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減速發力驅動智慧化 國內外大廠競推傳動解決方案
 

【作者: 陳念舜】   2019年07月22日 星期一

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在世界大國紛紛規劃先進智慧製造政策之際,推動新一波製造業轉型升級需求,包括國內外自動化關鍵零組件製造廠商也須藉此深度整合生產與應用兩端,推出智慧化傳動解決方案。


繼2011年工業4.0革命概念率先於德國漢諾威工業展問世以來,除了吸引世界大國紛紛規劃先進智慧製造政策,已造就新一波製造業轉型升級需求,包括國內外自動化關鍵零組件製造廠商也藉此深度整合,推出智慧化傳動解決方案。


其中高效驅動解決方案指標廠商,德國威騰斯坦公司(WITTENSTEIN)自從1983年在漢諾威工業展發表全球首部採用獨特設計原理的SP 系列低背隙(三弧分)行星式減速機之後,旋即於1984年成立WITTENSTEIN alpha GmbH公司。並在1992 年創立了WITTENSTEIN motion control GmbH,將服務範圍由單純的傳動系統製造擴展,成為機電整合伺服傳動裝置及伺服傳動系統的系統供應商;2002年更發表首套納入減速機、齒輪/齒排等線性傳動系統(Linear systems)。



圖1 : 威騰斯坦近年來還推出減速機與高性能伺服馬達一體化設計Premo機種,適合要求結構緊湊、大力矩使用者,並將之導入一體化設計AGV。(source:wittenstein.co.uk)
圖1 : 威騰斯坦近年來還推出減速機與高性能伺服馬達一體化設計Premo機種,適合要求結構緊湊、大力矩使用者,並將之導入一體化設計AGV。(source:wittenstein.co.uk)

隨著2008 年全球持續推廣WITTENSTEIN 品牌,該集團也確立營運方向,自許成為提供機電整合傳動系統解決方案的國際最佳整合供應商。至今全球共有60家分公司、員工人數多達2,000餘人,遍及醫療、航太、奈米等領域,台灣分公司則主要負責銷售alpha行星式/伺服直角減速機、伺服傳動機構、完整齒條齒輪系統、整體傳動系統及配件的設計工具,分別提供客戶具經濟效益的系列解決方案,以及協助往客製化高端發展。


提供完整減速機系列產品 符合客戶最佳經濟效益


圖2 : WITTENSTEIN bastian GmbH在2012年便斥資1,200 萬歐元,在費爾巴赫市(Fellbach)成立「未來都市生產」工廠,在廠內導入工業4.0及城市生產理念,強調低噪音及排碳,追求經濟與生態需求的完美平衡。(source:威騰斯坦)
圖2 : WITTENSTEIN bastian GmbH在2012年便斥資1,200 萬歐元,在費爾巴赫市(Fellbach)成立「未來都市生產」工廠,在廠內導入工業4.0及城市生產理念,強調低噪音及排碳,追求經濟與生態需求的完美平衡。(source:威騰斯坦)

威騰斯坦(Wittenstein)業務經理鍾田庫表示,目前所有自動化系統只要涉及伺服馬達、傳動元件者,就有機會導入不同類型減速機,該公司則因為系列產品線相對完整,足以滿足使用者不同需求。如主力產品之一的行星式減速機優點是承載力矩大,如該公司產品最高可達到輸出40,000N-m,以及最高傳動效率99%、減速比範圍最大至1:10,000;且因內有斜齒輪,使之運轉平穩、噪音與震動均低。進而於2015年漢諾威工業展率先推出全球首部零背隙減速機Galaxie,甫上市便榮獲德國赫爾梅茲工業設計大獎 (Hermes Award)肯定,得以取代現今許多DD(直驅)馬達使用者需求。



圖3 : 威騰斯坦(Wittenstein)業務經理鍾田庫強調,最佳化選型方法還應該包含溫度、側傾力矩、慣量匹配3大關鍵因素。(攝影/陳念舜)
圖3 : 威騰斯坦(Wittenstein)業務經理鍾田庫強調,最佳化選型方法還應該包含溫度、側傾力矩、慣量匹配3大關鍵因素。(攝影/陳念舜)

但他也坦言,由於減速機在傳動鏈通常扮演轉換速度、力量、慣量的角色,常導致客戶在選型過程中僅留意到相關參數,卻忽略了其經常發生斷軸、精度衰減的主因,最佳化選型方法還應該包含溫度、側傾力矩、慣量匹配的三大關鍵因素。


鍾田庫進一步指出,有別於以往使用者必須等到伺服馬達示警,才發現溫度過高,現在則可望在安裝減速機前,就能先釐清溫度與「占空比(ED)」關聯性,並將機械運動狀態分為週期性ED≦60%、EDmin≦20mins,或連續性ED>60%、EDmin>20mins。以免客戶占空比達80%,卻選錯減速機型號,恐造成過熱而影響傳遞效能和使用壽命。


側傾力矩則通常適用於搭配皮帶、鏈條等高負載傳動情況下,因為每條傳動皮帶都會有不同張力,一旦側傾力矩高於張力便容易造成軸心斷裂、內部太陽齒崩壞,所以在威騰斯坦公司目錄上的所有減速機,都會註明側傾力矩利用率,亦可透過該公司Cymex軟體去計算出測傾力矩是否適合?


