maxon驅動系統在工業自動化與機器人領域的技術應用
在工業4.0、物聯網及人工智能技術的推動下,制造業正迎來變革,工業生產對產品品質、生產效率及運行靈活性的要求持續提升。機電系統的高品質協同運行是滿足上述要求的核心前提,maxon專注于研發生產直流電機、齒輪箱、傳感器及控制器,其產品廣泛應用于實驗室自動化、原油天然氣工業、測量檢測技術、半導體生產等多個領域的驅動系統,為各類工業自動化設備及機器人提供穩定、精準的動力支撐。
一、實驗室與通用自動化領域應用
1. 實驗室自動化
實驗室自動化設備對驅動系統的精度、穩定性及小型化要求,maxon研發的DC電機、齒輪箱、傳感器及控制器組合,可精準適配實驗室自動化各類設備的驅動需求,憑借緊湊結構、低磨損、高可靠性的特點,保障實驗操作的精準度與高效性,適配各類精密實驗儀器的協同運行。
2. 無線打包機與電池供電打包機
無線及電池供電打包機的驅動系統需兼顧高效能、長壽命與小型化,其驅動單元通常由電機、齒輪箱、編碼器、硬件、固件及軟件系統組成,電機優先選用無刷類型以實現長周期穩定運行。
maxon EC-i 30無刷電機可適配該領域需求,核心技術特點如下:具備高效率與高性能,磨損度極低,可長期穩定運行;內部多極轉子設計能夠充分發揮高動力輸出;鋼制法蘭與鋼制外殼構成的堅固結構,可適配多種復雜工作環境,實現多元化應用;產品尺寸緊湊,節省設備內部安裝空間;可搭配GP 32 A行星齒輪箱使用,實現精準、低噪音作業,保障打包過程的穩定性與一致性。
3. 電控噴頭
電控噴頭廣泛應用于各類精準噴淋場景,其驅動系統需具備防水、防腐蝕、高精度傳動的特點,尤其是音樂噴泉噴水模塊的完整裝配單元,對部件材質與傳動精度要求更為嚴苛。
該場景采用maxon EC-4pole電機與GP 42齒輪箱組合,所有部件均采用不銹鋼制造,可有效避免水中生銹,同時能夠抵抗海水鹽分的侵蝕;電機與齒輪箱通過數控銑床加工而成,精度可達微米級,確保傳動精準;噴水模塊由兩軸傳動構成,通過浸油的電機與齒輪箱組合完成傳動,無刷DC電機與三級行星齒輪箱GP 42的搭配,可實現過載保護,油液的冷卻作用可進一步延長部件使用壽命。
二、半導體行業應用
半導體行業生產過程中,清潔度與精度是核心要求,即使微小的灰塵或水滴也會破壞整個生產流程,尤其是晶圓加工環節,需在真空室環境下進行,對驅動系統的清潔度、精度、小型化及耐真空性能提出標準。
1. 晶圓驅動系統與晶圓升降機
晶圓是半導體集成電路的核心基礎,由硅等半導體材料制成圓形薄片,生產過程中需支撐于三個引腳之上,每個引腳通過電機驅動實現上下移動,構成三足式升降機,帶動晶圓在真空室內向上移動,再由上方夾持系統完成夾取操作,整個過程對驅動系統的精度與穩定性要求。
maxon采用無刷EC flat電機、光學編碼器、制動器及絲杠軸,組合構成晶圓升降高精度機電式驅動系統,其中maxon無刷EC flat無刷電機采用薄型設計,直徑范圍為9.2 – 90mm,功率覆蓋0.2 – 260W,性能優異;該系列盤式電機內置霍爾傳感器與內置電子裝置,可實現精準控制,適配真空室環境下的晶圓升降作業,保障晶圓加工的精度與安全性。
三、精密加工領域應用
1. 鉆孔整形
鉆孔整形是指對微小鉆孔進行精密修整,屬于微米級加工范疇,最小鉆孔直徑僅為0.015毫米(小于人類頭發直徑),廣泛應用于醫療技術、光纖技術、汽車工業等領域,如醫用注射針、微型噴嘴、微電子技術裝配儀器等,對加工精度與驅動穩定性要求。
