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减速发力驱动智慧化 国内外大厂竞推传动解决方案
[作者 陳念舜]   2019年07月22日 星期一 浏览人次: [978]

在世界大国纷纷规划先进智慧制造政策之际,推动新一波制造业转型升级需求,包括国内外自动化关键零组件制造厂商也须藉此深度整合生产与应用两端,推出智慧化传动解决方案。


继2011年工业4.0革命概念率先於德国汉诺威工业展问世以来,除了吸引世界大国纷纷规划先进智慧制造政策,已造就新一波制造业转型升级需求,包括国内外自动化关键零组件制造厂商也藉此深度整合,推出智慧化传动解决方案。


其中高效驱动解决方案指标厂商,德国威腾斯坦公司(WITTENSTEIN)自从1983年在汉诺威工业展发表全球首部采用独特设计原理的SP 系列低背隙(三弧分)行星式减速机之後,旋即於1984年成立WITTENSTEIN alpha GmbH公司。并在1992 年创立了WITTENSTEIN motion control GmbH,将服务范围由单纯的传动系统制造扩展,成为机电整合伺服传动装置及伺服传动系统的系统供应商;2002年更发表首套纳入减速机、齿轮/齿排等线性传动系统(Linear systems)。



图1 : 威腾斯坦近年来还推出减速机与高性能伺服马达一体化设计Premo机种,适合要求结构紧凑、大力矩使用者,并将之导入一体化设计AGV。(source:wittenstein.co.uk)
图1 : 威腾斯坦近年来还推出减速机与高性能伺服马达一体化设计Premo机种,适合要求结构紧凑、大力矩使用者,并将之导入一体化设计AGV。(source:wittenstein.co.uk)

随着2008 年全球持续推广WITTENSTEIN 品牌,该集团也确立营运方向,自许成为提供机电整合传动系统解决方案的国际最隹整合供应商。至今全球共有60家分公司、员工人数多达2,000馀人,遍及医疗、航太、奈米等领域,台湾分公司则主要负责销售alpha行星式/伺服直角减速机、伺服传动机构、完整齿条齿轮系统、整体传动系统及配件的设计工具,分别提供客户具经济效益的系列解决方案,以及协助往客制化高端发展。


提供完整减速机系列产品 符合客户最隹经济效益


图2 : WITTENSTEIN bastian GmbH在2012年便斥资1,200 万欧元,在费尔巴赫市(Fellbach)成立「未来都市生产」工厂,在厂内导入工业4.0及城市生产理念,强调低噪音及排碳,追求经济与生态需求的完美平衡。(source:威腾斯坦)
图2 : WITTENSTEIN bastian GmbH在2012年便斥资1,200 万欧元,在费尔巴赫市(Fellbach)成立「未来都市生产」工厂,在厂内导入工业4.0及城市生产理念,强调低噪音及排碳,追求经济与生态需求的完美平衡。(source:威腾斯坦)

威腾斯坦(Wittenstein)业务经理锺田库表示,目前所有自动化系统只要涉及伺服马达、传动元件者,就有机会导入不同类型减速机,该公司则因为系列产品线相对完整,足以满足使用者不同需求。如主力产品之一的行星式减速机优点是承载力矩大,如该公司产品最高可达到输出40,000N-m,以及最高传动效率99%、减速比范围最大至1:10,000;且因内有斜齿轮,使之运转平稳、噪音与震动均低。进而於2015年汉诺威工业展率先推出全球首部零背隙减速机Galaxie,甫上市便荣获德国赫尔梅兹工业设计大奖 (Hermes Award)肯定,得以取代现今许多DD(直驱)马达使用者需求。



图3 : 威腾斯坦(Wittenstein)业务经理锺田库强调,最隹化选型方法还应该包含温度、侧倾力矩、惯量匹配3大关键因素。(摄影/陈念舜)
图3 : 威腾斯坦(Wittenstein)业务经理锺田库强调,最隹化选型方法还应该包含温度、侧倾力矩、惯量匹配3大关键因素。(摄影/陈念舜)

但他也坦言,由於减速机在传动链通常扮演转换速度、力量、惯量的角色,常导致客户在选型过程中仅留意到相关叁数,却忽略了其经常发生断轴、精度衰减的主因,最隹化选型方法还应该包含温度、侧倾力矩、惯量匹配的三大关键因素。


锺田库进一步指出,有别於以往使用者必须等到伺服马达示警,才发现温度过高,现在则可??在安装减速机前,就能先厘清温度与「占空比(ED)」关联性,并将机械运动状态分为周期性ED≤60%、EDmin≤20mins,或连续性ED>60%、EDmin>20mins。以免客户占空比达80%,却选错减速机型号,恐造成过热而影响传递效能和使用寿命。


侧倾力矩则通常适用於搭配皮带、链条等高负载传动情况下,因为每条传动皮带都会有不同张力,一旦侧倾力矩高於张力便容易造成轴心断裂、内部太阳齿崩坏,所以在威腾斯坦公司目录上的所有减速机,都会注明侧倾力矩利用率,亦可透过该公司Cymex软体去计算出测倾力矩是否适合?


