迄今為止，人們大多使用液壓缸或氣缸來(lái)移動(dòng)重物或進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng),然而現(xiàn)在也可以使用機(jī)電促動(dòng)器來(lái)完成這些任務(wù)，而且這樣做的優(yōu)點(diǎn)很多。
幾十年來(lái)，氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)解決方案一直是工程師們執(zhí)行快速動(dòng)作、制造巨大動(dòng)力或移動(dòng)重物時(shí)的首選，而如今，來(lái)自線性技術(shù)領(lǐng)域的機(jī)電促動(dòng)器已經(jīng)成為氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手(圖1)。
圖1 機(jī)電促動(dòng)器適合各類應(yīng)用，今天它們也能取代氣缸或液壓缸
機(jī)電系統(tǒng)不需要媒介進(jìn)行力的傳遞
與“傳統(tǒng)”驅(qū)動(dòng)元件相比，機(jī)電系統(tǒng)在許多應(yīng)用中都擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，它們更緊湊、更輕便，并且由于可以直接連接電動(dòng)機(jī)，能夠省去占地大的壓縮機(jī)、泵、油箱、管道和過(guò)濾器。由于它們不需要媒介進(jìn)行力的傳遞，因此在安全性和環(huán)保方面也有優(yōu)勢(shì)：由于不會(huì)漏油，因此不會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)危險(xiǎn)或者由于漏油造成污染和損壞，此外，電動(dòng)促動(dòng)器的噪音也比以前使用的解決方案更小。
另外，機(jī)電系統(tǒng)還擁有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，相比液壓促動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們的速度和性能更加靈活多變，例如，與氣缸相比，它們的定位精度更高，而且還能確保運(yùn)行更加平穩(wěn)：使用液壓系統(tǒng)時(shí)，液壓油的粘度在運(yùn)行期間會(huì)根據(jù)運(yùn)行溫度發(fā)生改變，由此影響機(jī)器性能。相反，機(jī)電系統(tǒng)始終在精確的容差范圍內(nèi)工作，由于運(yùn)動(dòng)部件基于成熟的滾動(dòng)軸承技術(shù)，所以可以預(yù)測(cè)其在特定運(yùn)行條件下的使用壽命。
氣動(dòng)和液壓促動(dòng)機(jī)構(gòu)僅在購(gòu)置時(shí)較經(jīng)濟(jì)
盡管擁有上述這些令人信服的優(yōu)勢(shì)，機(jī)電促動(dòng)器似乎仍有一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)：那就是成本高，事實(shí)上電驅(qū)動(dòng)的初始采購(gòu)成本要高于氣動(dòng)和液壓裝置，過(guò)去這種情況通常足以使人們針對(duì)某些應(yīng)用從一開(kāi)始就排除機(jī)電解決方案。
但是，如果考慮整個(gè)使用周期中發(fā)生的成本，那么這種理由在絕大多數(shù)情況下不再成立。在完整的使用周期內(nèi)，機(jī)電促動(dòng)器提供的節(jié)約可能性更大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其購(gòu)置成本。這些節(jié)約主要來(lái)自以下六個(gè)因素：
■ 能源效率高：使用液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，存在能源損失的部位多：從將電能轉(zhuǎn)化為提供工作壓力的運(yùn)動(dòng)開(kāi)始，有泵自身的損失、流體摩擦損失、管道中的泄漏以及氣缸內(nèi)的其他損失。總體說(shuō)來(lái)，氣動(dòng)系統(tǒng)的效率只有不到35%，而液壓系統(tǒng)的能源產(chǎn)出率略高于50%。相比之下，在機(jī)電系統(tǒng)中，只有電機(jī)的功率限制以及齒輪和促動(dòng)器部件的摩擦?xí)a(chǎn)生功率損失，因此使用機(jī)電促動(dòng)器時(shí)，輸入功率的80%可用于力的提升(圖2)。
圖2 使用電動(dòng)促動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，提升力可以達(dá)到輸入功率的80%，而使用氣缸時(shí)僅為32%
■ 產(chǎn)熱少：在空氣壓縮過(guò)程中，回收此時(shí)產(chǎn)生的熱量非常麻煩，液壓機(jī)器中的能量損失同樣也會(huì)轉(zhuǎn)變成熱量，在一些精密應(yīng)用中，例如，在注塑機(jī)中，這些熱量必須通過(guò)冷卻裝置排出。
■ 周期時(shí)間短：機(jī)電促動(dòng)器與液壓缸相比，速度更快，可控性更好，能夠縮短機(jī)器的運(yùn)行時(shí)間，并且能在每個(gè)周期單獨(dú)選擇，避免不必要的“空行程”，這有助于縮短周期時(shí)間。
■ 材料利用率更好：由于精度更高且操作性能穩(wěn)定，電驅(qū)動(dòng)器的可重復(fù)性是液壓替代產(chǎn)品的兩倍。
