1、工業(yè)自動化線性技術(shù)基礎(chǔ)原理 2本指南如何為您提供幫助使用機(jī)器對過程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行自動化是現(xiàn)代化生產(chǎn)操作所特有的組成部分。近年來,單位成本縮減和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提高使工業(yè)領(lǐng)域的效率大幅提升。不過,為使提升后的效率得到充分利用,各大企業(yè)必須確保其機(jī)械設(shè)備滿足特定要求。本白皮書為線性技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用提供了指導(dǎo),旨在幫助用戶預(yù)選合適的技術(shù)。書中提供了基本技術(shù)方法和參考用法,并簡要介紹了相關(guān)優(yōu)勢。由于隨著技術(shù)進(jìn)步,可用產(chǎn)品范圍大大增加,這就更加需要聚焦于核心元素,以加快規(guī)劃速度。本白皮書還可幫助不了解該領(lǐng)域的用戶評估出價的合理性。概述:“工業(yè)自動化”白皮書工業(yè)自動化是一個非常復(fù)雜的課題,因此我們?yōu)槠渚幾藘杀景灼?/p>

2、。第一部分是“線性技術(shù)基礎(chǔ)原理”,主要講述在選擇最合適的傳動及引導(dǎo)技術(shù)時需要考慮的機(jī)械問題和決策。第二部分是“電機(jī)與控件基礎(chǔ)原理”,主要講述電子元件以及機(jī)械、控件和電機(jī)之間的 互相作用。工業(yè)自動化 » 目錄 3自動化技術(shù)發(fā)展簡史簡單機(jī)械突破人類局限人類一直在努力突破人體的局限性。使用工具是人類邁向文明的一項標(biāo)志技術(shù),這項技術(shù)的應(yīng)用逐步延伸到各個領(lǐng)域。起初,工具的使用大多是為了求生,這也正是“culture (文化”這個詞最早在拉丁文中的意思(“cultura”翻譯為耕種或農(nóng)耕。約 250 萬年之前,直立猿人學(xué)會了使用石器,這是已知最古老的工具。經(jīng)過漫長的發(fā)展,現(xiàn)代人類開始開發(fā)簡單的機(jī)

3、械來突破自身在精確性和生產(chǎn)力方面的障礙。考古學(xué)家在中國發(fā)掘古墓時曾發(fā)現(xiàn)一些距今 2,500 年的玉扳指,這些扳指質(zhì)地堅硬,表面非常均勻,似乎經(jīng)過機(jī)器加工。所有戒指上都帶有一種有規(guī)律的螺旋圖案,這種圖案是通過反復(fù)旋轉(zhuǎn)雕刻上去的,誤差極小。第一次工業(yè)革命時期,蒸汽技術(shù)推動了機(jī)械化發(fā)展,自動化技術(shù)暴增。從那時起,人類和動物的體力不再成為限制生產(chǎn)發(fā)展的因素,機(jī)器開始以從前無法想象的速度生產(chǎn)商品。第二次工業(yè)革命期間,生產(chǎn)線的出現(xiàn)大大縮短了生產(chǎn)時間,消費(fèi)者成本因此大幅降低。時至今日,自動化的主要目的仍然是提供質(zhì)量一致的可重復(fù)結(jié)果。自動化很大程度上消除了人工干預(yù)所造成的錯誤,因此更容易保持一致的標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)器不

4、知疲倦,工作效率是任何人都無法企及的。綜上所述,在生產(chǎn)完全相同且質(zhì)量一致的工件時,如果一家企業(yè)要保持自身的競爭力,那就必須采用自動化技術(shù)。第一臺機(jī)械式織機(jī)誕生于 16 世紀(jì),由一個水動力系統(tǒng)傳動工業(yè)自動化 » 自動化技術(shù)發(fā)展簡史機(jī)械的智能化發(fā)展簡單機(jī)械只能不斷重復(fù)單一過程,即使很細(xì)微的調(diào)整也需要在生產(chǎn)過程進(jìn)行大量轉(zhuǎn)換工作。為此,研發(fā)人員開始尋找一種能夠根據(jù)情況控制機(jī)械的工藝過程。要實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想,首先要為機(jī)械安裝傳感器,用以測量和評估當(dāng)前情況。其次,需要一個電子大腦來處理這一信息。這一技術(shù)瓶頸在 1969 年得到突破,第一臺可編程邏輯控制器 (PLC 誕生,開啟了第三次工業(yè)革命的前奏。

