Как работает электрический цилиндр? Внутри сервоприводного линейного движения

Упаковочная линия застревает, когда пневматический цилиндр слишком сильно и быстро ударяет по толкателю. Исправление — это не больший воздушный компрессор. Это электрический цилиндр с сервоприводом, который перемещает толкатель в точное положение, применяет контролируемое усилие и сообщает, когда деталь установлена. Именно этот переход от бинарного давления воздуха к программируемому движению стал причиной того, что электрические цилиндры стали обычным явлением в оборудовании для автоматизированной сборки, испытаний и погрузочно-разгрузочных работ.

Электрический цилиндр работает, превращая вращательное движение серводвигателя в линейную тягу посредством винтовой, ременной или реечной передачи. Контроллер управляет двигателем, энкодер измеряет фактическое положение, а алгоритм с обратной связью регулирует выходной сигнал тысячи раз в секунду. Результатом является линейный привод с программируемым ходом, скоростью, силой и ускорением. Более подробную информацию о доступных моделях см. Линия продуктов с электрическими цилиндрами .

Основной механизм: вращательное движение становится линейной тягой

В наиболее распространенной конструкции электрического цилиндра используется серводвигатель, соединенный с шарико-винтовой парой или планетарной ролико-винтовой передачей. Когда вал двигателя вращается, винт вращается. Гайка, навинченная на винт, преобразует это вращение в линейное движение. Гайка прикреплена к толкателю или каретке, поэтому нагрузка перемещается вдоль оси винта. Один полный оборот двигателя обеспечивает фиксированное линейное расстояние, называемое опережением. Винт с шагом 10 мм перемещает гайку на 10 мм за оборот. Если двигатель вращается со скоростью 3000 об/мин, теоретическая линейная скорость составит 30 000 мм/мин или 0,5 м/с.

За этой простой взаимосвязью скрывается технология, которая делает электрические цилиндры полезными. Двигатель не является устройством с постоянной скоростью. Серводвигатель может ускоряться, замедляться, удерживать положение и менять направление движения по команде. Винт – это не просто резьба. Это прецизионно отшлифованный компонент с определенной погрешностью шага, люфтом и осевой жесткостью. Гайка – это не простой блок. Он содержит рециркулирующие шарики или ролики, которые уменьшают трение и износ. Вместе эти части образуют систему, выходные данные которой можно прогнозировать и повторять.

Внутри электрического цилиндра: ключевые компоненты и их роль

Электрический цилиндр — это больше, чем двигатель и винт. Несколько подсистем определяют, насколько хорошо он работает на реальной машине.

Мотор и обратная связь

Двигатель обеспечивает крутящий момент. В большинстве промышленных электроцилиндров это бесщеточный серводвигатель с постоянными магнитами. Крутящий момент двигателя умножается на механическое преимущество винта. Двигатель мощностью 400 Вт, приводящий в движение шарико-винтовую передачу с ходом 5 мм, может создавать тягу в тысячи ньютонов, в зависимости от эффективности и скорости. Обратная связь поступает от энкодера, установленного на валу двигателя, или, в более дорогих конструкциях, от линейного энкодера на толкателе. Энкодер сообщает контроллеру, где на самом деле находится нагрузка, а не там, где она должна быть. Это различие является основой управления с обратной связью.

Винт и гайка

Винт и гайка определяют тягу, скорость, точность и срок службы цилиндра. В шарико-винтовых передачах между винтом и гайкой используются рециркулирующие стальные шарики. Они обеспечивают высокий КПД, обычно 90 процентов и более, и низкое трение. В планетарных роликовых винтах вместо шариков используются ролики с резьбой. Они выдерживают более высокие осевые и ударные нагрузки при меньших размерах. Ходовые винты, также называемые трапециевидными винтами, используют скользящий контакт. Они недорогие, самоблокирующиеся и тихие, но изнашиваются быстрее и имеют меньший КПД. Выбор зависит от применения: для легкой инспекционной оси может использоваться ходовой винт, а для тяжелого пресса может потребоваться роликовый винт.

