2023年伺服油压与伺服马达之比较2.doc

伺服油壓與伺服馬達之比較 能量轉換效率： 油壓控制的能量轉換原理根本上是由電氣能經由油壓馬達變成旋轉之機械能，再由旋轉之機械能帶動油壓幫浦轉成油壓能，此後經過P、Q閥及方向閥的控制後送至油壓缸，由油壓缸負責轉成直線運動之推力促使機械本體致動。因能量每經過一次轉換即會產生一次損失，這些損失一但產生即會轉變成熱且經由熱量消耗掉，而且額外產生的熱量又必須經由冷卻系統來處理，因此以能量轉換的觀點而言油壓式控制是比較沒有效率的機械能量轉換裝置。反觀伺服馬達控制其能量轉換是由電氣能經由電動伺服馬達變成旋轉之機械能，再經滾珠導螺杆帶動產生直線運動之推力促使機械本體致動，如此一來能量轉換次數減少；且熱量的產生亦相對降低且冷卻系統同時也省略掉，因此能源效率自然提升。 傳統油壓傳動機械具有油壓控制損失(△P)、管損、閥阻等流動損失，以及泵浦之容積效率、摩擦損失等等，且尤其在高流量時特別明顯，同時油壓系統在待機狀態下亦仍有上列損失。而伺服馬達在待機時不轉動且運轉時無法流動損失，控制損失問題且磁滯損失極低。因此能源損耗低而且與速度無關。伺服馬達系列大都使用Ball Screw將伺服馬達的旋轉運動轉成直線運動，而Ball Screw之摩擦阻力遠低於油壓缸且無任何冷卻系統，因此整體效率而言遠遠超過油壓機械。 伺服馬達優點 伺服馬達控制之主要致動元件是交流同步伺服馬達，而伺服馬達的控制特性為低噪音、慣性低、啟動阻力小、加減速特性控制容易，無液壓泵浦脈衝問題、氣泡問題、泄壓聲等，因此更容易設定啟動及停止斜率，因此啟動振動低。既無油壓缸，因此無漏油問題，亦無油氣問題，對於高潔淨要求產品很有幫助〔通常亦需黃油Grease潤滑曲手軸心、Ball Screw、軸承等，但其揮發性低甚至有不具揮發性之Grease〕，相對提高系統的潔淨性。 伺服馬達輸出功率恆定，以負載10噸為例：伺服馬達可恆定0~10噸之力量精度，液壓伺服受到油壓回路之影響，在1~10噸的力量輸出精度沒問題，而1噸以下之力量輸出精度則受到油管影響。 液壓伺服優點 液壓伺服系統又名液壓隨動系統，也叫液壓控制系統。液壓伺服系統以其優良的動態性能著稱，尤其對於直線運動的控制物件，它的優勢更加突出，因此被廣泛的應用於航空、航太、武器控制、機械、冶金等部門。同機電伺服系統、氣動伺服系統相比較，液壓伺服系統具有以下的突出特點，以致成為採用液壓系統而不採用其他控制系統的主要原因： 功率－重量比大。在同樣功率的控制系統中，液壓系統體積小，重量輕。這是因為對機電元件，例如電動機來說，由於受到激磁性材料飽和作用的限制，單位重量的設備所能輸出的功率比較小。液壓系統可以通過提高系統的壓力來提高輸出功率，這時只受到機械強度和密封技術的限制。在典型的情況下，發電機和電動機的功率比僅為16.8W/N，而液壓泵和液壓馬達的功率－重量比為168W/N，是機電元件的10倍。 這個特點，在許多場合下，在採用液壓伺服而不採用其他伺服系統的重要原因，也是直線運動系統控制系統中多用液壓系統的重要原因。例如在航空、特別是導電、飛行器的控制中液壓伺服系統得到了很廣泛的應用。幾乎所有的中遠端導彈的控制系統都是採用液壓控制系統。 力矩慣量比大。一般回轉式液壓馬達的力矩慣量比是同容量電動機的10倍至20倍，一般液壓馬達為61x10Nm/Kgm2。