5、Richard Morley 和 Odo J. Struger 是這一精密裝置的創(chuàng)造者。隨后,他們又推出了 Modicon 084 可編程機(jī)械控制系統(tǒng),這一控制器在當(dāng)時有一個非?；逎拿帧肮虘B(tài)時序邏輯解算器”。“邏輯解算器”是 Morley 十分重視的一個元素。他的控制系統(tǒng)專門用于根據(jù)事件得出邏輯結(jié)論并作出相應(yīng)的反應(yīng)。早在 1958 年,一些簡單的控制裝置已經(jīng)能夠?qū)^程進(jìn)行計數(shù),例如西門子的 Simatic,該控制裝置可以在 100 個循環(huán)后停止運(yùn)行,以更換刀庫。諸如 Modicon 084 等具備真正可編程能力的控制裝置隨后誕生,使機(jī)械能夠?qū)κ录鞒鲮`活反應(yīng)。1974 年,Klaschka

6、 和 Pilz 公司在德國推出首個 PLC。西門子緊隨其后, 推出了 Simatic S3。隨著時代的發(fā)展,機(jī)器和設(shè)備的設(shè)計變 得越來越復(fù)雜工業(yè)自動化 » 自動化技術(shù)發(fā)展簡史可編程邏輯控制器(PLC4不久之前的封閉系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為多功能裝置。控制系統(tǒng)的選擇決定著一個方案可以控制的部件數(shù)量、過程的完善程度以及與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)的難易程度。自動化從聚焦單一機(jī)械的工藝過程逐漸演變?yōu)槁?lián)網(wǎng)系統(tǒng)。機(jī)器對機(jī)器 通信讓互聯(lián)通訊讓多機(jī)協(xié)作創(chuàng)造新型價值創(chuàng)造成為可能。在即將到來的第四次工業(yè)革命(也稱為工業(yè) 4.0中,智能數(shù)據(jù)處理和傳輸技術(shù)將格外重要,它們能讓定制產(chǎn)品充分享受以機(jī)器為基礎(chǔ)的系列生產(chǎn)所帶來的成本優(yōu)勢

7、?！爸悄苌a(chǎn)讓我們能夠掌控更加復(fù)雜的過程,甚至達(dá)到我們現(xiàn)在無法想象的復(fù)雜程度。未來工廠的靈活性和堅固性將大幅提升,同時保持高生產(chǎn)力和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)同時各種資源也將得到充分利用。這種創(chuàng)新的生產(chǎn)方式會帶來很多挑戰(zhàn),例如怎樣在提高自動化水平的同時保持定制過程、如何妥善處理海量數(shù)據(jù)以及怎樣部署復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)以管理整個價值創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò),”引自慕尼黑的德國國家科學(xué)與工程院 (acatech 的 Henning Kagermann 教授如是說。 一系列元素可以通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)5 未來的工人將需要具備良好的獨(dú)立性、溝通技巧和組織能力效率在未來發(fā)展中至關(guān)重要隨著勞動力在生產(chǎn)過程逐漸被機(jī)器取代,人們開始越來越專注于開發(fā)和

8、規(guī)劃活動?，F(xiàn)在,人的使命是確保公司持續(xù)發(fā)展未來存續(xù),在面對高度全球化的市場競爭所帶來的不斷增長的壓力時,不會被行業(yè)淘汰。Kagermann 教授認(rèn)為,未來的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐在性質(zhì)上將發(fā)生更重大的變化:“復(fù)雜性、抽象概念和解決問題是三個重要領(lǐng)域,涉及其中的所有智能工廠員工將面臨更嚴(yán)苛的要求。此外,員工還將需要更獨(dú)立工作,具備出色的溝通技巧,并能高效地組織自身活動?！?智能輔助系統(tǒng)將幫助員工可靠高效地管理高精度生產(chǎn)。效率是一個重要問題,無論是現(xiàn)在還是不久的未來。為獲得效率優(yōu)勢,各大企業(yè)越來越重視自身的核心技術(shù)、經(jīng)濟(jì)高效地利用資源以及部署先進(jìn)的創(chuàng)新技術(shù)。垂直集成在過去備受追捧,但經(jīng)實(shí)踐檢驗逐漸被證明是一

