分析滾珠螺桿型單軸機械手臂應(yīng)用要領(lǐng)

1、    分析滾珠螺桿型單軸機械手臂應(yīng)用要領(lǐng)    閆京摘要：本文首先簡要介紹了單手機械手臂，并以滾珠螺桿型單軸機械手臂為例，簡述了其結(jié)構(gòu)及其零部件的選型計算，同時針對機械手臂的安裝方式、安裝問題及解決方案也進行了說明，最后介紹了機械手臂的適用工況，為單軸機械手臂的實際生產(chǎn)提供理論指導。關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;單軸機械手臂;滾珠螺桿;0引言隨著工業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，單軸機械手臂的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。其原因是單軸機械手臂的結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)不用的工況選用不同的型號可以應(yīng)對不同的實際工程問題1。單軸機械手臂（single axisrobot）在國內(nèi)也被稱之為電動滑臺，線

2、性模組，單軸驅(qū)動器，單軸機器人等。單軸機械手臂通過不同的組合樣式可以實現(xiàn)多軸組合，實現(xiàn)直角坐標機械手，xyz多軸機械手臂（xytable）等應(yīng)用。從傳動結(jié)構(gòu)上來看，目前的單軸機械手臂主要有滾珠絲杠傳動和同步齒形帶傳動，直線電機傳動等方式。從成本和使用范圍來說，滾珠絲杠式和同步皮帶式應(yīng)用比較廣泛。由于結(jié)構(gòu)原理不同，產(chǎn)品的性能和使用場合也有所差別2-3。單軸機械手臂一般通過滾珠絲杠或者同步齒形帶傳動，以精密直線導軌作為導向機構(gòu)，用以實現(xiàn)單一方向的搬運，定位，移載，取放，檢測等功能。在自動化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。單軸機械手臂配合伺服電機或者步進電機，可以實現(xiàn)不同應(yīng)用場合下的精確定位。作為現(xiàn)代工業(yè)模塊化和集成

3、化理念的不斷應(yīng)用，單軸機械手臂的出現(xiàn)無疑減輕了自動化生產(chǎn)線和自動化設(shè)備開發(fā)的時間和效率。單軸機械手臂雖然在實際生產(chǎn)中給加工等帶來了便利，但是從單軸機械手臂的設(shè)計到實際安裝應(yīng)用和維修等一系列過程，如何做到精準合理，就目前而言，還存在很多需要深入研究。本文就典型的滾珠螺桿型單軸機械手臂的理論設(shè)計及實際應(yīng)用做簡要闡述。1滾珠螺桿型單軸機械手臂的設(shè)計1.1滾珠螺桿型單軸機械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題單手機械手臂的結(jié)構(gòu)相對簡單，主要可以分為9個部件，分別為馬達、聯(lián)軸器、固定端軸承、底座、滑臺、線性滑軌、螺母、滾珠螺桿和支撐端軸承，如圖1所示。在工作時，構(gòu)件5-滑臺的作用是承重，而構(gòu)件8-滾珠螺桿的作用是通過螺紋

4、作用推動構(gòu)件5-滑臺使其運動，至于構(gòu)件8-滾珠螺桿的運動是構(gòu)件1-馬達通過構(gòu)件2-聯(lián)軸器來實現(xiàn)的。整體構(gòu)架需要機架支撐，構(gòu)件8-滾珠螺桿的自由旋轉(zhuǎn)運動需要通過軸承實現(xiàn)，因而聯(lián)接構(gòu)件2-聯(lián)軸器和構(gòu)件8-滾珠螺桿的軸承稱為固定端軸承，而另一端僅僅起到支撐作用的軸承稱為支撐端軸承。滾珠螺桿型單軸機械手臂的運動主要依靠滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，考慮到實際承重和共振等因素，需要限定滾珠螺桿的最高轉(zhuǎn)速。通常情況下，為了避免共振的問題，需要實際安全系數(shù)（01.0）降低轉(zhuǎn)速，一般采用比較大的安全系數(shù)0.8，則滾珠螺桿實際過程中的許用轉(zhuǎn)速可以表示為式中，np為實際許用轉(zhuǎn)速;mf為滾珠螺桿組裝形式系數(shù);dr為滾珠螺桿的

