需要线性运动的设计师应该考虑无杆气缸,以实现紧凑的包装和气动驱动的其他好处,而无需电力驱动选项的成本。
提供的凯文•Kakascik自动化直销公司技术营销工程师
机器和设备自动化项目——无论是由原始设备制造商(OEM)、系统集成商(SI)还是制造工厂的资本项目小组执行——都包括许多设计阶段。在项目被批准并开始概念设计阶段之前,通常会评估需求、成本和收益。
在此阶段,当团队开始指定产品、技术和方法时,将在预算和进度的限制下,对性能进行详细的评估。对于许多机器来说,必须有一种方法来执行和监测线性运动,具有足够的功率、速度和精度。
本文讨论了在紧凑的足迹中实现可靠线性运动的一些考虑因素,重点是无杆气缸。
直线运动要求和方法
在选择线性运动解决方案之前,必须考虑以下几个基本参数:
- 负载(以及移动它需要多大的力)
- 总体行程(每个方向上的端点)
- 是否需要中间止损或定位?
- 旅行速度
- 精度
直线运动最流行的两种动力技术是电动机和气动执行器。每一种方法都可以细分为以下几类:
- 电动(伺服或步进电机)
- 气动(传统或无杆气缸)
线性动作通常需要一个滑道,通常带有导轨,以在操作期间以足够的强度支持机构,并使摩擦最小化。线性运动的选择是如何驱动幻灯片。
伺服电机,根据需要配备齿轮箱和螺杆传动或齿轮齿条,提供特殊的加速度,速度,减速,定位和精度控制的任何位置的旅行。然而,伺服解决方案是昂贵的和复杂的采购,配置和安装。如果应用程序需要这样的性能,那么伺服是正确的解决方案,但很多时候它是多余的。
步进电机可以代替伺服电机来节省一些钱,同时牺牲了一定程度的精度和性能。它们的配置和安装也相对昂贵,但可以在线性旅行范围内的任何地方提供定位。
一个传统的气动气缸设计将是一个讨价还价相比,任何电动马达驱动的选择。气缸实际上是一种管子,里面有一个活塞,连接着一根杆,当气压从活塞的一侧或另一侧引入或排出时,杆的伸展和收缩提供动力。这些设计最适合从行程的一端到另一端的完整行程运动,尽管有一些方法可以控制运动以在行程中途停止。
传统的气缸通常是直接作用的,不需要太多其他的机械部件。它可能被包装在线性行程的足迹内,但通常气缸需要安装在载玻片末端的空间,通常略大于行程量。
除了简单之外,基本的气缸安装和维护都很便宜,而且与它们的尺寸相比,它们提供了非常大的动力。因此,线性气动运动是一种适用于许多应用的经济有效的方法。
另一种气动选择被称为无杆气缸,其工作方式类似于传统的双作用杆气缸。无杆气缸管也有一个内部活塞,通常是磁化的,因此传感器可以检测到它的位置,在一侧或另一侧有两个空气端口,用于引入和排出空气压力。
然而,不同之处在于——从名字就能猜到——无连杆气缸没有连杆连接活塞。相反,有一个连接到活塞的外部支架,它沿着缸体滑动,与活塞串联移动(图1)。
无杆气瓶具有传统有杆气瓶的许多优点,而且还可以在更紧凑的空间安装气瓶。对于直线运动,这种类型的包装是相当有效的。
保持设计过程的一致性
考虑一个大型制造工厂的资本项目设计团队。在一两次会议之后,他们会回顾线性运动的需求。一名团队成员被伺服驱动线性运动的高性能和额外功能所迷住。但经过调查,团队同意用简单的杆式气缸来解决设备线性运动的需求,因为这种解决方案满足了需求,压缩空气是现成的。通过简化解决了这个问题,他们相应地进行预算,然后转向另一个话题。
不幸的是,在随后的会议上,决定将设备放置在一堵墙附近。这意味着计划由气缸操作的运动站最终会使气缸超出机器的足迹,这将干扰墙壁。从技术上讲,将概念改回电动马达驱动执行器可以解决问题,但在这一点上,会超出预算。
幸运的是,无杆气缸可以同时解决技术和商业问题。
解决棘手的问题
无杆气缸比传统气缸更适合的一个例子是胶站。对于这个站,一个胶头需要穿过放在桌子上的一张平板纸板,在移动时输送一颗胶珠。
在这种情况下,一张500毫米宽的纸板(这意味着需要500毫米的圆柱行程)放在桌子上,需要480毫米长的胶水珠。在桌子的一侧有一个引导围栏,确保正面的纸板平齐,而机器在围栏背面的桌子上有一个150毫米宽的空间。
如果使用传统气缸,一辆行程为500mm的车型,其气缸的总收缩长度约为581mm,或略低于23英寸。长。这个圆柱体需要安装在围栏旁边并向后延伸。在机器占地面积外会有一个明显的悬垂物,这就造成了一个问题,因为需要保护缸体,以免有人撞到它。这种悬垂也将防止机器安装在靠近墙壁的地方,导致浪费工作空间(图2)。
由于几个原因,无杆气缸比有杆气缸更适合这种应用。无杆气缸与有杆气缸具有类似的工作等级,将有端盖,这将消耗一些空间,每个端盖大约150毫米。但是当安装在机器表上方时,围栏的背面可以容纳这个悬垂,因为它是开放的,所以它的正面也可以容纳这个悬垂。
在这种应用中,无杆气缸的另一个优点是它可以直接支撑胶头,不需要额外的机构。如果使用棒状油缸,设计师就需要考虑点胶机的悬挂载荷,这很可能需要一个机械线性滑块,增加成本和复杂性,使棒状油缸解决方案的成本接近无棒状油缸解决方案的成本。
线性运动击倒冲床
无杆气缸可以在水平方向以外的方向上节省空间,例如在垂直应用中使用时,如冲压站。
这家工厂占地面积不大,但天花板很高。作为重新设计的一部分,一个水平的冲压站正在更新为垂直方向,以节省地板空间。第一个也是最上面的站将在薄钢板上打一个洞。当这个站在地面上时,它使用一个200毫米行程的标准圆筒。气缸在机器上方突出约300毫米(图3)。
垂直布局进行得很完美,直到发现了一个问题。冲床气缸的长度只有15英寸。远离消防喷头偏转板。机器的其他部分都超过6英寸。圆筒顶部以下。根据NFPA 13,必须至少有18英寸。从洒水喷头偏转板的间隙,所以这个设备堆叠需要减少至少3英寸。在这种情况下,通过切换到无杆气缸,避免了完全的重新设计,节省了所需的6英寸。
无杆气缸解决直线运动问题
无杆气瓶比有杆气瓶更昂贵,而且只有在行程更长的情况下,节省空间的好处才会变得显著。
然而,在线性运动的空间是宝贵的,特别是对于长行程长度,无杆气缸通常可以用来代替传统的有杆气缸,特别是当机构将连接到一个车厢。在任何情况下,无杆气缸的前期和维护成本将远远低于使用电机驱动的线性机构的设计。
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