Im Produktionsprozess verschiedener Industrien ist der Aktuator eine unverzichtbare Maschine. Normalerweise kann es je nach Anwendungsumgebung und Anwendungsbranche in zwei Kategorien unterteilt werden, nämlich elektrische Linearaktuatoren und pneumatische Linearaktuatoren. Die Funktionen sind fast gleich, aber es gibt einen großen Unterschied im Vergleich zu anderen Aspekten.
Was ist ein linearer Aktuator?
Ein "linearer Aktuator" ist ein Aktuator, der entweder mit einer Schubkraft drücken oder eine Last linear zu bestimmten Positionen tragen kann. Während die Strukturen ähnlich sind, beginnen die Unterschiede bei den Aktuatoren mit ihrer Energiequelle, die hydraulisch (Fluid), pneumatisch (Luft) oder elektrisch (Wechselstrom/Gleichstrom) sein kann.
Wie funktionieren Aktuatoren?
Pneumatische Stellantriebe bestehen aus einem einfachen Kolben in einem Hohlzylinder. Die Position eines pneumatischen Aktuators wird durch Regulierung der Luft in den Ventilen gesteuert, die den Kolben innerhalb des Zylindergehäuses gegen die Federkraft bewegt. Wenn kein Luftdruck vorhanden ist, bewegt die Federkraft den Kolben zurück in seine ursprüngliche Ausgangsposition.
Elektrische Stellantriebe wandeln die Rotationskraft eines Elektromotors mit einem speziellen Mechanismus, wie z. B. einer Kugelumlaufspindel, in eine lineare Kraft um. Durch Drehen der Schraube des Aktuators mit dem Motor bewegt sich die Kugelgewindemutter entlang der Schraube vorwärts oder rückwärts. Die Position eines elektrischen Aktuators wird durch Regeln von Spannung und Strom gesteuert.
Der richtige Typ des zu verwendenden Linearaktuators hängt davon ab, wie gut er die Anwendungsanforderungen wie Last, Geschwindigkeit, Genauigkeit usw. erfüllen kann. Zum Beispiel können pneumatische Stellantriebe eine höhere Geschwindigkeit liefern, aber elektrische Linearstellantriebe bieten die präziseste Steuerung, da Luft- und Flüssigkeitsdruck schwieriger zu steuern sind als Elektrizität. Für die durchschnittliche Belastung, die keine extrem hohen Kräfte von hydraulischen Aktuatoren erfordert, ist die Lösung entweder ein pneumatischer Aktuator oder ein elektrischer Aktuator.
Design
Pneumatische Stellantriebe sind einfacher aufgebaut, während elektrische Stellantriebe komplexere Komponenten wie die Kugelumlaufspindel und den Elektromotor verwenden. Das einfache Design eines pneumatischen Stellantriebs ist auch kompakter als ein elektrischer Stellantrieb, aber wenn Sie alle anderen Komponenten berücksichtigen, die zur Aufrechterhaltung dieses Luftdrucks erforderlich sind, kann er tatsächlich mehr Platz einnehmen.
Kraft & Geschwindigkeit
Herkömmlicherweise bieten pneumatische Aktuatoren im Vergleich zu elektrischen Aktuatoren höhere Geschwindigkeiten und geringere Kräfte. Allerdings können einige Faktoren, wie z. B. Spindelsteigung/-steigung bei einem elektrischen Stellantrieb oder die Anzahl der Kolben bei einem pneumatischen Stellantrieb, den Vergleich beeinflussen. Bei einem pneumatischen Antrieb errechnet sich die Kraft aus der Multiplikation der Kolbenfläche (Kraftfaktor) mit dem Luftdruck im Zylinder. Bei einem elektrischen Aktuator wird die lineare Kraft aus dem Drehmoment des Motors umgewandelt.
Es ist schwierig, eine eingestellte Geschwindigkeit oder Kraft konstant beizubehalten, wenn Sie mit Druckluft arbeiten. Da Spannung und Strom einfacher zu steuern sind, können elektrische Aktuatoren Kraft und Geschwindigkeit auch ohne Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis viel besser aufrechterhalten. Kugelumlaufspindeln oder Zahnstangenmechanismen an elektrischen Stellantrieben wirken auch als Untersetzungsverhältnis, sodass Kräfte unter Verzicht auf Geschwindigkeit erhöht werden können.