■ 機(jī)器使用壽命長(zhǎng)：電驅(qū)動(dòng)機(jī)器的磨損部件較少，并且它們都處于球或滾子螺桿驅(qū)動(dòng)器和齒輪箱中，因此維護(hù)工作可以集中于促動(dòng)器本身，減少了故障排除時(shí)間。
■ 維護(hù)簡(jiǎn)單：與液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)解決方案相比，電驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行成本較低，不需要再采購(gòu)油、過(guò)濾器或墊圈，因此也不會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的更換停機(jī)成本，此外不用考慮防泄漏措施，對(duì)于典型的生產(chǎn)機(jī)器而言，僅此一項(xiàng)每年便可節(jié)省數(shù)萬(wàn)歐元的費(fèi)用，這種節(jié)約幾乎有一半來(lái)自能源消耗之外的其他領(lǐng)域。
最新一代的SKF機(jī)電促動(dòng)器基于這些設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，具有更高的性能和更長(zhǎng)的使用壽命，而且它們更容易集成到機(jī)器設(shè)備中。例如，新的CASM系列(圖3)就是針對(duì)高速自動(dòng)化生產(chǎn)中要求苛刻的工作周期開(kāi)發(fā)的。
圖3 SKF公司的CASM系列產(chǎn)品是針對(duì)高速自動(dòng)化生產(chǎn)中要求苛刻的工作周期開(kāi)發(fā)的，非常適合在眾多現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備中取代氣缸以及小型行程油缸
行程油缸直接替換現(xiàn)有設(shè)備中的氣缸
SKF公司的CASM行程油缸采用模塊化設(shè)計(jì)，提供多種標(biāo)準(zhǔn)尺寸，因此可以作為現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備中氣缸的替代品。它們可以用于各種不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，這為設(shè)備操作人員在購(gòu)置和管理零部件時(shí)提供了便利，因?yàn)樗麄兛梢詮淖约菏走x的供應(yīng)商那里采購(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)，范圍廣泛的安裝選項(xiàng)和附件使其可以快速而簡(jiǎn)單地集成到眾多應(yīng)用程序中。
CASM線性單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有性能好和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，這些單元終身潤(rùn)滑，并由集成的過(guò)濾器和磨損環(huán)保護(hù)，防止灰塵和污垢進(jìn)入后造成損壞，集成的磁環(huán)和開(kāi)槽的鋁制外殼允許其使用外部傳感器。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)器控制和系統(tǒng)集成，可使用帶無(wú)刷直流電機(jī)和集成控制系統(tǒng)的CASM直線單元、制動(dòng)器和可選擇的現(xiàn)場(chǎng)總線接口。由于無(wú)需外部電機(jī)控制，無(wú)刷電機(jī)通過(guò)單根電纜為其提供電源并進(jìn)行控制，因而降低了電機(jī)的安裝成本，同時(shí)節(jié)省了電纜費(fèi)用，機(jī)器配置也得以簡(jiǎn)化。一個(gè)專門(mén)開(kāi)發(fā)的SKF編程工具允許通過(guò)圖形用戶界面來(lái)設(shè)置電機(jī)參數(shù)。具有相應(yīng)速度、加速度和延時(shí)的、多達(dá)14個(gè)的不同促動(dòng)機(jī)構(gòu)位置可以下載到電機(jī)中，接下來(lái)機(jī)器可以通過(guò)可編程控制器或簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，因此對(duì)于較小的機(jī)器來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)十分經(jīng)濟(jì)的“卓越”控制解決方案。
圖4 針對(duì)負(fù)載較高的應(yīng)用，SKF使用由行星滾柱絲杠傳動(dòng)代替滾珠絲杠的LEMC型機(jī)電行程油缸
圖5 SKF的機(jī)電促動(dòng)器系列適合各種應(yīng)用，如汽車(chē)生產(chǎn)
除了模塊化系列CASM 100之外，針對(duì)負(fù)載較高的應(yīng)用，SKF還提供新系列的機(jī)電行程油缸—LEMC(圖4)。這一系列采用行星滾柱絲杠取代了滾珠絲杠，由此一來(lái)它們具有比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更高的功率密度，即使在振動(dòng)大的環(huán)境下也能提高性能。綜上所述，SKF的機(jī)電促動(dòng)機(jī)構(gòu)系列適合各類應(yīng)用(圖5)。
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