1、工業自動化線性技術基礎原理 2本指南如何為您提供幫助使用機器對過程實現進行自動化是現代化生產操作所特有的組成部分。近年來,單位成本縮減和質量標準提高使工業領域的效率大幅提升。不過,為使提升后的效率得到充分利用,各大企業必須確保其機械設備滿足特定要求。本白皮書為線性技術在工業中的應用提供了指導,旨在幫助用戶預選合適的技術。書中提供了基本技術方法和參考用法,并簡要介紹了相關優勢。由于隨著技術進步,可用產品范圍大大增加,這就更加需要聚焦于核心元素,以加快規劃速度。本白皮書還可幫助不了解該領域的用戶評估出價的合理性。概述:“工業自動化”白皮書工業自動化是一個非常復雜的課題,因此我們為其編撰了兩本白皮書

2、。第一部分是“線性技術基礎原理”,主要講述在選擇最合適的傳動及引導技術時需要考慮的機械問題和決策。第二部分是“電機與控件基礎原理”,主要講述電子元件以及機械、控件和電機之間的 互相作用。工業自動化 » 目錄 3自動化技術發展簡史簡單機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志技術,這項技術的應用逐步延伸到各個領域。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”翻譯為耕種或農耕。約 250 萬年之前,直立猿人學會了使用石器,這是已知最古老的工具。經過漫長的發展,現代人類開始開發簡單的機

3、械來突破自身在精確性和生產力方面的障礙。考古學家在中國發掘古墓時曾發現一些距今 2,500 年的玉扳指,這些扳指質地堅硬,表面非常均勻,似乎經過機器加工。所有戒指上都帶有一種有規律的螺旋圖案,這種圖案是通過反復旋轉雕刻上去的,誤差極小。第一次工業革命時期,蒸汽技術推動了機械化發展,自動化技術暴增。從那時起,人類和動物的體力不再成為限制生產發展的因素,機器開始以從前無法想象的速度生產商品。第二次工業革命期間,生產線的出現大大縮短了生產時間,消費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量一致的可重復結果。自動化很大程度上消除了人工干預所造成的錯誤,因此更容易保持一致的標準。機器不

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

5、Richard Morley 和 Odo J. Struger 是這一精密裝置的創造者。隨后,他們又推出了 Modicon 084 可編程機械控制系統,這一控制器在當時有一個非常晦澀的名字“固態時序邏輯解算器”。“邏輯解算器”是 Morley 十分重視的一個元素。他的控制系統專門用于根據事件得出邏輯結論并作出相應的反應。早在 1958 年,一些簡單的控制裝置已經能夠對過程進行計數,例如西門子的 Simatic,該控制裝置可以在 100 個循環后停止運行,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,使機械能夠對事件作出靈活反應。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。隨著時代的發展,機器和設備的設計變 得越來越復雜工業自動化 » 自動化技術發展簡史可編程邏輯控制器(PLC4不久之前的封閉系統已經發展為多功能裝置。控制系統的選擇決定著一個方案可以控制的部件數量、過程的完善程度以及與其他系統協調的難易程度。自動化從聚焦單一機械的工藝過程逐漸演變為聯網系統。機器對機器 通信讓互聯通訊讓多機協作創造新型價值創造成為可能。在即將到來的第四次工業革命(也稱為工業 4.0中,智能數據處理和傳輸技術將格外重要,它們能讓定制產品充分享受以機器為基礎的系列生產所帶來的成本優勢

7、。“智能生產讓我們能夠掌控更加復雜的過程,甚至達到我們現在無法想象的復雜程度。未來工廠的靈活性和堅固性將大幅提升,同時保持高生產力和質量標準同時各種資源也將得到充分利用。這種創新的生產方式會帶來很多挑戰,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據以及怎樣部署復雜的監控系統以管理整個價值創造網絡,”引自慕尼黑的德國國家科學與工程院 (acatech 的 Henning Kagermann 教授如是說。 一系列元素可以通過物聯網實現互聯5 未來的工人將需要具備良好的獨立性、溝通技巧和組織能力效率在未來發展中至關重要隨著勞動力在生產過程逐漸被機器取代,人們開始越來越專注于開發和

