¿Cuáles son las diferencias entre cilindros y actuadores eléctricos?

Desde una perspectiva tradicional, los cilindros y los actuadores eléctricos siempre se han considerado productos de automatización pertenecientes a dos campos completamente diferentes, sin embargo, en los últimos años, con la mejora continua de la electrificación, los actuadores eléctricos se han ido introduciendo. En el campo de la neumática, ambos compiten y se complementan en su aplicación. En esta columna, compararemos las ventajas respectivas de los cilindros y actuadores eléctricos desde varios aspectos, como el rendimiento técnico, los costos de compra y aplicación, la eficiencia energética, las ocasiones de aplicación y la situación del mercado.

1. Rendimiento técnico

Como todos sabemos, en comparación con los actuadores eléctricos, los cilindros pueden funcionar de manera confiable en condiciones difíciles, son fáciles de operar y básicamente no requieren mantenimiento. Los cilindros son buenos para el movimiento lineal alternativo y son especialmente adecuados para los requisitos de transmisión más comunes en la automatización industrial: el transporte lineal de piezas de trabajo. Además, se puede lograr fácilmente un control de velocidad estable simplemente ajustando las válvulas de mariposa unidireccionales instaladas en ambos lados del cilindro, lo que se ha convertido en la característica y ventaja más importante del sistema de accionamiento del cilindro. Por lo tanto, para los usuarios que no tienen requisitos de posicionamiento multipunto, la mayoría prefiere utilizar cilindros desde la perspectiva de la facilidad de uso. En la actualidad, la mayoría de las aplicaciones de actuadores eléctricos en sitios industriales requieren un posicionamiento multipunto de alta precisión. Esto se debe a que es difícil lograrlo con un cilindro, por lo que el segundo mejor es el resultado.

Los actuadores eléctricos se utilizan principalmente para condiciones de rotación y oscilación. Su ventaja radica en su rápido tiempo de respuesta y control preciso de velocidad, posición y par a través del sistema de retroalimentación. Sin embargo, cuando es necesario completar el movimiento lineal, la conversión de la transmisión debe realizarse mediante dispositivos mecánicos como correas dentadas o varillas roscadas. Por lo tanto, la estructura es relativamente compleja y requiere altos requisitos para el entorno de trabajo y el conocimiento profesional. personal de operación y mantenimiento.

2. Ventajas del cilindro:

(1) Menores exigencias a los usuarios. El principio y la estructura del cilindro son simples, fáciles de instalar y mantener y tienen bajos requisitos para los usuarios. El cilindro eléctrico es diferente. Los ingenieros deben tener ciertos conocimientos eléctricos, de lo contrario es muy probable que se dañe debido a un mal funcionamiento.

(2) Alta potencia de salida. La fuerza de salida del cilindro es proporcional al cuadrado del diámetro del cilindro; mientras que la fuerza de salida del cilindro eléctrico está relacionada con tres factores, el diámetro del cilindro, la potencia del motor y el paso de la varilla roscada. Diámetro y potencia del cilindro, cuanto menor sea el paso, mayor será la fuerza de salida. Un cilindro con un diámetro de 50 mm tiene una fuerza de salida teórica de hasta 2000 N. Para cilindros eléctricos con el mismo diámetro, aunque los productos de diferentes empresas varían, básicamente no superan los 1000 N. Evidentemente, el cilindro tiene más ventajas en cuanto a fuerza de salida.

(3) Gran adaptabilidad. El cilindro puede funcionar normalmente en entornos de alta y baja temperatura, es resistente al polvo y al agua, y puede adaptarse a diversos entornos hostiles. Debido a que los cilindros eléctricos tienen una gran cantidad de componentes eléctricos, tienen requisitos ambientales más altos y poca adaptabilidad.

Las ventajas de los cilindros eléctricos se reflejan principalmente en los siguientes tres aspectos:

(1) La estructura del sistema es muy simple. Dado que el motor suele estar integrado con el cilindro, más el controlador y los cables, todo el sistema del cilindro eléctrico está compuesto por estas tres partes, lo cual es simple y compacto.

(2) El número de posiciones de parada es grande y la precisión del control es alta. Generalmente, los cilindros eléctricos se dividen en productos de gama baja y alta. Los productos de gama baja tienen 3, 5, 16, 64 posiciones de parada, etc., que varían según las diferentes empresas y pueden llegar a cientos o incluso miles; de posiciones. En términos de precisión, los cilindros eléctricos también tienen ventajas absolutas, con una precisión de posicionamiento de hasta 0,05 mm, por lo que se utilizan a menudo en industrias de precisión como la electrónica y los semiconductores.