鉆孔整形本質上屬于磨削過程(術語稱為“珩磨"),具體操作的是根據現有鉆孔直徑,將帶有極細小金剛石顆粒或包覆液體金剛石懸浮液的金屬棒/金屬線穿入孔中,通過精準旋轉與縱向運動,實現鉆孔的擴大、對中、修圓及打磨光滑。
maxon無刷DC電機在該領域表現突出,其在使用壽命、可靠性及精度方面具備顯著優勢,可靈活組合齒輪箱、編碼器及控制器等組件,為鉆孔整形作業提供精準、穩定的動力支撐,保障微米級加工精度。
四、機器人領域應用
1. 袖珍型機器人與工業機械手臂
袖珍型機器人屬于小型工業機器人,具備體型小巧、操作直觀、精度高等特點,其六軸機械手臂精度可達5微米,重量不足5公斤,底座可直接放置于手掌之上,同時有效負載可達500克;控制器采用內置式設計,既節省安裝空間,又簡化操作流程,僅需24V電源、一臺電腦及一條以太網電纜,即可完成編程與操作。
該類型機器人廣泛應用于機械工程制造標準元件加工、組裝流水線、醫療設備輔助、動物手術助手、鐘表及珠寶組裝等場景,同時可執行傳統拾放、檢驗等任務。其驅動系統需同時滿足小型化、強動力、高品質的要求,maxon無刷盤式電機憑借緊湊設計與高轉矩優勢,搭配無間隙齒輪箱及高分辨率編碼器組合運行,可實現精準動作控制,適配袖珍型機器人的驅動需求。
2. 培訓用機器人
培訓用機器人需具備操作便捷、運行穩定、安全性高的特點,同時需適配教學過程中的多樣化操作需求,其驅動系統需兼顧穩定性與可操控性。maxon各類適配型電機(如EC flat系列)可根據培訓機器人的規格,靈活組合齒輪箱與控制器,提供穩定、易操控的動力支撐,保障培訓過程的順利進行,同時具備較長的使用壽命,適配高頻次教學操作。
3. 高速運動機器人
高速運動機器人對驅動系統的動力輸出、響應速度及輕量化要求,如maxon參與研發的高速兩足機器人,速度可達46 km/h,高度約半米,重量僅3公斤,雙腳采用碳纖維增強塑料制成,跨步時通過人造肌腱拉緊蓄能,每條腿均由無刷maxon DC電機驅動,通過快速旋轉軸桿實現高動態運動。
該場景采用maxon EC-4pole電機、GP 32 HP齒輪箱及ESCON Module 50/5控制器組合,電機具備高動力密度、快速響應的特點,齒輪箱保障動力傳輸的精準性,控制器實現對電機的精準調控,三者協同運行,滿足高速運動機器人的高動態驅動需求。
4. 仿生機器人
仿生機器人涵蓋仿生六腿運動機器人、仿生肌腱結構機器人等多種類型,其核心特點是模擬生物運動特性,需具備輕量化、高轉矩、低發熱、精準控制的驅動系統,同時需嚴格控制驅動部件的重量,適配機器人骨骼與肌腱結構的安裝需求,且由于無法在機器人體內設置降溫裝置,電機溫度變化需嚴格控制。
(1)仿生六腿運動機器人:采用碳纖維增強塑料外骨骼,腿部驅動部件及連接元件為鋁合金材質,配備多臺傳感器,依據生物分散控制機制運作,可根據地面情況靈活調整運動狀態;每條腿設有三個關節,需同時控制18個關節運動,采用maxon EC 45盤式電機驅動,驅動功率為50 W,通過生物運動原理啟發的控制演算法實現精準控制;該電機具備體積小、扭矩高、重量輕、長度短的特點,可有效節省機器人腿部運動空間,適配六腿協同運動需求。
(2)仿生肌腱結構機器人:具備堅固的鋁合金骨骼與復雜的仿真肌腱結構,采用maxon EC 16電子換向伺服電機,該電機轉矩性能佳、功率高、轉速范圍大、使用壽命長,運行時發熱量極低,可適配機器人體內無降溫裝置的使用場景,同時滿足重量控制與高性能驅動需求。
