閆京

摘要：本文首先簡(jiǎn)要介紹了單手機(jī)械手臂，并以滾珠螺桿型單軸機(jī)械手臂為例，簡(jiǎn)述了其結(jié)構(gòu)及其零部件的選型計(jì)算，同時(shí)針對(duì)機(jī)械手臂的安裝方式、安裝問(wèn)題及解決方案也進(jìn)行了說(shuō)明，最后介紹了機(jī)械手臂的適用工況，為單軸機(jī)械手臂的實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);單軸機(jī)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(jī)械手臂的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。其原因是單軸機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)不用的工況選用不同的型號(hào)可以應(yīng)對(duì)不同的實(shí)際工程問(wèn)題[1]。

單軸機(jī)械手臂（Single AxisRobot）在國(guó)內(nèi)也被稱(chēng)之為電動(dòng)滑臺(tái)，線(xiàn)性模組，單軸驅(qū)動(dòng)器，單軸機(jī)器人等。單軸機(jī)械手臂通過(guò)不同的組合樣式可以實(shí)現(xiàn)多軸組合，實(shí)現(xiàn)直角坐標(biāo)機(jī)械手，XYZ多軸機(jī)械手臂（XYtable）等應(yīng)用。

從傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，目前的單軸機(jī)械手臂主要有滾珠絲杠傳動(dòng)和同步齒形帶傳動(dòng)，直線(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)等方式。從成本和使用范圍來(lái)說(shuō)，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(chǎng)合也有所差別[2-3]。

單軸機(jī)械手臂一般通過(guò)滾珠絲杠或者同步齒形帶傳動(dòng)，以精密直線(xiàn)導(dǎo)軌作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)單一方向的搬運(yùn)，定位，移載，取放，檢測(cè)等功能。在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。單軸機(jī)械手臂配合伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)合下的精確定位。作為現(xiàn)代工業(yè)模塊化和集成化理念的不斷應(yīng)用，單軸機(jī)械手臂的出現(xiàn)無(wú)疑減輕了自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)和自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)的時(shí)間和效率。

單軸機(jī)械手臂雖然在實(shí)際生產(chǎn)中給加工等帶來(lái)了便利，但是從單軸機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)到實(shí)際安裝應(yīng)用和維修等一系列過(guò)程，如何做到精準(zhǔn)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(jī)械手臂的理論設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用做簡(jiǎn)要闡述。

1滾珠螺桿型單軸機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)

1.1滾珠螺桿型單軸機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

單手機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要可以分為9個(gè)部件，分別為馬達(dá)、聯(lián)軸器、固定端軸承、底座、滑臺(tái)、線(xiàn)性滑軌、螺母、滾珠螺桿和支撐端軸承，如圖1所示。在工作時(shí)，構(gòu)件5-滑臺(tái)的作用是承重，而構(gòu)件8-滾珠螺桿的作用是通過(guò)螺紋作用推動(dòng)構(gòu)件5-滑臺(tái)使其運(yùn)動(dòng)，至于構(gòu)件8-滾珠螺桿的運(yùn)動(dòng)是構(gòu)件1-馬達(dá)通過(guò)構(gòu)件2-聯(lián)軸器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。整體構(gòu)架需要機(jī)架支撐，構(gòu)件8-滾珠螺桿的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)軸承實(shí)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(chēng)為固定端軸承，而另一端僅僅起到支撐作用的軸承稱(chēng)為支撐端軸承。

滾珠螺桿型單軸機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)主要依靠滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)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(wèn)題，需要實(shí)際安全系數(shù)（0～1.0）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(shí)際過(guò)程中的許用轉(zhuǎn)速可以表示為

式中，np為實(shí)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(jī)械手臂的有效行程范圍。因此在選擇型號(hào)的時(shí)候，首先要依據(jù)實(shí)際工況運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需要的工作轉(zhuǎn)速來(lái)確定螺桿的轉(zhuǎn)速，在這個(gè)過(guò)程中還需要將螺桿導(dǎo)程和轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換換算，進(jìn)而確定跨距和行程。通常而言，在選用單軸機(jī)械手臂的時(shí)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(wèn)題，螺桿的許用轉(zhuǎn)速會(huì)受到限制，尤其是行程超過(guò)規(guī)定越長(zhǎng)，共振造成的影響也就越大，也就是說(shuō)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(shí)際工況需求長(zhǎng)行程的滾珠螺桿型單軸機(jī)械手臂型號(hào)，可以在跨距中間增加螺桿支撐座，保證其結(jié)構(gòu)剛度，分散其受力，有效加長(zhǎng)螺桿的總長(zhǎng)度。

1.2滾珠螺桿型單軸機(jī)械手臂的使用壽命問(wèn)題

產(chǎn)品的投入使用不僅需要考慮實(shí)用性，還需要考慮其使用壽命。但就滾珠螺桿型單軸機(jī)械手臂來(lái)說(shuō)，其使用壽命和工作負(fù)載息息相關(guān)。構(gòu)件8-滾珠螺桿、構(gòu)件6-線(xiàn)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(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)原理可知，軸承的使用壽命和基本額定動(dòng)載荷和當(dāng)量動(dòng)載荷有關(guān)，因此，在考慮使用壽命時(shí)，首先需要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的承載問(wèn)題。在實(shí)際中，大多數(shù)的單軸機(jī)械手臂在出廠時(shí)會(huì)有廠商給予的既定壽命，但是給定的標(biāo)準(zhǔn)通常為規(guī)定行程和負(fù)載。這里額外需要值得關(guān)注的是，廠商所給定的負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)不是基于整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而是以行程壽命值來(lái)量化的。