5、直徑;lr為固定端軸承與支撐端軸承之間的螺桿跨距。另外由公式（1）可知，許用轉(zhuǎn)速和螺桿跨距成正比，而且具有指數(shù)關(guān)系，影響單軸機械手臂的有效行程范圍。因此在選擇型號的時候，首先要依據(jù)實際工況運轉(zhuǎn)過程中需要的工作轉(zhuǎn)速來確定螺桿的轉(zhuǎn)速，在這個過程中還需要將螺桿導程和轉(zhuǎn)速進行對應(yīng)的轉(zhuǎn)換換算，進而確定跨距和行程。通常而言，在選用單軸機械手臂的時候，產(chǎn)品所提供的有效行程往往符合工況需求，但是考慮到共振的問題，螺桿的許用轉(zhuǎn)速會受到限制，尤其是行程超過規(guī)定越長，共振造成的影響也就越大，也就是說需要考慮的安全系數(shù)也就越小，螺桿的許用轉(zhuǎn)速下降的越多。如果實際工況需求長行程的滾珠螺桿型單軸機械手臂型號，可以在跨距中

6、間增加螺桿支撐座，保證其結(jié)構(gòu)剛度，分散其受力，有效加長螺桿的總長度。1.2滾珠螺桿型單軸機械手臂的使用壽命問題產(chǎn)品的投入使用不僅需要考慮實用性，還需要考慮其使用壽命。但就滾珠螺桿型單軸機械手臂來說，其使用壽命和工作負載息息相關(guān)。構(gòu)件8-滾珠螺桿、構(gòu)件6-線性滑軌、構(gòu)件3-固定端軸承和構(gòu)件9-支撐端軸承中涉及到滾珠的使用，其具體的使用壽命均不同。由機械設(shè)計基礎(chǔ)原理可知，軸承的使用壽命和基本額定動載荷和當量動載荷有關(guān)，因此，在考慮使用壽命時，首先需要考慮機械結(jié)構(gòu)的承載問題。在實際中，大多數(shù)的單軸機械手臂在出廠時會有廠商給予的既定壽命，但是給定的標準通常為規(guī)定行程和負載。這里額外需要值得關(guān)注的是，廠

7、商所給定的負載標準不是基于整體的機械結(jié)構(gòu)強度，而是以行程壽命值來量化的。在考慮負載時，以構(gòu)件6-線性滑軌的基本額定動載荷為設(shè)計基礎(chǔ)，因而線性滑軌的使用壽命可有如下表示式中，l為線性滑軌的使用壽命;fh為材料的硬度系數(shù);c為軸承的基本額定動載荷;ft為溫度載荷系數(shù);pc為當量動載荷;fw為負載系數(shù)。2滾珠螺桿型單軸機械手臂的應(yīng)用2.1安裝形式單軸機械手臂的安裝控件往往受到限制，因此合理的進行安裝才能保證單軸機械手臂的正常使用。如圖2所示，通常情況下的安裝方式可以分為四種：水平安裝、側(cè)掛安裝、傾斜安裝和垂直安裝。在水平安裝時需要考慮單軸機械手臂的剛性，避免受力不均、結(jié)構(gòu)懸空、底座不平等問題。在側(cè)掛