至於惯量匹配虽然是越小越好,优点是方便快速启、停,但缺点是成本与之俱增,建议惯量比(λ)=负载侧/动力侧惯量,还是应依照动态特性、定位精度而定。其中λ≤10,系代表一般输送设备连续运动应用,不特别要求高精度或动态特性;λ≤5,则适用於工具机产业,特别要求高定位精度,而非高动态特性;λ≤1,属於高精度、高动态特性应用。


现在还能透过威腾斯坦提供软体,协助客户运算、分析轴/径向力都要能互相匹配,才是最隹减速机。锺田库强调,台湾分公司不仅能整合系列产品线销售,还是终端使用者问题的解决者!例如有客户希??所采用的机器人行走第七轴能承受550kg机体,并在不到1.9s内完成3,500mm行程的严苛条件。


虽然刚开始客户也想选用线性马达,却因为须额外加装煞车、冷却系统,导致耗能与维修成本居高不下,在极低速状态恐会产生极大热能;滚珠螺杆又因为速度越快晃动越明显,在高加减速时无法产生高度动态性,且少了固定的线性刚性,造成行程越长成本越高。


然而,经威腾斯坦建议改用齿轮齿排系统後,不仅行程越长成本越低;且透过模组化设计,让安装,保养更容易,可不受空间限制;由於具备高加减速与扭转刚性,还能透过斜齿轮系统确保运转平滑稳定。目前该公司又依客户对於精度或动态特性由高至低,将alpha减速机区分为精密型Premium、高阶型Advanced、泛用型Value、入门型Basic不同等级


持续演进智慧传动解决方案 囊括软硬体4大领域

此外,以往减速机通常在传动系统中只是伺服马达的被动元件,但随着数位智能化演进,威腾斯坦也因应工业4.0趋势持续年年演进,而能在减速机产业站稳先驱者角色。不仅是德国制定工业4.0战略的创始委员之一,并担任「智慧工厂」工作小组的发言人。也在2017~2019年持续进化产品,於今(2019)年汉诺威工业展期间发表智慧传动解决方案,共涵括4大领域:Smart factory、Smart product、Smart sizing、Smart service。


其中「Smart factory」系指可在智慧工厂里,透过手机、平板等行动装置,管控物料及监控生产进度,回报客户正确交期,以免在资讯往返过程里流失商机。同时在厂内导入工业4.0及城市生产理念,强调低噪音及排碳,追求经济与生态需求的完美平衡,WITTENSTEIN bastian GmbH在2012年便斥资1,200 万欧元,在费尔巴赫市(Fellbach)成立「未来都市生产(Future Urban Production)」工厂,并於2017年宣布成为齿轮组件与专用减速机的生产中心。


「Smart Product」则为该公司在今年汉诺威工业展里首度发表最新产品Smart gearbox,将最新传感、监控技术与减速机整合一体模组化。锺田库表示,现在威腾斯坦已在减速机输入法兰座预留信号孔,客户??入只须??入信号线,即可通过IO-link、EtherCAT传递使用时间、加速度、温度、震动方向、角度等数据或上传云端,透过行动装置可持续且即时掌握多方讯息。


为客户带来的利益,包含:一体化设计,毋须再额外考量安装传感器装置;可以灵活设定数据上下限,提早发现异常;即时回覆监控产品寿命,降低机台停机风险;透过大数据分析,记录生产过程。目前还推出减速机与高性能伺服马达一体化设计Premo机种,估计约省下50%以上空间及耗能,换来较大出力,适合要求结构紧凑、大力矩使用者。


也有客户将之导入一体化设计AGV,将机架和轮子都整合到AGV驱动轮,使得下方转台、工作台结构紧凑,设计更灵活,又不必再搜罗多家不同零组件供应商整合;在AGV驱动器里还有X-Y-Z方向的加速感测器,可通过TCP/IP网路传讯来侦测、分析AGV行驶或碰撞状况,来确保AGV行驶顺畅。