在考慮負(fù)載時(shí)，以構(gòu)件6-線(xiàn)性滑軌的基本額定動(dòng)載荷為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，因而線(xiàn)性滑軌的使用壽命可有如下表示

式中，L為線(xiàn)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(dòng)載荷;ft為溫度載荷系數(shù);Pc為當(dāng)量動(dòng)載荷;fw為負(fù)載系數(shù)。

2滾珠螺桿型單軸機(jī)械手臂的應(yīng)用

2.1安裝形式

單軸機(jī)械手臂的安裝控件往往受到限制，因此合理的進(jìn)行安裝才能保證單軸機(jī)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(shí)需要考慮單軸機(jī)械手臂的剛性，避免受力不均、結(jié)構(gòu)懸空、底座不平等問(wèn)題。在側(cè)掛安裝需要注意滑軌的承載問(wèn)題，保證其各個(gè)方向的力矩在規(guī)定范圍之內(nèi)。傾斜安裝時(shí)因?yàn)閱屋S機(jī)械手臂和水平面成一定的角度，所以需要考慮負(fù)載的空間分量，一般情況下，產(chǎn)品在制造時(shí)已經(jīng)考慮到，按照相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)安裝即可。安裝最為困難的是垂直安裝，因?yàn)榇藭r(shí)的負(fù)載均由螺桿支撐，導(dǎo)致大部分載荷都集中在固定端軸承上，嚴(yán)重影響固定端軸承的使用壽命。

2.2常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案

單軸機(jī)械手安裝底面平面度不達(dá)標(biāo)。單軸機(jī)械手安裝底面平面度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)滑臺(tái)底面被強(qiáng)行鎖附，導(dǎo)致滑臺(tái)底面，直線(xiàn)導(dǎo)軌和滾珠絲杠發(fā)生強(qiáng)彎變形。輕則會(huì)使單軸機(jī)械手運(yùn)行阻力加大，重則有可能是電動(dòng)滑臺(tái)無(wú)法運(yùn)行，急劇縮短電動(dòng)滑臺(tái)壽命。根據(jù)單軸機(jī)械手的精度等級(jí)，一般普通級(jí)對(duì)安裝底面的平面度要求應(yīng)小于0.05mm/m。對(duì)于精密級(jí)，安裝底面的平面度應(yīng)小于0.02mm/mm。

單軸機(jī)械手底部固定螺釘鎖附順序不對(duì)。單軸機(jī)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(huì)導(dǎo)致由于形變產(chǎn)生的拱起形變量無(wú)法消除，從而導(dǎo)致直線(xiàn)導(dǎo)軌不能順暢運(yùn)行，降低行走平行度和直線(xiàn)度精度。單軸機(jī)械手電機(jī)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(jī)械手絲杠軸端和電機(jī)軸的同心度跳動(dòng)值超出聯(lián)軸器的允許范圍，則會(huì)加速聯(lián)軸器的損壞，導(dǎo)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(dòng)滑臺(tái)同步帶張緊過(guò)松或過(guò)緊。電動(dòng)滑臺(tái)同步帶漲緊度要保持適中，皮帶張力過(guò)緊，會(huì)使同步輪和同步帶張力過(guò)大，并產(chǎn)生異響。皮帶張力過(guò)松，會(huì)使傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生間隙，降低精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生跳齒。同步帶漲緊程度一般通過(guò)漲緊力和撓度來(lái)確定，測(cè)量方法為：使用推力計(jì)下壓皮帶中點(diǎn)垂直方向，施加一定大小的安裝力時(shí)，測(cè)量所產(chǎn)生的撓度值。對(duì)應(yīng)不同中心距和皮帶規(guī)格的參考值。單軸電動(dòng)滑臺(tái)同步帶安裝未對(duì)齊。同步帶型傳動(dòng)的電動(dòng)滑臺(tái)，或者馬達(dá)側(cè)面安裝型電動(dòng)滑臺(tái)，應(yīng)該使同步輪保持平齊，否則，會(huì)導(dǎo)致皮帶跑偏，進(jìn)而皮帶邊沿和同步帶擋邊發(fā)生摩擦，同步帶短時(shí)間內(nèi)就會(huì)損壞和斷裂。

機(jī)械手臂（電動(dòng)滑臺(tái)）懸臂軸行程過(guò)長(zhǎng)，懸出長(zhǎng)度過(guò)大。機(jī)械手臂的懸臂長(zhǎng)度過(guò)大，會(huì)造成導(dǎo)軌的容許力矩過(guò)載，在不同的加減速度下，收束時(shí)間會(huì)發(fā)生變動(dòng)。收束時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)最終被電動(dòng)滑臺(tái)吸收，長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)會(huì)造成導(dǎo)軌壽命縮短。機(jī)械手臂/電動(dòng)滑臺(tái)負(fù)載超出使用范圍。機(jī)械手臂選型時(shí)，除了參照選型手冊(cè)的可搬運(yùn)負(fù)載數(shù)據(jù)，還應(yīng)校核動(dòng)態(tài)容許力矩，加減速變動(dòng)，以及懸臂長(zhǎng)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(jī)械手臂屬于精密機(jī)械，在選用時(shí)需要考慮實(shí)際工作環(huán)境，根據(jù)不同的工作環(huán)境可選擇不同類(lèi)型的機(jī)械手臂，如表1所示。

3結(jié)論

單軸機(jī)械手臂應(yīng)用廣泛，屬于機(jī)電一體化，涉及到機(jī)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(zhǔn)則，加強(qiáng)對(duì)實(shí)際機(jī)械手臂的實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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