帳號:
密碼:
智動化 / 文章 /

滾珠螺桿貫通精微與模組化
縱橫整合加強軔性供應鏈
[作者 陳念舜]   2022年09月27日 星期二 瀏覽人次: [5070]

回顧近年來受到俄烏戰火與中國大陸封控影響,導致工具機與零組件產業景氣低迷,對於關鍵零組件之一的滾珠螺桿業者,更是首當其衝。大多數廠商除了更專注於垂直整合精微、智慧化,協助上下游業者加強節能減碳競爭力;同時推進模組化發展,橫向跨足生醫、電動車等新興產業應用。


根據台灣工具機暨零組件公會(TMBA)最新統計顯示,基於近年來工具機最大消費市場的中國大陸,勵行防疫封控措施,造成內需大幅降溫、製造產業鏈中斷,市場預期經濟下行壓力極大;第二大市場美國,也受到俄烏戰火及供應鏈受擾情況下,承受極大通膨壓力;歐洲經濟更因此陷入能源危機、使之經濟表現不如預期,加重台灣工具機暨零組件產業競爭壓力。


TMBA理事長許文憲表示,目前台灣工具機廠及零組件廠商,都已感受到大陸客戶下單趨緩、歐美市場訂單盛況不如去年至今年首季的表現。加上新台幣貶值得不是時候,日廠因為掌握日圓貶值幅度更大與數控系統自製優勢,將對於台灣零組件廠商搶單產生殺傷力,雖然出口金額成長,卻被匯率抵消獲利。預估工具機產業今年Q3新接訂單年減30%~40%、Q4接單也會非常嚴苛的挑戰,公會已將今年初預估工具機出口值年成長20%~25%,下修為力保年成長15%。


滾珠螺桿等傳動元件/系統大廠上銀科技董事長卓文恆也指出,因應整體工具機產業暨零組件受到大陸疫情封控與限電衝擊,目前接單量較去年同期減少20%~30%,已有許多自動化零組件廠商開始降價搶單。加上美國為降低通膨,催生貨幣緊縮政策挽救經濟,導致日、韓等亞洲各國連帶受災,日本工具機接單也明顯冷卻;歐洲到了今年冬天,又有能源危機未解,勢必影響Q4台灣出口產業傳統旺季景氣,恐怕到了2023年都不容樂觀。


目前工具機公會正積極推動產業共同規範,分別透過「普惠,建立共通性介面」與「卓越,追求產品精度及品質長效」兩大原則,落實工具機產業發展目標。一開始先從設計和品質規範著手,將零組件標準化,並應用於產品上解決客戶痛點;組件模組化,得以減少庫存及成本、縮短開發時程,達到產品樣式簡化減量目標。建議當國際經濟局勢一夕數變,就應該蹲好馬步,因應市場風險。


進而將介面標準化,統一資料格式,將有助於後續組立維修服務及提升品質。可將品質規範落實於生產製程中,包括各工站、工序或事件執行的標準作業步驟、相關工具要求的作業規範;正確執行產品的檢查、量測、試驗要求及步驟的指導文件,收集和追蹤生產及檢測數據,達到產品溯源管理目標。



圖1 : 因應國際經濟景氣一夕數變,目前TMBA正積極推動產業共同規範,分別透過「普惠」與「卓越」兩大原則,落實工具機產業發展目標。(攝影:陳念舜)
圖1 : 因應國際經濟景氣一夕數變,目前TMBA正積極推動產業共同規範,分別透過「普惠」與「卓越」兩大原則,落實工具機產業發展目標。(攝影:陳念舜)

在今年剛落幕的台北機器人與智慧自動化展會期間,也可見到台灣關鍵傳動元件大廠如全球傳動、銀泰、精浚等,除了積極擴廠練兵,加強掌控一條龍式生產、智慧化能力,務求令自身及客戶皆符合節能減碳標準,避免更受到碳關稅衝擊;同時延續近年來螺桿等傳動元件產品,紛紛投入精微化、模組化主流,跨足生醫、電動車等新興產業。


前者因為過去滾珠螺桿生產採取減法製程,當移除材料時會有耗電等問題,如今則有大廠開始改用ESG新型製程工法,包括:金屬射出、精密鑄造及3D列印等,減少移除材料而有效減少供應商排碳量與材料加工耗電量。後者則主要利用傳統單軸機器人模組,開發出車用滾珠螺桿,並陸續量產切入大陸、歐系汽車零組件Tire 1供應鏈。