8、規劃活動。現在,人的使命是確保公司持續發展未來存續,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,不會被行業淘汰。Kagermann 教授認為,未來的工業生產實踐在性質上將發生更重大的變化:“復雜性、抽象概念和解決問題是三個重要領域,涉及其中的所有智能工廠員工將面臨更嚴苛的要求。此外,員工還將需要更獨立工作,具備出色的溝通技巧,并能高效地組織自身活動。” 智能輔助系統將幫助員工可靠高效地管理高精度生產。效率是一個重要問題,無論是現在還是不久的未來。為獲得效率優勢,各大企業越來越重視自身的核心技術、經濟高效地利用資源以及部署先進的創新技術。垂直集成在過去備受追捧,但經實踐檢驗逐漸被證明是一

9、種效率低下的方法。大手筆投資于機械和設備要占用巨額資本,而越來越短的產品生命周期則意味著企業必須能夠更快地收回成本。為此,各大企業愈發密切地關注自己的核心技術。這樣一來,一方面導致了制造業垂直范圍壓縮,另一方面推動了在特定工業部門中深度甚至革命性專業技術的興起。這一先進知識及其相關創新技術可通過購買獲得,為企業大幅提升內部生產和/或產品的優勢。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可以針對特定任務提供現成的解決方案,還可以通過指定標準化接口確保各種模塊相互兼容。預配置模塊可以使項目變得更簡單,特別是在機械工程和定制工程領域,此外還可

10、以縮短產出時間,同時提升各項目規劃的確定性。工業自動化 » 自動化技術發展簡史自動化技術原理線性技術是工業自動化中的一項標準解決方案。該技術可靠、耐用,還可以低成本實施。線性系統顧名思義就是沿直線或軸運動的系統。在線性裝置中,滑動件(工件或應用的載體或滑動架向一個方向運動,大多數情況下會返回。可以使用同步軸平行運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現二維甚至三維定位。線性技術可用于設計復雜的運動序列,保證相對較低的投資成本。強大的線性裝置包括以下幾部分:線性導軌是一條裝有滑動件的導軌,滑動件只能沿導軌進行精密直線運動。傳動元件用于使滑動件做機械運動,例如兩個反向裝置和

11、一個同步皮帶的組合。電機負責執行機械工作,例如把電能轉化為動能。控制器負責確保電機不僅能夠提供動能,還要在適當時間向適當方向旋轉適當圈數,以滿足運動所需。 工業自動化 » 自動化技術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選擇適當的線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環境。隨后章節列出了選擇適當線性裝置時應注意的重要事項:有效載荷有效載荷指滑動件應能運輸的重量。重型工件或工具需要相對堅固耐用的導軌和傳動。滑動件所能承載的重量將取決于滾輪的承載能力。如果要遠距離輸送重型負荷,支撐型材的橫截面必須能夠承受該負荷,以防止型材產生過度撓曲。 滑動件運動

12、速度越快,工位間運動處理步驟轉換時浪費的時間越少。更高速度還可以促進生產單元數量的增加, 從而提高生產系統的生產力。重復精度重復精度指兩點之間規則運動的最大偏差。在一個重復精度較高的系統中,滑動件始終能夠準確停到所需位置,從而提高機加工精度。降低 誤差是確保預定運動可靠執行的最佳方法。最后,計劃應用本身決定著滑動件完成任務所需的行程距離。特定傳動及導軌技術將比其他技術更適用,視具體行程距離而定。工業自動化 » 自動化技術原理線性技術可用于定制復雜的運動序列,滿足特定生產要求線性導軌線性導軌是線性裝置中的核心部件,決定著運動方向,即線性路徑。這就如同火車在鐵軌上運行。線性導軌由兩部分組

