流体动力在机器人和自动化制造中的作用

这两个系统都有一个共同的结构:一个主动器驱动泵或压缩机;阀门直接流;动器(圆柱或旋转电动机)将流体能量转换为运动;传感器向控制器反馈回压、位置或力。 液压和气压之间的选择取决于应用的强度、速度、精度和环境要求。

流体动力系统的关键部件

• 泵和压缩机 – 将机械能量转化为流体能量. 液压泵(gear,vane,piston)提供高压;空气压缩机在调节压力下提供恒流.
• Valves – 控制流,方向,和压力. 方向控制阀(solenoid-openingd, servo)可以精确地进行运动顺序. 比例阀和servo阀可以进行闭路位置和力控.
• 演算器 – 线性气缸或旋转电动机. 液压气缸可以产生数千千牛顿的力;气缸以最小的惯性实现快速循环时间.
• 条件组件[] — 滤波器,调节器,润滑器(用于气压)和热交换器,积分器(用于液压)确保流体清洁性和系统效率.

机器人方面的应用

流体动力被深深地融入了工业机器人和服务机器人之中,它能够低速地提供高扭矩而不设齿轮,并且能够安全地停留而不过热,这使其在许多任务中比纯电系统更有利.

重型操作的液压机器人

汽车制造、制造和采矿中使用的大型工业机器人依靠液压装置。例如,用于焊接或材料处理的液压机器人臂可以以光滑、持续的力量提升数吨。Festo液压机器人[ 演示了服务轴在施加类似大小的电动机无法匹配的力时如何实现定位重复性,但又能达到一毫米的十分之一。

气压胶布和夹层系统

在高速装配线上,气动器的动力握力器开关和关闭时间为毫秒。并行的握力器、真空杯和小桶都运行在压缩空气上。 气动器的轻量级特性使得机器人能够随着能量消耗的降低而更快移动。 协作机器人(机器人)经常使用气动端效应器,因为它们可以被设计成内在的符合性,并且安全地进行人类互动。

移动和人造机器人中的流体动力

液压系统也用于腿部机器人,因为其能够提供高带宽力控制. 例如,波士顿动力点[] 使用液压激活来进行其动态步态,而像DARPA的图集[等人造机器人则依靠液压来进行爆炸性机车和调速操纵.

机器人中流体动力的优点

• 高功率密度 — — 水力系统能产生十倍于同等重量的电动机的力。 这对紧凑的机器人臂和腿部机器人至关重要。
• 精密控制 – Servo-valves和位置转录器能够精确到±0.01毫米的闭路控制。 强制控制是固有的,因为压力直接与施加的力有关。
• 可靠性和可畏性 — — 流体动力系统比电动机更能容忍冲击负载、振动和污染。 适当过滤和密封时,它们需要最小的维护。
• 安全 — 水力系统可以设计为故障安全(例如,在失去动力的情况下承受负载的平衡阀 ) 。 肺系统在爆炸性环境中本质上是安全的,因为它们不会产生火花。
• Smooth Motion – 液压液的不压缩性能提供平滑,无反斜的运动,理想的连续路径焊接或绘画.

与电动比较

虽然电线性起动器和旋转服务器提供更高的效率和较低的噪音,但它们往往需要调速来实现高扭矩,增加重量和反冲. 反之,流电直接将压力转换为有效. National Fluid Power Association[指出,在许多重载应用中,液压系统仍然比等价的电动驱动器更具成本效益和稳健性.

在自动化制造中的作用

自动化制造线依赖于流体动力来进行一系列的操作:压、压、压、戳、转移、模具和包装。 产生巨大力量、可重复速度的能力使生产能够高效地进行。

水压和制表

在金属加工和塑料生产中,液压压机应用可控力来制成材料. 自动压机采用可编程逻辑控制器(PLC)来排列多液压气瓶用于深拖、铸造和复合模具. Bosch Rexroth [系列的伺服-水压通过节能泵控制,与传统液压系统相比,循环时间减少30%.

气压和材料处理

气压系统利用气压通过管子移动散装材料,粉末和小部件. 在自动化工厂,视线制导机器人从输送器中选择部件,以及气压吸尘杯的升降板金属或纸板没有损坏. 气压工具的轻量级性质也允许它们被挂在清晰的臂上,而不会使机器人腕部过载.

组装和燃烧

自动螺旋式,螺旋式,和焊接操作经常使用气动器来钳制位置上的部件. 液压钳在保持微米级重复性的同时,为机械操作提供了所需的高控力. 机器人端臂工具经常将气动和液压电路结合,以快速在任务间切换.

包装和标签

高速包装线依靠气压装置来安装箱体、插入产品和封装病例。 气动器的快速循环时间 — — 往往超过每分钟120个循环 — — 电动器在不过热的情况下难以匹配的可承受的可吞吐量。 通过简单的压力调节器来调整中风长度和力的灵活性使得气动器对产品转换很受欢迎。

工业效益

• 标本和效率 – 气压系统可以实现1米/秒以上的速度,加速度足够快,可以快速采摘和放置. 水力系统虽然速度较慢,但在整个中风中始终保持恒定的力,减少撞击力和磨损.
• 灵活性 – 阀门可以重新配置或替换以改变运动配置,同样的基系统可以通过只改变终端效应器和编程控制器来适应不同的产品.
• 成本-有效性 — — 压缩空气相对便宜,而气压组件是大量生产的,降低了初始设备成本。 水压组件虽然价格较高,但可以在重型应用中提供更长的服务寿命。
• 自动集成[] – 现代流体动力系统与工业4.0协议(IO-Link,Profibus,Ethernet/IP)集成,用于实时监测和预测维护. 传感器设备气瓶可以报告磨损水平,减少计划外的停机时间.

能源效率因素

传统上,流体动力被批评为与电力系统相比能效较低。 然而,诸如可变速泵驱动器、混合蓄积器系统和数字液压器等创新正在缩小差距。 比如,闭锁液压服务器系统可以在制动和下个周期再利用时回收能量,实现总效率超过70%。

挑战与未来趋势

尽管液力有其优点,但液力面临着挑战:漏气、噪音、热力发电和液力清洁的必要性。

• 电-Hydraulic Servo Systems (EHS) – 将液压电功率与电子的智能结合,用于精确,能优化的运动.
• 数字水利 – 利用上下阀门的库来创建可变的圆形区域,减少节流损失.
• 气压(Smart Punumatics]] – 集成传感器和分散控制器来监测流量,压力,和位置,使自我诊断和适应性控制成为可能.
• 以生物为原料且生态友好的流体 –植物油和合成酯减少环境影响,提高安全性.

展望未来,流体动力将继续与机器人和自动化一起演化。 协作机器人的趋势很可能会增加使用气动器来保障其固有的安全,而液压动器则仍将是物流、建筑和制造中重力自动化的解决方案。

结论

流体动力远非过时。 其能提供 高强度密度、精确控制、崎岖的可靠性和安全操作,使它在机器人和自动化制造中不可或缺。 从塑造汽车体板的巨型液压臂到装配电子、流体动力系统的微小气压钳,静静地为现代工业的物理支柱提供动力。 随着数字控制和节能设计技术的进步,流体动力将继续适应,确保它在未来几十年内仍然是自动化的基石。