力矩慣量比大，意味著液壓系統能夠產生大的加速度，也意味著時間常數小，回應速度快，具有優良的動態性能。因為液壓馬達或者電動機消耗的功率一局部來克服負載，另一局部消耗在加速液壓馬達或者電動機本身的轉子。所以一個執行元件是否能夠產生所希望的加速度，能否給負載以足夠的實際功率，主要受到它的力矩慣量比的限制。 這個特點也是許多場合下採用液壓系統，而不是採用其他控制系統的重要原因。例如火箭炮武器的防空系統中，要求平臺有極大的加速度，具有很高的回應頻率，這個任務只有液壓系統可以勝任。 液壓伺服系統很容易通過液壓缸實現大功率的直線伺服驅動，而且結構簡單。假设採用以電動機為執行元件的機電系統，則需要通過齒輪齒條等裝置，將旋轉運動變換為直線運動，從而結構邊的複雜，而且會因為傳動鏈的間隙而帶來很多問題；假设採用直線式電機，體積重量將大大增加。從力－品質比來說，支流直線式電動機的力－品質比為130N/Kg，而直線式液壓馬達〔油缸〕的力－品質比是13000N/Kg,是電機元件的100倍。所以在負載要求做直線運動的伺服系統中，液壓系統比機電系統有著明顯的優勢。 液壓伺服的剛度比較大。在大的後坐力或衝擊震動下，如不採用液壓系統，有可能導致整體機械結構的變形或損壞。特別是在導彈發射或火箭炮發射時候，由於瞬間衝擊波比較大，為了保證整個系統的穩定以及安全性，必須採用液壓伺服系統技術。由於液壓缸可以裝載溢流閥，所以在大的震動和衝擊下可以有溢流作用，保證了整個系統的安全和穩定性。 液壓控制系統的缺點： 使用不方便，維護困難。在研製過程中，經常需要增添或者更換，甚至去掉一些元件，修改一些管路；在使用過程中，一旦出現故障，需要檢測和排除故障，不可防止的要拆卸管路，更換元件，這時需要到鉗子、扳手，大動干戈，甚至弄的滿地是油污，令人討厭。機電系統，可以方便的使用萬用表和示波器等電子儀器來檢查故障，需要修改線路、更換元件時，只需要一把電烙鐵、一把鑷子就可以解決問題，十分方便、十分乾淨。 液壓系統常常難以保證沒有洩露，總是或多或少的有寫油液漏出，嚴重的甚至滿地都是。這是在電子設備、醫療機械、食品加工機械、工藝品加工機械中失去市場的主要原因。 超載能力低。假设液壓系統的額定工作壓力為140×105Pa，則允許的最大工作壓力不超過210×105Pa；而電動機的超載能裏要很強，例如無槽電動機暫態超載功率是額定功率的7~8倍。這個缺點也是在某些場合下限制了液壓伺服系統的使用，例如在高炮武器中，為了對付飛機等高速移動的目標，跟蹤裝置需要掉轉180度，起加速度達到15rad/s2，需要消耗很大的功率，但是在正常跟蹤狀態下，負載消耗的功率是很小的，由於液壓系統的暫態超載能力差，不得不選用大容量的電子系統。雜訊比較大，這是液壓系統中又一個缺點，在許多場合也是防礙選用液壓系統的重要原因。 不適宜做遠距離的傳輸，因為一方面由於鋪設管路帶來了許多不便，另一方面，控制點遠距離油源還會降低系統的動態性能。 結論： 綜合上述內容，油壓控制系統適用於高負載、高加速度之機械設備，如動態往復測試〔直線加速度運動〕，100噸級以上之臥、立式拉壓力機〔高負載直線運動〕等設備，其餘設備則適用於伺服馬達控制，操作維護簡便，精度高等優點。使用壽命來說兩者差不多。