基于滾珠絲桿傳動的助老收納柜設計分析

葛昱昊 娜和雅 徐 震

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著科學技術不斷創新，現代社會對自動化需求越來越普遍，生活中隨處可見各式各樣的機械自動化設備。滾珠絲桿機構作為一種傳動裝置，可以實現旋轉運動和直線運動間的相互轉換，并且具有體積小、使用靈活、結構緊湊、安裝方便、傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長和同步性能好等諸多優點[1]，在現代機械設備中廣泛應用。

收納柜是日常生活中不可缺少的家居產品，但目前市場上已有收納柜存在體積過大、與室內設計規劃不相融合、缺乏人性化設計理念等問題，尤其對于老年人群體而言，缺少對生理行為能力下降的考慮，容易造成一系列身體損傷和經濟負擔[2]。基于滾珠絲桿傳動的助老收納柜，通過絲桿傳動改變收納柜位置，為老年人存取衣物提供方便，減少安全隱患，體現關愛設計。

1 步進電機驅動滾珠絲桿傳動原理

滾珠絲桿傳動機構原理如圖1 所示，絲桿整體由下端支撐塊支撐受力，支撐塊左右兩側分別有圓柱導軌，滾輪通過固定螺絲螺母實現導軌與滑塊的聯軸器鏈接，絲杠從滑塊中間穿過，一端固定在端部擋板軸承，一端與步進電機鏈接，由步進電機提供動力驅動。當步進電機正向驅動時，帶動絲杠順時針旋轉，絲杠上的連接套則會受到向上運動的外力，將外力傳遞到滑塊上，滑塊再帶動固定于其上的物體沿著導軌向上運動。反之，步進電機帶動絲杠逆時針轉動，滑塊則會帶動滑塊和物體向下運動[3]。

圖1 滾珠絲桿傳動機構示意圖

絲桿機構的運動主要依靠步進電機轉動，在機構不發生故障的狀態下，絲桿預定動作分為以下幾步：靜止、通電、啟動、轉動、制動、抱軸。而現實中也會存在一定的誤差影響機構正常運動，滾珠絲桿的軸向間隙是主要影響誤差因素之一，其中包括滾珠絲桿與滾動螺母之間以及滾珠絲桿與支撐它的軸承之間的間隙，主要是滾珠絲桿螺母副的軸向間隙。滾珠絲桿的軸向間隙是指靜止時絲桿與螺母之間的最大軸向竄動量，這個竄動量包括結構本身的游隙以及軸向加載后彈性變形造成的竄動。滾珠絲桿螺母副的軸向間隙是指負載時在滾珠與滑道型面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有問隙的總和，其直接影響傳動剛度和傳動精度，尤其是反向傳動精度，反向間隙會造成在工作臺反向運動時，電動機空轉而滑臺不做運動，從而造成滑臺的位置偏移不穩定，因此消除軸向間隙非常重要，通常采用雙螺母預緊的方法，把彈性變形量控制在最小限度內[4]。

2 滾珠絲桿傳動收納柜設計

滾珠絲桿傳動收納柜將最終存取位置均設于中間水平位置，其高度符合老年人人機工程學和形體尺寸，老年人既不需借助工具增加高度，也不需要彎腰到最低處，減少了存取過程的危險性，使老年人居家生活更加安全便攜。收納柜在設計原理上參考華容道的移動方式，將整個大柜體分為九個區域，如圖2 所示。柜體內部除中央區域外分布有八個等大的六面體小柜，八個絲桿固定在后方底板對應位置上，每個小柜由滑臺固定于對應絲桿上，通過控制器開關的操作選定對應柜體，驅動對應絲桿進行轉動，使目標柜體移動到中間水平位置，便于老人存取物品。如選擇1 號小柜體進行物品存取，則對應的預定運動為：首先4 號小柜體對應絲桿轉動，帶動該柜體向中央位置移動，該柜體到達目標位置后，1 號小柜體對應絲桿轉動，帶動該柜體向下移動至原4 號柜體位置處，3、6、8 號柜體預定運動可參照上述過程，如圖3 所示。如選擇2 號小柜體進行物品存取，則預定運動為：2 號柜體對應絲桿轉動，帶動該柜體向下方中央位置移動，至目標位置后停止，7 號柜體預定動作可參照上述過程。

圖2 滾珠絲桿傳動收納柜外觀示意圖

圖3 小柜體移動流程示意圖

除此之外，單個小柜體采用阻尼三節軌抽屜式存儲，輕推便可彈出或卡住抽屜，進一步方便老年人的開關柜過程。收納柜絲桿驅動由步進電機系統完成，運動控制由多軸控制器進行控制。在實驗過程中發現，當絲桿傳動應用于收納柜的垂直面上時，絲桿的反向間隙對其運動影響非常大，柜體中裝入較多東西荷載較大時，向下重力壓緊螺母副與下絲桿上接觸面，在較高轉速時極容易發生空走，累積誤差會導致柜體位置偏移，影響柜體預定的相互配合動作，研究采用預緊方式解決上述問題。減少絲桿傳動誤差后，其動效率增高、傳動載荷增大，很好的實現預期產品功能。同時，為保證柜體移動穩定和減少偏移誤差，同時保證操作安全性，電機轉速設置在中低速。

3 滾珠絲桿傳動收納柜優缺點分析

滾珠絲桿傳動收納柜旨在對傳統收納柜進行自動化和人性化創新，符合現代家具發展趨勢和社會對老年產品需求意愿。通過實物測試發現其具有傳統收納柜所不具備的優點，包括：（1）運動簡單，每根絲桿單獨控制一個柜體；（2）絲桿傳動可靠，傳動效率高，定位精度高，使用壽命長，同步性好，承重較大；（3）控制簡單，每個按鍵控制一個柜體的預定動作，不同預定動作之間互不影響；（4）柜體存取位置高度適宜，便于開柜存取，節省用力，符合人機工程學原理和人性化設計理念；（5）采用阻尼三節軌抽屜式開關方式，操作輕便；（6）收納柜整體結構簡單，方便拆裝，利于后期維護與檢修。科學設計無單一性發展，有優點同時也存在一些不足，其主要缺點有：（1）因尺寸和裝潢風格限制，需要定制產品，不能批量化生產；（2）柜體內部有存儲空間未利用，造成空間資源浪費；（3）阻尼三節軌抽屜式柜體開關浪費部分空間，致使存儲空間減小；（4）絲桿傳動整體成本較高。在家具市場成熟化的今天，智能儲物柜被認為是家具行業未來發展的主要方向之一，具有較大的創新和進步空間，尤其針對特殊群體的家具產品設計越來越受市場青睞。基于滾珠絲桿傳動收納柜作為一款助老新型設計產品，雖然存在許多不足但總體評估依然具有較大的創新性，并且隨著現代科學技術的不斷進步，硬件設備對產品設計發展的限制將會越來越小，設計理念成為關乎未來設計創新的重要因素。根據馬斯洛需求層次理論，隨著人們對物質條件的不斷滿足，人們對日常家居產品的功能和質量都提出了更高要求，高科技、智能化產品將成為人們提升生活水平的主要方向，尤其對于老年人群體而言，智能化居民住宅將成為社會進步和發展的主要趨勢，因此研究并開發適合老年人智能化產品具有現實的指導意義和應用價值。