Серия коаксиальных интегрированных прецизионных линейных электрических цилиндров Коаксиальный встроенный линейный электрический цилиндр с точностью позиционирования ±0,01 мм и компактной конструкцией для точной сборки, лабораторных испытаний и компактной автоматизации. Посмотреть продукт →

Несущие элементы и корпус

Толкатель необходимо направлять так, чтобы он не вращался и не сгибался. Линейные подшипники, направляющие или шлицевой вал обеспечивают выравнивание стержня. Корпус защищает винт от пыли, стружки и влаги. Уплотнения и дворники продлевают срок службы в грязной среде. Для пищевой, медицинской или полупроводниковой промышленности корпус может быть изготовлен из нержавеющей стали или анодированного алюминия со смазкой, подходящей для чистых помещений.

Режимы управления: положение, скорость и сила

Электроцилиндр может работать в нескольких режимах управления, часто переключаясь между ними в течение одного цикла. В режиме позиционирования контроллер перемещает стержень в целевую координату. Кодер замыкает цикл. Это обычно происходит при выборе и размещении, выдаче и индексации. В режиме скорости контроллер поддерживает заданную скорость независимо от изменений нагрузки. Подходит для транспортировки или намотки. В принудительном режиме контроллер регулирует крутящий момент двигателя для приложения определенной силы. Силовой режим используется при запрессовке, зажиме и тестировании. Некоторые контроллеры предлагают гибридные режимы, такие как режим «позиционирование-принуждение», при котором цилиндр быстро перемещается в нужное положение, а затем переходит в режим управления усилием для окончательного прессования.

Управление с обратной связью повторяет простую последовательность: считывание данных энкодера, сравнение фактического положения с заданным, расчет ошибки и регулировка тока двигателя. Регулировка происходит с частотой обновления сервопривода, часто от 1 до 10 кГц. Благодаря этой скорости электрический цилиндр может удерживать положение с точностью до нескольких микрометров и при этом реагировать на внезапное изменение нагрузки без превышения допустимого диапазона. Настройка контура управления (пропорциональный, интегральный и производный коэффициенты усиления) согласовывает цилиндр с инерцией и жесткостью нагрузки.

Электрический, пневматический и гидравлический

Электрические цилиндры конкурируют с пневматическими и гидравлическими приводами. У каждого есть место.

Пневматические цилиндры недороги и надежны, но они не могут легко остановиться в произвольном положении или применить контролируемую силу. Гидравлические цилиндры создают огромную силу, но для них требуются насосы, клапаны и средства подачи жидкости. Электрические цилиндры предлагают золотую середину: программируемое движение, высокую эффективность и чистую работу. Они часто являются лучшим выбором, когда процесс требует нескольких позиций, профилирования сил или обратной связи по данным.

Параметры производительности, которые имеют значение

При выборе электроцилиндра несколько параметров определяют, будет ли он работать в машине.

• Тяга: Максимальная осевая сила, которую цилиндр может толкать или тянуть. Он уменьшается с увеличением скорости, поскольку крутящий момент двигателя ограничен.
• Инсульт: Полезный линейный ход. Более длинные ходы требуют винтов большего размера и тщательного анализа потери устойчивости.
• Скорость: Линейная скорость, часто выражаемая в мм/с. Это зависит от оборотов двигателя и шага винта.
• Повторяемость: Насколько близко цилиндр возвращается в то же положение. Шарико-винтовые передачи могут достигать ±0,01 мм или лучше.
• Точность: Разница между заданным и фактическим положением, на которую влияет погрешность шага винта и тепловое расширение.
• Рабочий цикл: Процент времени, в течение которого цилиндр может работать под нагрузкой без перегрева. Электрические цилиндры могут быть рассчитаны на непрерывную или повторно-кратковременную работу.
• Класс защиты: Класс IP указывает на устойчивость к пыли и воде. IP65 защищает от брызг; IP68 допускает временное погружение в воду.
• Люфт: Потеря движения при изменении направления. Гайки с предварительным натягом уменьшают люфт и обеспечивают точность в обоих направлениях.

