工業自動化控制應用：氣動、液壓、還是伺服系統

概述：作為重要的自動化學科，氣動和液壓技術在很長時間內是機器制造商們前景的一部分。在全世界的工廠中，有大量這樣的機器運行良好。 
對于許多工業自動化的領軍者，電子伺服電機和數字控制看起來似乎日益過時，但那些解決方案并不像一些人想象得那樣被充分應用。 
通過運用現代位置傳感器和閉環控制方法，伺服氣動控制實現了比傳統推動應用更多的功能，而伺服液壓控制系統能準確和精確地定位重荷，它們都有一些缺點，但利大于弊。 
一、液壓起重： 
液壓動力解決方案非常有利于重物舉起或要求極限供壓的應用場合，例如粉末金屬沖壓操作（見圖1）。通常，在模具里的粉末金屬用于沖模。一臺上汽缸推動一個沖頭進入沖模區，并壓縮粉末。“壓力取決于機器的尺寸，但能高達750噸，”Alpha Lehigh 工具與機器公司的總裁Scott Green說。緊密粉末顆粒被制成模子形狀，從模子中被取出。然后在一個類似制陶窯爐的烤爐里烘焙。金屬顆粒的顆粒/分子間相互結合，這個精微的“焊接”過程被稱為熱壓法。 
“我們再重新修整沖模物，以達到現代標準，并使用閉環控制系統操作比例閥，這種閥門是用來控制大量的油到達上、下沖擊汽缸，”Green說，“在上、下沖擊汽缸上的磁性傳感器把位置反饋到計算機。計算機系統使上下沖擊汽缸的移動更靈活，也因反饋系統而獲得更大的靈活性和同步性。” 工具與機器公司重新修整了液壓動力作用下的粉末金屬沖壓物。Delta計算機公司總裁Steve Nylund說，通過伺服液壓控制，系統能在微米范圍內調低傳感器的精度，并且能夠重復和準確地做到。“你能應用巨大的動力，并且比使用氣動法更安全，”他說，“液壓致動器比他們的電動伺服同類更小，當機器建造者空間有限但必須準確地應用巨大力量時，液壓致動器是非常有用的。” 這里有一些很適合液壓應用場合的傳感器。例如，磁致伸縮傳感器被插入一個液壓汽缸，構成一個很好的執行-反饋系統。但工業自動化領域的專業人士認為，要考慮液壓系統的特殊控制。液壓汽缸通常被建成單端設備。連桿側面和反面端部的力量是不相同的，所以控制器的增益必須按比例地與液壓系統工作。 
二、伺服氣動：挑戰控制： 
在一些重物應用場合下，液壓方式通常被認為是一種好的解決方法。但有些機器制造商正在擺脫這種方法。Schap Specialty Machine公司的Bill Schap說，伺服氣動更適合于他公司為汽車工業和大型裝置制造者而建的底座測試設備（如圖2）。“我們使用伺服環路已有15年以上了，我們正共同努力擺脫液壓方式，”Schap說，“它噪音大、會泄漏而且昂貴。對于那些大而固定的負載來說，它工作得很好。但對大部分、簡單的低端液壓應用來說，它很容易被氣動和伺服氣動系統所取代。” 
Schap說，自從十年前出現比例氣動閥時，他在Enfield Technology公司（www.enfieldtech.com）工作。當它第一次使用時，他就試圖通過位置反饋來保持氣動缸上的位置。“在我們的應用中，我們用一個負載單元使環路閉合，而不是使用位置傳感器。在過去的10年里，我們做了100多個那樣的系統。那些系統中有許多都使用多達16個汽缸 — 所有都閉環，所有都獨立運行到單個PC上，效果良好。” 
Enfield的LS系列伺服氣動控制系統可運行在開環或閉環狀態，它包括一個專用的裝置控制，并以一個五端口、三位置的中間封閉的定位閥。公司總裁Ed Howe指出，這種集中式控制線路可通過一個少于100微秒響應時間，提供實時命令和反饋信號監測。當系統被設計為比例氣動控制式時，一個端口的全開閉的周期時間只用了5毫秒 — 它也能被用于速度應用。 
