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maxon GPX UP 微型減速機
maxon 針對其標準微型減速機特別開發出升級版本作為新產品系列:性能範圍明顯改良,精實結構結合更高性能,帶來全新的應用可能性。
開發 UP 減速機的想法是在歐洲太空總署(ESA)的「ExoMars」和美國太空總署(NASA)的「火星 2020」任務背景之下形成的。在這些任務中都必須確保機械即使在極端環境下也能保有最高的可用性。
說到開創性的技術進步,人們通常會聯想到例如一級方程式賽車的先進技術會逐漸普及至一般的機動車輛——對於 maxon 而言,這些進步經常發生在航空航太專案中,然後再逐步引入各個工業領域。
GPX UP:新型高性能減速機系列
效率是新減速機系列的一大優點。此處指的是輸出與輸入功率之間的關係。在任何機械系統中,只要盡可能減少摩擦,都對優化驅動裝置有直接的貢獻。相較於傳統的行星式減速機,UP 系列的新型 GPX 行星式減速機經過技術性重新定位,原本直接裝在支軸滑動軸承上的行星齒輪,現在改為裝在滾珠承軸或滾針軸承上。在機械工程上,這代表了「從滑動摩擦轉變為滾動摩擦」。
如果我們以一個 GPX32 UP 的三段式結構為例,最多可獲得約 90% 的效率。同類的微型減速機可達到大約 70%。與傳統設計相比,我們可以說,透過上述的工程改進措施,效率提高了 1.3 倍,即 30%(圖 3)。
這也直接影響到驅動系統的其他參數:若供應相同的輸入功率,即使用相同的馬達和相同的馬達控制系統,減速機的轉矩輸出可提高 30%。換句話說:要獲得相同的輸出功率,驅動裝置的輸入功率可以減少 23%。這使得在下次充電之前的可運行時間更長,特別是對於電池驅動的應用尤其有利。
由於輸入功率需求降低,所使用的馬達也因此可以在更有利的運行點運行。這也有助於改善馬達效率,並隨之提高了整個驅動系統的效率。
可以使用較小和/或較輕的馬達和電子裝置作為替代方案,這在重量和成本方都極具優勢。
明顯延長減速機使用壽命:如上所述,可以大幅減少行星齒輪軸系統的摩擦。同時,驅動模組在運行時的發熱現象也因為摩擦力減少而降低。尤其是在溫度不得超過特定程度的應用中(例如醫療電動工具),功率輸出也獲得改善。
潤滑劑的耐久性對於減速機之機械零件的磨損快慢也有很大的影響。熱應力愈大,潤滑功效就會損失得愈快,導致愈早出現機械磨損,也因此愈嚴重。因磨損形成的金屬顆料也會導致潤滑劑質地變得黏著,可能導致潤滑功能故障。
在同樣的工作條件下,如果能抑制熱輸入,就能延長使用壽命。而這正是 GPX UP 的突出特性之一:使用壽命較類似的傳統型 maxon 減速機延長 5 倍。相較於目前市場上的競爭機型,更是高出 11 倍。
另外,由於轉矩直徑比(功率密度)顯著改善,因此也可以使用更小、更輕的減速機達到延長使用壽命的目的。
減速機反轉功能
新設計的優勢不僅反映在減速機規格中經過改進的各個參數上。現在,GPX UP 減速機增加了許多新用途,特別是所謂的力回饋應用。
在這些應用中,GPX UP 的工程設計優勢尤其能發揮功用。內部安裝的行星齒輪使減速機在正常運作下可平穩反向旋轉,必要時還可以為操作員提供回饋。更精確而言:用來產生力和轉矩的元件會接收到可測量或可觸知的機械回饋。為此,減速機必須能夠反向運轉,亦即任何施加在驅動模組輸出側的轉矩或轉矩變化,都必須按比例傳遞到輸入側。
以下例子說明了該應用:電子飛行控制機制(線傳飛控)與傳統系統的不同之處在於:飛行員的操控動作不是以機械或液壓技術傳遞至執行器,而是以電子方式。然而這樣一來,操作員在剛開始會失去所有操作動作的觸知回饋。在控制桿中加裝一個驅動模組之後,電子傳送的回饋便會以機械方式傳遞到飛行員的手上。反向旋轉在一般操作時尤其重要,因為額外安裝的驅動模組不應防礙控制桿的動作。
類似的過程也被用於顯微手術和遠端手術領域中的創新外科機器人(圖 5)。此處也很重要的是,操作員不僅必須能夠直接接收到本身執行動作的觸知回饋,也必須能直接感覺到務必保持完整的健全組織。設備和機械結構中也需要反向驅動:在進行設定時,機械軸必須能夠在沒有電力的情況下從輸出側移開。
客製化高性能減速機
新型 GPX UP 的各個型號結合了一系列重要產品優勢:更高的動力和轉矩、效率獲得改進、使用壽命極長、降低發熱程度、驅動系統重量更輕,以及多段式減速機的額外反向功能。
若僅就前兩項優勢來看,我們可以稱之為「超高功率」(Ultra Power)減速機。但加上其他所列出的特性,便很容易可以看出為什麼 UP 確實代表了「超高性能」(Ultra Performance)。
maxon 的超高性能 Ultra Performance GPX 減速機已推出 GPX22 UP 和 GPX32 UP 直徑型號,並與所有其他「X」系列一樣,也可以客製化和在線上訂購。GPX42 UP 版本將於 2020 年春季推出。此外,Ultra Performance 系列的客製化減速機目前可提供直徑 Ø 8–58 mm 的尺寸。