5. 協作機器人與機器人手臂
協作機器人手臂采用鋁質結構,標準高度1.1 m,作業半徑80 cm,配備六個自由度,可實現物體的識別、抓取與操控,同時具備環境感知能力,廣泛應用于工業協作、精密裝配等場景。其驅動系統需具備控制簡便、扭矩大、結構緊湊、散熱性好的特點。
該類型機器人關節與夾具中,采用多達八臺maxon EC flat電機,直徑分別為45 mm和90 mm,功率覆蓋70 W和90 W;EC flat系列盤式電機結構扁平,具備控制簡單、扭矩大、結構緊湊、散熱性好的優勢,是機器人技術領域的優質解決方案,可適配協作機器人手臂的驅動需求,保障多自由度動作的精準與流暢。
6. 輔助機械人臂
輔助機械人臂主要用于改善操作員在高速作業、單調流程及沉重負荷下的工作狀態,通常采用壁式安裝,具備多根軸,作業半徑超過兩米,可實現上下左右移動,通過傳感器即時識別使用者意圖,由控制系統操控機器人臂移動至指定位置,操作便捷、省力。
該類型機器人臂采用maxon RE系列DC電機,可提供150-250W功率,整合重量、質量與功率密度等核心特性,能夠提供合適的速度與轉矩,操作簡便,可精確傳輸強作用力;RE系列DC電機可與適配的行星齒輪箱、編碼器及EPOS定位控制器組合使用,進一步提升控制精度與運行穩定性,保障輔助作業的高效與安全。
7. 研究用機器人
研究用機器人主要用于科學研究與教學應用,通常采用開源軟件控制,配備平臺及五級運動自由度,便于研發人員與機器人專業學生編寫自主控制及應用軟件。該類型機器人內部空間有限,需在手臂與車身中內置多臺電機和行星齒輪箱,且元件需直接安裝于機械手臂關節內,對電機的輕巧性、精度及結構堅固性要求。
maxon EC 45 flat無刷電機是該場景的優選產品,其結構簡易、精巧,同時可提供高轉矩強度,輸出功率介于15至50 W,重量僅為46 g至110 g,體積小巧,可靈活安裝于機器人關節內;關節與maxon定位編碼器連接,可準確測量關節角度,為研究與教學提供精準的控制數據支撐。
8. 攀爬機器人
攀爬機器人主要用于高壓鐵塔等高危場景的保養維護,可通過平板電腦遠程操控,替代人工攀登高塔進行檢查,機器人沿軌道攀爬,通過攝像機實時傳輸圖像與視頻,便于操作人員快速發現并排除故障,其驅動系統需具備高負載能力、高效節能、精準控制的特點。
該類型機器人通過兩臺搭配行星齒輪箱的maxon RE 40電機驅動,可運輸達60公斤的負載;RE 40電機配有無鐵芯繞組和釹磁鐵,具備小體積、高性能的優勢,效率可達90%,高效節能,適合蓄電池供電;搭配maxon ESCON 50/5伺服控制器,可實現電機的精確控制,保障機器人在高危場景下的穩定運行。
9. 管道檢測機器人
管道檢測機器人主要用于下水管道等長距離、復雜環境的受損探測,需長時間在惡劣環境下穩定運行,其傳動系統需具備高功率密度、體積小、功率曲線穩定、易于操控的特點,行星減速箱需具備良好的工作效率,以保障機器人的續航與探測精度。
maxon EC-max 22電機可滿足上述先決條件,該電機為節能高效率、小型化直流電機,驅動電機與行星齒輪箱組合使用,具備易于操控、高度靈活的特點,可為自行式管道檢測機器人提供精準傳動力,保障機器人在數公里長的管道內穩定運行,完成受損探測任務。
10. 水底檢驗機器人