Pneumatische Stellantriebe arbeiten typischerweise mit 80 bis 100 PSI, und elektrische Stellantriebe wandeln das Motordrehmoment und die Drehzahl in eine lineare Kraft und lineare Geschwindigkeit um. Um die Kraft oder Geschwindigkeit eines pneumatischen Aktuators zu erhöhen, werden mehr Kolben und/oder Luft PSI benötigt. Um die Kraft oder Geschwindigkeit oder Beschleunigung für einen elektrischen Aktuator zu erhöhen, wird mehr Drehmoment von einem größeren oder längeren Motor benötigt.
Genauigkeit und Wiederholbarkeit
Elektrische Stellantriebe dominieren Genauigkeit und Wiederholbarkeit, was sie ideal für Mehrpunkt-Positionierungsanwendungen macht. Da Spannung und Strom einfacher zu steuern sind als Luftdruck, können elektrische Stellantriebe ihre Position genau steuern und diese Position mit demselben Bewegungsprofil wiederholen. Pneumatische Stellantriebe werden typischerweise für einfache End-to-End-Positionierungsanwendungen gewählt, da sie einfach nicht die gleiche Genauigkeit und Wiederholbarkeit wie elektrische Stellantriebe erreichen können.
Elektrische Aktuatoren verwenden entweder Servomotoren oder Schrittmotoren, die bereits eine hohe Stoppgenauigkeit und Drehmomentsteuerung bieten. Das Haltemoment der Motoren verhindert zudem ein Positionsdriften.
Bewegungssteuerungsfähigkeit
Mit einer präziseren Steuerung von Drehmoment, Geschwindigkeit und Beschleunigungs-/Verzögerungsmustern können elektrische Stellantriebe mehr mit Bewegungsprofilen machen als pneumatische Stellantriebe.
Elektrische Stellantriebe sind aufgrund ihrer Präzision und Genauigkeit am besten in der Lage, bestimmte Bewegungsprofile zu wiederholen. Pneumatische Aktuatoren sind in ihrer Bewegungsprofilerzeugung begrenzt, und Bewegungsprofile sind schwieriger zu ändern, wenn sie einmal implementiert sind. Aus diesem Grund werden pneumatische Stellantriebe für einachsige End-to-End-Positionierungsanwendungen gewählt. Aufgrund der hohen Wiederholgenauigkeit werden elektrische Aktuatoren häufig für Mehrpunkt-Positionierungsanwendungen und dort gewählt, wo mehrere Achsen synchronisiert werden müssen. Für elektrische Aktuatoren können Hunderte von Zielpositionen gespeichert und für den Mehrpunktbetrieb gespeichert werden. Vibrations- und Stoßbelastungen können mit modifizierten Bewegungsprofilen wie S-Kurven minimiert werden, während pneumatische Aktuatoren einen harten Anschlag und eine Feder benötigen.
Seit geraumer Zeit ist auch bei elektrischen Stellantrieben die absolute Positionsregelung auf dem Vormarsch. Beispielsweise können neben Servomotoren mit Absolutwertgebern auch Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis und eingebauten mechanischen Multiturn-Absolutwertgebern dazu beitragen, den Platzbedarf zu minimieren, indem die externen Referenz- und Begrenzungssensoren eliminiert werden. Der Unterschied besteht darin, dass der mechanische Absolutwertgeber keine Pufferbatterie wie ein Absolutwertgeber benötigt. Pneumatische Stellantriebe bieten mittlerweile absolutes Feedback, sind aber nicht so verbreitet.
Effizienz & Kosten
Ein weiterer großer Vorteil elektrischer Stellantriebe ist die Effizienz. Pneumatische Stellantriebe arbeiten mit einem Wirkungsgrad von etwa 10 bis 25 %, was mit etwa 40 % sogar noch niedriger ist als bei hydraulischen Linearantrieben. Elektrische Stellantriebe arbeiten mit einem Wirkungsgrad von etwa 80 %.
Der Wirkungsgrad wirkt sich langfristig auf die Energiekosten aus.
"Druckluft ist eine der teuersten Energiequellen in einer Anlage. Der Gesamtwirkungsgrad eines typischen Druckluftsystems kann nur 10 bis 15 % betragen." – U.S. Department of Energy: Energy Tips-Compressed Air, August 2004.
