Hydraulisylintereitä, jotka tunnetaan suuresta voimastaan ​​edulliseen hintaan, on käytetty laajalti tehdasautomaatiolaitteissa ja muissa erikoisautomaatiolaitteissa vuosikymmenten ajan. Hydrauliikka on kestävää, suhteellisen helppoa ottaa käyttöön ja sen kustannukset voimayksikköä kohden ovat alhaiset. Viime vuosina sähkökäyttöisistä tankotoimilaitteista (servosylintereistä) on tullut joustavampia, tarkempia ja luotettavampia, ja niiden voimakapasiteetti on yhä suurempi. Nämä edistysaskeleet ovat luoneet jatkuvan keskustelun siitä, kumpi teknologia – hydraulisylinteri vai sähköinen toimilaite – tarjoaa parhaan kokonaisratkaisun.

1. Sähköiset sauvatoimilaitteet vs. hydrauliset sylinterit:Järjestelmän komponentit

Hydraulisylinterijärjestelmän tarvitsemien komponenttien määrä ja kokonaistila on paljon suurempi kuin sähköjärjestelmän. Hydraulijärjestelmät vaativat:

• Sylinteri

• Voimayksikkö öljynpaineen aikaansaamiseksi

• Ohjaus- ja apuventtiilit

• Suodattimet

• Letkut

• Liittimet

• Lisäkomponentit

Hydraulisylinterit vievät kompaktin tilan työpisteessä (missä tehotiheyttä tarvitaan), mutta hydraulinen tehoyksikkö (HPU), joka säätelee virtausta ja painetta näihin toimilaitteisiin ja muihin komponentteihin, voi vaatia paljon lattiatilaa. HPU:t eivät ole pieniä ja ne sijoitetaan tyypillisesti lähelle itse sylinteriä, mikä lisää järjestelmän tilantarvetta entisestään. Hyvin suurissa järjestelmissä, joissa on etäasennetut HPU:t, pitkät letkut voivat heikentää hydraulijärjestelmän kokonaisjäykkyyttä ja tehokkuutta.

Sähkökäyttöiset sauvakäyttöiset toimilaitteet vievät vähemmän tilaa. Nämä järjestelmät käyttävät mekaanista toimilaitetta, moottoria (servomoottoria tai muuta), valinnaista vaihteistoa, kaapeleita ja käyttölaitetta/vahvistinta, joka on yleensä asennettu ohjauskaappiin.

Vaikka sähköinen toimilaite – tehoruuvin ja laakerijärjestelmän integroinnin ansiosta – vaatii lisäpituutta hydraulisylinteriin verrattuna, järjestelmän kokonaisjalanjälki huomioon ottaen servomoottorin – HPU:n toiminnallisen vastineen – huomattavasti pienempi jalanjälki kompensoi tämän lisäpituuden enemmän kuin hyvin. Automaatiolaitteet käyttävät tyypillisesti ohjauskaappia, ja ne voidaan suunnitella lisäkäyttöä varten. Servomoottorin kokovaatimukset ovat yleensä murto-osa HPU:n kokovaatimuksista.

Uusissa järjestelmäsuunnitteluissa, jos työpisteen lisätila voidaan tehdä sähköisen toimilaitteen työiskun ja kokonaispituuden mukaiseksi, koneen kokonaisjalanjälkeä voidaan pienentää huomattavasti poistamalla suurten tehoyksiköiden tarve.

2. Sähköiset sauvatoimilaitteet vs. hydrauliset sylinterit:Liikkeenohjausominaisuudet

Tärkein syy, miksi insinöörit valitsevat sähköisen toimilaitejärjestelmän hydraulisen sylinterijärjestelmän sijaan, on sen liikkeenohjausominaisuuksien joustavuus: asennon säätö (useita asentoja, tarkkuus); nopeuden säätö; kiihtyvyyden/hidastuvuuden säätö; lähtövoiman säätö; ja kaikkien näiden liikemuuttujien monimutkainen säätö lennossa. Sähköisillä toimilaitteilla, yhdistettynä servomoottoriin ja moottorijärjestelmään, on portaaton paikan säätö. Asennon tarkkuus ja toistettavuus ylittävät huomattavasti hydraulisen järjestelmän ominaisuudet.