至於慣量匹配雖然是越小越好,優點是方便快速啟、停,但缺點是成本與之俱增,建議慣量比(λ)=負載側/動力側慣量,還是應依照動態特性、定位精度而定。其中λ≦10,係代表一般輸送設備連續運動應用,不特別要求高精度或動態特性;λ≦5,則適用於工具機產業,特別要求高定位精度,而非高動態特性;λ≦1,屬於高精度、高動態特性應用。


現在還能透過威騰斯坦提供軟體,協助客戶運算、分析軸/徑向力都要能互相匹配,才是最佳減速機。鍾田庫強調,台灣分公司不僅能整合系列產品線銷售,還是終端使用者問題的解決者!例如有客戶希望所採用的機器人行走第七軸能承受550kg機體,並在不到1.9s內完成3,500mm行程的嚴苛條件。


雖然剛開始客戶也想選用線性馬達,卻因為須額外加裝煞車、冷卻系統,導致耗能與維修成本居高不下,在極低速狀態恐會產生極大熱能;滾珠螺桿又因為速度越快晃動越明顯,在高加減速時無法產生高度動態性,且少了固定的線性剛性,造成行程越長成本越高。


然而,經威騰斯坦建議改用齒輪齒排系統後,不僅行程越長成本越低;且透過模組化設計,讓安裝,保養更容易,可不受空間限制;由於具備高加減速與扭轉剛性,還能透過斜齒輪系統確保運轉平滑穩定。目前該公司又依客戶對於精度或動態特性由高至低,將alpha減速機區分為精密型Premium、高階型Advanced、泛用型Value、入門型Basic不同等級


持續演進智慧傳動解決方案 囊括軟硬體4大領域

此外,以往減速機通常在傳動系統中只是伺服馬達的被動元件,但隨著數位智能化演進,威騰斯坦也因應工業4.0趨勢持續年年演進,而能在減速機產業站穩先驅者角色。不僅是德國制定工業4.0戰略的創始委員之一,並擔任「智慧工廠」工作小組的發言人。也在2017~2019年持續進化產品,於今(2019)年漢諾威工業展期間發表智慧傳動解決方案,共涵括4大領域:Smart factory、Smart product、Smart sizing、Smart service。


其中「Smart factory」係指可在智慧工廠裡,透過手機、平板等行動裝置,管控物料及監控生產進度,回報客戶正確交期,以免在資訊往返過程裡流失商機。同時在廠內導入工業4.0及城市生產理念,強調低噪音及排碳,追求經濟與生態需求的完美平衡,WITTENSTEIN bastian GmbH在2012年便斥資1,200 萬歐元,在費爾巴赫市(Fellbach)成立「未來都市生產(Future Urban Production)」工廠,並於2017年宣佈成為齒輪組件與專用減速機的生產中心。


「Smart Product」則為該公司在今年漢諾威工業展裡首度發表最新產品Smart gearbox,將最新傳感、監控技術與減速機整合一體模組化。鍾田庫表示,現在威騰斯坦已在減速機輸入法蘭座預留信號孔,客戶插入只須插入信號線,即可通過IO-link、EtherCAT傳遞使用時間、加速度、溫度、震動方向、角度等數據或上傳雲端,透過行動裝置可持續且即時掌握多方訊息。


為客戶帶來的利益,包含:一體化設計,毋須再額外考量安裝傳感器裝置;可以靈活設定數據上下限,提早發現異常;即時回覆監控產品壽命,降低機台停機風險;透過大數據分析,記錄生產過程。目前還推出減速機與高性能伺服馬達一體化設計Premo機種,估計約省下50%以上空間及耗能,換來較大出力,適合要求結構緊湊、大力矩使用者。


也有客戶將之導入一體化設計AGV,將機架和輪子都整合到AGV驅動輪,使得下方轉台、工作檯結構緊湊,設計更靈活,又不必再蒐羅多家不同零組件供應商整合;在AGV驅動器裡還有X-Y-Z方向的加速感測器,可通過TCP/IP網路傳訊來偵測、分析AGV行駛或碰撞狀況,來確保AGV行駛順暢。


