电动与气动执行器

您是否考虑用电动执行器替换压缩机和200个气缸，以节省压缩空气的费用?或者，你可能在考虑用气动技术制造一台新机器，因为30个电动执行器的成本高达34000美元。

无论哪种方式，你都可能做出错误的决定并每年浪费数万美元。气动或电动执行器的选择涉及对性能，部件成本，系统成本和生产率获得的评估。这两种技术如此不同，即一个人不能成为另一个的替代品。每个都具有固有的优缺点。

气动执行器

气动执行机构提供高的力量和速度，低单位成本，占地面积小。力和速度是很容易调节的，是相互独立的。典型的气动应用采用超大的气缸作为安全系数。这是常见的，因为气动缸是廉价的，并提高到下一个更大的直径是可行和实际的。不可修理的杆式气缸的价格从15美元到250美元不等，取决于阀体直径、冲程和选项。除液压外，气动缸比任何其他技术提供更多的力和速度单位尺寸。

部署规模与压缩机的容量相匹配时，气动学是最经济的。当用于为少量气动设备供电时，小型压缩机是高效且经济的。当为大量气动设备供电时，大型压缩机是高效且经济的。未使用的压缩机容量昂贵。在没有负载下怠速的压缩机坐着的时间也很高。

虽然气动组件的成本很低，但维护和运行成本可能很高，特别是如果没有认真努力来量化和最小化这些成本。维护和运行费用包括更换气缸、空气管路安装和维护，以及压缩机的电费。根据美国能源部的数据，每年压缩空气费用的24%来自维护、设备和安装费用，而76%直接来自压缩机的电力成本。

通常，当压缩机部分加载时，压缩机效率较低。此外，如果在工作周期间，压缩机在没有负载的情况下留下电源，浪费了大量的电力。废物增加了不充分的维护（空气泄漏）和压缩机的非无需使用。今天的常见压缩机和气缸，运行昂贵。

在设施中部署的每种气动装置的运营成本的确定可以是眼睛开口，特别是如果迄今未完成成本计算并且操作规模缩小了。如果使用压缩机有500个气动设备，每台设备的成本可能每年平均100美元，但如果只有50个设备，则每个设备的成本增加了十倍以上1000美元。

电动执行器

与气动学相比，电动执行器提供精确的控制和定位，有助于使机器适应灵活的工艺并具有低运营成本。它们是最经济的，当以适度的过程中，他们的性能优势可以是一个好处，当电子器件与致动器分开时，从致动器分开并最大限度地减少更换成本。

电动执行机构由通过耦合器连接到电动马达的滚珠、梯形或滚柱螺杆组成。当螺丝转动时，它移动一个螺母，螺母与拉杆或导轨相连。杆或马车移动负载。性能因所用材料而异。常用的电机包括步进电机和伺服电机。当定位精度不那么重要时，有时会使用电刷直流电机和交流电机与限位开关一起使用。

步进电机是以较低速度准确定位的经济选择。但是，当使用没有编码器的开环时，脚步机可能会与控制器丢失同步，或者为应用程序窃取它们。根据定义，伺服伺服件是闭环，并以高速提供卓越的性能，尽管成本更高。

高精度螺丝和防侧隙机构，定位精度可达千分之一英寸。标准组件的标准精度范围从百分之几英寸到千分之几英寸。

速度和推力在电动执行器的物理中是相关的。速度被投降速度的推力和推力。这是气动气缸的重要区别。对于给定的电动执行器，在低速下可获得更多推力，并且在高速下推力较少。使用阶梯电机和伺服电机更少的这种特性更加明显。因此，应用程序中的准确尺寸至关重要。以相同速度的增加推力需要不同的设计使用不同的部件和材料。推力和速度的增加需要更大且更强大的部件和材料，提高成本。

在实际条件下理解和评估申请中的加载可确保右执行器的规格，同时最大限度地减少费用。不了解应用程序装载让工程师易受糟糕的性能和高成本。

除了驱动螺钉和电动机之外，电动执行器还需要放大器为电机和控制器供电以控制运动。这些组件的总成本范围从800美元到3,000美元。

电动执行器的运行成本很大程度上来自电机的功率消耗。放大器和控制器中的低压电路消耗的功率要小得多。

虽然电动执行器的元件成本很高，但运营成本低。高分成本往往阻碍了电动执行器的使用。然而，与气动学相比，运营成本的潜在节省不会被充分考虑或忽视。

例如，手动转换（将装配线调整为不同的产品），就丢失的生产和实现变化所需的人小时而言，这可能是昂贵的。在一年的过程中，如果每周一次需要转换一次，每人每小时每小时50美元，每小时需要两个人，每小时费用为每年20,800美元。如果该系列每分钟生产一个组件，每种产品的价值为10美元，生产成本损失金额为124,800美元。因此，转化筛的总成本达到145,600美元。

因为它们是可编程的，电动执行器可以大大降低这些转换成本。每年的成本节约必须作为实施决策的一部分考虑。

当考虑到更换成本、运行成本和工艺效率时，电动执行器的年成本与气动执行器相当。当部署规模适中，并且运动系统组件可以在磨损时单独替换，而不是替换整个运动控制系统时，它会有所帮助。

电子案例

为了真正比较电动和气动执行器，看一些例子是有用的。

假设一家工厂使用100 HP压缩机以90％的效率在每年2,000小时的全额负荷运行。它为20个气动执行器提供动力，平均每次50美元。当压缩机没有使用时，它的功率为25％和85％的效率。气动执行器平均为期三年的生活。电力成本为每千瓦时0.10美元。

