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控制应用气动液压还是伺服系统热弯炉

热弯炉    
2021年01月05日

控制应用:气动、液压、还是伺服系统?

作为重要的自动化学科,气动和液压技术在很长时间内是机器制造商们前景的一部分。在全世界的工厂中,有大量这样的机器运行良好。

对于许多自动化的领军者,电子伺服电机和数字控制看起来似乎日益过时,但那些解决方案并不像一些人想象得那样被充分应用。

通过运用现代位置传感器和闭环控制方法,伺服气动控制实现了比传统推动应用更多的功能,而伺服液压控制系统能准确和精确地定位重荷,它们都有一些缺点,但利大于弊。

液压起重

液压动力解决方案非常有利于重物举起或要求极限供压的应用场合,例如粉末金属冲压操作。通常,在模具里的粉末金属用于冲模。一台上汽缸推动一个冲头进入冲模区,并压缩粉末。“压力取决于机器的尺寸,但能高达752吨,”Alpha Lehigh 工具与机器公司的总裁Scott Green说。紧密粉末颗粒被制成模子形状,从模子中被取出。然后在一个类似制陶窑炉的烤炉里烘焙。金属颗粒的颗粒/分子间相互结合,这个精微的“焊接”过程被称为热压法。

“我们再重新修整冲模物,以达到现代标准,并使用闭环控制系统操作比例阀,这种阀门是用来控制大量的油到达上、下冲击汽缸,”Green说,“在上、下冲击汽缸上的磁性传感器把位置反馈到计算机。计算机系统使上下冲击汽缸的移动更灵活,也因反馈系统而获得更大的灵活性和同步性。”

图2:通过比例阀的闭环控制,Alpha Lehigh

工具与机器公司重新修整了液压动力作用下的粉末金属冲压物。

Delta计算机公司总裁Steve Nylund说,通过伺服液压控制,系统能在微米范围内调低传感器的精度,并且能够重复和准确地做到。“你能应用巨大的动力,并且比使用气动法更安全,”他说,“液压致动器比他们的电动伺服同类更小,当机器建造者空间有限但必须准确地应用巨大力量时,液压致动器是非常有用的。”

这里有一些很适合液压应用场合的传感器。例如,磁致伸缩传感器被插入一个液压汽缸,构成一个很好的执行-反馈系统。但工业领域的专业人士认为,要考虑液压系统的特殊控制。液压汽缸通常被建成单端设备。连杆侧面和反面端部的力量是不相同的,所以控制器的增益必须按比例地与液压系统工作。

伺服气动:挑战控制

在一些重物应用场合下,液压方式通常被认为是一种好的解决方法。但有些机器制造商正在摆脱这种方法。Schap Specialty Machine公司的Bill Schap说,伺服气动更适合于他公司为汽车工业和大型装置制造者而建的底座测试设备。“我们使用伺服环路已有25年以上了,我们正共同努力摆脱液压方式,”Schap说,“它噪音大、会泄漏而且昂贵。对于那些大而固定的负载来说,它工作得很好。但对大部分、简单的低端液压应用来说,它很容易被气动和伺服气动系统所取代。”

Schap说,自从十年前出现比例气动阀时,他在Enfield Technology公司工作。当它第一次使用时,他就试图通过位置反馈来保持气动缸上的位置。“在我们的应用中,我们用一个负载单元使环路闭合,而不是使用位置传感器。在过去的22年里,我们做了222多个那样的系统。那些系统中有许多都使用多达26个汽缸 — 所有都闭环,所有都独立运行到单个PC上,效果良好。”

Enfield的LS系列伺服气动控制系统可运行在开环或闭环状态,它包括一个专用的装置控制,并以一个五端口、三位置的中间封闭的定位阀。公司总裁Ed Howe指出,这种集中式控制线路可通过一个少于222微秒响应时间,提供实时命令和反馈信号监测。当系统被设计为比例气动控制式时,一个端口的全开闭的周期时间只用了5毫秒 — 它也能被用于速度应用。