THK剖析滾珠螺桿製程 將影響精度與循環方式

依日系滾珠螺桿大廠THK剖析滾珠螺桿的主要功能,係用於高效率將馬達旋轉運動與直線運動互換,並利用在螺帽與螺桿軸之間裝入滾珠,取代傳統螺紋的關係,使之彼此之間磨擦力從滑動時的磨擦係數0.3,降低為滾動的磨擦係數為0.003,代表低扭力或轉換效率高,所以被廣泛使用。


又可將螺桿本體製程分為轉造、研磨不同等級,前者以輥壓機製軸、塑性變形來生成螺紋或溝槽的加工模式相對簡單,軸端形狀取決於軸徑;導程與重覆精度較低,而被廣泛應用於搬運輸送;後者導程則經過車、磨削之後,可將軸端加工成為各種樣式,成本和精密程度也高,適用於要求高精度定位情境。


THK表示,現今滾珠螺桿所稱「導程」,係指螺桿軸轉一圈時,螺帽的移動量(距離),其精度則代表移動距離偏差的程度,包含絕對/反覆定位精度;「間距」,則是螺紋溝槽之間的距離,但在多螺紋時,導距並非間距,以免造成工作台移動距離不同。


但因為螺帽與螺桿軸之間存在軸向間隙,一旦過大時就容易導致定位出錯,越小時定位精度越高,若客戶需要較高精度時,即可選用高導程螺桿。通常轉造滾珠螺桿因為導程精度不高,主要取決於軸徑大小設定;精密研磨級螺桿則可透過預壓,指定G0~G3間隙,以客戶使用方式來指定間隙,也可得到較高剛性。


目前滾珠螺桿的螺帽的循環方式也有別,循環管、循環器式主要用於單螺紋,端蓋環式則適用於多螺紋,在轉動螺桿、螺帽移動時,也須利用循環器防止滾珠掉落。其中最早使用的傳統「循環管式」,係將循環管插入螺桿溝槽上方,將滾珠引導回原本的位置,又可稱之為「外循環」。因其螺帽組裝容易而被廣泛使用、螺帽外徑也大,所以能隨著增加循環管而添加珠卷數,也就是循環迴路,具有豐富的軸徑、導程組合。


「循環器式」則是每轉一圈,就會在螺帽上增加循環器(框架),再透過循環器內的引導溝槽,讓滾珠回到原本的位置不斷循環。THK指出,其軸徑雖與循環管式相同,但螺帽外徑更小,適用於導程較小螺桿,得以降低工作台總高,方便搭配線軌後看起來的體積較小,因此能增加的循環器有限,只能藉此多增加一圈珠卷數,也代表螺帽可負荷的強度相對較小。


「端蓋環式」使用於軸端蓋環為主,採取通過螺帽端面的端蓋環來掬取滾珠,經過螺帽內部循環孔到反側的端蓋環,然後再回到原本溝槽的位置,而形成無限循環。由於導程大,適用於高速進給,透過多螺紋方式製作螺帽的長度也較短,使之必須利用多條螺紋來增加珠卷數,不像「循環器式」的溝槽可採用不同迴路、或循環管式干涉配置。


且螺桿無法被單獨使用,必須安裝在底座上,於旋轉軸側搭配軸承,由內部所有滾珠承受軸向負荷,包含其滾珠軸承在內、外輪之間;以及LM導軌與軌道間,利用滑塊兩端蓋板間存在的滾珠進行無限循環;其他來自徑向、力矩負荷則,由引導部位的LM導軌承受,以免若由滾珠螺桿、螺帽承受的話,恐會造成局部發生剝離,而導致過早損壞。


在防塵用選配件中,一般常用的迷宮式墊片未與螺桿軸接觸,主要用來防止異物入侵螺桿,維持正常潤滑;刮刷式墊片是針對無法使用迷宮墊片者,在螺桿移動時清除異物。清潔環的潔淨程度比兩者都高,採用接觸螺桿溝槽的密封墊片,能提高異物去除的性能,比起傳統密封墊片更能延長滾珠螺桿的壽命;在接觸同時,以最大限度減少發熱結構;並使用耐磨耗性/化學性,低線膨脹係數的材質。


