聶新賢

摘要：針對(duì)不同的行業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一種迷宮式密封直線傳動(dòng)模組。通過(guò)迷宮式密封直線傳動(dòng)模組與傳統(tǒng)模組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了迷宮式模組在防護(hù)性能上的優(yōu)越性，可取代國(guó)外同類產(chǎn)品，有效提升了我國(guó)電子行業(yè)及裝備制造業(yè)的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：直線傳動(dòng)模組;直線坐標(biāo)機(jī)器人;防護(hù)性能;有限元分析

0 引言

直線傳動(dòng)模組是用于多坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人或其他自動(dòng)化設(shè)備的一種通用傳動(dòng)功能件，該模組可單軸或多軸組合，配合驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制系統(tǒng)即可組成多坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人，替代人進(jìn)行重復(fù)、單調(diào)的高強(qiáng)度工作，其逐步推廣應(yīng)用推動(dòng)了傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，如用于電子行業(yè)的LED點(diǎn)膠、焊接、滴塑、噴涂、碼垛、分揀、包裝工序;也可用于金屬的加工、搬運(yùn)、上下料、裝配自動(dòng)化工序等。

相對(duì)于關(guān)節(jié)型機(jī)器人而言，直角坐標(biāo)型機(jī)器人不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且成本低廉，可以靈活多樣地組裝成單軸或多軸的機(jī)械手，如龍門式、懸臂式、壁掛式等機(jī)械手，也可根據(jù)不同的負(fù)載、行程、功能及特殊空間要求，為客戶訂制所需產(chǎn)品。同時(shí)，直角坐標(biāo)型機(jī)器人在X、Y、Z三軸基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)軸和翻轉(zhuǎn)軸，構(gòu)成五自由度和六自由度機(jī)器人，或者作為專業(yè)自動(dòng)化機(jī)械中的直線定位系統(tǒng)。

直線傳動(dòng)模組是直線坐標(biāo)機(jī)器人的組成單元。針對(duì)不同的行業(yè)需求，直線模組可組合成2～5軸或更多軸的組合直角坐標(biāo)機(jī)械手，配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)和末端操作器，組合成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的機(jī)器人，可替代人工進(jìn)行高強(qiáng)度作業(yè)，在提高生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量等方面具備顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

本文主要設(shè)計(jì)了一種迷宮式密封直線傳動(dòng)模組，該模組具有迷宮型防護(hù)結(jié)構(gòu)，防止外圍異物進(jìn)入模組內(nèi)部，損壞導(dǎo)軌副和絲桿等傳動(dòng)部件，大幅降低其在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)生故障的概率，確保傳動(dòng)模組在高速工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)精度、可靠性及使用壽命，可以完全取代國(guó)外同類產(chǎn)品，有效提升了我國(guó)電子行業(yè)及裝備制造業(yè)的技術(shù)水平。

1 直線傳動(dòng)模組

1.1? ? 直線傳動(dòng)模組結(jié)構(gòu)

直角坐標(biāo)系機(jī)械手由直線傳動(dòng)模組組合而成，根據(jù)不同的數(shù)量組合可以分為雙軸、三軸或多軸直角坐標(biāo)系機(jī)械手。圖1是由3臺(tái)直線傳動(dòng)模組組合的X、Y、Z三軸直角坐標(biāo)系機(jī)械手，配備電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可多方向直線精確運(yùn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)元件，具有一定的可靠穩(wěn)定性。直線傳動(dòng)模組直接影響直角坐標(biāo)系機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度、使用壽命和可靠性，是機(jī)械手的核心功能部件。直線傳動(dòng)模組應(yīng)用實(shí)例如圖1所示。

迷宮式密封直線傳動(dòng)模組主要由圖2所示的直線傳動(dòng)模組各部分組合而成，各部分起到不同的作用，必須通過(guò)精密的安裝配合在一起才能達(dá)到使用要求。

（1）底座與導(dǎo)軌副組合形成模組的主體框架，起到穩(wěn)定的直線導(dǎo)向作用，必須調(diào)整導(dǎo)軌副與底座組合，控制兩導(dǎo)軌平行度在0.02 mm/300 mm，根據(jù)客戶使用狀況，選配的鋼球直徑、調(diào)整的導(dǎo)軌副預(yù)緊力，應(yīng)滿足客戶使用要求。

（2）移動(dòng)座與絲桿螺母通過(guò)螺釘組合，要根據(jù)客戶的不同要求，選配鋼球，調(diào)整預(yù)緊力，校直絲桿滿足絲桿傳動(dòng)部分的跳動(dòng)≤0.03 mm/300 mm，絲桿末端跳動(dòng)度在0.02 mm以內(nèi)。與絲桿配套連接的軸承座里面使用精密的配對(duì)C5等級(jí)對(duì)角軸承，調(diào)整兩端軸承座的等高精度，使得絲桿螺紋傳動(dòng)部分的平行度調(diào)整在0.03 mm/300 mm以內(nèi)。

