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機(jī)器和設(shè)備自動(dòng)化項(xiàng)目——無論是由原始設(shè)備制造商 (OEM)、系統(tǒng)集成商 (SI) 還是制造設(shè)施的資本項(xiàng)目組執(zhí)行——都包括許多設(shè)計(jì)階段。需求、成本和收益通常在項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)和概念設(shè)計(jì)階段開始之前進(jìn)行評估。
當(dāng)團(tuán)隊(duì)開始產(chǎn)品、技術(shù)和方法以在預(yù)算和進(jìn)度的限制內(nèi)成功完成手頭的任務(wù)時(shí)，將在此階段定義詳細(xì)的績效評估。對于許多機(jī)器來說，必須有一種方法來執(zhí)行和監(jiān)控具有足夠功率、速度和精度的線性運(yùn)動(dòng)。本文討論了在緊湊的占地面積中實(shí)現(xiàn)可靠直線運(yùn)動(dòng)的一些注意事項(xiàng)，重點(diǎn)是無桿氣缸。
一、直線運(yùn)動(dòng)要求和方法
在選擇直線運(yùn)動(dòng)解決方案之前必須考慮幾個(gè)基本參數(shù)：
·負(fù)載(以及移動(dòng)它需要多少力)
·總行程(每個(gè)方向的終點(diǎn))
·是否需要中間停止或定位？
·行駛速度
·準(zhǔn)確性
直線運(yùn)動(dòng)的兩種動(dòng)力技術(shù)是電動(dòng)機(jī)和氣動(dòng)執(zhí)行器。這些方法中的每一個(gè)都可以細(xì)分為幾類：
·電動(dòng)(伺服或步進(jìn)電機(jī))
·氣動(dòng)(傳統(tǒng)或無桿氣缸)
線性動(dòng)作通常需要一個(gè)滑塊，通常帶有導(dǎo)軌，以在操作期間以足夠的強(qiáng)度和最小的摩擦支撐機(jī)構(gòu)。直線運(yùn)動(dòng)的選擇是如何驅(qū)動(dòng)這個(gè)滑塊。
伺服電機(jī)，根據(jù)需要配備齒輪箱和隨附的絲杠驅(qū)動(dòng)或齒條齒輪，可對任何行駛位置的加速度、速度、減速度、定位和精度提供的控制。然而，伺服解決方案的采購、配置和安裝成本高昂且復(fù)雜。如果應(yīng)用程序需要這樣的性能，那么伺服是正確的解決方案，但很多時(shí)候它是矯枉過正的。
可以使用步進(jìn)電機(jī)代替伺服電機(jī)來節(jié)省一些錢，同時(shí)犧牲一定程度的精度和性能。它們的配置和安裝成本也相對較高，但可以在線性行程范圍內(nèi)的任何位置提供定位。
與任何電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)相比，傳統(tǒng)的氣缸設(shè)計(jì)將是一個(gè)討價(jià)還價(jià)的選擇。氣缸實(shí)際上是內(nèi)部帶有活塞的管子，連接到一根桿，該桿延伸和縮回以在空氣壓力從活塞的一側(cè)或另一側(cè)引入或排出時(shí)提供原動(dòng)力。這些設(shè)計(jì)從行程的一端到另一端的完整行程運(yùn)動(dòng)，盡管有一些方法可以控制運(yùn)動(dòng)以停止行程中途。
傳統(tǒng)的氣缸通?？梢灾苯幼饔?，并且在機(jī)械部件方面不需要太多其他東西。它可能被封裝在線性行程的占地面積內(nèi)，但氣缸通常需要在滑塊末端安裝空間，通常比行程量大一些。
除了簡單之外，基本氣缸的安裝和維護(hù)成本也不高，并且與它們的尺寸相比，它們提供了非常大的動(dòng)力。因此，線性氣動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以成為適用于許多應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)有效的方法。
另一種氣動(dòng)選項(xiàng)稱為無桿氣缸，其工作方式與傳統(tǒng)的雙作用有桿氣缸相似。無桿缸筒還有一個(gè)內(nèi)部活塞，通常被磁化，因此可以通過傳感器檢測其位置，并且在一側(cè)或另一側(cè)有兩個(gè)用于引入和排出空氣壓力的氣口。
然而，正如人們可能從名稱中猜到的那樣，不同之處在于無桿氣缸沒有連接到活塞的桿。相反，有一個(gè)連接到活塞的外部托架，它沿著氣缸體滑動(dòng)，與活塞一起移動(dòng)(圖 1)。
無桿氣缸具有傳統(tǒng)有桿氣缸的許多優(yōu)點(diǎn)，但還具有允許將氣缸安裝在更狹窄空間中的額外好處。對于直線運(yùn)動(dòng)，這種類型的包裝可能非常有效。
二、使設(shè)計(jì)過程保持一致