8、安裝需要注意滑軌的承載問題，保證其各個方向的力矩在規(guī)定范圍之內(nèi)。傾斜安裝時因為單軸機械手臂和水平面成一定的角度，所以需要考慮負載的空間分量，一般情況下，產(chǎn)品在制造時已經(jīng)考慮到，按照相對應(yīng)的標準安裝即可。安裝最為困難的是垂直安裝，因為此時的負載均由螺桿支撐，導致大部分載荷都集中在固定端軸承上，嚴重影響固定端軸承的使用壽命。2.2常見問題及解決方案單軸機械手安裝底面平面度不達標。單軸機械手安裝底面平面度過大，會導致電動滑臺底面被強行鎖附，導致滑臺底面，直線導軌和滾珠絲杠發(fā)生強彎變形。輕則會使單軸機械手運行阻力加大，重則有可能是電動滑臺無法運行，急劇縮短電動滑臺壽命。根據(jù)單軸機械手的精度等級，一般普

9、通級對安裝底面的平面度要求應(yīng)小于0.05mm/m。對于精密級，安裝底面的平面度應(yīng)小于0.02mm/mm。單軸機械手底部固定螺釘鎖附順序不對。單軸機械手底部固定螺釘應(yīng)遵循先中間，后兩端，依次鎖緊的原則。若先將兩端鎖死，會導致由于形變產(chǎn)生的拱起形變量無法消除，從而導致直線導軌不能順暢運行，降低行走平行度和直線度精度。單軸機械手電機軸和絲杠軸端不同心。雖然聯(lián)軸器能消除一定的偏心度，但如果單軸機械手絲杠軸端和電機軸的同心度跳動值超出聯(lián)軸器的允許范圍，則會加速聯(lián)軸器的損壞，導致聯(lián)軸器異響，或彈片發(fā)生斷裂。應(yīng)該盡量避免。單軸電動滑臺同步帶張緊過松或過緊。電動滑臺同步帶漲緊度要保持適中，皮帶張力過緊，會使同

10、步輪和同步帶張力過大，并產(chǎn)生異響。皮帶張力過松，會使傳動過程中產(chǎn)生間隙，降低精度，嚴重時會產(chǎn)生跳齒。同步帶漲緊程度一般通過漲緊力和撓度來確定，測量方法為：使用推力計下壓皮帶中點垂直方向，施加一定大小的安裝力時，測量所產(chǎn)生的撓度值。對應(yīng)不同中心距和皮帶規(guī)格的參考值。單軸電動滑臺同步帶安裝未對齊。同步帶型傳動的電動滑臺，或者馬達側(cè)面安裝型電動滑臺，應(yīng)該使同步輪保持平齊，否則，會導致皮帶跑偏，進而皮帶邊沿和同步帶擋邊發(fā)生摩擦，同步帶短時間內(nèi)就會損壞和斷裂。機械手臂（電動滑臺）懸臂軸行程過長，懸出長度過大。機械手臂的懸臂長度過大，會造成導軌的容許力矩過載，在不同的加減速度下，收束時間會發(fā)生變動。收束時

11、產(chǎn)生的振動最終被電動滑臺吸收，長時間振動會造成導軌壽命縮短。機械手臂/電動滑臺負載超出使用范圍。機械手臂選型時，除了參照選型手冊的可搬運負載數(shù)據(jù)，還應(yīng)校核動態(tài)容許力矩，加減速變動，以及懸臂長度等造成的影響，并預(yù)留足夠的安全系數(shù)4-5。2.3應(yīng)用環(huán)境滾珠螺桿型單軸機械手臂屬于精密機械，在選用時需要考慮實際工作環(huán)境，根據(jù)不同的工作環(huán)境可選擇不同類型的機械手臂，如表1所示。3結(jié)論單軸機械手臂應(yīng)用廣泛，屬于機電一體化，涉及到機械、電氣、控制等，要合理的使用需要深入了解其結(jié)構(gòu)組成及其使用準則，加強對實際機械手臂的實際應(yīng)用。參考文獻1 楊松楷. 滾珠螺桿型單軸機械手臂應(yīng)用要領(lǐng)j. 金屬加工（冷加工）， 2010（06）：34-37+66.2 韓陽陽， 李亞芹. 高速滾珠絲杠進給系統(tǒng)機械性能分析j. 機械工