水底檢驗機器人主要用于發電廠、煉油廠、管路制造商及管路系統裝配作業中的管路檢測,配備高性能攝像頭,需在水下復雜環境下穩定運行,其驅動系統需具備高功率、低能耗、高轉矩、防水耐腐蝕的特點。
該機器人剪切驅動裝置共有十二個滾輪,每個剪切側和驅動電機配備兩個,驅動力由六臺maxon RE 40電機與行星齒輪箱提供;RE 40電機具備功率高、能耗低、轉矩大的特點,擁有無鐵繞組和釹磁鐵,結構體積小,同時具備優異的堅固性和耐用性,可適配水下復雜環境,保障水底檢驗作業的順利進行。
11. 蛇形機器人
蛇形機器人主要用于狹小、危險及難以進入的區域進行安全檢測與視頻拍攝,其蛇形手臂的直徑是核心功能指標,直徑與重量越大,機器人維護量越高。機器人各個關節通過鋼纜連接,每根鋼絲與maxon驅動電機連接,電機將機械功率傳遞給蛇形手臂實現動作,電機安裝于機器人底座的執行器包內,頭部電機負責照相機或抓臂的動作。
maxon EC-max 30電機與陶瓷版GP 32型行星齒輪箱組合,具備緊湊設計、動力充足的優勢,無刷繞組可實現無頓轉扭矩、高效率及高動態控制,適配蛇形機器人的驅動需求,既保障動作的靈活性與精準性,又有效控制機器人的體積與重量。
12. 救援機器人
救援機器人需具備高適應性、體型小巧、易于操控的特點,可通過高清圖像將現場信息傳遞給外界,通過鰭輪電機的能耗測量精確分析與地面的接觸狀態,其驅動系統需具備高效、動力強勁、小巧輕盈、散熱性好的特點。
該場景采用maxon EC-4pole 30無刷直流電機,具備高效、動力強勁、小巧輕盈的優勢,4極動力組全效工作,可驅動機器人在起伏地形上行進;電機采用特殊繞組技術和四極磁鋼,在單位體積和重量功率值方面具備顯著優勢,無齒槽效應,效率高,調節性能優異;金屬殼體可確保良好的散熱效果和穩定的機械性能,適配救援場景的復雜環境。
13. 多指機械手
多指機械手是精密驅動技術與高效總線技術融合的產物,每個手指具備四個關節和三個自由度,每個指關節均裝備自動檢測、無接觸角度傳感器和轉矩傳感器,對驅動電機的小型化、高精度、高效率要求。
maxon EC 20扁平式驅動器可滿足該需求,該電機體積小、功效高,長度僅10.4 mm,外徑21.2 mm,重量約15克,與諧波減速機高精度傳動系列連成一個單元;電機靈活可變,預載滾珠軸承能精確響應控制指令,通過總線技術實現數據快速傳輸,實現微機械和微電子技術的互補,保障多指機械手動作的精準與靈活。
14. 微裝配任務機器人
微裝配是通過集成機電系統,實現對基于微型技術、納米技術和生物技術的微型組件的快速、靈活、自動化操作,隨著微型組件及系統微型化趨勢的推進,對驅動技術的精度與速度要求不斷提升。微裝配任務機器人中,電機負責動作執行且自身不移動,固定于支撐臂上并將動作直接傳遞給結構體,需具備緊湊、高速、高精度的特點。
maxon EC-i 40電機可適配該場景需求,其作為緊湊式微電機,具備速度優勢與高精度表現,在鐘表業等微型部件分類、選擇及加工場景中得到充分應用,為微裝配作業提供精準、穩定的動力支撐。
五、能源與特種領域應用
1. 原油和天然氣行業
原油和天然氣行業的設備運行環境惡劣,多為高溫、高壓、高腐蝕場景,對驅動系統的堅固性、可靠性、耐腐蝕性要求。maxon研發的DC電機、齒輪箱、傳感器及控制器組合,具備堅固的結構設計與優異的耐惡劣環境性能,可適配原油和天然氣工業各類驅動系統,如鉆井平臺輔助設備、管道傳輸輔助設備等,保障設備在環境下的穩定運行。
