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機器和設備自動化項目——無論是由原始設備制造商 (OEM)、系統集成商 (SI) 還是制造設施的資本項目組執行——都包括許多設計階段。需求、成本和收益通常在項目獲得批準和概念設計階段開始之前進行評估。
當團隊開始產品、技術和方法以在預算和進度的限制內成功完成手頭的任務時，將在此階段定義詳細的績效評估。對于許多機器來說，必須有一種方法來執行和監控具有足夠功率、速度和精度的線性運動。本文討論了在緊湊的占地面積中實現可靠直線運動的一些注意事項，重點是無桿氣缸。
一、直線運動要求和方法
在選擇直線運動解決方案之前必須考慮幾個基本參數：
·負載(以及移動它需要多少力)
·總行程(每個方向的終點)
·是否需要中間停止或定位？
·行駛速度
·準確性
直線運動的兩種動力技術是電動機和氣動執行器。這些方法中的每一個都可以細分為幾類：
·電動(伺服或步進電機)
·氣動(傳統或無桿氣缸)
線性動作通常需要一個滑塊，通常帶有導軌，以在操作期間以足夠的強度和最小的摩擦支撐機構。直線運動的選擇是如何驅動這個滑塊。
伺服電機，根據需要配備齒輪箱和隨附的絲杠驅動或齒條齒輪，可對任何行駛位置的加速度、速度、減速度、定位和精度提供的控制。然而，伺服解決方案的采購、配置和安裝成本高昂且復雜。如果應用程序需要這樣的性能，那么伺服是正確的解決方案，但很多時候它是矯枉過正的。
可以使用步進電機代替伺服電機來節省一些錢，同時犧牲一定程度的精度和性能。它們的配置和安裝成本也相對較高，但可以在線性行程范圍內的任何位置提供定位。
與任何電動馬達驅動選項相比，傳統的氣缸設計將是一個討價還價的選擇。氣缸實際上是內部帶有活塞的管子，連接到一根桿，該桿延伸和縮回以在空氣壓力從活塞的一側或另一側引入或排出時提供原動力。這些設計從行程的一端到另一端的完整行程運動，盡管有一些方法可以控制運動以停止行程中途。
傳統的氣缸通常可以直接作用，并且在機械部件方面不需要太多其他東西。它可能被封裝在線性行程的占地面積內，但氣缸通常需要在滑塊末端安裝空間，通常比行程量大一些。
除了簡單之外，基本氣缸的安裝和維護成本也不高，并且與它們的尺寸相比，它們提供了非常大的動力。因此，線性氣動運動可以成為適用于許多應用的經濟有效的方法。
另一種氣動選項稱為無桿氣缸，其工作方式與傳統的雙作用有桿氣缸相似。無桿缸筒還有一個內部活塞，通常被磁化，因此可以通過傳感器檢測其位置，并且在一側或另一側有兩個用于引入和排出空氣壓力的氣口。
然而，正如人們可能從名稱中猜到的那樣，不同之處在于無桿氣缸沒有連接到活塞的桿。相反，有一個連接到活塞的外部托架，它沿著氣缸體滑動，與活塞一起移動(圖 1)。
無桿氣缸具有傳統有桿氣缸的許多優點，但還具有允許將氣缸安裝在更狹窄空間中的額外好處。對于直線運動，這種類型的包裝可能非常有效。
二、使設計過程保持一致
考慮一個大型制造設施的資本項目的設計團隊。在一兩次會議之后，他們審查直線運動的需求。一名團隊成員對伺服驅動直線運動的高性能和附加功能著迷。但經過調查，該團隊同意使用簡單的桿式氣缸來滿足設備直線運動的需求，因為這種解決方案可以滿足需求，而且壓縮空氣很容易獲得。通過保持簡單的方式解決了這個問題，他們相應地預算并轉移到另一個主題。
不幸的是，在隨后的會議上，確定該設備將位于墻壁附近。這意味著計劃由氣缸操作的運動站最終會導致氣缸超出機器占地面積，這會干擾墻壁。將概念改回電動機驅動的執行器將在技術上解決問題，但在這一點上會破壞預算。幸運的是，無桿氣缸可以解決技術和商業問題。
三、解決棘手的情況
無桿氣缸比傳統氣缸更適合的一個例子是在膠站上。對于這個工作站，膠頭需要穿過放在桌子上的平板紙板，并在移動時提供膠珠。
在這種情況下，將一張 500 毫米寬的紙板(這意味著需要 500 毫米的氣缸行程)放在桌子上，并且需要 480 毫米長的膠珠。在工作臺的一側有一個導向柵欄，確保正面的紙板齊平，而機器在柵欄背面的工作臺上有一個 150 毫米寬的空間。
使用傳統氣缸，沖程為 500 毫米的型號的總縮回氣缸長度約為 581 毫米，或略低于 23 英寸長。這個圓柱體需要安裝在柵欄旁邊并向后延伸。機器占地面積外會出現明顯的懸垂，從而導致問題，因為需要保護氣缸體，以免有人撞到它。這種懸垂結構還可以防止將機器安裝在靠近墻壁的位置，從而浪費工作空間(圖 2)。
出于多種原因，無桿氣缸比有桿氣缸更適合此應用。具有與有桿版本類似的工作額定值的無桿氣缸將具有端蓋，這會占用一些空間，每端大約 150 毫米。但是當安裝在機器工作臺上方時，圍欄的背面可以容納這個懸垂物，工作臺的正面也可以，因為它是開放的。
在此應用中無桿氣缸的另一個優點是它可以直接支撐膠頭而無需額外的機構。如果使用桿式氣缸，設計人員將需要考慮膠水分配器的懸臂負載，這很可能需要結合機械線性滑軌，從而增加成本和復雜性，并使桿式氣缸解決方案的成本接近*的無桿選項。
四、直線運動脫模沖頭
無桿氣缸可以在非水平方向上節省空間，例如在垂直應用中使用時，例如沖頭站。這家制造工廠占地面積小，但有一個高棚天花板。作為重新設計的一部分，水平沖壓站正在更新為垂直方向，以節省地面空間。個也是最上面的工位將在薄鋼板上打一個孔。當這個站在地面上時，它使用一個沖程為 200 毫米的標準氣缸。圓柱體在機器上方突出約 300 毫米(圖 3)。
垂直布局進行得很順利，直到發現了一個問題。沖頭缸最終將與消防噴淋頭偏轉器相距僅 15 英寸。機器的每個其他部分都在氣缸頂部下方 6 英寸以上。根據 NFPA 13，噴頭導流板的間隙必須至少為 18 英寸，因此該設備疊層需要至少減少 3 英寸。在這種情況下，通過改用無桿氣缸避免了*的重新設計，從而節省了所需的 6 英寸。
五、無桿氣缸解決了直線運動問題
無桿氣缸比有桿氣缸更昂貴，而且節省空間的好處只有在更長的沖程長度時才變得顯著。然而，在空間對于直線運動來說非常寶貴的情況下，特別是對于長行程長度，通常可以使用無桿氣缸來代替傳統的有桿氣缸，特別是如果該機構將連接到托架上。無論如何，無桿氣缸的前期和維護成本將遠遠低于使用電機驅動線性機構的設計。
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