Эти параметры взаимодействуют. Для высокоскоростного цилиндра с большой тягой требуется двигатель большего размера и более прочный винт. Для длинноходового цилиндра может потребоваться винт большего диаметра, чтобы избежать биения на высокой скорости. Цилиндру для чистых помещений может потребоваться герметичный корпус и смазка, совместимая с вакуумом. Процесс выбора представляет собой баланс между производительностью, размером, стоимостью и сроком службы.

Приложения в разных отраслях

Электрические цилиндры появляются везде, где машине необходимо контролируемое линейное движение. В электронике 3C они нажимают на разъемы, наносят клей и проверяют кнопки с помощью обратной связи по усилию. В производстве полупроводников они позиционируют пластины и приводят в действие захваты в чистых условиях. В медицинском оборудовании они приводят в движение столы пациентов, шприцевые насосы и реабилитационные устройства плавным и бесшумным движением. В химической среде и на открытом воздухе водонепроницаемые и взрывозащищенные электроцилиндры предназначены для промывки и опасных зон. В автомобильное производство , они опрессовывают подшипники, фиксируют уплотнения и проводят испытания компонентов на долговечность.

Помимо дискретных приводов, электрические цилиндры образуют строительные блоки многоосных систем. Декартовский робот объединяет два или три электрических цилиндра или линейных модуля для перемещения инструмента по осям X, Y и Z. Платформа с шестью степенями свободы использует шесть приводов для создания крена, тангажа, рыскания и перемещения для авиационных симуляторов или испытаний транспортных средств. Тот же принцип работы масштабируется от компактного блока с ходом поршня 50 мм до мощного цилиндра с тягой в несколько тонн.

Водонепроницаемый электрический цилиндр IP65 для работы в суровых условиях Водонепроницаемый электроцилиндр со степенью защиты IP65 и пылезащитным чехлом для уличного строительного, горнодобывающего и уборочного оборудования во влажных и пыльных условиях. Посмотреть продукт →

Вопросы выбора и интеграции

Интеграция электрического цилиндра в машину предполагает нечто большее, чем просто привинчивание его на место. Крепление должно выдерживать реактивный момент двигателя и боковые нагрузки на стержень. Несоосность цилиндра и нагрузки приводит к преждевременному износу подшипника и выходу из строя уплотнения. Контроллер должен соответствовать типу обратной связи двигателя, напряжению и протоколу связи. Многие приводы поддерживают EtherCAT, CANopen или Modbus, что позволяет цилиндру обмениваться данными о положении и силе с ПЛК или контроллером робота.

Кабели и разъемы нуждаются в разгрузке от натяжения и прокладке, позволяющей избежать усталости при изгибе. Стержень цилиндра должен быть защищен от сварочных брызг, режущей стружки и абразивной пыли. В случае применения с большим циклом работы следует планировать интервалы смазки и графики замены уплотнений. При вертикальных нагрузках тормоз или самоконтрящийся винт предотвращает падение стержня при отключении питания. Для высокоточной работы линейный энкодер или модель термокомпенсации могут корректировать расширение винта по мере нагрева цилиндра.

Электрический цилиндр с шарико-винтовой передачей Foldback для прецизионной автоматизации Электрический цилиндр складного типа с шарико-винтовой передачей для высокой эффективности, низкого трения и стабильного точного управления положением в автоматизации и робототехнике. Посмотреть продукт →

Электрический цилиндр работает путем объединения серводвигателя, механического преобразовательного винта и контура обратной связи. Двигатель вращается, винт перемещается, энкодер проверяет, а контроллер корректирует. Эта замкнутая цепь обеспечивает программируемое положение, скорость и силу в одном корпусе. Это не всегда самый дешевый вариант, но зачастую он наиболее эффективен, когда процессу требуется более двух конечных точек или контролируемая передача. Для инженеров, сравнивающих приводы, ключевым вопросом является не то, может ли электрический цилиндр перемещать груз. Вопрос в том, нужна ли приложению точность, гибкость и данные, которые может обеспечить только линейный привод с сервоприводом.