9、種效率低下的方法。大手筆投資于機(jī)械和設(shè)備要占用巨額資本,而越來越短的產(chǎn)品生命周期則意味著企業(yè)必須能夠更快地收回成本。為此,各大企業(yè)愈發(fā)密切地關(guān)注自己的核心技術(shù)。這樣一來,一方面導(dǎo)致了制造業(yè)垂直范圍壓縮,另一方面推動了在特定工業(yè)部門中深度甚至革命性專業(yè)技術(shù)的興起。這一先進(jìn)知識及其相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)可通過購買獲得,為企業(yè)大幅提升內(nèi)部生產(chǎn)和/或產(chǎn)品的優(yōu)勢。保證客戶獲得更多利益,銷售價格便可隨之抬升,最終取得更高的效率以及更高的市場地位。以客戶為中心的企業(yè)可以針對特定任務(wù)提供現(xiàn)成的解決方案,還可以通過指定標(biāo)準(zhǔn)化接口確保各種模塊相互兼容。預(yù)配置模塊可以使項目變得更簡單,特別是在機(jī)械工程和定制工程領(lǐng)域,此外還可

10、以縮短產(chǎn)出時間,同時提升各項目規(guī)劃的確定性。工業(yè)自動化 » 自動化技術(shù)發(fā)展簡史自動化技術(shù)原理線性技術(shù)是工業(yè)自動化中的一項標(biāo)準(zhǔn)解決方案。該技術(shù)可靠、耐用,還可以低成本實(shí)施。線性系統(tǒng)顧名思義就是沿直線或軸運(yùn)動的系統(tǒng)。在線性裝置中,滑動件(工件或應(yīng)用的載體或滑動架向一個方向運(yùn)動,大多數(shù)情況下會返回?？梢允褂猛捷S平行運(yùn)行兩個甚至多個線性裝置,還可以組合不同的線性裝置以實(shí)現(xiàn)二維甚至三維定位。線性技術(shù)可用于設(shè)計復(fù)雜的運(yùn)動序列,保證相對較低的投資成本。強(qiáng)大的線性裝置包括以下幾部分:線性導(dǎo)軌是一條裝有滑動件的導(dǎo)軌,滑動件只能沿導(dǎo)軌進(jìn)行精密直線運(yùn)動。傳動元件用于使滑動件做機(jī)械運(yùn)動,例如兩個反向裝置和

11、一個同步皮帶的組合。電機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)械工作,例如把電能轉(zhuǎn)化為動能。控制器負(fù)責(zé)確保電機(jī)不僅能夠提供動能,還要在適當(dāng)時間向適當(dāng)方向旋轉(zhuǎn)適當(dāng)圈數(shù),以滿足運(yùn)動所需。 工業(yè)自動化 » 自動化技術(shù)原理用戶友好的啟動助手使編程更簡單,從而可以更快地開展生產(chǎn)選擇適當(dāng)?shù)木€性裝置首先取決于待處理或加工的工件,其次要考慮特定的生產(chǎn)環(huán)境。隨后章節(jié)列出了選擇適當(dāng)線性裝置時應(yīng)注意的重要事項:有效載荷有效載荷指滑動件應(yīng)能運(yùn)輸?shù)闹亓?。重型工件或工具需要相對堅固耐用的?dǎo)軌和傳動?；瑒蛹艹休d的重量將取決于滾輪的承載能力。如果要遠(yuǎn)距離輸送重型負(fù)荷,支撐型材的橫截面必須能夠承受該負(fù)荷,以防止型材產(chǎn)生過度撓曲。 滑動件運(yùn)動

12、速度越快,工位間運(yùn)動處理步驟轉(zhuǎn)換時浪費(fèi)的時間越少。更高速度還可以促進(jìn)生產(chǎn)單元數(shù)量的增加, 從而提高生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。重復(fù)精度重復(fù)精度指兩點(diǎn)之間規(guī)則運(yùn)動的最大偏差。在一個重復(fù)精度較高的系統(tǒng)中,滑動件始終能夠準(zhǔn)確停到所需位置,從而提高機(jī)加工精度。降低 誤差是確保預(yù)定運(yùn)動可靠執(zhí)行的最佳方法。最后,計劃應(yīng)用本身決定著滑動件完成任務(wù)所需的行程距離。特定傳動及導(dǎo)軌技術(shù)將比其他技術(shù)更適用,視具體行程距離而定。工業(yè)自動化 » 自動化技術(shù)原理線性技術(shù)可用于定制復(fù)雜的運(yùn)動序列,滿足特定生產(chǎn)要求線性導(dǎo)軌線性導(dǎo)軌是線性裝置中的核心部件,決定著運(yùn)動方向,即線性路徑。這就如同火車在鐵軌上運(yùn)行。線性導(dǎo)軌由兩部分組

