Bend-Tech案例研究：混合直線運(yùn)動(dòng)組件降低了CNC機(jī)床制造商的成本

Bend-Tech是威斯康星州一家專門生產(chǎn)數(shù)控管材切割機(jī)、制管和彎管系統(tǒng)的公司。5年前，他們發(fā)現(xiàn)公司的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)電話激增，于是迅速開展調(diào)查并查明了原因。原來，越野車等戶外賽車運(yùn)動(dòng)日益普及大幅推動(dòng)了金屬管材和管道制造的需求，導(dǎo)致客戶踴躍要求Bend-Tech進(jìn)入該市場(chǎng)并將產(chǎn)量提高到遠(yuǎn)超預(yù)期的水平。因此，Bend-Tech團(tuán)隊(duì)重新開始設(shè)計(jì)，并在Thomson Industries創(chuàng)新的混合直線運(yùn)動(dòng)技術(shù)的幫助下找到了成功的解決方案。

“我們的系統(tǒng)讓金屬制造廠家能夠快速精確地切割管材和管道。”Bend-Tech公司生產(chǎn)經(jīng)理TJ Merry說道，“因此，不僅提高了他們的生產(chǎn)能力，還能使他們能夠內(nèi)部完成傳統(tǒng)的外包服務(wù)，最終提高效益。”

戶外賽車運(yùn)動(dòng)定制車輛日益受到青睞，推動(dòng)了管材和管道加工需求的穩(wěn)步上升。（圖片由Busted Knuckle Off Road提供）

Bend-Tech公司的業(yè)務(wù)主要集中在2個(gè)市場(chǎng)，并且在這2個(gè)市場(chǎng)都增長(zhǎng)迅速。他們的許多客戶都是為工業(yè)和公共建筑提供定制扶手的制造商，因此業(yè)務(wù)受建筑行業(yè)以及對(duì)公共安全的日益關(guān)注的影響。然而，他們的最大業(yè)務(wù)增長(zhǎng)機(jī)會(huì)是涉及攀巖車、賽車和吉普車等越野賽車的改裝車間。

在最初進(jìn)入市場(chǎng)表明公司無法滿足高產(chǎn)量需求后，Bend-Tech建造了更大的Dragon A400等離子切割、打標(biāo)和雕刻系統(tǒng)。該系統(tǒng)幾乎能處理任何工件，但也帶來了另一項(xiàng)挑戰(zhàn)：雖然深受大客戶的歡迎，但大約三倍于Dragon A250的價(jià)格卻讓一些客戶難以承受。“我們需要的是介乎兩者之間的產(chǎn)品。”Merry說道，“我們知道合理的價(jià)位點(diǎn)，并且必須在不影響生產(chǎn)質(zhì)量的前提下將機(jī)器制造成本減半。”

確定成本削減方向

Bend-Tech Dragon系統(tǒng)包括三大組件：結(jié)構(gòu)框架、切割打標(biāo)工具頭以及控制工具運(yùn)動(dòng)的軟件引導(dǎo)執(zhí)行系統(tǒng)。在決定從正在開發(fā)的新系統(tǒng)中刪除一些功能后，削減成本的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

Bend-Tech依靠Thomson電動(dòng)推桿組件在其等離子切割、打標(biāo)和雕刻系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定一致的精確運(yùn)動(dòng)控制。

“Thomson為我們制造了用于A400系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的直線系統(tǒng)，因此我們向他們咨詢?nèi)绾文軌蛑圃斐鰞r(jià)位更低的生產(chǎn)級(jí)系統(tǒng)。”Merry說道，“我們也咨詢了其他直線運(yùn)動(dòng)技術(shù)供應(yīng)商，但Thomson一如既往地迅速回復(fù)我們并提供了理想的解決方案。”

Thomson解決方案集成了比先前設(shè)計(jì)的A400驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更小、更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)版本，且其驅(qū)動(dòng)機(jī)制也完全不同。每臺(tái)A400使用兩個(gè)Thomson 2DB系列直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，它們通過螺栓垂直連接以控制A軸和Z軸。其中一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在水平面上定位工具頭，另一個(gè)在垂直軸上移動(dòng)切割、打標(biāo)和雕刻工具。每個(gè)軸都通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的2英尺滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。由于絲杠的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需要兩端配置支撐軸承并使用特殊聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)。

Bend-Tech借助Thomson創(chuàng)造性的工程專業(yè)知識(shí)成功開發(fā)出成本更低的Dragon A250系統(tǒng)，滿足了不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