「Smart sizing」,可用来协助客户用最短时间选到最正确机型的软体,以提高工作效率。其中又分为:CAD Point功能,只要得知减速机规格,再输入所需减速比,便能产生2D/3D图档和产品数据;Sizing Assistant功能,系根据运动条件和搭配的伺服马达型号、规格之後,快速筛选匹配的减速机。


还有Cymex5软体可提供传动链最隹化设计与选型,其主要透过直觉式介面及各行业应用模组,设定直观运动条件;并善用加速度、重量、利用率等充沛数据库,不必等到使用後才判读马达使用资讯,可立即分析转速、轴/径向力等;待所有性能指标及数据分析完成之後,就会产生详尽报告,方便与客户设计、使用人员直接讨论。


最後是「Smart Service」,现在威腾斯坦每个产品都有QR-code,只要经过手机扫描,就能高效率取得所有与减速机相关规格和联系方式等相关讯息、检查和维修的所有必要文件;以及发生任何问题的正确联系人,得以快速处理更换请求,提供定制维修服务。


立翔机电强化制造与行销能力 因应国际变局

至於在台湾的老牌减速机大厂立翔机电工业公司,也自1976年起便创立「北工」品牌减速机,皆由该公司采取一条龙自主研发制造与生产流程,产品囊括:蜗轮减速机、螺旋升降机、小型齿轮减速马达、大型齿轮减速机、行星式齿轮减速机、十字转向机、客制化精密齿轮等多样传动零组件,强调能让客户一站购足,选用到符合设备需求的产品。


由於该公司齿轮全都经过热处理後齿面研磨,齿轮精度可轻易达到DIN4~5级;并针对噪音及寿命需求重新设计齿型,以不增加客户成本的前提下,使用最高品质的设备来制作每一个齿轮,达到高承载力、低噪音且运转平稳的要求。


此外,立翔机电的优势还在於经ISO 9001/2015、CE、UL、TUV认证的制造工厂,并持续添购一系列高效率自动化的加工设备,包含:德国KOEPFER滚齿机、德国KAPP 创成齿轮研磨机、美国GLEASON滚齿机、日本三井立/卧式铣床、日本Mazak车床、德国蔡司三次元及各式检验设备,针对减速机各部份加工,才能够提升对於品质、精度、寿命的坚持,打造高附加价值产品,奠定该公司在市场上的优势及专业。


立翔机电经理刘景华进一步表示:「受到近年来人力成本提高冲击,该公司每年都会规划投资高阶的加工、自动化设备,以提高产品自制率;进而将齿轮箱的设计模组化,共用相同料件,将库存降低,并透过业务的专业给予正确与恰当的建议。」随着工业4.0、智慧制造议题持续发烧,现在还可透过监控系统提高设备稼动率,来因应国际市场越来越剧烈竞争。



图4 : 立翔机电经理刘景华表示,该公司每年都会规划投资高阶加工、自动化设备,以提高自制率;进而将齿轮箱设计模组化,共用相同料件来降低库存,并透过业务专业给予正确与恰当的建议。(source:立翔机电)
图4 : 立翔机电经理刘景华表示,该公司每年都会规划投资高阶加工、自动化设备,以提高自制率;进而将齿轮箱设计模组化,共用相同料件来降低库存,并透过业务专业给予正确与恰当的建议。(source:立翔机电)

图5 : 目前仍持续引进一系列高效率自动化的加工设备,包含:德国KOEPFER滚齿机、德国KAPP 创成齿轮研磨机、美国GLEASON滚齿机、日本三井立/卧式铣床等,奠定该公司在市场上的优势及专业。(source:立翔机电)
图5 : 目前仍持续引进一系列高效率自动化的加工设备,包含:德国KOEPFER滚齿机、德国KAPP 创成齿轮研磨机、美国GLEASON滚齿机、日本三井立/卧式铣床等,奠定该公司在市场上的优势及专业。(source:立翔机电)

包括立翔机电早在3~5年前便已面临东南亚市场遭受中国大陆产品退税的重大影响,因此转而提高自制率,在东南亚建立组装基地,以降低当地客户的库存压力;同时转向欧美地区开发较为高阶应用市场,现已取得多家夥伴长期合作。


面对现今世界各国对於工业4.0及智慧自动化的趋势需求,该公司也在今年4月叁与汉诺威工业展期间推出伺服专用减速机,包含:PE系列低背隙蜗杆蜗轮减速机,低背隙可达8弧分以下;SJ系列滚珠螺杆千斤顶,主要应用於自动化产业的升降装置;R系统/K系列,符合欧规高精度的齿轮减速机,让客户在台湾还有替代购买进囗品的选择,无论是售价或交期都更有竞争力。


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