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电机反馈系统:机电一体化伺服技术中的精确位移测量

文: | 2017年第三期 (0) | (0)

    电动代替液压,伺服电动缸取代液压系统——用于全自动工件成型、压制或自动化装配越来越多地采用机电一体化驱动技术。对用户而言,除显著降低运行成本外,无级调节特性也是首要的决定性优势。Ortlieb精密设备公司将如SICKStegmann的SKS36等电机反馈系统用于旗下的SERAC®伺服电动缸,进而确保高可用性的精确位移测量和位置调节。如图1所示

    在同一机器上加工不同强度的工件和毛坯、利用单一电动缸运动模式执行多个工序、无级顺畅移动至不同加工位置——在许多情况下,相对于液压和气动驱动,伺服技术拥有决定性优势。“因此,带有运动控制功能的机电一体化系统势不可挡。”位于Kirchheim/Teck的Ortlieb精密设备有限产品经理NielsSelig解释道。“此时,我们察觉到市场上的风向标发生了改变,无论是针对新设备还是翻新改造——尤其是当比较运行成本时,伺服驱动技术也显著优于液压和气动系统。”为使机电一体化系统能高精度完成塑型或铆接工艺,必要时可以做多根伺服轴同步运动,伺服电动缸(如Ortlieb的SERAC®产品系列中)使用了高可用性的精确位移测量系统——例如配备HIPERFACE®接口的SICKStegmann旋转电机反馈系统SKS36。

Ortlieb:夹持与伺服丝杠技术的“精密公司”

    100多年来,位于Kirchheim/Teck的Ortlieb公司将自身定位为“精密公司”,在工件与工具夹持以及伺服电动缸领域提供经济、精确的解决方案。“基于我们的研发和专利已定义了众多重要的夹持技术DIN标准,”NielsSelig指出。“从标准的压紧式夹钳到单个生产的非标夹持解决方案,我们一站式提供灵活的标准化和客户定制化解决方案。”机电一体化构件和伺服电动缸已成为公司日益重要的第二大支柱,其将于2017年春入驻其中一所位于巴登-符腾堡州的最具创新力、建筑和能效方面均达最高标准的公司办公楼。其中,预先连接安装的完整解决方案是重中之重,其由可模块化配置的伺服电动缸组成。“电机、丝杆、编码器和刹车闸(如需)均已完整集成在电缸中,”NielsSelig说道。基于公司在丝杆技术领域拥有的特殊专利技术,SERAC®伺服电动缸展现出非同一般的性能。

SERAC®伺服电动缸汇集航天和机械制造领域的专有技术

    正如“电动代替液压”这一口号,Ortlieb凭借SERAC®伺服电动缸产品系列,为取代液压缸和气缸提供创新解决方案。各个型号的外壳构造、电机规格、扭转止动装置或固定方式各不相同,均因较高的集中大推力和集成性而出众。在小零件装配或冲压、成型和铆接的不同工业应用领域中,该产品系列在极其恶劣的运行条件下屡经考验。SERAC电缸的技术基础是最初为航天领域研发的特殊行星滚柱丝杠,其主要特征在于重量极轻,无需附加减速齿轮即可实现精确定位。基于DLR(德国航空航天中心)遍布全球的专利,Ortlieb研发出ASCA®行星丝杠,并为机电一体化系统中的应用进行批量生产。许多SERAC®型号的作动丝杆可实现仅一毫米的微小导程,从而能够通过电缸达成极为精确的作业点移动。其前提在于支持同等精确的位移测量和定位的编码器,如电机反馈系统SKS36。

电机反馈系统SKS36调节精确定位

    Ortlieb将配备HIPERFACE®接口的SICKStegmann电机反馈系统SKS36应用于所有SERAC®产品系列。“其紧凑的设计可确保较短的电机安装长度”,NielsSelig列举出一向重要结构优势。事实上,精心设计的系统结构使得外壳直径仅为36mm,而结构高度(不含轴)同样极小,仅为37mm。正因如此,该款电机反馈系统仅“重”65g,是同类产品中结构最为紧凑的编码器之一。作为Ortlieb伺服电动缸数字调节电路中的单圈型编码器系统,SKS36通过细分为128个正弦/余弦周期的单圈旋转,提供关于转向、速度以及绝对位置信息的数值。同时,该系统还具有极高的可靠性和精度——这一点主要通过极小的码盘实现,其位于旋转轴的中间位置,借此杜绝任何偏心误差。该码盘上有128条线,专门研制的Opto专用集成电路对其进行扫描,从而产生具有极高线性度和插值可行性的正弦信号。“由此可极为精确地测量SERAC丝杆的进给量,并用于精确定位”,NielsSelig解释道。只因行星滚柱丝杆的作业方式并非形状配合,而是滚动摩擦配合。“故而可传递明显更多的力,同时丝杆的使用寿命不受影响”,NielsSelig说道。“工作原理导致丝杆运行时会出现滑动,因此除编码器外还需要额外的线性测量系统。这样一来,通过两个编码器系统的相互配合,可实现<0.01mm的定位精度和±0.01mm的重复精度。”SKS36也由此以其高精度、高可用性和坚固性而出类拔萃。“伺服缸中允许的最高工作温度远远低于编码器指定的125°C,”NielsSelig描述道。“冲压、成型和压制期间可能出现的振动和冲击将无损SKS36的功能可靠性。例如,在板材成型过程中,配备该电机反馈系统的SERAC®KH电缸可在三秒同步信号内完成超过4千万次循环而无任何问题。”

机电一体化系统的多圈型和安全型解决方案

    在Ortlieb电缸中,单圈型电机反馈系统SKS36因其精确度、方便的集成方式和可用性而令人信服。针对需要重复旋转位移测量和定位的任务设置,多圈型电机反馈系统SKM36凭借内置的微型机械式传动装置测量最多4,096圈旋转并以高达16,777,219步的分辨率输出。

    若以安全为导向考量机电一体化系统和驱动技术解决方案,SICKSTEGMANN的SIL2电机反馈系统SKS36S和SKM36S作为动态型精确伺服控制电路中的安全编码器脱颖而出。这两种系统可用于依据EN62061与IEC61508符合SIL2分级以及依据ENISO13849-1符合性能等级(PLd)的应用。因此,它们可提供经认证的功能安全,即能够以安全为导向对伺服电动缸与机电一体化系统的功能和功能链进行有关转速、转向和停机状态的监控。SICKStegmann电机反馈系统可借此提供机电一体化系统中的多种位移测量和定位选项——不只是在Ortlieb的电缸中。如图3

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