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电动缸的入门知识普及

KYY (快易优) 2019/4/12 15:28:57

随着科技快速发展,伺服电动缸系统在许多设备工业中应用广泛。伺服电动缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品,具有高速响应、定位精确、运行平稳等特点。常见类型有直流伺服电动缸、交流伺服电动缸和步进伺服电动缸等。

伺服电动缸主要应用于实验设备、专用设备、军事设备等领域,以及其他可代替液压、气动的场所,是液压、气动设备的升级产品,如全电动多自由度平台等;

实验设备:高频振动台、高频冲击台、仿真平台、试验台、造波机;

专用设备:工业自动化生产线、装配线、坐标机械用、升降台、调偏控制、阀门控制、机械设备、咖玛力、食品医药行业、数控机床、行业包装机、汽车电子压装机、纺织设备卷绕机分度、模具位置控制、夹紧、钻孔、定位、自动调节控制等;

军事装备:雷达支撑架、发射平台升降机构、导弹起竖架、舱门开启缸、火炮俯仰驱动装置、车体电动调平机构、导弹外壳翻转机构、扫雷机器臂、六自由度摇摆机构、履带调节机构、抓弹机构、方舱扩展机构等特种设备。

一.什么是电动缸

什么是电动缸?(源自百度百科解释)电动缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品,将伺服电机的旋转运动转换成直线运动,同时将伺服电机最佳优点-精确转速控制,精确转数控制,精确扭矩控制转变成-精确速度控制,精确位置控制,精确的力控制;实现高精度直线运动系列的全新革命性产品。

二.伺服电动缸分类

伺服电动缸从外形结构上可分为两种:直线式、平行式。

1.直线式电动缸

直线式电动缸集成了伺服电机、伺服驱动器、高精度滚珠丝杠或行星滚珠丝杠、模块设计等技术,整个电动缸结构紧凑。伺服电机与电动缸的传动丝杆通过联轴器相连接,使伺服电机的编码器直接反馈电动缸的活塞杆的位移量,减少了中间环节的惯量和间隙,提高了控制性能和控制精度。伺服电机与电动缸整体相连,安装容易、设定简单。电动缸的主要零部件均采用国内外优质产品,性能稳定、故障率低、可靠性高。

2.平行式电动缸

平行式电动缸的电机与缸体部分平行安装,通过同步带及同步带轮与电动缸的传动丝杆相连接,除具有直线式电动缸的特点外,并由于总长短,在安装位置比较小的场合比较适应。同时平行式电动缸选用的同步带,具有强度高、间隙小、寿命长等特点。使整个电动缸具有较高的控制性和控制精度。

三.电动缸的主要特点

电动缸由于其独有的性能特点,在许多工业场合被逐步推广使用,它作为一种新颖的机电一体化产品,其优点主要体现在以下诸多方面。

1.节能干净、超长寿命、操作维护简单,具有很强的环境适应能力。伺服电动缸不容易受到周围环境温度的影响,可在低、高温,雨雪等恶劣环境下无故障正常工作。防护等级可以达到IP66。密封件防止缸外污垢和水的污染并防止内部润滑剂的泄漏,长期工作,并且实现高强度,高速度,高精度定位,运动平稳,低噪音。

2.传动效率高。采用精密滚珠丝杠或行星滚柱丝杠等精密传动元件的电动缸,省去了很多复杂的机械结构,其传动效率得到了很大提高。这几种类型的电动缸传动效率可以达到90%以上。

3.定位精度高。采用滚珠丝杠的伺服电动缸,通过伺服控制可以实现0.01mm左右的精确定位,具有很高的定位精度,适合应用在对精度要求比较高的场合。电动缸在半闭环时就能达到相当高的定位精度,而液压缸和气缸要达到相同的定位精度必须采用全闭环控制系统。

4.结构简单,占用空间小,维护方便。电动缸主要由电机和螺母螺杆机构组成,机构简单,体积小,不会占用太大的工作空间。由于其结构简单,在发生故障时容易找到故障原因,平时的维护保养也非常方便。

5.可靠性和安全性高。电动缸可以搭载先进的传感器系统,以及各种行程控制装置,对电动缸的工作状态进行检测和反馈,防止发生事故。

6.运行稳定,使用寿命长。当电动缸采用滚珠丝杠或行星滚柱丝杠时,传动部分的摩擦将大大减小,有利于减少材料磨损,提高运行稳定性,延长使用寿命。

7.响应快,直线工作速度可以在很宽的速率范围内调节,低速运行稳定。液压缸的工作速度一般只能达到35mm/s,但普通电动缸的工作速度一般可以达到55mm/s。采用了行星滚柱丝杠的电动缸的速度甚至可以达到2000 mm/s,速度优势非常明显。此外,液压缸在低速重载下容易产生爬行现象,而电动缸没有这个缺点。