(3) Fuerte flexibilidad. No hay duda de que la flexibilidad de los cilindros eléctricos es mucho mayor que la de los cilindros neumáticos. Dado que el controlador se puede conectar directamente al PLC, puede lograr un control preciso de la velocidad del motor, el posicionamiento y la rotación hacia adelante y hacia atrás. Hasta cierto punto, el cilindro eléctrico puede moverse según sea necesario debido a la compresibilidad del gas y la velocidad. Debido a la inercia, no importa cuán buena sea la cooperación entre la válvula de inversión y el interruptor magnético, el cilindro no se puede posicionar con precisión y la flexibilidad está fuera de discusión.

En términos de rendimiento técnico, creo que los eléctricos y los neumáticos tienen sus propias ventajas. En primer lugar, las ventajas de los actuadores eléctricos incluyen principalmente:

(1) Estructura compacta y tamaño pequeño. .

En comparación con los actuadores neumáticos, la estructura de los actuadores eléctricos es relativamente simple. Un sistema electrónico básico incluye un actuador, un interruptor DPDT de tres posiciones, un fusible y algunos cables, que es fácil de ensamblar.

(2) La fuente de accionamiento de los actuadores eléctricos es muy flexible. Generalmente, el suministro de energía del vehículo puede satisfacer las necesidades, mientras que los actuadores neumáticos requieren una fuente de aire y un dispositivo de accionamiento por compresión.

(3) Los actuadores eléctricos no tienen riesgo de "fugas de aire" y son muy fiables, mientras que la compresibilidad del aire hace que los actuadores neumáticos sean ligeramente menos estables.

(4) No es necesario instalar ni mantener varias tuberías neumáticas.

(5) La carga se puede mantener sin energía, mientras que los actuadores neumáticos requieren un suministro continuo de presión.

(6) Los actuadores eléctricos son más silenciosos porque no requieren ningún dispositivo de presión adicional. Normalmente, si el actuador neumático está sometido a una carga pesada, se debe instalar un silenciador.

(7) Los actuadores eléctricos son superiores en precisión de control.

(8) Los dispositivos neumáticos generalmente necesitan convertir señales eléctricas en señales de gas y luego en señales eléctricas. La velocidad de transmisión es lenta y no es adecuada para circuitos complejos con demasiados niveles de componentes.

Las ventajas del cilindro radican en los siguientes cuatro aspectos:

(1) Gran carga, puede adaptarse a aplicaciones de salida de alto par (sin embargo, los actuadores eléctricos actuales han alcanzado gradualmente el nivel actual). nivel de carga neumática).

(2) Actuar con rapidez y reaccionar con rapidez.

(3) Tiene buena adaptabilidad al entorno de trabajo, especialmente en entornos de trabajo hostiles como inflamables, explosivos, polvorientos, magnetismo fuerte, radiación y vibración, y es superior a los controles hidráulicos, electrónicos y eléctricos.

(4) El motor se daña fácilmente cuando se bloquea la carrera o el vástago de la válvula se atasca.

3. Comparación de costes de compra y aplicación

En general, los servoaccionamientos eléctricos son más caros que los servoaccionamientos neumáticos, pero también dependen de requisitos y ocasiones específicas. Algunos motores de CC de baja potencia que forman correderas eléctricas (servosistemas eléctricos) son en realidad más baratos que los servosistemas neumáticos.

Por ejemplo: cuando la carga es de 1,5 kg, la carrera de trabajo es de 80 mm, la velocidad está entre 2 y 170 mm/s, la precisión es de ?0,1 mm y la aceleración es de 2,5 m/s2, una pequeño eléctrico El servosistema eléctrico compuesto por mesa deslizante, controlador, cable de motor, cable de control, cable de programación y cable de alimentación es un 25% más barato que el servosistema neumático. Lo mismo ocurre con los cilindros eléctricos con vástago. Cabe señalar que si se utiliza un motor de CA, el precio del servosistema eléctrico es aproximadamente 40 más alto que el del servosistema neumático.

Desde la perspectiva de los costes de compra y aplicación, el cilindro actual todavía tiene ventajas obvias. Para los sistemas neumáticos, el sistema de control y el actuador son muy simples. Cada cilindro solo necesita estar equipado con una válvula solenoide para completar el cambio de la ruta del gas y realizar el control del movimiento. La probabilidad de falla del cilindro también es relativamente pequeña y el mantenimiento es relativamente pequeño. simple y conveniente, y el costo también es bajo.