Vakiohydrauliikka sopii erinomaisesti päästä päähän -asentoihin, mutta iskun puolivälissä tehtävä asemointi on monimutkaisempaa ja vaatii ohjausventtiilin ja käyttäjän apua. Iskun puolivälissä tehtävä asemointi on avoimen silmukan mukainen ja vaatii käyttäjän päättämään, mikä asento on hyväksyttävä. Lisäksi nopeuden säätöä valvotaan ohjausventtiilin kautta, ja jälleen käyttäjän on valittava sovellukseen hyväksyttävä nopeus, mutta tarkan nopeusasetuksen saavuttaminen on usein vaikeaa. Kun nopeusasetus on säädetty, hydraulisylinteriltä vaadittavaa painevoimaa säädetään paineventtiilin kautta. Lopuksi hydraulisylinterin asennon, nopeuden ja voiman toistettavuus riippuu kuluneista tiivisteistä, vuodoista, painehäviöistä ja pumpun aiheuttamista piikeistä sekä muista huoltotekijöistä. On vaikea saada toistettavaa suorituskykyä päivästä toiseen, kuukaudesta toiseen tai vuodesta toiseen tuotantoympäristössä, kun öljyn laatu ja viskositeetti muuttuvat lämpötilavaihteluiden vuoksi. Halutun suorituskykytason saavuttaminen vaatii jatkuvaa käyttäjän puuttumista asiaan.

Kehittyneemmät hydrauliset järjestelmät, joita kutsutaan "servohydraulisiksi", voivat tarkasti ohjata asentoa, nopeutta ja voimaa, mutta ne vaativat lisäkomponentteja – servosäätimen, sähköhydraulisen servoventtiilin ja asennon takaisinkytkentälaitteen, kuten lineaarimuuntimen – jotka lisäävät merkittävästi monimutkaisuutta, tilaa ja kustannuksia. Nämä komponentit ohjaavat painetta ja virtausta hydraulisylinteriin samalla tavalla kuin servokäyttö ohjaa servomoottorin virtaa. Hydrauliikassa on myös vielä edistyneempiä ohjaimia, jotka mahdollistavat useiden akseleiden koordinoinnin yhdessä. Tämä on kuitenkin harvinaista hydrauliikkajärjestelmien toteutuksessa, ja nämä ohjaimet lisäävät äärimmäistä monimutkaisuutta ja kustannuksia koko järjestelmään. Lisäksi ne voivat olla melko herkkiä ja vaativat säännöllistä huoltoa halutun suorituskyvyn varmistamiseksi.

Yhdessä servo-ohjausjärjestelmän kanssa sähköiset toimilaitteet tarjoavat enemmän kuin vain äärettömän ohjauksen ja erinomaisen tarkkuuden ja toistettavuuden. Moniakselisia servo-ohjaimia on saatavilla valmiina useimmissa nykyaikaisissa ohjausjärjestelmissä. Ohjaimet ja sähköiset toimilaitteet on helpompi ja kustannustehokkaammin koordinoida yhteen monimutkaisissa kokoonpanoissa rajoitetumpien hydraulisten vaihtoehtojen kautta. Yhden tai useamman sähköisen toimilaitteen nopeutta ohjataan tarkasti ja tarkasti koko ajan, ja se voi helposti vaihtaa nopeudesta toiseen pysähtymättä tai yliajettaessa. Kiihtyvyyden ja hidastuvuuden ohjaus tarkoittaa, että sähköiset toimilaitteet eivät "paiskaudu" äkillisesti tai lähde toimimaan. Tämä poistaa runkoelementteihin kohdistuvan rasituksen ja tarpeen suunnitella rakenteita ylikuormituksen kestämiseksi. Kaikki liikkeet ovat sulavia, mikä mahdollistaa sähköisten toimilaitteiden käytön kriittisissä prosesseissa, joissa koneen tärinä ei ole hyväksyttävää tai prosessinopeus heikkenee. Voimaa ohjataan servomoottoriin syötetyn virran avulla. Koska servo-ohjaimilla on tarkka virran säätö, lähes kaikki sähköiset toimilaitteet tarjoavat tarkan ja toistettavan voimantuoton säädön työpisteessä.

