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EXLAR用于汽車行業的伺服電動缸

2020-06-18 14:58
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   Exlar行星絲杠電動執行器,旋轉伺服電機以及集成控制的解決方案在各類運動控制領域廣泛使用。其尖端執行器技術基于電氣+機器的結構,以替代傳統的液壓和氣動缸。Exlar的最大推力可達22萬牛頓以及最大線速度超過1.5米每秒。


    直線執行器是工廠自動化的一項核心技術。與流體動力的執行器一樣(包括液壓和氣動),電動執行器技術已快速成為各工業領域的重要組成部分,包括包裝、食品加工、能源、過程控制、建筑和汽車等行業。在生產線上使用直線執行器已在當今工業不可或缺。然而,氣動和液壓驅動系統在某些領域因效率低和不易精確控制在逐步被摒棄。在這些情況下,電動執行器開始初步取代其地位。在選擇不同執行器技術時,需考慮能耗效率、系統控制方式、壽命期望值和安裝空間限制。


   在對比三種執行器技術后(液壓、氣動和電動),文章闡述了電動執行器和傳統流體動力執行器相比的卓越優勢。在現今汽車工業中,機器人焊鉗是將流體執行器升級至電動執行器最為盛行的應用。


機器人焊鉗


    在全球范圍內,機器人被廣泛應用于汽車制造。其中最為主要是車身金屬件和基座的點焊。由于每臺車都需要很多焊點,而且對精度、一致性和重復性的要求高,因此電動執行器是最好的解決方案。焊鉗在有機器人臂的控制下,需要精確到達汽車的各個部件位置。雖然機器人自身都是由伺服電機驅動,但傳統的焊鉗執行器配備的卻是氣伺服執行器,其原因是氣動缸的價格低和易用。為了滿足不斷增長的產能要求,汽車業的自動化工程師不斷的在切換到電動執行器的解決方案,以提升其點焊能力。最為典型的方案就是基于滾珠或滾柱絲杠的電動執行器技術。


不同的電動執行器方案

   如今在重工業(汽車制造)最為常見的電動執行器就是以旋轉伺服電機連接諸如滾珠或滾柱絲杠之類的機械傳動部件來實現。


   滾珠絲杠易于生產,市面上有許多廠家生產的滾珠絲杠價格都在可承受范圍內。滾珠絲杠由螺紋桿(磨削或滾壓制造)和滾珠螺母組成。就像螺絲螺帽一樣,旋轉的螺母和直線運動的螺桿。隨著人們對更長的使用壽命,更高的速度以及更低噪音等要求越來越高,滾柱絲杠或滾柱絲杠的執行器也成為了更佳選擇。在驅動方式和原理上,滾柱絲杠和滾珠絲杠是一致的,都是由螺紋桿來驅動螺母實現直線運動。不同的是,后者是在螺母內承載著的珠子,而滾柱螺母內使用的是小螺紋滾柱與主絲杠相互嚙合,這時螺母的結構類似于行星齒輪箱。



滾柱絲杠和滾珠絲杠相比主要有三點優勢:

1.在同樣體積的情況下,滾柱絲杠有更大的接觸面積,將承載力平均分散在更大的表面。從而減小了摩擦力并延長了使用壽命。


2.滾珠絲杠的珠子在輥道相互運動的方向不同,而滾柱是同步運行在主絲杠上的。于此滾柱絲杠能承受更高的輸入轉速從而實現更大的直線速度。


3.滾珠絲杠內的珠子在輥道內需要在某一點上做方向切換,滾柱與主絲杠與同步做圓周運動,這就是為什么滾柱絲杠擁有更小振動和噪音。





正是由于這些先天的設計優勢,滾柱絲杠擁有超過滾珠絲杠5到15倍的使用壽命。


   目前最常見的電動執行器是由絲杠機械結構與獨立的驅動電機通過聯軸器直連或折返式的皮帶連接而成。對滾珠絲杠而言,直線器通過外部電機驅動的這種結構最易于生產,市面上有諸多供應商可以提供此類經濟型產品。然而,電機作為外部組件加裝時會大大增加整個體積和重量。更大更重的產品意味著需要更大更昂貴的機器人。此外這種更笨重的執行器和大機器人的組合會增加整體的系統慣量,以至于需要更長的工作周期,從而降低了生產節拍。