考慮一個(gè)大型制造設(shè)施的資本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。在一兩次會議之后，他們審查直線運(yùn)動(dòng)的需求。一名團(tuán)隊(duì)成員對伺服驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)的高性能和附加功能著迷。但經(jīng)過調(diào)查，該團(tuán)隊(duì)同意使用簡單的桿式氣缸來滿足設(shè)備直線運(yùn)動(dòng)的需求，因?yàn)檫@種解決方案可以滿足需求，而且壓縮空氣很容易獲得。通過保持簡單的方式解決了這個(gè)問題，他們相應(yīng)地預(yù)算并轉(zhuǎn)移到另一個(gè)主題。
不幸的是，在隨后的會議上，確定該設(shè)備將位于墻壁附近。這意味著計(jì)劃由氣缸操作的運(yùn)動(dòng)站最終會導(dǎo)致氣缸超出機(jī)器占地面積，這會干擾墻壁。將概念改回電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器將在技術(shù)上解決問題，但在這一點(diǎn)上會破壞預(yù)算。幸運(yùn)的是，無桿氣缸可以解決技術(shù)和商業(yè)問題。
三、解決棘手的情況
無桿氣缸比傳統(tǒng)氣缸更適合的一個(gè)例子是在膠站上。對于這個(gè)工作站，膠頭需要穿過放在桌子上的平板紙板，并在移動(dòng)時(shí)提供膠珠。
在這種情況下，將一張 500 毫米寬的紙板(這意味著需要 500 毫米的氣缸行程)放在桌子上，并且需要 480 毫米長的膠珠。在工作臺的一側(cè)有一個(gè)導(dǎo)向柵欄，確保正面的紙板齊平，而機(jī)器在柵欄背面的工作臺上有一個(gè) 150 毫米寬的空間。
使用傳統(tǒng)氣缸，沖程為 500 毫米的型號的總縮回氣缸長度約為 581 毫米，或略低于 23 英寸長。這個(gè)圓柱體需要安裝在柵欄旁邊并向后延伸。機(jī)器占地面積外會出現(xiàn)明顯的懸垂，從而導(dǎo)致問題，因?yàn)樾枰Ｗo(hù)氣缸體，以免有人撞到它。這種懸垂結(jié)構(gòu)還可以防止將機(jī)器安裝在靠近墻壁的位置，從而浪費(fèi)工作空間(圖 2)。
出于多種原因，無桿氣缸比有桿氣缸更適合此應(yīng)用。具有與有桿版本類似的工作額定值的無桿氣缸將具有端蓋，這會占用一些空間，每端大約 150 毫米。但是當(dāng)安裝在機(jī)器工作臺上方時(shí)，圍欄的背面可以容納這個(gè)懸垂物，工作臺的正面也可以，因?yàn)樗情_放的。
在此應(yīng)用中無桿氣缸的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以直接支撐膠頭而無需額外的機(jī)構(gòu)。如果使用桿式氣缸，設(shè)計(jì)人員將需要考慮膠水分配器的懸臂負(fù)載，這很可能需要結(jié)合機(jī)械線性滑軌，從而增加成本和復(fù)雜性，并使桿式氣缸解決方案的成本接近*的無桿選項(xiàng)。
四、直線運(yùn)動(dòng)脫模沖頭
無桿氣缸可以在非水平方向上節(jié)省空間，例如在垂直應(yīng)用中使用時(shí)，例如沖頭站。這家制造工廠占地面積小，但有一個(gè)高棚天花板。作為重新設(shè)計(jì)的一部分，水平?jīng)_壓站正在更新為垂直方向，以節(jié)省地面空間。個(gè)也是最上面的工位將在薄鋼板上打一個(gè)孔。當(dāng)這個(gè)站在地面上時(shí)，它使用一個(gè)沖程為 200 毫米的標(biāo)準(zhǔn)氣缸。圓柱體在機(jī)器上方突出約 300 毫米(圖 3)。
垂直布局進(jìn)行得很順利，直到發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題。沖頭缸最終將與消防噴淋頭偏轉(zhuǎn)器相距僅 15 英寸。機(jī)器的每個(gè)其他部分都在氣缸頂部下方 6 英寸以上。根據(jù) NFPA 13，噴頭導(dǎo)流板的間隙必須至少為 18 英寸，因此該設(shè)備疊層需要至少減少 3 英寸。在這種情況下，通過改用無桿氣缸避免了*的重新設(shè)計(jì)，從而節(jié)省了所需的 6 英寸。
五、無桿氣缸解決了直線運(yùn)動(dòng)問題
無桿氣缸比有桿氣缸更昂貴，而且節(jié)省空間的好處只有在更長的沖程長度時(shí)才變得顯著。然而，在空間對于直線運(yùn)動(dòng)來說非常寶貴的情況下，特別是對于長行程長度，通常可以使用無桿氣缸來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有桿氣缸，特別是如果該機(jī)構(gòu)將連接到托架上。無論如何，無桿氣缸的前期和維護(hù)成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
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