8.控制精准,同步性好。在需要多驱动同步的情况下,使用液压缸或气缸很难达到高精度的同步,因为使多个独立的液压缸或气缸的控制回路频率特性一致是非常困难的事情。但使用多个电动缸很容易达到同步,因为电气系统的频率特性比较容易达到一致。

9.电动缸还可替代部分液压缸和气动缸。能够实现直线传动的元件主要有电动缸、液压缸、气缸这三者的主要区别如下表所示。通过对比可以看出,电动缸比液压缸和气缸结构简单,受温度波动的影响小。

它可替代液压缸和气动缸,从而带来比传统技术更大的优势,它具有液压和气动缸得以流行的许多独特设计,以及更清洁、更简单且能效更高的动力传输能力,同时执行器也可以更加简易的集成到可编程控制系统中,因此精度更高,噪音更少。




四.电动缸工作原理

电动缸的工作原理是以电力作为直接动力源,采用各种类型的电机(如AC伺服电机、步进伺服电机、DC伺服电机)带动不同形式的丝杠(或螺母)旋转,并通过构件间的螺旋运动转化为螺母(或丝杠)的直线运动,再由螺母(或丝杠)带动缸筒或负载做往复直线运动。传统的电动缸一般采用电动机驱动丝杠旋转,并通过构件间的螺旋运动转化为螺母的直线运动。近些年新兴的“螺母反转型”电动缸(如整体式行星滚柱丝杠电动缸)采用相反的驱动方式,即驱动螺母旋转,并通过构件间的螺旋运动转化为丝杠的直线运动。

4.1.运动转换机构

电动缸主要采用螺旋丝杠传动机构将旋转运动转换为直线运动。螺旋丝杠传动主要有螺母螺杆传动、滚珠丝杠传动和行星滚柱丝杠传动等。普通的螺母螺杆机构由于传动摩擦阻力大、传递效率低等缺点而逐渐被淘汰,目前较常用的是滚珠丝杠传动和行星滚柱丝杠传动等。


滚珠丝杠是目前电动缸最常用的传动元件之一,其主要功能是将旋转运动转换成直线运动,或将转矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于很多滚珠在滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间做滚动运动,所以采用滚珠丝杠的电动缸能得到较高的运动效率。


4.2.减速机构

电动缸的减速机构可选用同步带、行星齿轮减速器和谐波齿轮减速器等。


同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动多用于折返式电动缸上。同步带传动具有传动准确,传动比恒定,传动平稳等优点。部分电动缸在减速装置的选择上采用了行星齿轮减速机构。行星齿轮传动是使一个或一个以上的行星轮的轴线绕中心轮的固定轴线回转的齿轮传动。行星齿轮传动具有体积小、质量轻、承载能力高等优点。谐波齿轮减速器也是电动缸常用的减速装置之一。所谓谐波传动是一种靠中间柔性构件弹性变形来实现运动和动力传动的装置的总称。谐波齿轮传动具有结构简单、体积小、承载能力大,传动比范围大、运动精度高、齿面磨损小而均匀等优点

4.3.控制系统

伺服电动缸的核心部件为伺服电机,电动缸系统利用伺服电机的闭环控制特性,伺服电机驱动器本身也具有位移、速度、转矩等多种控制模式,但为了控制策略的自由性和多样性从而实现位移、速度、加速度曲线品质的优化,利用PC机、运动控制器或PLC、执行和辅助单元建立开放式的控制系统,采用闭环控制进一步提高控制品质。该技术与计算机控制技术相结合,可以实现对伺服电动缸推杆位移、速度、推力、加速度的高精度动态闭环控制,为伺服电动缸控制提供了技术基础。利用现代运动控制技术、数控技术及网络技术实现程序化、网络化、智能化控制。


电动缸主要由伺服电机、电动缸体、传动装置和位置反馈装置等组成。其主要功能是通过PC机或HMI输入控制命令信号给运动控制卡或运动控制器,然后经过设定运动指令、插补算法、路径规划等发送指令给伺服驱动器,伺服驱动器根据指令驱动伺服电机运转,通过减速器、换向齿轮传动或同步带机构带动滚珠丝杠副旋转;丝杠螺母径向限位,在丝杠旋转力的驱动下与推杆一起做往复直线运动,在丝杠端部安装有多圈绝对值编码器作为位置反馈装置,也可以用伺服电机自带编码器作为位置反馈,实时反馈推杆位置。并且实时读取电动缸上编码器反馈值,获得电动缸的实际位置,上传给PC或HMI用于显示监控。具有手动功能、应急装置、锁定功能、极限限位、报警功能。