Lopuksi, sähkökäyttöisten toimilaitteiden tärkeä ominaisuus on niiden kyky tarjota ohjelmoitava ohjaus kaikille liikeprofiilimuuttujille. Tämän seurauksena ainoa käyttäjän vuorovaikutus on etukäteissuunnitteluaika haluttujen suorituskykymuuttujien rakentamiseksi PLC:n tai muun ohjaimen ohjelmointiympäristöön. Kun arvot on asetettu, toiminto toistuu päivästä toiseen, kuukaudesta toiseen ja vuodesta toiseen. Lisäksi HMI-näyttöjen (Human Machine Interface) avulla sijainnin, nopeuden, kiihtyvyyden/hidastuvuuden ja voiman muuttujia voidaan helposti muuttaa milloin tahansa, mikä tarjoaa maksimaalisen joustavuuden. OEM-ympäristössä järjestelmän suorituskykyä on helpompi hallita sähköisen ja nestejärjestelmän paremman johdonmukaisuuden ansiosta.

3. Sähköiset sauvatoimilaitteet vs. hydrauliset sylinterit:Joukkojen kyvyt

Korkeiden käyttöpaineidensa ansiosta hydraulisylinterijärjestelmät ovat erinomaisia ​​erittäin suurten voimien tuottamisessa. Tyypilliset paineet vaihtelevat 1800–3000 psi:n (124,1–206,8 bar) välillä. Joissakin korkeapainehydrauliikkajärjestelmissä käytetään jopa 5000 psi:n (344,7 bar) painearvoja tehotiheyden korostamiseksi entisestään. Koska hydraulisylinterit toimivat voima = paine x pinta-ala -periaatteella, korkeat paineet mahdollistavat pienempien sylinterien saavuttaa erittäin suuria voimia. Esimerkiksi 3- ja 5-tuumaiset sylinterit 2200 psi:n paineella voisivat saavuttaa noin 15 000 lbf:n (66 723,3 kN) ja 43 000 lbf:n (191 273,5 kN). Hydraulisylintereitä ei kuitenkaan yleensä käytetä täydellä tehokapasiteetilla; ne on yleensä ylimitoitettu hallinnan parantamiseksi.

Sähkökäyttöisiä toimilaitteita harkittaessa on tärkeää määrittää tarvittava työvoima. Sähkökäyttöisen toimilaitteen tarvitseman voiman arvioimiseksi tyypillinen lähestymistapa on säätää hydraulista työporttia tai järjestelmän painetta, kunnes toimintoa ei enää voida suorittaa. Sähkökäyttöiset toimilaitteet käyttävät servomoottorin läpi kulkevaa virtaa tuottaakseen vääntömomentin mekaaniseen järjestelmään, joka puolestaan ​​pyörittää voimaruuvia ja tuottaa voimaa. Tämä on valtava etu; voima on välitön. Hydraulijärjestelmissä, joissa järjestelmän jäykkyyttä ei ole optimoitu, hydraulisen toimilaitteen on odotettava paineen muodostumista, kunnes voima on saavutettu. Toinen suuri etu sähköjärjestelmissä on se, että servo-ohjain säätelee virtaa automaattisesti. Sähkökäyttöinen toimilaitejärjestelmä käyttää virtaa käytännössä "tarpeen mukaan". Kaikki säätö tapahtuu automaattisesti. Hydraulisen tehoyksikön on aina pidettävä paine järjestelmässä, jotta hydraulisylinteri voi toimia, mikä voi olla erittäin vaikeaa.