13、成實際導軌(軌道和相應的運輸單元(滑動件。線性導軌可分為以下兩種:滾輪導軌滾輪導軌利用滾輪在軸上運行。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量和排列都可以調整,使滾輪導軌適用于各種不同的任務。T 型槽滑塊型槽滑塊直接在摩擦極小的表面上滑動。在該類導軌中,一個異形滑靴沿帶有適配型材的軌道滑動,以確保滑塊不會脫軌。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用。循環球軸承導軌循環球軸承導軌指沿軸或型材導軌運動的滾動元件軸承導軌,與滾輪導軌相似。兩

14、者的區別在于滾動元件(球軸承的排列,滾動元件沿一直線行進,然后沿另一軌道返回。沿一條直線設置多個接觸點的工作原理有助于減小摩擦,并確保作用力有效分布。循環球軸承導軌可用于小空間 中的高負荷。同步皮帶傳動裝置和滾輪導軌組合可提供快速的無間隙運動工業自動化 » 自動化技術原理傳動技術最先進的傳動技術經過優化,適用于各種不同的任務,包括以高速或超精確為特點的各種應用。歸根結底,傳動技術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傳動的齒形帶輪機械鎖定。這一機械互鎖可消除滑移,確保作用力的高效傳遞。該系統還可以快速反轉方向,適應加快大批量生產。同步皮帶包括帶聚氨酯護套的鋼纜,使用壽命長,并且支持平穩運行。由于皮帶本身質量較小,因此只需極少能量便可使其運動起來。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。在同步皮帶反轉時提供傳動力。在垂直應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滑動失控。除非安裝電機制動器,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大動力和精確定位的情況。這一

16、切通過傳動原理實現:基于一個精密主軸的滾珠絲杠裝置。系統的運行速度和定位精度很大程度上取決于螺紋方向。主軸上裝有一個內含球軸承的非回轉式傳動螺母。這些球軸承在螺紋中循環運動,確保螺母在主軸轉動時沿直線軸運動。由于球軸承比運行軌道略大,因此可產生預緊效果,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速度。因此,在需要較高傳動速度時,應首先考慮使用絲杠尺寸較大的主軸。這種設計在垂直應用中不容易出現滑動件運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。工業自動化 » 自動化技術原理滾珠絲杠裝置提高

17、定位精度工業自動化 » 總結 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， 可以用于搬運重型負載。 “ 齒條傳動裝置 齒條傳動裝置主要用于需要提升重型負載和高 重復精度的情況。 從動齒輪會與直齒條進行互 鎖， 從而消除滑移的可能性。 傳動電機的旋轉運 動由此直接轉化為滑動件的直線運動。 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， 也非常適合垂直運動。 如果要求達 到絕對可靠性， 包括在嚴苛條件下， 可使用強力 鏈條。 負載隨從動齒輪運動， 或 與同步皮帶傳動裝置相似， 該類傳動裝置的電機 由此可實現兩種應用： 負載隨移動齒條運動。 旋轉運動也會被傳遞到連續

18、鏈條。 傳動裝置不能 鎖定傳動裝置， 發生滑移。 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行方向上傳 可以用于搬運重型負載。 所以即便是在遠距離的情況下， 也可以 遞強作用力， 但由于設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用 垂直應用。 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 意位置上的鏈輪轉化為旋轉運動， 因此這一設計 特別適合用于搭建帶滾輪的輸送系統。 事實上，

19、這一應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 要更多的維護保養。 除此之外， 確保系統充分潤 滑和定期檢查鏈條張力也很重要。 11 工業自動化 » 前景展望 信息物理系統通過 數據基礎設施連接 生產過程中的所有 元素 總結 在第三次工業革命期間， 過程自動化逐步取代 了勞動力。 線性技術在工業自動化任務中發揮 著重要作用， 可用于搭建可靠的高性能多軸裝 卸系統， 執行三維運動。 在工業環境下快速輕松 裝配該類線性系統的能力有助于提高生產能 力， 進而提升成本效益。 由線性導軌、 傳動裝置和滑動件組成的系統可 以通過任務專用部件進行整體裝配和安裝。 隨 著生產過程的日益簡化， 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 復雜的設計或裝配工作。 這意味著用戶