En el caso de los actuadores eléctricos, aunque es relativamente sencillo obtener energía eléctrica y el coste energético es bajo, los costes de compra y aplicación son elevados. No sólo necesitan estar equipados con un motor, sino que también. Necesita un conjunto de mecanismos de transmisión mecánica y los componentes de accionamiento correspondientes. Al mismo tiempo, el uso de actuadores eléctricos requiere muchas medidas de protección. Las conexiones incorrectas del circuito, las fluctuaciones de voltaje y las sobrecargas de carga causarán daños al accionamiento eléctrico. Por lo tanto, es necesario instalar un sistema de protección en el circuito y la maquinaria. lo que añade muchos gastos adicionales. Además, dado que la unidad de accionamiento del actuador eléctrico tiene muchas configuraciones parametrizadas y está altamente integrada, una vez que falla, se debe reemplazar todo el componente. Además, cuando aumenta la fuerza motriz requerida por el sistema, es necesario reemplazar los componentes en juegos completos para lograrlo. Por tanto, una comparación exhaustiva muestra que los cilindros tienen mayores ventajas en términos de costes de compra y mantenimiento.

IV.Comparación de eficiencia energética

Los resultados de nuestro estudio muestran que en movimiento alternativo horizontal con un ciclo alternativo corto (menos de 1 min), el consumo de energía de funcionamiento de los actuadores eléctricos suele ser bajo En comparación con el consumo de energía de funcionamiento del cilindro, ahorra más energía. Cuando el ciclo de movimiento alternativo es más largo (más de 1 minuto), el cilindro realmente ahorra más energía.

Esto se debe en primer lugar a que el controlador del actuador eléctrico suele consumir alrededor de 10W de potencia cuando el terminal está parado, mientras que el cilindro solo consume la potencia de la válvula solenoide y la fuga de gas, que generalmente es inferior a 1W. el tiempo de parada terminal, más beneficioso es para el cilindro. En segundo lugar, la eficiencia nominal del motor en condiciones de rotación continua puede alcanzar más de 90, pero la eficiencia promedio en condiciones de rotación de aceleración y desaceleración en forma de mesa en movimiento alternativo lineal ( conversión de tornillo) es inferior a 50. Durante el movimiento alternativo vertical, la acción de sujeción de la pieza de trabajo requiere un suministro continuo de corriente al actuador eléctrico para vencer la gravedad, mientras que el cilindro solo necesita cerrar la válvula solenoide, que consume muy poco. Por lo tanto, la ventaja en el consumo de energía de los actuadores eléctricos en comparación con los cilindros no es muy grande durante el movimiento alternativo vertical.

Como se puede ver en lo anterior, el motor en sí es muy eficiente, pero considerando la disminución de la eficiencia y el consumo de energía del controlador durante el movimiento lineal alternativo, el actuador eléctrico no necesariamente consume más energía. Ahorro que el cilindro. La comparación específica depende de las condiciones reales de trabajo, es decir, la dirección de instalación, el ciclo de movimiento alternativo y la tasa de carga, etc.

5. Comparación de escenarios de aplicación

Los sistemas neumáticos y los sistemas eléctricos no son mutuamente excluyentes. Más bien, es sólo una cuestión de que los requisitos sean diferentes. Las ventajas de los accionamientos neumáticos son obvias cuando se enfrentan a condiciones ambientales adversas como polvo, grasa, agua o detergentes, los accionamientos neumáticos se adaptan mejor a entornos hostiles y son muy resistentes y duraderos. Los actuadores neumáticos son fáciles de instalar, proporcionan funciones de agarre típicas, son económicos y fáciles de operar.

Los accionamientos eléctricos con servomotores tienen ventajas cuando las fuerzas aumentan rápidamente y se requiere un posicionamiento preciso. Para aplicaciones que requieren un funcionamiento preciso y sincrónico, programación de posicionamiento ajustable y especificada, los sistemas de accionamiento eléctrico compuestos por servomotores o motores paso a paso con controladores de posicionamiento de circuito cerrado pueden complementar las deficiencias de los sistemas neumáticos.

Desde la perspectiva de la tecnología y el costo de uso, los cilindros tienen ventajas obvias. Sin embargo, en el uso real, qué tecnología debe usarse para el control de la transmisión debe considerarse de manera integral a partir de múltiples factores. Los distintos sistemas de control modernos son cada vez más complejos y sofisticados, y no sólo una tecnología de control de accionamiento puede satisfacer las distintas funciones de control del sistema. El cilindro puede lograr fácilmente un movimiento cíclico lineal rápido, tiene una estructura simple y es fácil de mantener. También se puede utilizar en diversos entornos de trabajo hostiles, como requisitos a prueba de explosiones y condiciones de polvo o humedad.