电动执行机构正在考虑作为替代品。每台电器平均售价900美元，另外还有1200美元的控制和电源。每个执行器在48% VDC的情况下有30%的时间完全负载6安培。剩下的时间执行机构绘制3安培。电源在满载120伏交流电下吸收6安培，在48伏直流电下产生9安培。机械执行器的寿命为3年，而电子执行器的寿命为10年。

这个例子中的生命跨度是假设。成分的实际寿命会有所不同。此外，电器将自动化每周消耗两小时的线路变化，每个人每周赚30美元的时间。线路更改停止生产。对于每一小时的生产，100美元的装配可以为1美元。

在这个例子中，气动系统的成本如下：

每年用压缩机压缩空气的年成本，满载，21,822美元。
带压缩机的压缩空气的年成本为25%，$19 351。
执行机构的更换费用，每年333美元。
每年的总费用为41,506美元。

如果旧100 HP压缩机可以用较小的50 HP单元替换，则成本将下降。新的压缩机将在大约一年半的时间内支付。如果在不使用时关闭压缩机，则成本将减少更多。储蓄可能高达每年25,000美元。请注意，由于部署的效率，每个气动执行器的实际成本从超过2,000美元到约300美元的零件下降。

相比之下，电动系统的成本如下：

每年成本满载，576美元。
每年闲置成本为672美元。
20个执行机构的年运营成本为1248美元。
执行机构的更换成本为$6,00。
更换电子产品的成本，2,400美元。
总年度成本，9,648美元。

此外，电气系统节约了以下成本:

消除转换劳动力，6240美元。
消除因转换而导致的产量10,400美元。

在这种情况下，操作和维护成本清楚地将电力系统提供了极大的优势，在充气体内。请注意，每年的总费用为9,648美元，而不包括从机械的增加适应性可获得的节省。一旦我们考虑从消除转换的增益，电动执行器的实施实际上降低了成本，而不是每年增加7,000美元。

气动案例

一个工厂有一个200马力的压缩机安装在气动，在满负荷运行2000小时，每年93%的效率。它将被用来驱动150个气动执行器，平均每台50美元。不使用时，关闭压缩机。

另一种方法是使用电动执行器。替代执行器耗资1,200美元，其中包括内置驱动器和控制器，而不是电源。每个执行器绘制6个放大器，完全装入48 VDC，大约是30％的时间。执行器在3安培运行的剩余时间。电源在满载120伏交流电下吸收6安培，在48伏直流电下产生9安培。

在这个例子中，气动系统的成本如下：

压缩空气年费，42,237美元。
执行器的更换成本，每年2,500美元。
总年度成本，44,737美元。
每年每年的每年费用，298美元。

即使具有大的200 HP压缩机，每个设备的成本也极低，从大规模的部署中受益。如果可以使用100 HP压缩机，可以进一步切换成本。

相比之下，电动系统的成本如下：

满载费用每年4 320美元。
闲置的年成本为5040美元。
200个执行器的年度运营成本，9,360美元。
执行机构的更换成本为6万美元。
电动系统总成本，69,360美元。

由于部署规模大，执行器的更换成本增加了年度系统成本，使电动执行器不切实际。该系统必须大大提高生产力，以使其值得追求。

在这种情况下，气动被证明是更经济的选择。由于部署了更多的气动执行器，压缩机的利用率更高。电动执行器更换成本提高了电动系统成本。即使采用模块化电动执行器设计，成本也大大高于气动执行器。

执行器的初始成本仅在实施智能和经济高效的自动化问题列表中仅考虑一小部分。电气元件的高成本可能是误导性的，但是压缩机运营成本高。既不讲究整个故事。

气动操作成本可以通过调整压缩机的尺寸来适应气动设备部署的规模来控制。电动执行器的成本可以通过精确的尺寸最小化，单独购买运动控制组件，并将它们保留到可以提高过程效率的应用中。气动执行机构在成本、尺寸、推力和速度方面有优势，而电动执行机构在精度、灵活性和控制方面有优势，使机械和过程更高效。对应用程序进行预先评估可以防止疏忽，并在长期内节省可观的成本，同时确保设备与手头的任务匹配。

电动执行器运营成本计算

使用以下等式来估计电动执行器的运营成本：

成本=电流x电压x 0.001 x年度营业时间x电力成本x占空比

电流是向电机绕组提供电力的电源或控制器的电流牵引。电压为交流线路电压。占空比是电机产生规定电流的时间百分比。通常情况下，电机在部分时间内抽全电流，部分时间抽全电流，另一部分时间在空载下空转，此时大部分电流抽是由于控制电子器件。

让我们假设我们使用直流电源为执行器提供电源。该电源提供48 VDC，最大12安培。从制造商的数据表，电源在120伏时最大吸取8安培。我们的电动执行器成本计算假设执行器的电机在满载时使用6安培的直流电，在空转时使用1安培的直流电。同时，假设执行器的一半电流输出线性转换为电源的一半电流输出。

该系统每天运行8小时，每周运行5天，电费为每千瓦时0.10美元。系统空闲时间为一半，满载时间为一半。

满载时的年成本= 120 x 4 x 0.001 x 8 x 5 x 52 x 0.1 x 0.5 = 49.92美元

闲置的年成本= 120 x 0.67 x 0.001 x 8 x 5 x 52 x 0.1 x 0.5 = 8.36美元

对于总运营成本，将成本加在一起，相当于每个驱动器每年58美元。

我们还必须估计更换成本：

执行机构=(单位成本x数量)÷寿命

电子=（每单位成本x数量）÷寿命

如果执行器系统共占1,200美元，其中执行器本身的费用为900美元并拥有三年的生命跨度，每年的总费用约为（900美元3）+ 58美元或358美元。如果电子设备埋在执行器中，并且当产品发生故障时，必须更换整个单元，每年的每年总成本为每年458美元。通常，电子设备将具有更长的寿命，并且它们对维护费用的贡献将更小。