机器和设备自动化项目——无论是由原始设备制造商 (OEM)、系统集成商 (SI) 还是制造设施的资本项目组执行——都包括许多设计阶段。需求、成本和收益通常在项目获得批准和概念设计阶段开始之前进行评估。

　　当团队开始指定产品、技术和方法以在预算和进度的限制内成功完成手头的任务时，将在此阶段定义详细的绩效评估。对于许多机器来说，必须有一种方法来执行和监控具有足够功率、速度和精度的线性运动。本文讨论了在紧凑的占地面积中实现可靠直线运动的一些注意事项，重点是无杆气缸。

　　一、直线运动要求和方法

　　在选择直线运动解决方案之前必须考虑几个基本参数：

　　·负载（以及移动它需要多少力）

　　·总行程（每个方向的终点）

　　·是否需要中间停止或定位？

　　·行驶速度

　　·准确性

　　直线运动最流行的两种动力技术是电动机和气动执行器。这些方法中的每一个都可以细分为几类：

　　·电动（伺服或步进电机）

　　·气动（传统或无杆气缸）

　　线性动作通常需要一个滑块，通常带有导轨，以在操作期间以足够的强度和最小的摩擦支撑机构。直线运动的选择是如何驱动这个滑块。

　　伺服电机，根据需要配备齿轮箱和随附的丝杠驱动或齿条齿轮，可对任何行驶位置的加速度、速度、减速度、定位和精度提供卓越的控制。然而，伺服解决方案的采购、配置和安装成本高昂且复杂。如果应用程序需要这样的性能，那么伺服是正确的解决方案，但很多时候它是矫枉过正的。

　　可以使用步进电机代替伺服电机来节省一些钱，同时牺牲一定程度的精度和性能。它们的配置和安装成本也相对较高，但可以在线性行程范围内的任何位置提供定位。

　　与任何电动马达驱动选项相比，传统的气缸设计将是一个讨价还价的选择。气缸实际上是内部带有活塞的管子，连接到一根杆，该杆延伸和缩回以在空气压力从活塞的一侧或另一侧引入或排出时提供原动力。这些设计最适合从行程的一端到另一端的完整行程运动，尽管有一些方法可以控制运动以停止行程中途。

　　传统的气缸通常可以直接作用，并且在机械部件方面不需要太多其他东西。它可能被封装在线性行程的占地面积内，但气缸通常需要在滑块末端安装空间，通常比行程量大一些。

　　除了简单之外，基本气缸的安装和维护成本也不高，并且与它们的尺寸相比，它们提供了非常大的动力。因此，线性气动运动可以成为适用于许多应用的经济有效的方法。

　　另一种气动选项称为无杆气缸，其工作方式与传统的双作用有杆气缸相似。无杆缸筒还有一个内部活塞，通常被磁化，因此可以通过传感器检测其位置，并且在一侧或另一侧有两个用于引入和排出空气压力的气口。

　　然而，正如人们可能从名称中猜到的那样，不同之处在于无杆气缸没有连接到活塞的杆。相反，有一个连接到活塞的外部托架，它沿着气缸体滑动，与活塞一起移动（图 1）。

　　无杆气缸具有传统有杆气缸的许多优点，但还具有允许将气缸安装在更狭窄空间中的额外好处。对于直线运动，这种类型的包装可能非常有效。

　　二、使设计过程保持一致

　　考虑一个大型制造设施的资本项目的设计团队。在一两次会议之后，他们审查直线运动的需求。一名团队成员对伺服驱动直线运动的高性能和附加功能着迷。但经过调查，该团队同意使用简单的杆式气缸来满足设备直线运动的需求，因为这种解决方案可以满足需求，而且压缩空气很容易获得。通过保持简单的方式解决了这个问题，他们相应地预算并转移到另一个主题。

　　不幸的是，在随后的会议上，确定该设备将位于墙壁附近。这意味着计划由气缸操作的运动站最终会导致气缸超出机器占地面积，这会干扰墙壁。将概念改回电动机驱动的执行器将在技术上解决问题，但在这一点上会破坏预算。幸运的是，无杆气缸可以解决技术和商业问题。

　　三、解决棘手的情况

　　无杆气缸比传统气缸更适合的一个例子是在胶站上。对于这个工作站，胶头需要穿过放在桌子上的平板纸板，并在移动时提供胶珠。

　　在这种情况下，将一张 500 毫米宽的纸板（这意味着需要 500 毫米的气缸行程）放在桌子上，并且需要 480 毫米长的胶珠。在工作台的一侧有一个导向栅栏，确保正面的纸板齐平，而机器在栅栏背面的工作台上有一个 150 毫米宽的空间。

　　使用传统气缸，冲程为 500 毫米的型号的总缩回气缸长度约为 581 毫米，或略低于 23 英寸长。这个圆柱体需要安装在栅栏旁边并向后延伸。机器占地面积外会出现明显的悬垂，从而导致问题，因为需要保护气缸体，以免有人撞到它。这种悬垂结构还可以防止将机器安装在靠近墙壁的位置，从而浪费工作空间（图 2）。

　　出于多种原因，无杆气缸比有杆气缸更适合此应用。具有与有杆版本类似的工作额定值的无杆气缸将具有端盖，这会占用一些空间，每端大约 150 毫米。但是当安装在机器工作台上方时，围栏的背面可以容纳这个悬垂物，工作台的正面也可以，因为它是开放的。

　　在此应用中无杆气缸的另一个优点是它可以直接支撑胶头而无需额外的机构。如果使用杆式气缸，设计人员将需要考虑胶水分配器的悬臂负载，这很可能需要结合机械线性滑轨，从而增加成本和复杂性，并使杆式气缸解决方案的成本接近优越的无杆选项。

　　四、直线运动脱模冲头

　　无杆气缸可以在非水平方向上节省空间，例如在垂直应用中使用时，例如冲头站。这家制造工厂占地面积小，但有一个高棚天花板。作为重新设计的一部分，水平冲压站正在更新为垂直方向，以节省地面空间。第一个也是最上面的工位将在薄钢板上打一个孔。当这个站在地面上时，它使用一个冲程为 200 毫米的标准气缸。圆柱体在机器上方突出约 300 毫米（图 3）。

　　垂直布局进行得很顺利，直到发现了一个问题。冲头缸最终将与消防喷淋头偏转器相距仅 15 英寸。机器的每个其他部分都在气缸顶部下方 6 英寸以上。根据 NFPA 13，喷头导流板的间隙必须至少为 18 英寸，因此该设备叠层需要至少减少 3 英寸。在这种情况下，通过改用无杆气缸避免了彻底的重新设计，从而节省了所需的 6 英寸。

　　五、无杆气缸解决了直线运动问题

　　无杆气缸比有杆气缸更昂贵，而且节省空间的好处只有在更长的冲程长度时才变得显着。然而，在空间对于直线运动来说非常宝贵的情况下，特别是对于长行程长度，通常可以使用无杆气缸来代替传统的有杆气缸，特别是如果该机构将连接到托架上。无论如何，无杆气缸的前期和维护成本将远远低于使用电机驱动线性机构的设计。