2. 粒子加速器雙晶單色器驅動
粒子加速器運行過程中,為避免電子因與空氣份子碰撞而丟失,需在真空中完成,其雙晶單色器驅動電機需滿足無粘合劑、無塑料、高耐溫的要求,同時需具備低噪音、低振動、高靈敏度的特點。
maxon EC 22 HD無刷電機可適配該場景,其無步進電機運行噪音及振動的缺點,采用不銹鋼激光焊接外殼,符合真空環境使用要求,運行安靜且反應靈敏;高真空度下,塑料及粘合接頭易漏氣,該電機組裝主要通過微激光焊接完成,有效避免漏氣問題;針對輕潤滑油在低壓條件下的不穩定問題,采用惰性強的潤滑劑,在高真空條件下不會蒸發;電機采用高溫設計,可承受120 °C的可控真空環境,保障粒子加速器的穩定運行。
六、其他工業自動化領域應用
1. 電梯門驅動裝置
電梯門驅動裝置需滿足體型小、功能強、節能、可靠、智能的要求,負責驅動轎廂門與各樓層電梯外門的開關,其驅動系統的穩定性直接影響電梯的運行安全與使用體驗。
maxon電梯門驅動裝置采用EC flat系列電機,可通過齒形帶驅動,能夠移動達400公斤的電梯門;也可采用直接驅動方式,節省安裝空間,適配不超過120公斤的電梯門;直徑90 mm的無刷直流電機EC flat系列、直接內置于印刷電路板的高精度編碼器、定制位置控制器,均整合在一個外殼中,結構緊湊;該驅動裝置參考運行后,可自動辨識電梯門的規格和重量,計算匹配參數并在必要時修正,簡化電梯安裝人員的工作;EC flat系列盤式電機結構纖薄、節能,可提供足夠轉矩,搭配maxon EPOS,不僅能可靠執行預定工作,還可收集寶貴的運行數據,便于設備維護與優化。
2. 運動模型
鐵道模型、運動火車模型等產品,不僅要求外觀精致,還需承受嚴苛的運行條件,可直接在軌道上行駛,對火車頭內直流電機的耐高溫、耐超壓、易操控性要求,尤其是電機電刷,需具備優異的耐高溫、耐超壓性能。
maxon A-max系列電機采用優化結構,可滿足上述需求,具備耐高溫、耐超壓的特點,電機極易控制,適合用于模型制造領域,保障運動模型的穩定運行與操控體驗。
3. 攝像機穩定系統
攝像機穩定系統廣泛應用于采礦工業高空勘測、原油天然氣開采鉆井平臺察看、能源供應商高壓電纜監測等場景,此類場景面臨強風、亂流、飛行載體震動等惡劣自然條件,需通過高精度萬向軸懸吊系統維持攝像機穩定,拍攝無干擾的高品質高空影像,其核心驅動單元需具備高功率密度、高能源效率、低能耗、小體積、輕重量的特點。
maxon EC 32 flat無刷直流伺服電機是該系統的優選產品,其功率密度高、能源效率高、能耗低,可延長無人駕駛直升機的空中停留時間;電機與齒輪箱組合無間隙,轉速、輸出轉矩、總重量、總長度、能源消耗量均符合設計要求,為攝像機穩定系統提供精準、穩定的動力支撐,保障影像拍攝的穩定性。
4. 鏡間快門彈簧上弦電機
鏡間快門采用傳統機械彈簧作為蓄能器,通過彈簧上弦原理大幅縮減體積結構,其彈簧上弦驅動需具備結構緊湊、運行穩定、使用壽命長的特點。
maxon A-max 12電機齒輪傳動單元,配有精密自由輪結構,可用于為三個拉力彈簧上弦,作為鏡間快門的蓄能器;該電機結構緊湊,可滿足長時間運行需求,保障鏡間快門的穩定工作。
5. 安全門鎖定系統
高防護安全門鎖對驅動電機的穩定性、可靠性要求,需具備高轉速、低干擾、無頓轉扭矩的特點,保障安全門的鎖定精度與安全性。
