工控設(shè)備：伺服電動(dòng)缸入門知識(shí)普及
隨著科技快速發(fā)展，伺服電動(dòng)缸系統(tǒng)在許多設(shè)備工業(yè)中應(yīng)用廣泛。伺服電動(dòng)缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，具有高速響應(yīng)、定位精確、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。常見(jiàn)類型有直流伺服電動(dòng)缸、交流伺服電動(dòng)缸和步進(jìn)伺服電動(dòng)缸等。
伺服電動(dòng)缸主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、專用設(shè)備、軍事設(shè)備等領(lǐng)域，以及其他可代替液壓、氣動(dòng)的場(chǎng)所，是液壓、氣動(dòng)設(shè)備的升級(jí)產(chǎn)品，如全電動(dòng)多自由度平臺(tái)等；
實(shí)驗(yàn)設(shè)備：高頻振動(dòng)臺(tái)、高頻沖擊臺(tái)、仿真平臺(tái)、試驗(yàn)臺(tái)、造波機(jī)；
專用設(shè)備：工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、裝配線、坐標(biāo)機(jī)械用、升降臺(tái)、調(diào)偏控制、閥門控制、機(jī)械設(shè)備、咖瑪力、食品醫(yī)藥行業(yè)、數(shù)控機(jī)床、行業(yè)包裝機(jī)、汽車電子壓裝機(jī)、紡織設(shè)備卷繞機(jī)分度、模具位置控制、夾緊、鉆孔、定位、自動(dòng)調(diào)節(jié)控制等；
軍事裝備：雷達(dá)支撐架、發(fā)射平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)、導(dǎo)彈起豎架、艙門開啟缸、火炮俯仰驅(qū)動(dòng)裝置、車體電動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)、導(dǎo)彈外殼翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、掃雷機(jī)器臂、六自由度搖擺機(jī)構(gòu)、履帶調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、抓彈機(jī)構(gòu)、方艙擴(kuò)展機(jī)構(gòu)等特種設(shè)備。
一．什么是電動(dòng)缸?
什么是電動(dòng)缸？(源自百度百科解釋)電動(dòng)缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將伺服電機(jī)最佳優(yōu)點(diǎn)-精確轉(zhuǎn)速控制，精確轉(zhuǎn)數(shù)控制，精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成-精確速度控制，精確位置控制，精確的力控制；實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)系列的全新革命性產(chǎn)品。
二．伺服電動(dòng)缸分類
伺服電動(dòng)缸從外形結(jié)構(gòu)上可分為兩種：直線式、平行式。
1.直線式電動(dòng)缸
直線式電動(dòng)缸集成了伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、高精度滾珠絲杠或行星滾珠絲杠、模塊設(shè)計(jì)等技術(shù)，整個(gè)電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)緊湊。伺服電機(jī)與電動(dòng)缸的傳動(dòng)絲桿通過(guò)聯(lián)軸器相連接，使伺服電機(jī)的編碼器直接反饋電動(dòng)缸的活塞桿的位移量，減少了中間環(huán)節(jié)的慣量和間隙，提高了控制性能和控制精度。伺服電機(jī)與電動(dòng)缸整體相連，安裝容易、設(shè)定簡(jiǎn)單。電動(dòng)缸的主要零部件均采用國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定、故障率低、可靠性高。
2．平行式電動(dòng)缸
平行式電動(dòng)缸的電機(jī)與缸體部分平行安裝，通過(guò)同步帶及同步帶輪與電動(dòng)缸的傳動(dòng)絲桿相連接，除具有直線式電動(dòng)缸的特點(diǎn)外，并由于總長(zhǎng)短，在安裝位置比較小的場(chǎng)合比較適應(yīng)。同時(shí)平行式電動(dòng)缸選用的同步帶，具有強(qiáng)度高、間隙小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。使整個(gè)電動(dòng)缸具有較高的控制性和控制精度。
三．電動(dòng)缸的主要特點(diǎn)
電動(dòng)缸由于其獨(dú)有的性能特點(diǎn)，在許多工業(yè)場(chǎng)合被逐步推廣使用，它作為一種新穎的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下諸多方面。
1.節(jié)能干凈、超長(zhǎng)壽命、操作維護(hù)簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。伺服電動(dòng)缸不容易受到周圍環(huán)境溫度的影響，可在低、高溫，雨雪等惡劣環(huán)境下無(wú)故障正常工作。防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP66。密封件防止缸外污垢和水的污染并防止內(nèi)部潤(rùn)滑劑的泄漏，長(zhǎng)期工作，并且實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，高速度，高精度定位，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低噪音。
2.傳動(dòng)效率高。采用精密滾珠絲杠或行星滾柱絲杠等精密傳動(dòng)元件的電動(dòng)缸，省去了很多復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)效率得到了很大提高。這幾種類型的電動(dòng)缸傳動(dòng)效率可以達(dá)到90％以上。