13、成實(shí)際導(dǎo)軌(軌道和相應(yīng)的運(yùn)輸單元(滑動件。線性導(dǎo)軌可分為以下兩種:滾輪導(dǎo)軌滾輪導(dǎo)軌利用滾輪在軸上運(yùn)行。這些軸通常為圓柱形或半圓柱形桿,固定在支撐型材上。滾輪是帶特殊型材的軸承,專門用于精確地包圍軸、支持無間隙運(yùn)動,同時確保軸承不會脫離軸。軸和滾輪的直徑和材料以及滾輪的數(shù)量和排列都可以調(diào)整,使?jié)L輪導(dǎo)軌適用于各種不同的任務(wù)。T 型槽滑塊型槽滑塊直接在摩擦極小的表面上滑動。在該類導(dǎo)軌中,一個異形滑靴沿帶有適配型材的軌道滑動,以確?；瑝K不會脫軌。T型槽滑塊最適用于無需保證完全無間隙但需要盡可能提高操作成本效益的應(yīng)用。循環(huán)球軸承導(dǎo)軌循環(huán)球軸承導(dǎo)軌指沿軸或型材導(dǎo)軌運(yùn)動的滾動元件軸承導(dǎo)軌,與滾輪導(dǎo)軌相似。兩

14、者的區(qū)別在于滾動元件(球軸承的排列,滾動元件沿一直線行進(jìn),然后沿另一軌道返回。沿一條直線設(shè)置多個接觸點(diǎn)的工作原理有助于減小摩擦,并確保作用力有效分布。循環(huán)球軸承導(dǎo)軌可用于小空間 中的高負(fù)荷。同步皮帶傳動裝置和滾輪導(dǎo)軌組合可提供快速的無間隙運(yùn)動工業(yè)自動化 » 自動化技術(shù)原理傳動技術(shù)最先進(jìn)的傳動技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化,適用于各種不同的任務(wù),包括以高速或超精確為特點(diǎn)的各種應(yīng)用。歸根結(jié)底,傳動技術(shù)的選擇在很大程度上決定著線性裝置的性能,而且還對解決方案的精確度、速度、承載能力和成本有所影響。傳動技術(shù)可分為以下兩種:同步皮帶傳動裝置同步皮帶傳動裝置可支持極速運(yùn)動,從而縮短周期時間。在同步皮帶傳動裝置中,

15、齒形傳動帶圍繞由電機(jī)傳動的齒形帶輪機(jī)械鎖定。這一機(jī)械互鎖可消除滑移,確保作用力的高效傳遞。該系統(tǒng)還可以快速反轉(zhuǎn)方向,適應(yīng)加快大批量生產(chǎn)。同步皮帶包括帶聚氨酯護(hù)套的鋼纜,使用壽命長,并且支持平穩(wěn)運(yùn)行。由于皮帶本身質(zhì)量較小,因此只需極少能量便可使其運(yùn)動起來。帶同步皮帶傳動裝置的線性裝置幾乎可搭建為任何長度,因此誕生了集高傳動力與長行程距離于一身的線性裝置。在同步皮帶反轉(zhuǎn)時提供傳動力。在垂直應(yīng)用中使用該類傳動裝置時,需使用限位臺階以確保在斷電或類似情況下不會出現(xiàn)滑動失控。除非安裝電機(jī)制動器,否則同步皮帶會靈活移動,無法自動固定其位置。滾珠絲杠裝置滾珠絲杠裝置主要用于需要強(qiáng)大動力和精確定位的情況。這一