Sähköistä karamoottorijärjestelmää valittaessa on tärkeää ottaa huomioon moottorin kierrosluku ja vääntömomenttiominaisuudet yhdistettynä sähköisen karamoottorin ruuvin johtimeen. Servomoottorin nopeuden ja vääntömomentin yhteensovittaminen johtoruuvin mekaaniseen tehoon voi olla monimutkaista. Hydrauliikan tuottamien äärimmäisten voimien saavuttaminen on täysin mahdollista sähkötekniikalla, mutta tyypillisesti käytetyn sähköisen karamoottorin rungon halkaisija on suurempi ja sähköisen karamoottorijärjestelmän maksiminopeus on liian suuri. Järjestelmän mitoituksen monimutkaisuus on helppo ratkaista, sillä karamoottori- ja servokomponenttien valmistajat tarjoavat helppokäyttöisiä liikkeenohjauksen mitoitusohjelmistopaketteja, jotka ottavat huomioon kaikki nämä muuttujat.

4. Sähköiset sauvatoimilaitteet vs. hydrauliset sylinterit:Nopeusominaisuudet

Suurten nopeuksien saavuttaminen suurilla voimilla asettaa haasteita sekä hydraulisille että sähköisille teknologioille. Hydrauliikka vaatii painetta voiman saavuttamiseksi ja virtausta nopeuden saavuttamiseksi. Suurempien nopeuksien saavuttamiseksi suuremmilla voimilla järjestelmässä on oltava riittävästi paineistettua öljyä, jotta tarvittava öljymäärä voidaan työntää sylinteriin vaaditussa ajassa (määriteltynä virtauksena). Tämä vaatii tyypillisesti varastointijärjestelmän paineistetun tilavuuden pitämiseksi. Ongelma voi moninkertaistua pitkäiskuisilla sylintereillä; lataamattomat varaajat voivat tyhjentää järjestelmän öljystä. Lopulta lisäkapasiteetin käyttöönotto hydraulisissa varaajajärjestelmissä mahdollistaa suurten nopeuksien saavuttamisen suurilla voimilla. Tämän käytännön haittapuolena on, että ilman hydraulijärjestelmän servohydraulista ohjausta ylimääräistä energiaa (voima x nopeus) käytetään olennaisesti avoimen silmukan säätöjärjestelmässä.

Kuten aiemmin todettiin, sähköisen karamoottorijärjestelmän voimaominaisuudet riippuvat servomoottorin kierrosluvun, servomoottorin vääntömomentin ja ruuvijohdon sekä mahdollisesti vaihteiston mekaanisen edun oikeasta yhdistelmästä. Servomoottorien koon kasvaessa vääntömomentti tyypillisesti kasvaa merkittävästi, mutta kierrosluvut pienenevät. Äärimmäisissä voiman ja nopeuden sovelluksissa sähköinen karamoottorijärjestelmä voi saavuttaa halutun suorituskyvyn vain ylimitoittamalla järjestelmän huomattavasti – mikä voi olla kustannuksiltaan kohtuuton. Vaihtoehtoisesti on muistettava, että sähköisellä karamoottorijärjestelmällä on täydellinen hallinta liikeprofiiliin; sen ei tarvitse toimia koko syklin ajan. Lisäksi kiihtyvyyden ja hidastuvuuden hallinnan ansiosta sähköinen järjestelmä voi asettua nopeammin, mikä lyhentää syklin aikaa ja lisää tehokkuutta. Lopuksi, sähköinen karamoottoriteknologia voi lieventää joitakin tarvittavia huippunopeuksia, koska älykkäämpiä ja lyhyempiä liikkeitä voidaan suorittaa.