3.定位精度高。采用滾珠絲杠的伺服電動(dòng)缸，通過(guò)伺服控制可以實(shí)現(xiàn)0.01mm左右的精確定位，具有很高的定位精度，適合應(yīng)用在對(duì)精度要求比較高
的場(chǎng)合。電動(dòng)缸在半閉環(huán)時(shí)就能達(dá)到相當(dāng)高的定位精度，而液壓缸和氣缸要達(dá)到相同的定位精度必須采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)。
4.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，維護(hù)方便。電動(dòng)缸主要由電機(jī)和螺母螺桿機(jī)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，不會(huì)占用太大的工作空間。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在發(fā)生故障時(shí)容易找到故障原因，平時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)也非常方便。
5.可靠性和安全性高。電動(dòng)缸可以搭載先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)，以及各種行程控制裝置，對(duì)電動(dòng)缸的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和反饋，防止發(fā)生事故。
6.運(yùn)行穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。當(dāng)電動(dòng)缸采用滾珠絲杠或行星滾柱絲杠時(shí)，傳動(dòng)部分的摩擦將大大減小，有利于減少材料磨損，提高運(yùn)行穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。
7.響應(yīng)快，直線工作速度可以在很寬的速率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，低速運(yùn)行穩(wěn)定。液壓缸的工作速度一般只能達(dá)到35mm/s，但普通電動(dòng)缸的工作速度一般可以達(dá)到55mm/s。采用了行星滾柱絲杠的電動(dòng)缸的速度甚至可以達(dá)到2000?mm/s，速度優(yōu)勢(shì)非常明顯。此外，液壓缸在低速重載下容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而電動(dòng)缸沒(méi)有這個(gè)缺點(diǎn)。
8.控制精準(zhǔn)，同步性好。在需要多驅(qū)動(dòng)同步的情況下，使用液壓缸或氣缸很難達(dá)到高精度的同步，因?yàn)槭苟鄠€(gè)獨(dú)立的液壓缸或氣缸的控制回路頻率特性一致
是非常困難的事情。但使用多個(gè)電動(dòng)缸很容易達(dá)到同步，因?yàn)殡姎庀到y(tǒng)的頻率特性比較容易達(dá)到一致。
9.電動(dòng)缸還可替代部分液壓缸和氣動(dòng)缸。能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳動(dòng)的元件主要有電動(dòng)缸、液壓缸、氣缸這三者的主要區(qū)別如下表所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，電動(dòng)缸比液壓缸和氣缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受溫度波動(dòng)的影響小。
它可替代液壓缸和氣動(dòng)缸，從而帶來(lái)比傳統(tǒng)技術(shù)更大的優(yōu)勢(shì)，它具有液壓和氣動(dòng)缸得以流行的許多獨(dú)特設(shè)計(jì)，以及更清潔、更簡(jiǎn)單且能效更高的動(dòng)力傳輸能力，同時(shí)執(zhí)行器也可以更加簡(jiǎn)易的集成到可編程控制系統(tǒng)中，因此精度更高，噪音更少。
四．電動(dòng)缸工作原理
電動(dòng)缸的工作原理是以電力作為直接動(dòng)力源，采用各種類型的電機(jī)(如AC伺服電機(jī)、步進(jìn)伺服電機(jī)、DC伺服電機(jī)）帶動(dòng)不同形式的絲杠(或螺母)旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)構(gòu)件間的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母(或絲杠)的直線運(yùn)動(dòng)，再由螺母(或絲杠)帶動(dòng)缸筒或負(fù)載做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的電動(dòng)缸一般采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)構(gòu)件間的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的直線運(yùn)動(dòng)。近些年新興的“螺母反轉(zhuǎn)型”電動(dòng)缸(如整體式行星滾柱絲杠電動(dòng)缸)采用相反的驅(qū)動(dòng)方式，即驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)構(gòu)件間的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)。
4.1.運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)
電動(dòng)缸主要采用螺旋絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。螺旋絲杠傳動(dòng)主要有螺母螺桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)和行星滾柱絲杠傳動(dòng)等。普通的螺母螺桿機(jī)構(gòu)由于傳動(dòng)摩擦阻力大、傳遞效率低等缺點(diǎn)而逐漸被淘汰，目前較常用的是滾珠絲杠傳動(dòng)和行星滾柱絲杠傳動(dòng)等。