16、切通過傳動原理實(shí)現(xiàn):基于一個精密主軸的滾珠絲杠裝置。系統(tǒng)的運(yùn)行速度和定位精度很大程度上取決于螺紋方向。主軸上裝有一個內(nèi)含球軸承的非回轉(zhuǎn)式傳動螺母。這些球軸承在螺紋中循環(huán)運(yùn)動,確保螺母在主軸轉(zhuǎn)動時沿直線軸運(yùn)動。由于球軸承比運(yùn)行軌道略大,因此可產(chǎn)生預(yù)緊效果,消除間隙并為承載力提供支撐。使用絲杠尺寸較大的主軸可以大大提升滾珠絲杠裝置的行程速度。主軸的徑向長度決定其旋轉(zhuǎn)速度。因此,在需要較高傳動速度時,應(yīng)首先考慮使用絲杠尺寸較大的主軸。這種設(shè)計在垂直應(yīng)用中不容易出現(xiàn)滑動件運(yùn)動失控的情況考慮到滾珠絲杠裝置的傳動比, 傳動裝置必須提供較小的制動力矩。工業(yè)自動化 » 自動化技術(shù)原理滾珠絲杠裝置提高

17、定位精度工業(yè)自動化 » 總結(jié) 鏈傳動裝置 齒條傳動裝置是一種堅固耐用的線性傳動 裝置， 可以用于搬運(yùn)重型負(fù)載。 “ 齒條傳動裝置 齒條傳動裝置主要用于需要提升重型負(fù)載和高 重復(fù)精度的情況。 從動齒輪會與直齒條進(jìn)行互 鎖， 從而消除滑移的可能性。 傳動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動由此直接轉(zhuǎn)化為滑動件的直線運(yùn)動。 鏈傳動裝置能夠抵抗臟污所帶來的問題， 可有效 傳遞作用力， 也非常適合垂直運(yùn)動。 如果要求達(dá) 到絕對可靠性， 包括在嚴(yán)苛條件下， 可使用強(qiáng)力 鏈條。 負(fù)載隨從動齒輪運(yùn)動， 或 與同步皮帶傳動裝置相似， 該類傳動裝置的電機(jī) 由此可實(shí)現(xiàn)兩種應(yīng)用： 負(fù)載隨移動齒條運(yùn)動。 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動也會被傳遞到連續(xù)

18、鏈條。 傳動裝置不能 鎖定傳動裝置， 發(fā)生滑移。 齒條傳動裝置是一種堅固耐用的線性傳動裝置， 因為齒條在承壓時不 帶鏈傳動裝置的線性裝置可以在運(yùn)行方向上傳 可以用于搬運(yùn)重型負(fù)載。 所以即便是在遠(yuǎn)距離的情況下， 也可以 遞強(qiáng)作用力， 但由于設(shè)計原因在定位和行程速度 會變長， 方面有所局限。 不過， 鏈傳動裝置具有出色的抵 獲得高水平定位精度。 抗失效載荷能力， 因此多用于搭建提升門及其他 帶齒條傳動裝置的線性裝置還可以在垂直應(yīng)用 垂直應(yīng)用。 中用于安全傳輸動力。 鏈傳動裝置中的作用力可以通過線性裝置中任 意位置上的鏈輪轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動， 因此這一設(shè)計 特別適合用于搭建帶滾輪的輸送系統(tǒng)。 事實(shí)上，

19、這一應(yīng)用場景似乎也沒有其他替代方案。 與其他線性裝置相比， 采用鋼鏈條的線性裝置需 要更多的維護(hù)保養(yǎng)。 除此之外， 確保系統(tǒng)充分潤 滑和定期檢查鏈條張力也很重要。 11 工業(yè)自動化 » 前景展望 信息物理系統(tǒng)通過 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施連接 生產(chǎn)過程中的所有 元素 總結(jié) 在第三次工業(yè)革命期間， 過程自動化逐步取代 了勞動力。 線性技術(shù)在工業(yè)自動化任務(wù)中發(fā)揮 著重要作用， 可用于搭建可靠的高性能多軸裝 卸系統(tǒng)， 執(zhí)行三維運(yùn)動。 在工業(yè)環(huán)境下快速輕松 裝配該類線性系統(tǒng)的能力有助于提高生產(chǎn)能 力， 進(jìn)而提升成本效益。 由線性導(dǎo)軌、 傳動裝置和滑動件組成的系統(tǒng)可 以通過任務(wù)專用部件進(jìn)行整體裝配和安裝。 隨 著生產(chǎn)過程的日益簡化， 采用“安裝就緒型”線性 裝置是明智之選， 這種裝置可直接安裝， 免除了 復(fù)雜的設(shè)計或裝配工作。 這意味著用戶