可 节 约 很 多 能 量, 因 为 只 有 在 它 们 工 作 时 才 消 耗 能 量 滚 珠 及 滚 柱 丝 杆 的 使 用 让 机 电 式 执 行 器 的 效 率 更 高, 通 常 大 于 90% 洁 净 操 作 直 线 执 行 器 经 常 被 用 在 需 要 洁 净 操 作 的 应 用 场 合, 如 食 品 饮 料 包 装 医 疗 及 电 子 制 造 等 工 业 领 域 当 使 用 液 压 缸 时, 泄 漏 及 所 用 液 压 油 的 处 理 都 会 造 成 一 定 的 问 题 气 缸 由 于 在 压 缩 空 气 时 有 油 及 其 它 杂 质 的 参 与, 因 此 同 样 存 在 液 压 缸 类 似 的 问 题 废 气 在 向 环 境 中 排 放 前 一 般 需 要 过 滤 排 除 杂 质 而 另 一 方 面 机 电 式 执 行 器 对 环 境 只 有 极 小 的 影 响, 因 此 特 别 适 合 强 调 洁 净 操 作 的 应 用 场 合 降 低 车 间 噪 声 对 于 很 多 应 用 来 说 同 样 是 一 个 重 要 因 素 机 电 式 系 统 在 这 个 方 面 具 有 很 强 的 优 势
精 密 直 线 执 行 器 是 外 部 导 向 支 撑 或 旋 转 负 载 的 理 想 定 位 系 统 在 几 乎 所 有 应 用 中, 总 体 拥 有 成 本 是 一 个 重 要 的 考 虑 因 素 流 体 动 力 缸 在 已 经 存 在 流 体 动 力 源 的 应 用 中 通 常 具 有 成 本 优 势, 因 为 增 加 一 个 新 的 轴 向 运 动 只 需 要 一 个 液 压 缸 或 气 缸 阀 软 管 及 配 件 另 一 方 面, 在 没 有 流 体 动 力 源 或 有 流 体 动 力 源 但 必 须 额 外 增 加 动 力 来 处 理 新 的 轴 向 运 动 的 应 用 场 合, 机 电 式 执 行 器 通 常 要 更 为 便 宜 如 前 文 所 述, 能 耗 同 样 是 考 虑 总 体 拥 有 成 本 时 的 一 个 重 要 因 素 用 节 约 的 能 量 消 耗 费 用 弥 补 安 装 机 电 式 执 行 器 的 初 始 额 外 付 出 所 需 的 时 间 对 于 每 个 特 定 的 应 用 来 说 各 有 不 同, 但 很 少 能 在 一 年 以 内 实 现 机 电 式 执 行 器 还 可 以 简 化 设 计 流 程, 因 为 它 比 起 气 缸 或 液 压 缸 更 容 易 选 型 和 设 计 应 用 中 确 定 执 行 器 的 规 格 只 需 三 步 : 测 量 负 载, 确 定 负 载 循 环, 指 定 伸 出 和 缩 回 长 度 负 载 可 通 过 机 械 系 统 仿 真 软 件 包 或 安 装 在 执 行 器 上 的 称 重 传 感 器 测 量 确 定 通 过 改 变 减 速 器 传 动 比 丝 杆 电 机 及 可 预 测 的 能 够 影 响 关 键 操 作 变 量 的 电 子 控 制 参 数, 制 造 商 能 够 容 易 地 配 置 机 电 式 直 线 执 行 器, 满 足 客 户 的 任 意 应 用 需 求
相 比 于 液 压 缸 及 气 动 缸, 精 密 直 线 执 行 器 是 一 个 更 好 的 选 择, 它 具 有 诸 多 优 点, 如 更 简 单 紧 凑 的 安 装 更 容 易 的 控 制 方 式 更 低 的 能 量 消 耗 更 高 的 精 度 更 少 的 维 护 更 低 的 噪 声 及 更 清 洁 健 康 的 环 境 等 总 之, 三 个 主 要 因 素 驱 使 了 从 流 体 动 力 到 机 电 式 解 决 方 案 的 转 变 第 一, 机 电 式 执 行 器 通 过 提 高 可 控 性 缩 短 设 备 转 换 时 间 和 提 高 运 动 精 度 和 可 靠 性 提 高 了 生 产 力 ; 第 二, 通 过 提 高 能 源 效 率 增 加 正 常 运 行 时 间 和 减 少 维 护 来 降 低 设 备 的 使 用 成 本 ; 第 三, 机 电 式 系 统 比 流 体 动 力 系 统 更 清 洁 和 安 静 机 电 式 执 行 器 供 应 商 能 够 帮 助 原 始 设 备 制 造 商 平 衡 成 本 性 能 和 可 靠 性, 为 应 用 选 择 理 想 的 执 行 器 关 于 Thomson 拥 有 60 多 年 的 运 动 控 制 革 新 与 品 质 的 Thomson 是 业 内 最 早 的 Linear Ball Bushing 直 线 轴 承 制 造 商, 产 品 还 包 括 Profile 方 形 导 轨 60 Case 轴 研 磨 及 轧 制 级 滚 珠 丝 杆 直 线 执 行 器 减 速 机 离 合 器 制 动 器 直 线 运 动 系 统 及 相 关 配 件 Thomson 在 1945 年 发 明 了 直 线 滚 珠 轴 承, 并 自 此 依 靠 无 可 超 越 的 机 械 运 动 控 制 解 决 方 案 服 务 于 全 球 商 业 和 航 空 及 国 防 市 场, 设 立 了 行 业 标 准 Thomson Industries, Inc. 在 北 美 欧 洲 和 亚 洲 设 有 分 支 机 构, 在 全 球 拥 有 2000 多 家 经 销 商 Thomson, 1500 Mittel Boulevard, Wood Dale, IL 60191-1073; 1-540-633-3549; 1-540-633-0294 (fax); Thomson@thomsonlinear.com; www.thomsonlinear.com.