Los actuadores eléctricos se utilizan principalmente en aplicaciones que requieren un control de precisión. Hoy en día, los requisitos de flexibilidad en los equipos de automatización aumentan constantemente. A menudo se requiere el mismo equipo para adaptarse a las necesidades de procesamiento de piezas de diferentes tamaños. Los actuadores deben ubicarse en múltiples puntos de control, y la velocidad de operación y el par del actuador deben controlarse con precisión o rastrearse sincrónicamente, lo que no se puede lograr utilizando el control neumático tradicional, y los actuadores eléctricos pueden lograr fácilmente dicho control. Se puede observar que los cilindros son más adecuados para el control de movimiento simple, mientras que los actuadores eléctricos se utilizan principalmente para el control de movimiento de precisión.

6. Comparación de la situación del mercado

Los sistemas de accionamiento por cilindro se han popularizado rápidamente en el campo de la automatización industrial desde los años 70. Hoy en día, los cilindros se han convertido en el actuador principal para el manejo PTP (PointToPoint) en los campos de producción industrial nacionales y extranjeros. El tamaño del mercado de componentes neumáticos con sistemas de accionamiento de cilindros como núcleo ha alcanzado los 11 mil millones de dólares estadounidenses.

Desde la década de 1990, los motores y su tecnología de control microelectrónico se han desarrollado rápidamente, haciendo posible la aplicación de actuadores eléctricos en la automatización industrial. Además, el auge de la industria de los semiconductores también ha promovido directamente la expansión de la aplicación de actuadores eléctricos que pueden lograr un posicionamiento multipunto de alta precisión en el campo industrial.

A finales de la década de 1990, en los principales países industrializados como Japón, incluso hubo un argumento de que los actuadores eléctricos reemplazarían a los cilindros y que los cilindros desaparecerían del escenario de la historia. Debido a que generalmente se cree que la eficiencia de conversión de energía del motor en el actuador eléctrico es alta, pero la eficiencia de conversión de energía del cilindro es baja, se eliminarán los productos ineficientes. Sin embargo, diez años después, los actuadores eléctricos no se han popularizado en los sitios industriales y su tamaño de mercado aún está muy por detrás del de los actuadores neumáticos. Además, ya sea en los países industrialmente desarrollados o en los países industriales emergentes como China, las ventas de cilindros no sólo no han disminuido, sino que también están creciendo de manera constante. En China, la tasa de crecimiento anual de las ventas de cilindros se ha mantenido por encima del 20% en los últimos años.

Si es necesario evaluar científica y objetivamente ambos, se debe utilizar el método de evaluación del ciclo de vida (LifeCycleAssessment) para considerar y comparar los indicadores integrales de las tres etapas de fabricación, uso y eliminación. Los indicadores específicos incluyen costo, consumo de energía y carga ambiental (principalmente emisiones, etc.). Por ejemplo, en términos de costo, los actuadores eléctricos tienen ventajas en términos de consumo de energía operativa (fase de uso), pero los costos de mantenimiento (fase de uso) y los costos de compra (fase de fabricación) son mucho más altos que los de los cilindros. La comparación en este indicador debería ser. basado en La suma de todos los costos.

En términos de coste total, los resultados de nuestra investigación muestran que los cilindros tienen ciertas ventajas en la mayoría de las aplicaciones industriales.

Basado en el análisis anterior, deberíamos ver que los cilindros y actuadores eléctricos tienen sus propias características, y sus ventajas y desventajas no pueden evaluarse simplemente por su eficiencia. Con el desarrollo de la tecnología eléctrica, el costo de los actuadores eléctricos disminuirá aún más y se espera que sus campos de aplicación se amplíen aún más. Sin embargo, no es realista reemplazar completamente el cilindro con una bomba de aguas residuales completamente autocebante y que no se obstruya.

Desde una perspectiva de mercado, como se mencionó anteriormente, sería un buen comienzo si el cilindro eléctrico se produce de acuerdo con la forma y las dimensiones de conexión de instalación del cilindro desde el principio. Para los cilindros sin vástago y las correderas neumáticas que aún no cuentan con las normas ISO, también se adoptan las dimensiones de conexión de instalación y apariencia correspondientes. Esta medida conveniente puede eliminar la competencia innecesaria entre los accionamientos neumáticos y los accionamientos eléctricos en términos de instalación, adición o reemplazo. Los accionamientos eléctricos se caracterizan por su precisión y flexibilidad. Los accionamientos eléctricos son la solución ideal para bombas de aguas residuales autocebantes sin obstrucciones en aplicaciones donde las fuerzas desaparecen rápidamente y se requiere un posicionamiento preciso.

Por lo tanto, el desarrollo futuro de cilindros y actuadores eléctricos debería estar en un estado muy benigno y complementario, y definitivamente se desarrollará de acuerdo con las leyes de desarrollo científico y natural de estas dos tecnologías.