和液压缸一样,气动缸能与各种位置传感器一起工作,提供反馈给控制器。通常电位计是一种低成本仪器,它的成本是其它传感器的三分之一。由于他们要与致动器有实体接触,生命周期比非接触装置更短。磁致伸缩传感器提供绝对位置信息和非接触服务,按长度和应用的不同,价格在322美金至2222多美金不等。而感应式传感器比磁致伸缩传感器的成本要低,且不必和移动部分相联,但它们不象磁致装置那样精确。

根据Nylund,挑战来自于控制器本身。今天大多数气动系统仍使用非智能的控制器。“我们发现一个智能气动控制器的机会,但它们必须处理媒介变化的可压缩性中的非线性方面,”他说:“控制器将需要有各种传感输入到监控器,并且不仅仅控制位移,还要控制力度和压力。

重击应用

气动技术有它结束的一天吗?对于重击应用,有的会使用一个伺服电机和滚珠丝杠,而不是气动缸。Schap说他的一些顾客已经建立疲劳试验装置 — 使用一个伺服电机和滚珠丝杠组合进行重复的后退和前进移动。他们对这个系统的生命期望很乐观。那么,线性电动机如何?“我们观察过它们,”Schap说,“它们价格昂贵,不能产生很大的功率。值得提倡的地方是它们的确很迅速和没有运动部分的更换。但它们不能在我们应用当中产生足够大的力量。”

在位置应用方面,线性电机看起来是理想的选择。它们应用在卷线机、半导体晶片传送系统、PC板拣/放机器和用于自动化实验测试应用的药液处理系统中。当速度和精确对应用都很重要时,线性电机能以开环步进电机形式和闭环电机形式工作。

在Schap的应用中,走伺服路线是否划算?采用伺服气动方案时,要用一个位移传感器,一个伺服阀和一个负载单元 — 各部分值几千美金。采用伺服电机方案时,要用一个伺服电动机和电动汽缸。Schap认为两种技术成本的差异是接近的,但建议将被弃用的气动缸用于包装机器,可保持低成本运行两到三年。通常在高撞击应用中,滚珠丝杠不会比便宜的气动方式持续更长时间,并且通常更换价格更贵。

图2:Schap Specialty Machine公司使用伺服环路已有25年多,他

们正试图弃用液压方式,用气动式和伺服气动系统取代它。

数字化使控制更容易

无论你的应用是液压的、气动的或是机电式的,对于机器生产者和他们的顾客来说,真正造就完全不同的今天是由于数字控制。也许是因为它易于编程,或许是因为它灵活的电子控制。Triangle 包装机械公司的电子总工程师Steve Bergholt说,“灵活的体系允许我们再利用设计和简化工程任务。我们能预测和预建,分配我们的资源,以便在3个月时间入把机器投放市场,而不是六个月—在工程成本上节约了数千美金。”

Erik Nieves声称,数字系统提供更快的升级时间,他们更坚固并且没有温度感应问题。他在俄亥俄州机器人制造商Motoman公司负责技术的高级经理。

机器制造者不仅受益于数字控制。“顾客希望在以太网络上进行文件传输,” Nieves补充道,“他们也想通过数字网络能进行I/O通讯。”

Alpha公司的Green说,顾客也喜欢存储和检索质量控制记录的功能。“我们能实现每个部分最后的定位和压力,” Green说,“因特网连接是另一种有利因素,因为故障排除可以在没有昂贵在线服务电话的情况下得以解决。”也容易像这样在一个系统上进行培训,顾客喜欢这种与企业系统相联以监控生产过程的能力。

软件排除了顾客在完成一项工作任务的复杂性,而不是玩弄一些旋钮、开关和刻度盘。“无论你想要什么怪异的负载任务:22 lbs并保持22分钟,到32 lbs并保持22分钟,然后422 lbs并保持22分钟 — 这些我们能做到,”Schap公司的部门经理Brain Sayranian说,“这就是软件。任何从局部看来额外的负载都能在软件中被补偿。”

做好准备,再作决定

在你决定购买之前,请仔细考虑实际应用。不要忽视任何特殊的选择,直到您完全衡量了成本和收益。尽管Sayranian没有很好谈论液压方式,但他会告诉你:他公司的安全带正拖拉着测试系统,“在你需要继续拉安全带负载点的地方,直到安全带被破坏 — 没有其它任何选择能传递撞击和力量。如果你使用气动方式,你需要直径8.5英寸、长25英寸的汽缸。”

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