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未來氣動技術的發展趨勢
就目前為此,在探討氣動技術、氣動行業的發展時,總面臨著被討論對象的不確定性。通常人們一提到氣動技術時,只想到談論與壓縮空氣有關的氣動產品的發展,即純粹單一的氣動技術,沒有把氣動技術作為融入于機電一體化的技術來看待。如果真正能把氣動技術融入于機電一體化技術來對待的話,那么人們討論氣動技術的發展趨勢時,實際上是在研討一個包含氣動技術在內的綜合自動化控制技術的發展趨勢;是在有的放矢地預測一門集機械、電子、真空、傳感器以及通信等跨學科的綜合自動化控制、驅動的技術發展路徑。
從目前國際上先進工業國的氣動元件制造商發展現狀來看,他們早已不滿足僅提供與壓縮空氣有關的氣動產品?,F在,國際上大多數著名氣動元件制造商都在提供伺服電機、步進電機、伺服電機/步進電機的控制器等一系列與自動化有關的電控元器件。如德國的Festo公司則公開聲稱:要成為世界氣動與電動自動化技術領城的最主要的供應商,要對客戶所有需求都能給出正確的解決方案。而這正是現代工業化的用戶所需要的。當前的用戶需要供應商能快速反應,能提供整套自動化解決方案及系統產品(即插即用技術)。因此,僅僅單獨地討論、考慮氣動技術的發展是不完整的和不可取的,也是不利于現代工業自動化發展趨勢的。
國際上氣動技術的發展趨勢是通過全盤機電一體化,并集合機械、電子、流體力學、真空、傳感器技術、壓電技術、工程塑料、視覺系統以及通信與信息處理等跨各學科為一體的綜合自動化控制技術,提供整套自動化解決方案及系統(即插即用技術)。需要闡明的是,氣動技術正在升化、變革,不可從字面上來理解氣動技術原來的服務功能范圍。當今,一批國際上領先的氣動廠商,把產品和服務都衍生到電驅動產品、傳感產品,以及電控制等工業自動化整套解決方案之中,并把電驅動產品(步進馬達、伺服馬達等)、電控系統產品(PLC控制器、現場總線、以太網等控制)全部納入公司的樣本目錄。氣動技術開始走向工業自動化整套解決方案之路。
選用氣動技術解決方案,勢必涉入到需對比其他工業自動化解塊方案的優劣;談氣動技術發展趨勢,也勢必會全盤審視、探討工業自動化整體發展大趨勢。這就是如今氣動技術升華的概念。
如果說20世紀80、90年代,氣動技術以氣動產品的小型化、微型化、模塊化、低功耗、集成化、智能化、標準化以及延長使用壽命為重點的發展方向。那么21世紀,或者今后相當長一段時間內,發展的重點則將是低碳化(氣動節能)、機電一體化(氣驅動與電驅動的組合)、系統化(即插即用),強調診斷/監測,不管是氣動或非氣動的自動化元器件的開發,都必須考慮通信/診斷功能的統一接口界面,確保各種技術能無縫組合,真正實現機電一體化技術,為提供整套自動化解決方案服務。
綜上所述,氣動技術已經朝著真正機電一體化方向——一條工業自動化整體發展的方向發展。
氣動節能技術
過去,人們認為液壓驅動的工作介質——液壓油是需花錢買的,而氣動驅動中的壓縮空氣一度被認為是免費的,是取之不盡,用之不竭的,或者說是非常低廉的,由此,造成的浪費非常巨大。21世紀后,國外許多氣動廠商及研究機構開始認識到壓縮空氣是非常貴的,空壓機所消耗的電能,僅有19 %轉化成壓縮空氣,剩下的81 %轉化為熱能,1 m3壓縮空氣成本視不同空壓機效力,我國約0.08~0.11元。而電驅動產品的成本又在不斷下降,因此,在考慮驅動方案時,是否采用氣缸?或是電驅動?存在著比較和選擇。在氣動元件開發、系統設計上,開始計較有效耗氣指標,如何節約壓縮空氣無謂消耗,如省空氣的真空發生器,帶導向裝置的氣動驅動器,閥島等一系列氣動節能產品;同時,還包括如何消除泄漏,如何提高空氣質量,減少元件提早失效的漏氣,氣動系統的節省耗氣設計等等。一項全面氣動節能技術的工作開始了,氣動元件低碳化是氣動技術發展的指針,以后氣動元件的開發及系統設計都將圍繞著這一前提進行。
電缸及電驅動系統
由于電驅動的技術日趨成熟和成本的下降,壓縮空氣成本昂貴,使得原排斥電驅動產品的氣動行業,開始研發并銷售與氣驅動相融合的成套電驅動技術,包括電驅動軸,步進電機、步進電機控制器、伺服電機、伺服電機控制器,以及氣驅動與電驅動之間的互相模塊化聯結系統,并納入一些國外公司的銷售產品樣本目錄中,最終得以實現提供整套自動化解決方案。如德國的Festo公司、Bosch公司,美國的Parker公司,在電驅動產品,模塊化的抓取系統產品上系列齊全。而日本的SMC公司、CKD公司等也有部分電驅動產品。
需要說明的:對電驅動產品開發的先進設計思想是,以模塊化抓取系統為軸心。開發立柱式、門架式和懸臂梁式幾大主要抓取模式。當電驅動產品還沒有ISO國際標準情況下(連接尺寸),有桿電缸參照現有氣缸的國際標準(如:有桿電缸參照ISO15552國際標準氣缸),是氣動元件制造廠商銷售電驅動產品的一大優勢。同時,也看到目前無桿氣缸還沒有形成ISO國際標準,這將給無桿的電驅動產品的接口標準化帶來困難和障礙,應引起業界人士的重視。
模塊化的抓取系統
在上述電驅動產品中已經提到模塊化的抓取系統,電驅動可以單獨一個軸向方向運動,也可以X-Y或X-Y-Z三軸向運動。而模塊化的抓取系統指的是多軸方向的運動標準化模式,以氣驅動和電驅動互相結合的方式,以即插即用的形式出現在客戶面前。當生產流水線上,需生產不同規格產品時,模塊化的抓取系統僅改變某一個部件或增加某一部件便能滿足生產要求。在電子行業、小零部件裝配業及高節奏的自動流水線應用十分廣泛。這類模塊化抓取產品常以帶導向裝置的驅動器為基礎(氣驅動/電驅動),帶有一個公共的接口界面(包括帶現場總線接口界面),是符合現代自動流水線上一門模塊化系統產品,是今后的發展趨勢。
創新產品的開發
在氣動節能、提供整套自動化解決方案及系統的思想指導下,需要開發一系列創新產品,如:帶分散與集中的控制并具診斷功能的模塊化閥島,氣動壓力比例閥,氣動流量伺服閥,2 ms高速開關閥,“壓電芯片技術”制造的微型電磁閥或氣動比例抓手,氣動人工肌肉,帶導軌的模塊化導向系統裝置,適合于生物、醫藥、醫療衛生及食品的氣動元件等。創新產品開發中十分強調食品生產過程的衛生標準,繼續加大對新產品、新材料及新工藝的開發研究與應用。