對(duì)于新的Dragon A250系統(tǒng)，Thomson首先縮短了驅(qū)動(dòng)軸長(zhǎng)度，采用11英寸梯形絲杠和6英寸驅(qū)動(dòng)器，從而消除了兩端支撐的需要。這意味著可以選用無需兩端支撐的電動(dòng)梯形絲杠（MLS），因?yàn)樨?fù)載由電機(jī)內(nèi)的軸承支撐。而且由于梯形絲杠與MLS電機(jī)轉(zhuǎn)子是一體的，無需將絲杠外部連接至轉(zhuǎn)子。

“Thomson這個(gè)組件的設(shè)計(jì)真的非常巧妙。”Merry說道，“他們通過盡可能減少組件數(shù)量降低了成本。使用集成梯形絲杠而不是滾珠絲杠的電機(jī)，消除了絲杠與電機(jī)連接的成本，以及與此相關(guān)的所有支撐硬件。”

Thomson公司為Bend-Tech量身定制的低成本運(yùn)動(dòng)控制組件將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)絲杠集成到先前滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。Thomson通過螺栓將直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)垂直連接在一起，從而移動(dòng)固定在右側(cè)紅色板另一側(cè)的等離子割炬和打標(biāo)工具。

新的運(yùn)動(dòng)控制組件比A400上使用的系統(tǒng)更小，但是看起來非常相似，同樣包括圓形導(dǎo)軌、軸承、支架和滑塊。Merry表示，新系統(tǒng)看起來完全是以前系統(tǒng)的縮小版。對(duì)于他來說這也是一個(gè)賣點(diǎn)，因?yàn)樗３至诉B續(xù)性。

降低可重復(fù)性的成本

運(yùn)行期間，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)連接到一臺(tái)裝有CAD/CAM軟件的Windows PC電腦，其中存儲(chǔ)了每個(gè)客戶的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如長(zhǎng)度、彎曲角度、轉(zhuǎn)數(shù)和材料特性。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將接收這些信息并按照預(yù)編程的順序執(zhí)行，使工具能夠自動(dòng)切換等離子切割或零件打標(biāo)。對(duì)于A400和A250，所有切割和打標(biāo)必須在+/- 0.010”公差以內(nèi)。

Dragon A250的CAD/CAM軟件預(yù)編程了設(shè)計(jì)參數(shù)，可引導(dǎo)Thomson直線運(yùn)動(dòng)組件、控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)高重復(fù)精度。

實(shí)現(xiàn)這種高精度的關(guān)鍵是位置傳感器，它建立了一個(gè)零點(diǎn)，并記錄了距離該點(diǎn)的任何變化。在A400中，傳感器延伸在直線運(yùn)動(dòng)組件的一側(cè)。所有接線都安裝在擠壓成型的鋁制手柄狀結(jié)構(gòu)中，它從組件的一端延伸到另一端。在A250的設(shè)計(jì)中，Thomson將所有的限位開關(guān)都集成在系統(tǒng)的電子元件中，并在端塊上加工了一個(gè)凹槽和螺紋孔，使傳感器可以旋入該螺紋孔中。通過這種方式，無需外部夾具即可滿足精度要求，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

傳感器為A250提供了高精度、可重復(fù)性和可靠性，同時(shí)通過消除在直線執(zhí)行組件側(cè)面安裝傳感器夾具的需要，降低了系統(tǒng)成本。

預(yù)裝的ACME螺紋螺母也有助于實(shí)現(xiàn)Merry所謂的“精準(zhǔn)”可靠性。相比于使用標(biāo)準(zhǔn)模制螺母的原始滾珠絲杠組件，工廠校準(zhǔn)的滾珠絲杠和復(fù)合聚合物螺母具有更小的游隙。

志在必得

Bend-Tech宣布推出Dragon A250的當(dāng)天，他們就售出了四套系統(tǒng)，并且此后需求一直保持穩(wěn)定。根據(jù)一些始終使用手工方法的中型市場(chǎng)客戶的預(yù)計(jì)，使用該系統(tǒng)后期生產(chǎn)力將提高5倍以上。隨著新冠大流行相關(guān)隔離導(dǎo)致的人們對(duì)戶外活動(dòng)的興趣增加，以及經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇帶來的建筑熱潮的前景，Bend-Tech公司已做好持續(xù)成功的準(zhǔn)備。