滾珠絲杠是目前電動(dòng)缸最常用的傳動(dòng)元件之一，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑥D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。由于很多滾珠在滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以采用滾珠絲杠的電動(dòng)缸能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。
4.2.減速機(jī)構(gòu)
電動(dòng)缸的減速機(jī)構(gòu)可選用同步帶、行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器等。
同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)多用于折返式電動(dòng)缸上。同步帶傳動(dòng)具有傳動(dòng)準(zhǔn)確，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。部分電動(dòng)缸在減速裝置的選擇上采用了行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。行星齒輪傳動(dòng)是使一個(gè)或一個(gè)以上的行星輪的軸線繞中心輪的固定軸線回轉(zhuǎn)的齒輪傳動(dòng)。行星齒輪傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)。諧波齒輪減速器也是電動(dòng)缸常用的減速裝置之一。所謂諧波傳動(dòng)是一種靠中間柔性構(gòu)件彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)的裝置的總稱。諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、承載能力大，傳動(dòng)比范圍大、運(yùn)動(dòng)精度高、齒面磨損小而均勻等優(yōu)點(diǎn)
4.3.控制系統(tǒng)
伺服電動(dòng)缸的核心部件為伺服電機(jī)，電動(dòng)缸系統(tǒng)利用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制特性，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本身也具有位移、速度、轉(zhuǎn)矩等多種控制模式，但為了控制策略的自由性和多樣性從而實(shí)現(xiàn)位移、速度、加速度曲線品質(zhì)的優(yōu)化，利用PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器或PLC、執(zhí)行和輔助單元建立開放式的控制系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制進(jìn)一步提高控制品質(zhì)。該技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)缸推桿位移、速度、推力、加速度的高精度動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制，為伺服電動(dòng)缸控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)程序化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制。
電動(dòng)缸主要由伺服電機(jī)、電動(dòng)缸體、傳動(dòng)裝置和位置反饋裝置等組成。其主要功能是通過(guò)PC機(jī)或HMI輸入控制命令信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制卡或運(yùn)動(dòng)控制器，然后經(jīng)過(guò)設(shè)定運(yùn)動(dòng)指令、插補(bǔ)算法、路徑規(guī)劃等發(fā)送指令給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)減速器、換向齒輪傳動(dòng)或同步帶機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)；絲杠螺母徑向限位，在絲杠旋轉(zhuǎn)力的驅(qū)動(dòng)下與推桿一起做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，在絲杠端部安裝有多圈絕對(duì)值編碼器作為位置反饋裝置，也可以用伺服電機(jī)自帶編碼器作為位置反饋，實(shí)時(shí)反饋推桿位置。并且實(shí)時(shí)讀取電動(dòng)缸上編碼器反饋值，獲得電動(dòng)缸的實(shí)際位置，上傳給PC或HMI用于顯示監(jiān)控。具有手動(dòng)功能、應(yīng)急裝置、鎖定功能、極限限位、報(bào)警功能。
?伺服控制主要解決位置控制問(wèn)題，要求系統(tǒng)具有對(duì)位置指令準(zhǔn)確的跟蹤能力。對(duì)于伺服系統(tǒng)而言，位置指令是一個(gè)隨機(jī)變量，系統(tǒng)必須具有良好的跟隨性能，才能準(zhǔn)確跟蹤給定位置的變化，確保電動(dòng)缸推桿準(zhǔn)確跟蹤給定指令。
因此利用伺服電機(jī)的反饋信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)器外部與運(yùn)動(dòng)控制器之間構(gòu)造了一個(gè)數(shù)字閉環(huán)，并在控制器中采取PID算法和超前補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)了人工對(duì)PID參數(shù)的快捷調(diào)節(jié)，并且進(jìn)一步提高了伺服跟蹤精度。在復(fù)雜指令下，伺服電動(dòng)缸推桿相位延遲和幅值誤差都得到明顯的改善，對(duì)于預(yù)先設(shè)定伺服運(yùn)行軌跡的環(huán)境有參考價(jià)值。
五．電動(dòng)缸的發(fā)展趨勢(shì)
電動(dòng)缸的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電動(dòng)缸的市場(chǎng)也越來(lái)越大。隨著工廠自動(dòng)化的要求逐步提高，將會(huì)有越來(lái)越多的公司投入到電動(dòng)缸的研究開發(fā)中。未來(lái)電動(dòng)缸的發(fā)展趨勢(shì)將主要集中在以下幾點(diǎn)：