「Smart sizing」,可用來協助客戶用最短時間選到最正確機型的軟體,以提高工作效率。其中又分為:CAD Point功能,只要得知減速機規格,再輸入所需減速比,便能產生2D/3D圖檔和產品數據;Sizing Assistant功能,係根據運動條件和搭配的伺服馬達型號、規格之後,快速篩選匹配的減速機。


還有Cymex5軟體可提供傳動鏈最佳化設計與選型,其主要透過直覺式介面及各行業應用模組,設定直觀運動條件;並善用加速度、重量、利用率等充沛數據庫,不必等到使用後才判讀馬達使用資訊,可立即分析轉速、軸/徑向力等;待所有性能指標及數據分析完成之後,就會產生詳盡報告,方便與客戶設計、使用人員直接討論。


最後是「Smart Service」,現在威騰斯坦每個產品都有QR-code,只要經過手機掃描,就能高效率取得所有與減速機相關規格和聯繫方式等相關訊息、檢查和維修的所有必要文件;以及發生任何問題的正確聯繫人,得以快速處理更換請求,提供定制維修服務。


立翔機電強化製造與行銷能力 因應國際變局

至於在台灣的老牌減速機大廠立翔機電工業公司,也自1976年起便創立「北工」品牌減速機,皆由該公司採取一條龍自主研發製造與生產流程,產品囊括:蝸輪減速機、螺旋升降機、小型齒輪減速馬達、大型齒輪減速機、行星式齒輪減速機、十字轉向機、客製化精密齒輪等多樣傳動零組件,強調能讓客戶一站購足,選用到符合設備需求的產品。


由於該公司齒輪全都經過熱處理後齒面研磨,齒輪精度可輕易達到DIN4~5級;並針對噪音及壽命需求重新設計齒型,以不增加客戶成本的前提下,使用最高品質的設備來製作每一個齒輪,達到高承載力、低噪音且運轉平穩的要求。


此外,立翔機電的優勢還在於經ISO 9001/2015、CE、UL、TUV認證的製造工廠,並持續添購一系列高效率自動化的加工設備,包含:德國KOEPFER滾齒機、德國KAPP 創成齒輪研磨機、美國GLEASON滾齒機、日本三井立/臥式銑床、日本Mazak車床、德國蔡司三次元及各式檢驗設備,針對減速機各部份加工,才能夠提升對於品質、精度、壽命的堅持,打造高附加價值產品,奠定該公司在市場上的優勢及專業。


立翔機電經理劉景華進一步表示:「受到近年來人力成本提高衝擊,該公司每年都會規劃投資高階的加工、自動化設備,以提高產品自製率;進而將齒輪箱的設計模組化,共用相同料件,將庫存降低,並透過業務的專業給予正確與恰當的建議。」隨著工業4.0、智慧製造議題持續發燒,現在還可透過監控系統提高設備稼動率,來因應國際市場越來越劇烈競爭。



圖4 : 立翔機電經理劉景華表示,該公司每年都會規劃投資高階加工、自動化設備,以提高自製率;進而將齒輪箱設計模組化,共用相同料件來降低庫存,並透過業務專業給予正確與恰當的建議。(source:立翔機電)
圖4 : 立翔機電經理劉景華表示,該公司每年都會規劃投資高階加工、自動化設備,以提高自製率;進而將齒輪箱設計模組化,共用相同料件來降低庫存,並透過業務專業給予正確與恰當的建議。(source:立翔機電)

圖5 : 目前仍持續引進一系列高效率自動化的加工設備,包含:德國KOEPFER滾齒機、德國KAPP 創成齒輪研磨機、美國GLEASON滾齒機、日本三井立/臥式銑床等,奠定該公司在市場上的優勢及專業。(source:立翔機電)
圖5 : 目前仍持續引進一系列高效率自動化的加工設備,包含:德國KOEPFER滾齒機、德國KAPP 創成齒輪研磨機、美國GLEASON滾齒機、日本三井立/臥式銑床等,奠定該公司在市場上的優勢及專業。(source:立翔機電)

包括立翔機電早在3~5年前便已面臨東南亞市場遭受中國大陸產品退稅的重大影響,因此轉而提高自製率,在東南亞建立組裝基地,以降低當地客戶的庫存壓力;同時轉向歐美地區開發較為高階應用市場,現已取得多家夥伴長期合作。


面對現今世界各國對於工業4.0及智慧自動化的趨勢需求,該公司也在今年4月參與漢諾威工業展期間推出伺服專用減速機,包含:PE系列低背隙蝸桿蝸輪減速機,低背隙可達8弧分以下;SJ系列滾珠螺桿千斤頂,主要應用於自動化產業的升降裝置;R系統/K系列,符合歐規高精度的齒輪減速機,讓客戶在台灣還有替代購買進口品的選擇,無論是售價或交期都更有競爭力。


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