工业自动化线性技术基础原理-

1、工业自动化线性技术基础原理 2本指南如何为您提供帮助使用机器对过程实现进行自动化是现代化生产操作所特有的组成部分。近年来,单位成本缩减和质量标准提高使工业领域的效率大幅提升。不过,为使提升后的效率得到充分利用,各大企业必须确保其机械设备满足特定要求。本白皮书为线性技术在工业中的应用提供了指导,旨在帮助用户预选合适的技术。书中提供了基本技术方法和参考用法,并简要介绍了相关优势。由于随着技术进步,可用产品范围大大增加,这就更加需要聚焦于核心元素,以加快规划速度。本白皮书还可帮助不了解该领域的用户评估出价的合理性。概述:“工业自动化”白皮书工业自动化是一个非常复杂的课题,因此我们为其编撰了两本白皮书

2、。第一部分是“线性技术基础原理”,主要讲述在选择最合适的传动及引导技术时需要考虑的机械问题和决策。第二部分是“电机与控件基础原理”,主要讲述电子元件以及机械、控件和电机之间的 互相作用。工业自动化 » 目录 3自动化技术发展简史简单机械突破人类局限人类一直在努力突破人体的局限性。使用工具是人类迈向文明的一项标志技术,这项技术的应用逐步延伸到各个领域。起初,工具的使用大多是为了求生,这也正是“culture (文化”这个词最早在拉丁文中的意思(“cultura”翻译为耕种或农耕。约 250 万年之前,直立猿人学会了使用石器,这是已知最古老的工具。经过漫长的发展,现代人类开始开发简单的机

3、械来突破自身在精确性和生产力方面的障碍。考古学家在中国发掘古墓时曾发现一些距今 2,500 年的玉扳指,这些扳指质地坚硬,表面非常均匀,似乎经过机器加工。所有戒指上都带有一种有规律的螺旋图案,这种图案是通过反复旋转雕刻上去的,误差极小。第一次工业革命时期,蒸汽技术推动了机械化发展,自动化技术暴增。从那时起,人类和动物的体力不再成为限制生产发展的因素,机器开始以从前无法想象的速度生产商品。第二次工业革命期间,生产线的出现大大缩短了生产时间,消费者成本因此大幅降低。时至今日,自动化的主要目的仍然是提供质量一致的可重复结果。自动化很大程度上消除了人工干预所造成的错误,因此更容易保持一致的标准。机器不

4、知疲倦,工作效率是任何人都无法企及的。综上所述,在生产完全相同且质量一致的工件时,如果一家企业要保持自身的竞争力,那就必须采用自动化技术。第一台机械式织机诞生于 16 世纪,由一个水动力系统传动工业自动化 » 自动化技术发展简史机械的智能化发展简单机械只能不断重复单一过程,即使很细微的调整也需要在生产过程进行大量转换工作。为此,研发人员开始寻找一种能够根据情况控制机械的工艺过程。要实现这一构想,首先要为机械安装传感器,用以测量和评估当前情况。其次,需要一个电子大脑来处理这一信息。这一技术瓶颈在 1969 年得到突破,第一台可编程逻辑控制器 (PLC 诞生,开启了第三次工业革命的前奏。

5、Richard Morley 和 Odo J. Struger 是这一精密装置的创造者。随后,他们又推出了 Modicon 084 可编程机械控制系统,这一控制器在当时有一个非常晦涩的名字“固态时序逻辑解算器”。“逻辑解算器”是 Morley 十分重视的一个元素。他的控制系统专门用于根据事件得出逻辑结论并作出相应的反应。早在 1958 年,一些简单的控制装置已经能够对过程进行计数,例如西门子的 Simatic,该控制装置可以在 100 个循环后停止运行,以更换刀库。诸如 Modicon 084 等具备真正可编程能力的控制装置随后诞生,使机械能够对事件作出灵活反应。1974 年,Klaschka

6、 和 Pilz 公司在德国推出首个 PLC。西门子紧随其后, 推出了 Simatic S3。随着时代的发展,机器和设备的设计变 得越来越复杂工业自动化 » 自动化技术发展简史可编程逻辑控制器(PLC4不久之前的封闭系统已经发展为多功能装置。控制系统的选择决定着一个方案可以控制的部件数量、过程的完善程度以及与其他系统协调的难易程度。自动化从聚焦单一机械的工艺过程逐渐演变为联网系统。机器对机器 通信让互联通讯让多机协作创造新型价值创造成为可能。在即将到来的第四次工业革命(也称为工业 4.0中,智能数据处理和传输技术将格外重要,它们能让定制产品充分享受以机器为基础的系列生产所带来的成本优势

7、。“智能生产让我们能够掌控更加复杂的过程,甚至达到我们现在无法想象的复杂程度。未来工厂的灵活性和坚固性将大幅提升,同时保持高生产力和质量标准同时各种资源也将得到充分利用。这种创新的生产方式会带来很多挑战,例如怎样在提高自动化水平的同时保持定制过程、如何妥善处理海量数据以及怎样部署复杂的监控系统以管理整个价值创造网络,”引自慕尼黑的德国国家科学与工程院 (acatech 的 Henning Kagermann 教授如是说。 一系列元素可以通过物联网实现互联5 未来的工人将需要具备良好的独立性、沟通技巧和组织能力效率在未来发展中至关重要随着劳动力在生产过程逐渐被机器取代,人们开始越来越专注于开发和