1.高精度。目前采用滾珠絲杠傳動(dòng)的伺服電動(dòng)缸，通過(guò)伺服控制可以實(shí)現(xiàn)0.01mm左右的精確定位。但是很多精密設(shè)備要求直線傳動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)0.001mm的精確定位，而現(xiàn)在的電動(dòng)缸還無(wú)法達(dá)到這一精度。因此通過(guò)發(fā)展伺服控制技術(shù)和探討新的傳動(dòng)形式，電動(dòng)缸將具備更高的精度，以滿足高精度設(shè)備的需求。此外，采用先進(jìn)的外部傳感器也是提高電動(dòng)缸精度的一個(gè)重要方法。重復(fù)定位精度可達(dá)0.02mm，但增加外部位移傳感器(如光柵尺)后，控制精度可以達(dá)到0.005mm。
2.新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在一些直線運(yùn)動(dòng)行程大、承載力高的場(chǎng)合，需要更長(zhǎng)的絲杠或螺母，同時(shí)也要求設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的滾柱以增加嚙合點(diǎn)，這就增加了制造的難度，因此有必要開發(fā)新的傳動(dòng)形式以滿足特殊場(chǎng)合的需要。
3.高負(fù)載。鍛壓設(shè)備和大型軍事設(shè)備上需要更大承載力的裝置，但是目前電動(dòng)缸的最大承載能力普遍低于液壓缸。螺旋絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是電動(dòng)缸的主要承力機(jī)構(gòu)，隨著螺旋絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)制作技術(shù)和材料的發(fā)展，電動(dòng)缸的承載能力將得到很大提高。
4.發(fā)展適用于電動(dòng)缸的伺服電機(jī)技術(shù)。伺服電機(jī)的性能直接影響著電動(dòng)缸的性能，電動(dòng)缸有其自己的工作特點(diǎn)，發(fā)展適用于電動(dòng)缸的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)于推動(dòng)電動(dòng)缸的發(fā)展具有重要意義。如GSM系列的電動(dòng)缸在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)上進(jìn)行了改進(jìn)，其內(nèi)置伺服電機(jī)采用了T-LAM?定子分段疊片設(shè)計(jì)技術(shù)，電機(jī)發(fā)熱量非常低，輸出轉(zhuǎn)矩比相同體積的傳統(tǒng)伺服電機(jī)大35％。此外，隨著一些先進(jìn)的控制方法(如模糊控制、專家系統(tǒng)等)引入永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器，以及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的性能也將得到大幅提高，從而促進(jìn)電動(dòng)缸的發(fā)展。
5.高速率。目前電動(dòng)缸的速率主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)決定，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)獲得發(fā)展時(shí)，電動(dòng)缸的速度也將得到很大提升。此外，由于滾珠在高速運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生碰撞，所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速一般只能在2000r/min以下。而現(xiàn)在高性能電機(jī)轉(zhuǎn)速都在3000r/min以上，因此滾柱絲杠傳動(dòng)將得到發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)缸的高速率運(yùn)行。
6.小型化和一體化。隨著電動(dòng)缸技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)缸傳動(dòng)部件將實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，電動(dòng)缸的尺寸將越來(lái)越小，以占用更少的安裝空間。如Exlar公司的GS系列電動(dòng)缸，該系列電動(dòng)缸將實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)所需的全部部件集成到一個(gè)封閉的單元中，直接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，體積比傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)小得多。此外，電動(dòng)缸還將與設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，使其能夠更好地滿足設(shè)備的需求。
7.數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。電動(dòng)缸將實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制，以滿足未來(lái)生產(chǎn)模式的需求。下圖六自由度電動(dòng)平臺(tái)通過(guò)同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)同時(shí)控制６個(gè)電動(dòng)缸，使其聯(lián)合工作。該電動(dòng)平臺(tái)還可與其他外部設(shè)備連接，由總平臺(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制。
8.更長(zhǎng)的工作行程。目前常見(jiàn)的電動(dòng)缸多為單級(jí)傳動(dòng)，但很多情況下，單級(jí)電動(dòng)缸不能滿足設(shè)備工作行程的要求，因此，電動(dòng)缸將向著多級(jí)化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作行程。