《直驱升降平台关键技术及应用》

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1.任务来源及意义:

任务来源于河南省科技攻关项目(编号:162102210222)“船用直线电机直驱升降平台关键技术研究”,以及自选项目“直线电机直驱升降机研制”。

载物升降机、智能机器人堆垛设备、立体仓储等采用各种旋转电机配合齿轮、链条、钢丝绳或丝杆驱动垂直升降机构来实现货物搬运,存在运动转换环节多,机构复杂、动态响应慢、生产效率低、维护量大等瓶颈问题,严重制约了自动化装备的提质增效。因此,该项目研制新型直线电机直驱升降平台,取消了中间传动转换机构,具有占用空间小、响应快、生产效率高等优点,开展直驱升降平台关键技术攻关,对推动自动化装备的提质增效、技术革新和产业升级,意义重大。

2.开展的研究工作及创新点:

该项目旨在解决新型直驱升降平台的电机结构创新、高效电磁设计、推力波动抑制及安全制动系统等工业应用关键技术问题,提高其运行性能和适用性。获授权发明专利4项,实用新型专利4项;发表科技论文8篇;研制直驱升降系统样机1套。主要创新点:

(1)电机结构及电磁设计方法创新:提出新型直线电机结构方案,有效降低谐波电势和推力波动,提高推力密度;提出基于分层等效和分布卡氏系数的电磁场整体解析模型,实现快速、高精度的电机性能计算。

(2)推力波动最小化控制策略:提出粒子群PID空间矢量控制策略以及基于线性二次调节器的直接推力控制策略,推力波动得到有效抑制,有效提高直线电机系统的控制性能。

(3)安全制动装置及设计方法:提出一种大制动力、轻量化的混合励磁直线随动制动器,开展理论建模分析,确保直驱升降平台的可靠制动和安全运行。

技术经济指标:

(1)驱动方式:平板型永磁直线电机直驱;(2)提升高度:4m±0.5m;(3)运行速度0.1~0.4m/s;(4)驱动功率3kW;(5)电机推力波动范围≤1.02%;(6)极限加速度29.4m/s2;(7)电机推力自重比:100N/kg;(8)提升载荷:300kg;(9)具备断电抱闸制动功能。

该项目和国外内同类技术相比,突破了大推力高性能电机技术和安全制动技术,采用新型直线电机结构,电机推力自重比提高20%,推力波动降低25%以上;具有更节能、更高推力的新型制动器,确保系统安全可靠。

3.应用推广情况:

该项目成果从2016年起在郑州润华智能设备有限公司等四家单位推广应用,近三年来,累计新增销售额12149万元,新增利润2667万元。郑州润华智能设备有限公司的全自动装箱机和全自动中包机等成套设备中采用直驱升降技术,处理能力提高25%以上。河南龙翔电气股份有限公司采用直线电机直驱升降技术对电力装备自动化流水装配线进行升级改造,构成一体化水平垂直输送线,系统效率提高20%以上,安全可靠、故障率低。深圳市增益机电有限公司采用直线电机直驱升降技术对大型智能机器人堆垛设备、高速并联机械手自动贴标系统、门式坐标机器手等成套设备进行升级改造,显著提高了产品质量和产出率。深圳市三力工业控制技术有限公司采用直驱升降平台技术对Z轴位移台、外框贴片机、Z轴专用升降模组进行技改,加工效率提升13~15%,过载能力强、重量轻、温升低、噪声小,维护成本低。

4.整体评价及前景:

该项目从新型直驱升降平台的电机结构及电磁设计,推力波动抑制,安全制动装置等方面开展创新工作,建立了较为完善的理论方法和实验样机,被河南省电工技术学会评价为“在直驱升降平台的电磁设计与应用方面达到国际同类系统先进水平”。该项目研究成果可广泛应用于载物电梯、升降机、自动化生产线、智能机器人堆垛设备、立体仓储、智能制造等需要垂直升降运动的场合和领域,经济和社会效益显著。

成果说明

该项目成果分别在郑州润华智能设备有限公司、河南龙翔电气股份有限公司、深圳市增益机电有限公司、深圳市三力工业控制技术有限公司等四家公司推广应用。分述如下: (1)郑州润华智能设备有限公司主要生产全自动装箱机和全自动中包机等工业自动化成套设备。主打产品为CP40全自动装箱机和BMP90全自动中包机,这两种产品均采用组合升降臂实现物料拾取、垂直转运、装袋功能,在线完成开箱、装箱、封箱、转运全过程,主要用于湿巾智能工厂的货物装包、转运等环节。原有产品均采用旋转电机+减速机+丝杆方式实现组合升降臂的直线位移功能,

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