8、规划活动。现在,人的使命是确保公司持续发展未来存续,在面对高度全球化的市场竞争所带来的不断增长的压力时,不会被行业淘汰。Kagermann 教授认为,未来的工业生产实践在性质上将发生更重大的变化:“复杂性、抽象概念和解决问题是三个重要领域,涉及其中的所有智能工厂员工将面临更严苛的要求。此外,员工还将需要更独立工作,具备出色的沟通技巧,并能高效地组织自身活动。” 智能辅助系统将帮助员工可靠高效地管理高精度生产。效率是一个重要问题,无论是现在还是不久的未来。为获得效率优势,各大企业越来越重视自身的核心技术、经济高效地利用资源以及部署先进的创新技术。垂直集成在过去备受追捧,但经实践检验逐渐被证明是一

9、种效率低下的方法。大手笔投资于机械和设备要占用巨额资本,而越来越短的产品生命周期则意味着企业必须能够更快地收回成本。为此,各大企业愈发密切地关注自己的核心技术。这样一来,一方面导致了制造业垂直范围压缩,另一方面推动了在特定工业部门中深度甚至革命性专业技术的兴起。这一先进知识及其相关创新技术可通过购买获得,为企业大幅提升内部生产和/或产品的优势。保证客户获得更多利益,销售价格便可随之抬升,最终取得更高的效率以及更高的市场地位。以客户为中心的企业可以针对特定任务提供现成的解决方案,还可以通过指定标准化接口确保各种模块相互兼容。预配置模块可以使项目变得更简单,特别是在机械工程和定制工程领域,此外还可

10、以缩短产出时间,同时提升各项目规划的确定性。工业自动化 » 自动化技术发展简史自动化技术原理线性技术是工业自动化中的一项标准解决方案。该技术可靠、耐用,还可以低成本实施。线性系统顾名思义就是沿直线或轴运动的系统。在线性装置中,滑动件(工件或应用的载体或滑动架向一个方向运动,大多数情况下会返回。可以使用同步轴平行运行两个甚至多个线性装置,还可以组合不同的线性装置以实现二维甚至三维定位。线性技术可用于设计复杂的运动序列,保证相对较低的投资成本。强大的线性装置包括以下几部分:线性导轨是一条装有滑动件的导轨,滑动件只能沿导轨进行精密直线运动。传动元件用于使滑动件做机械运动,例如两个反向装置和

11、一个同步皮带的组合。电机负责执行机械工作,例如把电能转化为动能。控制器负责确保电机不仅能够提供动能,还要在适当时间向适当方向旋转适当圈数,以满足运动所需。 工业自动化 » 自动化技术原理用户友好的启动助手使编程更简单,从而可以更快地开展生产选择适当的线性装置首先取决于待处理或加工的工件,其次要考虑特定的生产环境。随后章节列出了选择适当线性装置时应注意的重要事项:有效载荷有效载荷指滑动件应能运输的重量。重型工件或工具需要相对坚固耐用的导轨和传动。滑动件所能承载的重量将取决于滚轮的承载能力。如果要远距离输送重型负荷,支撑型材的横截面必须能够承受该负荷,以防止型材产生过度挠曲。 滑动件运动

12、速度越快,工位间运动处理步骤转换时浪费的时间越少。更高速度还可以促进生产单元数量的增加, 从而提高生产系统的生产力。重复精度重复精度指两点之间规则运动的最大偏差。在一个重复精度较高的系统中,滑动件始终能够准确停到所需位置,从而提高机加工精度。降低 误差是确保预定运动可靠执行的最佳方法。最后,计划应用本身决定着滑动件完成任务所需的行程距离。特定传动及导轨技术将比其他技术更适用,视具体行程距离而定。工业自动化 » 自动化技术原理线性技术可用于定制复杂的运动序列,满足特定生产要求线性导轨线性导轨是线性装置中的核心部件,决定着运动方向,即线性路径。这就如同火车在铁轨上运行。线性导轨由两部分组

13、成实际导轨(轨道和相应的运输单元(滑动件。线性导轨可分为以下两种:滚轮导轨滚轮导轨利用滚轮在轴上运行。这些轴通常为圆柱形或半圆柱形杆,固定在支撑型材上。滚轮是带特殊型材的轴承,专门用于精确地包围轴、支持无间隙运动,同时确保轴承不会脱离轴。轴和滚轮的直径和材料以及滚轮的数量和排列都可以调整,使滚轮导轨适用于各种不同的任务。T 型槽滑块型槽滑块直接在摩擦极小的表面上滑动。在该类导轨中,一个异形滑靴沿带有适配型材的轨道滑动,以确保滑块不会脱轨。T型槽滑块最适用于无需保证完全无间隙但需要尽可能提高操作成本效益的应用。循环球轴承导轨循环球轴承导轨指沿轴或型材导轨运动的滚动元件轴承导轨,与滚轮导轨相似。两