   AG亚娱集团网站研發的第二個重要步驟,是將滾柱絲杠與伺服電機兩者完美地合二為一。Exlar? GS行星滾柱絲杠執行器將機械絲杠和伺服電機組合成一個獨立部件。為了實現這一設想,AG亚娱集团网站在滾柱絲杠的基礎上又做了顛覆性的設計,反置式的行星絲杠。絲杠螺母通過磨削工藝被設計成螺紋套筒的形式,并直連釹鐵硼磁體的伺服電機。除了顯而易見的緊湊型尺寸優勢外,這種將伺服電機集成的方式不需要繁復的機械零部件,從而提高了可靠性,并大大降低了產品重量。電機和機械的直連也消除了背隙,支持更高的動態響應,全面提升整體性能。分段式貼片(T-Lam)電機轉子更加緊湊,消除了頂部回轉,繞組填充率達80%。絕緣級別180(H)。


Exlar? GS系列執行器將機械絲杠和伺服電機完美地結合起來

主要優勢如下:

1. 滾柱絲杠超長的使用壽命

2. 高效伺服電機的精確控制

3. 極簡功能組件的緊湊設計

預期使用壽命


   正如大家所期望的,更高動載荷的行星滾柱絲杠帶來的主要好處就在于工作壽命。通常AG亚娱集团网站用電缸直線行駛的總里程來衡量,滾珠和滾柱絲杠的相關對比可參看左圖。在同樣承受2000lbf / 8900N時,可預見到滾柱絲杠有15倍以上的理論壽命。


壓力重復精度


   之前也提到在整個生產批次內,焊鉗對重復壓力精度的要求很高。電缸在系統冷啟動到預熱后階段,對保持前端壓力精度有著尤為突出的挑戰。在右圖展示的是Exlar GSX40(典型的伺服焊鉗執行器)在環境溫度為40°C,常規焊接力時的重復壓力精度可達0,75% 或50N。這保證了整個生產周期內焊點質量的可靠性。


節能


   德國卡賽爾大學(the University of Kassel)在2011年做過一份研究,對比了Exlar電動執行器和氣動以及液壓產品。他們發現能耗能節省90%以上對比流體執行器產品。在相同載荷相同工作周期的情況之下,液壓執行器通常需要4.4倍以上的能源消耗,而氣動執行器則更需要10倍以上之多。


   需要注意的是,這個研究只對某一具體環境和參數做特定測試。然而,流體系統還有許多外圍設備,如管子、過濾器、閥、干燥器和泵等。對比電動解決方案而言,整個系統泄漏會帶來更大的能耗。


   當然液壓和氣動系統在工業領域仍然是重要的技術之一,但從性價比和能源環保的角度出發,電動執行器在諸多工業領域是一種更佳的選擇。


電動執行器在未來機器人焊接的應用

   目前全球焊接市場仍以氣動伺服技術為主流。可這一切很有可能在未來幾年內被電動執行器取代。因為即便是像汽車工業這樣保守的行業也在考慮更新更好的技術。Exlar在過去十年里已經為焊接應用提供了大約12,000臺電動執行器。AG亚娱集团网站的模塊化設計可以匹配市面上幾乎所有的驅動產品,還成功的匹配了以下機器人第7軸,Kuka、Comau、ABB、Nachi和Motoman。


   Exlar作為全世界最為緊湊的電動執行器,還提供了許多選項功能,如集成式制動剎車和內置壓力傳感器,以直接測量前端壓力數據。


   基于AG亚娱集团网站在汽車行業的獨特解決方案,Curtiss-Wright集團認為汽車市場將成為Exlar電動執行器在今后若干年內最為重要的增長市場。



關于Curtiss-Wright(柯蒂斯-萊特)公司

       Curtiss-Wright公司(紐交所代碼:CW)是一家為商業、工業、國防和能源市場提供高度工程化關鍵功能產品、系統和服務的國際化創新型公司。格倫?柯蒂斯(Glenn Curtiss)和萊特(Wright)兄弟的遺贈公司 - 柯蒂斯-萊特具有設計和制造創新的悠久傳統,并以長久穩定的客戶關系為傲。該公司在全球擁有約 9000 名員工。


       Exlar Actuation Solutions隸屬于Curtiss-Wright Controls,專為運動控制應用設計和制造電動滾柱絲杠線性執行器、旋轉伺服電機及集成控制解決方案。Exlar執行器專利技術為液壓或氣動缸提供了高效的機電替代產品,承載力高達18噸以上,線性速度超過每秒1.5米。





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