分析滾珠螺桿型單軸機械手臂應用要領

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，簡述了其結構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提供理論指導。

關鍵詞：機械設計;單軸機械手臂;滾珠螺桿;

0引言

隨著工業技術的蓬勃發展，單軸機械手臂的應用領域也越來越廣泛。其原因是單軸機械手臂的結構簡單，根據不用的工況選用不同的型號可以應對不同的實際工程問題[1]。

單軸機械手臂（Single AxisRobot）在國內也被稱之為電動滑臺，線性模組，單軸驅動器，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多軸組合，實現直角坐標機械手，XYZ多軸機械手臂（XYtable）等應用。

從傳動結構上來看，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用比較廣泛。由于結構原理不同，產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，用以實現單一方向的搬運，定位，移載，取放，檢測等功能。在自動化領域應用廣泛。單軸機械手臂配合伺服電機或者步進電機，可以實現不同應用場合下的精確定位。作為現代工業模塊化和集成化理念的不斷應用，單軸機械手臂的出現無疑減輕了自動化生產線和自動化設備開發的時間和效率。

單軸機械手臂雖然在實際生產中給加工等帶來了便利，但是從單軸機械手臂的設計到實際安裝應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計及實際應用做簡要闡述。

1滾珠螺桿型單軸機械手臂的設計

1.1滾珠螺桿型單軸機械手臂的結構設計問題

單手機械手臂的結構相對簡單，主要可以分為9個部件，分別為馬達、聯軸器、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，構件5-滑臺的作用是承重，而構件8-滾珠螺桿的作用是通過螺紋作用推動構件5-滑臺使其運動，至于構件8-滾珠螺桿的運動是構件1-馬達通過構件2-聯軸器來實現的。整體構架需要機架支撐，構件8-滾珠螺桿的自由旋轉運動需要通過軸承實現，因而聯接構件2-聯軸器和構件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實現，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速。通常情況下，為了避免共振的問題，需要實際安全系數（0～1.0）降低轉速，一般采用比較大的安全系數0.8，則滾珠螺桿實際過程中的許用轉速可以表示為

式中，np為實際許用轉速;Mf為滾珠螺桿組裝形式系數;dr為滾珠螺桿的直徑;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，許用轉速和螺桿跨距成正比，而且具有指數關系，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，首先要依據實際工況運轉過程中需要的工作轉速來確定螺桿的轉速，在這個過程中還需要將螺桿導程和轉速進行對應的轉換換算，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，螺桿的許用轉速會受到限制，尤其是行程超過規定越長，共振造成的影響也就越大，也就是說需要考慮的安全系數也就越小，螺桿的許用轉速下降的越多。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，可以在跨距中間增加螺桿支撐座，保證其結構剛度，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。構件8-滾珠螺桿、構件6-線性滑軌、構件3-固定端軸承和構件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。由機械設計基礎原理可知，軸承的使用壽命和基本額定動載荷和當量動載荷有關，因此，在考慮使用壽命時，首先需要考慮機械結構的承載問題。在實際中，大多數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定行程和負載。這里額外需要值得關注的是，廠商所給定的負載標準不是基于整體的機械結構強度，而是以行程壽命值來量化的。

在考慮負載時，以構件6-線性滑軌的基本額定動載荷為設計基礎，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;C為軸承的基本額定動載荷;ft為溫度載荷系數;Pc為當量動載荷;fw為負載系數。

2滾珠螺桿型單軸機械手臂的應用

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、結構懸空、底座不平等問題。在側掛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定范圍之內。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，產品在制造時已經考慮到，按照相對應的標準安裝即可。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。根據單軸機械手的精度等級，一般普通級對安裝底面的平面度要求應小于0.05mm/m。對于精密級，安裝底面的平面度應小于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軸器的允許范圍，則會加速聯軸器的損壞，導致聯軸器異響，或彈片發生斷裂。應該盡量避免。

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，會使同步輪和同步帶張力過大，并產生異響。皮帶張力過松，會使傳動過程中產生間隙，降低精度，嚴重時會產生跳齒。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，測量所產生的撓度值。對應不同中心距和皮帶規格的參考值。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，或者馬達側面安裝型電動滑臺，應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生摩擦，同步帶短時間內就會損壞和斷裂。

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，收束時間會發生變動。收束時產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據，還應校核動態容許力矩，加減速變動，以及懸臂長度等造成的影響，并預留足夠的安全系數[4-5]。

2.3應用環境

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境，根據不同的工作環境可選擇不同類型的機械手臂，如表1所示。

3結論

單軸機械手臂應用廣泛，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構組成及其使用準則，加強對實際機械手臂的實際應用。

參考文獻

[1] 楊松楷. 滾珠螺桿型單軸機械手臂應用要領[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機械性能分析[J]. 機械工程師， 2007（06）：31-32.

[3] 姜鑫， 王均馗. 基于MATLAB/Simulink高速滾珠絲杠進給系統機械模型的仿真與分析[J]. 機械制造與自動化， 2011（03）：97-100.

[4] 雷永志， 沈義倫， 劉建. 利用機器人單軸手臂測皮帶長度的裝置.

[5] 胡金華， 傅江成， 陳麗珍， 等. 一種剛性強度高的單軸機械手.