圖2 : THK將螺桿製程分為轉造、研磨不同等級,後者導程經過車、磨削之後,可將軸端加工成為各種樣式、成本和精密程度也高,現也推出花鍵等要求高精度定位產品。(攝影:陳念舜)
圖2 : THK將螺桿製程分為轉造、研磨不同等級,後者導程經過車、磨削之後,可將軸端加工成為各種樣式、成本和精密程度也高,現也推出花鍵等要求高精度定位產品。(攝影:陳念舜)

銀泰專注精進螺桿精微化設計 強化垂直整合優勢

銀泰科技近年來也持續推廣旗下高導程滾珠螺桿、滾珠花鍵螺桿、線性導軌、交叉滾柱軸承等全系列產品,分別用於Mini LED、晶圓升降平台、工具機第四軸、專用機器人軸承及諧波減速機配件,有別於其他同業朝向系統化發展,轉而強調在垂直整合生產優勢,持續精進傳動元件本體工藝。


其中「旋轉式滾珠花鍵螺桿」,不僅將產品特色定位於研磨等級的高定位精度、低噪音,運動流暢。在近年來全面升級精微進化後,加以改善舊有規格設計、提高支撐軸承剛性,而能承受相同軸向與徑向力,並實現輕量化小型設計與安裝簡便需求。


在花鍵軸外徑上設有3列負荷鋼珠列,並採用哥德牙型設計,使之可同時承受順/逆時針扭矩,以增加使用壽命和剛性;各鋼珠列還可透過裝在花鍵帽內的特殊合成樹脂循環器,持續進行整列循環運動,所以即使將花鍵軸抽出,鋼珠也不會掉落;在施加預壓後,旋轉方向沒有間隙,能有效提高精度。花鍵帽外徑上還具有直接裝設的特殊軸承,可藉由花鍵帽旋轉或停止,同時具備旋轉與直線2種運動模式。


且將花鍵軸承套與支撐軸承設計為一體化結構,從而實現小型及輕量化設計,組裝時只須將螺絲及軸承套固定在支架上即可;作動時精密花鍵側支撐軸承設計45度接觸角,承受具相同軸向與徑向力。


另於「PBSA精密螺桿花鍵」軸上,設計相交的滾珠螺桿及花鍵溝槽,螺帽和花鍵在外圍上有直接裝設的特殊軸承;可經由精密螺桿花鍵,藉由花鍵螺帽的旋轉或停止,讓單軸同時具備運動、旋轉、直線和螺旋動作。同時採取創新端蓋式迴流模式,實現低噪音與平滑流暢運動,適用於SCARA型式機器人、自動捲線機、工具機的ATC裝置等,兼具旋轉與直線運動組合的裝置。


為了提高生產效率與控管產品品質,銀泰近年也持續加強垂直供應鏈整合,採取一條龍式生產模式,將3D printing工法先導入於研發、打樣滾珠滑軌/螺桿循環器,但真正量產時仍維持傳統塑膠射出方式,逐步實現製程上節能減碳目標。於滾珠螺桿採用端蓋式回流,以實現低噪音與平滑流暢的運動。



圖3 : 銀泰科技「PBSA精密螺桿花鍵」讓單軸同時具備運動、旋轉、直線和螺旋動作,並採取端蓋式迴流,實現低噪音與平滑流暢運動,適用於SCARA型式機器人、工具機ATC等裝置。(攝影:陳念舜)
圖3 : 銀泰科技「PBSA精密螺桿花鍵」讓單軸同時具備運動、旋轉、直線和螺旋動作,並採取端蓋式迴流,實現低噪音與平滑流暢運動,適用於SCARA型式機器人、工具機ATC等裝置。(攝影:陳念舜)

全球傳動著力系統模組化 迎接節能減碳趨勢

全球傳動科技公司除了在線性滑軌、滾珠螺桿等精密傳動元件的基礎上,持續發展一系列微型線性滑軌/螺桿、旋轉式滾珠花鍵、高導程螺桿、單軸機器人等模組化創新產品,還在今年展出汽車自動轉向模擬器、自動檢驗設備等模組化系統應用範例。