Wenn Ihnen die Anschaffungskosten wichtig sind, sind pneumatische Stellantriebe die richtige Wahl. Im Vergleich dazu haben elektrische Stellantriebe höhere Anschaffungskosten, aber niedrigere Betriebs- und Wartungskosten. Wenn Sie jedoch die langfristigen Gesamtbetriebskosten berücksichtigen, schneiden elektrische Stellantriebe sogar am besten ab. Dies liegt daran, dass sowohl Luft- als auch Fluidkraft mehr Arbeit in der Wartung erfordern und weniger effizient sind als elektrische Energie.
Kurzfristige Kosten bestehen aus den Systemkosten, aber die Gesamtbetriebskosten umfassen Ersatzkosten, Luftleitungsinstallation und Wartung. Denken Sie daran, dass Luftkompressoren auch Strom benötigen, um zu funktionieren.
Nach Angaben des Energieministeriums „sind 24 Prozent der jährlichen Kosten für Druckluft auf Wartung, Ausrüstung und Installation zurückzuführen, während 76 Prozent direkt auf die Stromkosten für den Kompressor zurückzuführen sind.“
Vergleiche der Gesamtbetriebskosten zwischen pneumatischen und elektrischen Linearantrieben beinhalten viele Variablen und Annahmen. Manchmal kommt es auf das Design von Rohrverschraubungen an, wie gut die Systeme gewartet werden können und wie Sie sie verwenden. Bei Anwendungen, die keine Präzision oder Dauerlebensdauer erfordern, können pneumatische Stellantriebe Geld sparen.
Datensammlung
Die Datenerfassung kann zu einer besseren Effizienz oder vorausschauenden Wartung führen. Elektrische Aktuatoren sind auch in dieser Kategorie die Gewinner. Die Steuerungsseite von Elektromotoren und Aktuatoren ist seit langem auf dem Vormarsch, daher verwenden sie ausgefeiltere Steuerungen. Die Datenerfassung ist einfacher zu implementieren, da viele dieser Funktionen bereits enthalten sind. Weitere Kommunikationsprotokolle für industrielle Netzwerke wie EtherNetIP, Profinet und EtherCAT sind für die Verbindung mit einer Vielzahl von SPSen, HMIs und IPCs verfügbar. Obwohl pneumatische Stellantriebe ebenfalls Fortschritte machen, kann es schwierig sein, bis zu einem Punkt aufzuschließen, an dem die Daten zur Steuerung eines Prozesses in Echtzeit verwendet werden können.
Umgebung, Temperatur und Lärm
Da elektrische Aktuatorsysteme empfindlichere Komponenten wie Motoren, Encoder und Sensoren enthalten können, sind pneumatische Aktuatoren besser für gefährliche Umgebungen geeignet. Achten Sie jedoch auf die Eindringschutzklasse (IP) und/oder Spezifikationen, um zu verstehen, mit welcher Umgebung es genau umgehen kann.
Pneumatische Stellantriebe können manchmal eine größere Umgebungstemperatur (ca. -20 bis 350 °F) als elektrische Stellantriebe (40 bis 150 °F) bewältigen, aber wenn pneumatische Stellantriebe bei hohen Umgebungstemperaturen arbeiten, können die Luftdichtungen ausfallen und der Betrieb träge sein . Hohe Hitze kann auch die Lagerfettlebensdauer eines Elektromotors und die Metallausdehnungseigenschaften beeinträchtigen, was Reibung und Verschleiß in einem elektrischen Aktuator erhöhen kann.
Pneumatische Stellantriebe sind aufgrund der Druckluft auch lauter als elektrische Stellantriebe. Allerdings hat sich auch das über die Jahre verbessert.
Wartung
Wenn Sie keine Wartung mögen, sind elektrische Stellantriebe die richtige Wahl.
Der Wartungsbedarf eines pneumatischen Stellantriebs ist im Vergleich zu einem elektrischen Stellantrieb sehr hoch. Es muss eine konstante Versorgung mit Druckluft aus einem Vorratsbehälter erfolgen, was nicht einfach zu warten ist. Neben dem Aktuator müssen weitere Komponenten gewartet werden, wie z. B. Kompressor, Ventile, Armaturen, Schalldämpfer, Öler, Filterregler-Öler, Solenoid und Luftschläuche.
Ein elektrischer Aktuator erfordert nur minimale Wartung, da es weniger Komponenten gibt, die aufgrund der minimierten Reibung von Lagern und Linearführungen verschleißen könnten. Ein gelegentliches Einfetten kann erforderlich sein. Wenn Sie den Aktuator aus der Gleichung herausnehmen, kann ein Elektromotor als wartungsfrei betrachtet werden, da die Kosten für die Reparatur eines Motors oft die Kosten für den Kauf eines neuen Motors übersteigen.