伺服控制主要解决位置控制问题,要求系统具有对位置指令准确的跟踪能力。对于伺服系统而言,位置指令是一个随机变量,系统必须具有良好的跟随性能,才能准确跟踪给定位置的变化,确保电动缸推杆准确跟踪给定指令。


因此利用伺服电机的反馈信号,在驱动器外部与运动控制器之间构造了一个数字闭环,并在控制器中采取PID算法和超前补偿方法,实现了人工对PID参数的快捷调节,并且进一步提高了伺服跟踪精度。在复杂指令下,伺服电动缸推杆相位延迟和幅值误差都得到明显的改善,对于预先设定伺服运行轨迹的环境有参考价值。


五.电动缸的发展趋势

电动缸的应用领域越来越广泛,电动缸的市场也越来越大。随着工厂自动化的要求逐步提高,将会有越来越多的公司投入到电动缸的研究开发中。未来电动缸的发展趋势将主要集中在以下几点:


1.高精度。目前采用滚珠丝杠传动的伺服电动缸,通过伺服控制可以实现0.01mm左右的精确定位。但是很多精密设备要求直线传动系统能够实现0.001mm的精确定位,而现在的电动缸还无法达到这一精度。因此通过发展伺服控制技术和探讨新的传动形式,电动缸将具备更高的精度,以满足高精度设备的需求。此外,采用先进的外部传感器也是提高电动缸精度的一个重要方法。重复定位精度可达0.02mm,但增加外部位移传感器(如光栅尺)后,控制精度可以达到0.005mm。


2.新的传动机构。在一些直线运动行程大、承载力高的场合,需要更长的丝杠或螺母,同时也要求设计较长的滚柱以增加啮合点,这就增加了制造的难度,因此有必要开发新的传动形式以满足特殊场合的需要。


3.高负载。锻压设备和大型军事设备上需要更大承载力的装置,但是目前电动缸的最大承载能力普遍低于液压缸。螺旋丝杠传动机构是电动缸的主要承力机构,随着螺旋丝杠传动机构制作技术和材料的发展,电动缸的承载能力将得到很大提高。


4.发展适用于电动缸的伺服电机技术。伺服电机的性能直接影响着电动缸的性能,电动缸有其自己的工作特点,发展适用于电动缸的伺服电机驱动技术对于推动电动缸的发展具有重要意义。如GSM系列的电动缸在伺服电机驱动技术上进行了改进,其内置伺服电机采用了T-LAM 定子分段叠片设计技术,电机发热量非常低,输出转矩比相同体积的传统伺服电机大35%。此外,随着一些先进的控制方法(如模糊控制、专家系统等)引入永磁无刷电动机控制器,以及先进检测技术的发展,永磁无刷电动机的性能也将得到大幅提高,从而促进电动缸的发展。


5.高速率。目前电动缸的速率主要由驱动电机决定,当驱动电机的技术获得发展时,电动缸的速度也将得到很大提升。此外,由于滚珠在高速运动中会产生碰撞,所以滚珠丝杠的转速一般只能在2000r/min以下。而现在高性能电机转速都在3000r/min以上,因此滚柱丝杠传动将得到发展,以实现电动缸的高速率运行。


6.小型化和一体化。随着电动缸技术的发展,电动缸传动部件将实现一体化设计,电动缸的尺寸将越来越小,以占用更少的安装空间。如Exlar公司的GS系列电动缸,该系列电动缸将实现直线运动所需的全部部件集成到一个封闭的单元中,直接实现直线运动,体积比传统的旋转—直线运动机构小得多。此外,电动缸还将与设备一体化设计,使其能够更好地满足设备的需求。


7.数字化、智能化和网络化。电动缸将实现数字化、智能化和网络化控制,以满足未来生产模式的需求。下图六自由度电动平台通过同一个网络控制系统同时控制6个电动缸,使其联合工作。该电动平台还可与其他外部设备连接,由总平台对整个系统实现数字化、智能化和网络化控制。

8.更长的工作行程。目前常见的电动缸多为单级传动,但很多情况下,单级电动缸不能满足设备工作行程的要求,因此,电动缸将向着多级化方向发展,以实现更长的工作行程。

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