和液壓缸一樣，氣動缸能與各種位置傳感器一起工作，提供反饋給控制器。通常電位計是一種低成本儀器，它的成本是其它傳感器的三分之一。由于他們要與致動器有實體接觸，生命周期比非接觸裝置更短。磁致伸縮傳感器提供絕對位置信息和非接觸服務，按長度和應用的不同，價格在300美金至1000多美金不等。而感應式傳感器比磁致伸縮傳感器的成本要低，且不必和移動部分相聯，但它們不象磁致裝置那樣精確。 
根據Nylund，挑戰來自于控制器本身。今天大多數氣動系統仍使用非智能的控制器。“我們發現一個智能氣動控制器的機會，但它們必須處理媒介變化的可壓縮性中的非線性方面，”他說：“控制器將需要有各種傳感輸入到監控器，并且不僅僅控制位移，還要控制力度和壓力。 
三、重擊應用： 
氣動技術有它結束的一天嗎？對于重擊應用，有的會使用一個伺服電機和滾珠絲杠，而不是氣動缸。Schap說他的一些顧客已經建立疲勞試驗裝置 — 使用一個伺服電機和滾珠絲杠組合進行重復的后退和前進移動。他們對這個系統的生命期望很樂觀。那么，線性電動機如何？“我們觀察過它們，”Schap說，“它們價格昂貴，不能產生很大的功率。值得提倡的地方是它們的確很迅速和沒有運動部分的更換。但它們不能在我們應用當中產生足夠大的力量。” 
在位置應用方面，線性電機看起來是理想的選擇。它們應用在卷線機、半導體晶片傳送系統、PC板揀/放機器和用于自動化實驗測試應用的藥液處理系統中。當速度和精確對應用都很重要時，線性電機能以開環步進電機形式和閉環電機形式工作。 
在Schap的應用中，走伺服路線是否劃算？采用伺服氣動方案時，要用一個位移傳感器，一個伺服閥和一個負載單元 — 各部分值幾千美金。采用伺服電機方案時，要用一個伺服電動機和電動汽缸。Schap認為兩種技術成本的差異是接近的，但建議將被棄用的氣動缸用于包裝機器，可保持低成本運行兩到三年。通常在高撞擊應用中，滾珠絲杠不會比便宜的氣動方式持續更長時間，并且通常更換價格更貴。他們正試圖棄用液壓方式，用氣動式和伺服氣動系統取代它。數字化使控制更容易 
無論你的應用是液壓的、氣動的或是機電式的，對于機器生產者和他們的顧客來說，真正造就完全不同的今天是由于數字控制。也許是因為它易于編程，或許是因為它靈活的電子控制。Triangle 包裝機械公司的電子總工程師Steve Bergholt說，“靈活的體系允許我們再利用設計和簡化工程任務。我們能預測和預建，分配我們的資源，以便在3個月時間入把機器投放市場，而不是六個月—在工程成本上節約了數千美金。” 
機器制造者不僅受益于數字控制。“顧客希望在以太網絡上進行文件傳輸，” Nieves補充道，“他們也想通過數字網絡能進行I/O通訊。” 
Alpha公司的Green說，顧客也喜歡存儲和檢索質量控制記錄的功能。“我們能實現每個部分最后的定位和壓力，” Green說，“因特網連接是另一種有利因素，因為故障排除可以在沒有昂貴在線服務電話的情況下得以解決。”也容易像這樣在一個系統上進行培訓，顧客喜歡這種與企業系統相聯以監控生產過程的能力。 
軟件排除了顧客在完成一項工作任務的復雜性，而不是玩弄一些旋鈕、開關和刻度盤。“無論你想要什么怪異的負載任務：20 lbs并保持10分鐘，到30 lbs并保持10分鐘，然后400 lbs并保持10分鐘 — 這些我們能做到，”Schap公司的部門經理Brain Sayranian說，“這就是軟件。任何從局部看來額外的負載都能在軟件中被補償。” 
做好準備，再作決定 
在你決定購買之前，請仔細考慮實際應用。不要忽視任何特殊的選擇，直到您完全衡量了成本和收益。盡管Sayranian沒有很好談論液壓方式，但他會告訴你：他公司的安全帶正拖拉著測試系統，“在你需要繼續拉安全帶負載點的地方，直到安全帶被破壞 — 沒有其它任何選擇能傳遞撞擊和力量。如果你使用氣動方式，你需要直徑8.5英寸、長25英寸的汽缸。