（3）蓋板、底座與移動(dòng)座組成迷宮式防護(hù)結(jié)構(gòu)（圖3），再與前端蓋和后端蓋配合行程內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)，起到防止外圍異物進(jìn)入直線傳動(dòng)模組內(nèi)部，損壞里面的導(dǎo)軌副和絲桿等傳動(dòng)部件的作用。

1.2? ? DG系列迷宮式設(shè)計(jì)

常規(guī)的直線傳動(dòng)模組絲桿和導(dǎo)軌副等傳動(dòng)部件都是半裸露在設(shè)備上，異物很容易進(jìn)入模組內(nèi)部，其他公司直線傳動(dòng)模組產(chǎn)品如圖4所示。

直線傳動(dòng)模組是高精密的自動(dòng)化元件，異物的進(jìn)入，將直接影響模組的運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命，使用過(guò)程中故障率高，增加客戶維護(hù)成本。

針對(duì)上述情況，我公司所研發(fā)的直線運(yùn)動(dòng)模組采用了一種新型的迷宮式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。底座上方的兩個(gè)凸臺(tái)與移動(dòng)座的兩個(gè)凹槽位配合，移動(dòng)座里面設(shè)計(jì)與蓋板同形狀的貫穿槽，蓋板通過(guò)貫穿槽穿過(guò)移動(dòng)座，蓋板兩邊的側(cè)翼與底座兩邊凸臺(tái)形成一個(gè)類似水管彎頭的迷宮型密封形狀。模組的絲桿導(dǎo)軌副傳動(dòng)部件處于封閉狀態(tài)，可有效避免外界異物進(jìn)入，從而保證模組的運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命，降低了維護(hù)費(fèi)用。

另外，在需要打磨工藝等行業(yè)，針對(duì)粉塵特別多的使用環(huán)境，迷宮式結(jié)構(gòu)的直線傳動(dòng)模組還增加了柔性防護(hù)罩結(jié)構(gòu)，使密封效果已經(jīng)很好的迷宮式直線傳動(dòng)模組的防護(hù)性能更高。迷宮式結(jié)構(gòu)增加的柔性防護(hù)罩如圖6所示。

1.3? ? 關(guān)鍵零部件的有限元分析

本文采用專業(yè)的有限元分析軟件對(duì)底座、移動(dòng)座等重要部件進(jìn)行有限元受力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高直線傳動(dòng)模組的負(fù)載能力，降低直線傳動(dòng)時(shí)的能量損耗，可以實(shí)現(xiàn)替換使用。底座、移動(dòng)座有限元結(jié)構(gòu)分析如圖7所示。

通過(guò)有限元分析優(yōu)化后，直線傳動(dòng)模組能夠承受的最大載荷提高20%，零部件重量減少15%，安裝尺寸可以滿足替換各種常規(guī)型模組的需求，互換性強(qiáng)。

1.4? ? 產(chǎn)品工藝流程

該模組具體生產(chǎn)工藝流程如圖8所示。

2 產(chǎn)品測(cè)試分析

為了測(cè)試DG系列迷宮式模組與傳統(tǒng)模組防護(hù)性能的差別，我公司將這兩款模組放進(jìn)有大量珍珠棉顆粒的空間內(nèi)進(jìn)行跑合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

對(duì)表1數(shù)據(jù)分析表明，DG系列迷宮式直線傳動(dòng)模組的停機(jī)維護(hù)次數(shù)少，無(wú)需更換導(dǎo)軌副，重復(fù)定位精度比傳統(tǒng)模組提高了0.01 mm。對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，使用迷宮式直線傳動(dòng)模組不但減少了后期的維護(hù)費(fèi)用，而且能提高企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少由于停機(jī)維護(hù)浪費(fèi)的生產(chǎn)時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

我公司設(shè)計(jì)的迷宮式密封直線傳動(dòng)模組采用有限元分析軟件減輕了模組自身的重量，并通過(guò)迷宮式防塵設(shè)計(jì)加柔性防護(hù)罩提高了模組的防護(hù)性能，利用測(cè)試驗(yàn)證了其密封效果，經(jīng)過(guò)綜合測(cè)試，其符合以下技術(shù)要求：

（1）運(yùn)動(dòng)行走平行度≤0.02 mm/300 mm;

（2）運(yùn)動(dòng)行走等高度≤0.02 mm/300 mm;

（3）運(yùn)動(dòng)最高速度達(dá)到1 m/s;

（4）重復(fù)定位精度≤±0.01 mm/300 mm;

（5）DG60系列迷宮式模組最大載荷達(dá)30 kg，DG100系列迷宮式模組最大載荷達(dá)60 kg，DG135系列迷宮式模組最大載荷達(dá)85 kg。

該迷宮式模組密封直線傳動(dòng)模組已經(jīng)獲得了2項(xiàng)實(shí)用新型專利和1項(xiàng)發(fā)明專利。

[參考文獻(xiàn)]

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