Das Verhindern von Luftlecks ist wichtig, wenn pneumatische Stellantriebe verwendet werden. Wenn die Dichtungen verschleißen, ändert sich die vom pneumatischen Aktuator erzeugte Kraft, wodurch sowohl die Genauigkeit als auch die Wiederholbarkeit noch schlechter werden. Pneumatische Stellantriebe sind auf dichte Stangen- und Kolbendichtungen angewiesen, um verschleißbedingte Luftleckagen zu vermeiden. Manchmal kann es lange dauern, den Luftstrom einzustellen oder zu regulieren.
Lebensdauer
Sowohl pneumatische Stellantriebe als auch elektrische Stellantriebe bieten eine mittlere L10-Lebensdauer basierend auf der Lagerlebensdauer. Allerdings lässt sich die Lebensdauer eines Elektromotors berechnen, während die Lebensdauer eines pneumatischen Stellantriebs nur geschätzt werden kann. Es ist sehr schwierig vorherzusagen, wann die Luftdichtungen ausfallen würden, daher ist eine regelmäßige Wartung ein Muss für pneumatische Stellantriebe.
Der Schlüssel zur Verlängerung der Lebensdauer pneumatischer Stellantriebe liegt in der Sicherung der Stangen- und Kolbendichtungen. Der Verschleiß der Dichtungen ist unvermeidlich. Wenn die Luftleckage zunimmt, leiden Effizienz, Kraft, Geschwindigkeit und Reaktionsfähigkeit. Der Schlüssel zur Verlängerung der Lebensdauer elektrischer Stellantriebe liegt in einer niedrigen Betriebstemperatur. Arbeiten Sie immer innerhalb der Spezifikationen für beide.
Ideale Anwendung
Die Konstruktionsunterschiede zwischen pneumatischen Stellantrieben und elektrischen Stellantrieben führen zu Unterschieden in ihren Eigenschaften. Die groben Eigenschaften pneumatischer Aktuatoren machen sie daher ideal für grundlegende End-to-End-Positionierungsanwendungen, während die Präzision elektrischer Aktuatoren sie ideal für Mehrpunkt-Positionierungsanwendungen mit erweiterten Bewegungsprofilen oder Mehrachsensynchronisation macht.
Pneumatische Stellantriebe können in gefährlicheren Umgebungen arbeiten als elektrische Stellantriebe. Hohe Temperaturen können jedoch die Lebensdauer beider Aktuatortypen verkürzen. Wenn ein erweiterter Betrieb, wie z. B. Feedback oder Datenerfassung, erforderlich ist, stellen elektrische Stellantriebe eine integrierte Option dar, die in den kommenden Jahren einfacher zu verwenden sein sollte.
Zusammenfassung
Einfach gesagt, die Wahl zwischen pneumatischen Stellantrieben und elektrischen Stellantrieben hängt von Einfachheit, Präzision, Effizienz und Wartung ab.
Pneumatische Stellantriebe sind kleiner, lassen sich einfach einrichten und können problemlos einfache End-to-End-Positionierungsanforderungen mit kurzem Hub erfüllen. Elektrische Aktuatoren hingegen können mit ihrer überlegenen Präzision und Wiederholbarkeit strengere Anforderungen erfüllen und eignen sich gut für Mehrpunkt-Positionierungsanwendungen mit langen Hüben und erweiterten Bewegungsprofilen.
Obwohl die Anschaffungskosten pneumatische Stellantriebe begünstigen, ist es wichtig, die Gesamtbetriebskosten zu berücksichtigen, die die Anschaffungskosten, die Betriebskosten und die Wartungskosten umfassen. Denken Sie daran, dass die für pneumatische Antriebe verwendeten Luftkompressoren auch Strom verbrauchen. Die Betriebs- und Wartungskosten für elektrische Stellantriebe können langfristig geringer sein.
Der Wechsel von pneumatischen Aktuatoren zu elektrischen Aktuatoren ist sinnvoll für Anwendungen, die Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft mit besserer Genauigkeit und Wiederholbarkeit erfordern. Sie sind auch besser bei der Datenerfassung und synchronisierten Mehrachsenanwendungen.
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Pneumatische Aktuatoren vs. elektrische Aktuatoren: Was ist der Unterschied zwischen einem pneumatischen und einem elektrischen Linearaktuator? Was ist besser?
Geposted von CaryRS am