14、者的区别在于滚动元件(球轴承的排列,滚动元件沿一直线行进,然后沿另一轨道返回。沿一条直线设置多个接触点的工作原理有助于减小摩擦,并确保作用力有效分布。循环球轴承导轨可用于小空间 中的高负荷。同步皮带传动装置和滚轮导轨组合可提供快速的无间隙运动工业自动化 » 自动化技术原理传动技术最先进的传动技术经过优化,适用于各种不同的任务,包括以高速或超精确为特点的各种应用。归根结底,传动技术的选择在很大程度上决定着线性装置的性能,而且还对解决方案的精确度、速度、承载能力和成本有所影响。传动技术可分为以下两种:同步皮带传动装置同步皮带传动装置可支持极速运动,从而缩短周期时间。在同步皮带传动装置中,

15、齿形传动带围绕由电机传动的齿形带轮机械锁定。这一机械互锁可消除滑移,确保作用力的高效传递。该系统还可以快速反转方向,适应加快大批量生产。同步皮带包括带聚氨酯护套的钢缆,使用寿命长,并且支持平稳运行。由于皮带本身质量较小,因此只需极少能量便可使其运动起来。带同步皮带传动装置的线性装置几乎可搭建为任何长度,因此诞生了集高传动力与长行程距离于一身的线性装置。在同步皮带反转时提供传动力。在垂直应用中使用该类传动装置时,需使用限位台阶以确保在断电或类似情况下不会出现滑动失控。除非安装电机制动器,否则同步皮带会灵活移动,无法自动固定其位置。滚珠丝杠装置滚珠丝杠装置主要用于需要强大动力和精确定位的情况。这一

16、切通过传动原理实现:基于一个精密主轴的滚珠丝杠装置。系统的运行速度和定位精度很大程度上取决于螺纹方向。主轴上装有一个内含球轴承的非回转式传动螺母。这些球轴承在螺纹中循环运动,确保螺母在主轴转动时沿直线轴运动。由于球轴承比运行轨道略大,因此可产生预紧效果,消除间隙并为承载力提供支撑。使用丝杠尺寸较大的主轴可以大大提升滚珠丝杠装置的行程速度。主轴的径向长度决定其旋转速度。因此,在需要较高传动速度时,应首先考虑使用丝杠尺寸较大的主轴。这种设计在垂直应用中不容易出现滑动件运动失控的情况考虑到滚珠丝杠装置的传动比, 传动装置必须提供较小的制动力矩。工业自动化 » 自动化技术原理滚珠丝杠装置提高

17、定位精度工业自动化 » 总结 链传动装置 齿条传动装置是一种坚固耐用的线性传动 装置， 可以用于搬运重型负载。 “ 齿条传动装置 齿条传动装置主要用于需要提升重型负载和高 重复精度的情况。 从动齿轮会与直齿条进行互 锁， 从而消除滑移的可能性。 传动电机的旋转运 动由此直接转化为滑动件的直线运动。 链传动装置能够抵抗脏污所带来的问题， 可有效 传递作用力， 也非常适合垂直运动。 如果要求达 到绝对可靠性， 包括在严苛条件下， 可使用强力 链条。 负载随从动齿轮运动， 或 与同步皮带传动装置相似， 该类传动装置的电机 由此可实现两种应用： 负载随移动齿条运动。 旋转运动也会被传递到连续

18、链条。 传动装置不能 锁定传动装置， 发生滑移。 齿条传动装置是一种坚固耐用的线性传动装置， 因为齿条在承压时不 带链传动装置的线性装置可以在运行方向上传 可以用于搬运重型负载。 所以即便是在远距离的情况下， 也可以 递强作用力， 但由于设计原因在定位和行程速度 会变长， 方面有所局限。 不过， 链传动装置具有出色的抵 获得高水平定位精度。 抗失效载荷能力， 因此多用于搭建提升门及其他 带齿条传动装置的线性装置还可以在垂直应用 垂直应用。 中用于安全传输动力。 链传动装置中的作用力可以通过线性装置中任 意位置上的链轮转化为旋转运动， 因此这一设计 特别适合用于搭建带滚轮的输送系统。 事实上，

19、这一应用场景似乎也没有其他替代方案。 与其他线性装置相比， 采用钢链条的线性装置需 要更多的维护保养。 除此之外， 确保系统充分润 滑和定期检查链条张力也很重要。 11 工业自动化 » 前景展望 信息物理系统通过 数据基础设施连接 生产过程中的所有 元素 总结 在第三次工业革命期间， 过程自动化逐步取代 了劳动力。 线性技术在工业自动化任务中发挥 着重要作用， 可用于搭建可靠的高性能多轴装 卸系统， 执行三维运动。 在工业环境下快速轻松 装配该类线性系统的能力有助于提高生产能 力， 进而提升成本效益。 由线性导轨、 传动装置和滑动件组成的系统可 以通过任务专用部件进行整体装配和安装。 随 着生产过程的日益简化， 采用“安装就绪型”线性 装置是明智之选， 这种装置可直接安装， 免除了 复杂的设计或装配工作。 这意味着用户