該系統采用maxon A-max 22有刷直流電機與GP 22 A行星齒輪箱組合,電機運行轉數可達每分鐘6740轉;A-max電機配備性能強大的鋁鎳鈷永磁鐵及無鐵芯的maxon繞組,具備無磁性頓轉扭矩、電磁干擾小、穩定可靠的特點,可適配安全門鎖定系統的驅動需求。
6. 天文光譜望遠鏡主焦點儀
天文觀測光譜望遠鏡主焦點儀器作為獨立自動化單元,包含12個子系統和24根移動軸,其中15根采用電動驅動,通過CANopen通信協議連接,需實現準確跟蹤速度曲線、精準位置啟停、多軸位置及速度曲線跟蹤等多種操作,對驅動電機的精度、穩定性及控制性能要求。
該場景采用maxon EC系列無刷電機,可裝配齒輪箱、磁性增量編碼器和電動制動器,通過正弦換向實現低速勻速動作;電機標配霍爾傳感器,還可選配增量編碼器,向控制系統發送補充位置數據,提升控制精度;搭配maxon EPOS2 50/5型位置控制單元,該單元除具備電流、速度和位置的封閉式控制電路外,還設有運動插補模塊,可追蹤編程后的多軸運動曲線,通過CANopen接口實現操作,保障天文觀測的精準性。
7. 高精度望遠鏡架臺
天文望遠鏡需放置于多種不同應用環境中完成觀測任務,其高精度望遠鏡架臺需具備無障礙、不間斷的運行能力,尤其是在特殊環境下,維修保養困難且危險,因此系統需長時間無間斷、運行,對驅動電機的可靠性、扭矩、耐低溫性能要求。
maxon RE 25型電機可適配該場景,其可使用低溫調制的軸承潤滑劑,安裝完成后無需補充潤滑劑,減少維護需求;電機具備大扭矩、高性能密度的特點,無鐵芯繞組設計大幅降低頓轉轉矩,實現運動精度的提升,保障望遠鏡架臺的穩定、精準運行。
8. 舞臺燈光感鎖
舞臺燈光感鎖(如RSC光感鎖)的核心功能是通過反作用力,抑制輕型架燈橋造成的干擾性震蕩,對驅動電機的體積、功率、運行精度要求,電機的絲毫延遲或移動幅度偏差,都會影響穩定效果。
maxon EC 90 flat電機體積小、功率強、運轉精確,可適配舞臺燈光感鎖的驅動需求,有效抑制燈橋震蕩,保障舞臺燈光布置的穩定性,簡化舞臺燈光調試流程。
9. 電動高爾夫球車
電動高爾夫球車為球場出行提供便利,通常采用全碳架結構,重量僅5.5公斤,球袋無承重限制,其牽引驅動裝置需具備動力強勁、高效節能、輕量化、結構緊湊的特點。
10. 紋身機
傳統線圈紋身機已逐漸被小型電機驅動的旋轉式紋身機取代,旋轉式紋身機可繪制更精細的線條,且具備重量輕、運行噪音小的優勢,對驅動電機的使用壽命、可靠性、低噪音、低振動、輕量化要求。
maxon RE 13電機可適配該場景,其使用壽命長、性能可靠,配備稀有金屬電刷的DC驅動裝置功率為2.5 W,功效高,適用于蓄電池驅動模式;運行噪音低,幾乎不產生震動,電機重量極輕,可顯著提升紋身機的操作手感與使用體驗。
11. 自動倉儲物流系統自動駕駛車輛
自動倉儲物流系統以可自由行駛的自動駕駛車輛(AiV)為核心,車輛之間可相互識別、遵守先行規則,自主完成倉儲搬運任務,其內部電機與齒輪箱需承擔車輪轉向控制、容器取放等關鍵任務,對電機的轉矩特性、功率、使用壽命、耐磨性要求。
maxon EC-max 30電機可適配該場景需求,其具備轉矩特性良好、功率高、轉速范圍大、使用壽命長久的特點;通過在齒輪箱中采用陶瓷零部件,可顯著改善關鍵部件的磨損情況,延長齒輪箱使用壽命,同時增大連續扭矩和瞬時扭矩,提高輸入轉速,保障自動駕駛車輛的穩定、高效運行,提升倉儲物流效率。