其中微型螺桿係採取內循環設計,空間小、輕量化且定位精度高,經過全球傳動克服製造門檻,特別適用於1~2mm小導程場合;滾珠花鍵可承受重荷載、扭矩,具備高剛性、零間隙、裝配簡單等特性,進行線性/旋轉運動,現場也展示其搭載於SCARA機器人的第四軸應用。


近年來續推廣的「SFYA1632高導程螺桿組」,設計理念便有別於傳統滾珠螺桿,率先採用薄而富有彈性的材質,強化刮刷效果,以達到高DN值、高速度、高剛性、強化防塵結構等特性。於循環結構中增加高剛性及高速化功能,使產品最大速限可達到24,000rpm、運轉速度高於舊款2倍,以及提升整體壽命5%。因為每迴轉一次螺帽的可移動行程越遠也快速,減省搭配的馬達功率、尺寸大小及成本,更適合用於高速化工具機、自動化機械等產業。


如單軸機器人等模組化產品,則同時具備線軌與螺桿的優點,將螺帽和滑塊設計成一體式機構,在鋼珠滾動面採用2列哥德式圓弧及45度接觸角設計,提供了X-Y軸向可承受來自四方的負荷能力;並搭配高剛性U型軌最佳化斷面,以達到最佳化節省空間,及大幅減少組裝時間。藉此一體化設計來取代傳統須等待由單支螺桿、二支線軌組成的架構,近年來當製造業陸續遭遇疫情衝擊和供應鏈瓶頸之下,減少待料時間,就能讓設備依序快速出貨、生產,省去現場調校程序,進而減少製程碳足跡。適用於目前半導體、自動化設備產業需求,在國內外市場上與歐日系品牌分庭抗禮。


隨著近年來中大陸自動化產業需求有下滑跡象,電動車電池等新能源產業需求反而持續成長,全球傳動產品幾乎打入所有知名品牌電池生產設備,同時出貨給電動車零組件設備商。除電動車鋰電池設備外,全球傳動也進一步打進磷酸鋰鐵、氫能燃料電池生產設備供應鏈,看好越來越多廠商跨入電池生產設備領域,需求將持續擴增。



圖4 : 全球傳動推出的單軸機器人等模組化產品,則採用一體化設計,同時具備線軌與螺桿的優點,且減少待料時間,就能讓設備快速出貨、生產,省去現場調校程序,進而減少製程碳足跡。(攝影:陳念舜)
圖4 : 全球傳動推出的單軸機器人等模組化產品,則採用一體化設計,同時具備線軌與螺桿的優點,且減少待料時間,就能讓設備快速出貨、生產,省去現場調校程序,進而減少製程碳足跡。(攝影:陳念舜)

結語

展望未來,由於台灣無論是如滾珠螺桿等關鍵零組件廠商或工具機、自動化設備業者,85%以上皆為中小企業,優點是因為建構完整產業聚落和供應鏈體系,產業垂直分工能力強。但缺點則是恐無力面對當前國際大環境景氣可能一夕數變,再好的優勢都有可能會被消磨殆盡。如今包括跨產業業的水平合作能力也要迎頭趕上,更應該加速提升自製率和數位轉型,打造韌性供應鏈體系。


*刊頭圖(攝影:陳念舜)


相關文章
創新模組化電源系統設計提升騎乘動感體驗
台製傳動元件拚加值增利
5G自動化需求將起
專為關鍵電力應用設計:600V大型模組化不斷電系統
台灣精銳更勝隱型冠軍
comments powered by Disqus
  相關新聞
» igus直線導向裝置的新型機器人可迅速倒出啤酒
» 2024農機展圓滿閉幕 交易金額逾4.5億元
» 崑大機器人系培育未來智慧製造人才 獲全國技能競賽南區佳績
» igus城市自行車首批 100 輛正式上路
» 工具機公會參與花蓮賑災 號召會員捐款逾千萬
  相關產品
» igus推出輕量化ReBeL協作機器人仿生手
» igus馬達控制系統快速設定 無須程式設計協助
» 新型 igus 拖鏈系統適用於無塵室 SCARA 機器人
» Nexam Chemical Reactive Recycling添加劑已獲科學驗證效能
» H+B technics借助 igus 元宇宙 隨時隨地近距離體驗世界


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北數位產業園區(digiBlock Taipei) 103台北市大同區承德路三段287-2號A棟204室
電話 (02)2585-5526 #0 轉接至總機 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw