基于滾珠絲桿傳動(dòng)的助老收納柜設(shè)計(jì)分析

葛昱昊 娜和雅 徐 震

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)自動(dòng)化需求越來(lái)越普遍，生活中隨處可見(jiàn)各式各樣的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備。滾珠絲桿機(jī)構(gòu)作為一種傳動(dòng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)間的相互轉(zhuǎn)換，并且具有體積小、使用靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、傳動(dòng)效率高、定位精度高、傳動(dòng)可逆性、使用壽命長(zhǎng)和同步性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

收納柜是日常生活中不可缺少的家居產(chǎn)品，但目前市場(chǎng)上已有收納柜存在體積過(guò)大、與室內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)劃不相融合、缺乏人性化設(shè)計(jì)理念等問(wèn)題，尤其對(duì)于老年人群體而言，缺少對(duì)生理行為能力下降的考慮，容易造成一系列身體損傷和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。基于滾珠絲桿傳動(dòng)的助老收納柜，通過(guò)絲桿傳動(dòng)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(xiàn)關(guān)愛(ài)設(shè)計(jì)。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿傳動(dòng)原理

滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(cè)分別有圓柱導(dǎo)軌，滾輪通過(guò)固定螺絲螺母實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌與滑塊的聯(lián)軸器鏈接，絲杠從滑塊中間穿過(guò)，一端固定在端部擋板軸承，一端與步進(jìn)電機(jī)鏈接，由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正向驅(qū)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)絲杠順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，絲杠上的連接套則會(huì)受到向上運(yùn)動(dòng)的外力，將外力傳遞到滑塊上，滑塊再帶動(dòng)固定于其上的物體沿著導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)。反之，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊則會(huì)帶動(dòng)滑塊和物體向下運(yùn)動(dòng)[3]。

圖1 滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

絲桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)主要依靠步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)構(gòu)不發(fā)生故障的狀態(tài)下，絲桿預(yù)定動(dòng)作分為以下幾步：靜止、通電、啟動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、制動(dòng)、抱軸。而現(xiàn)實(shí)中也會(huì)存在一定的誤差影響機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(shí)絲桿與螺母之間的最大軸向竄動(dòng)量，這個(gè)竄動(dòng)量包括結(jié)構(gòu)本身的游隙以及軸向加載后彈性變形造成的竄動(dòng)。滾珠絲桿螺母副的軸向間隙是指負(fù)載時(shí)在滾珠與滑道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有問(wèn)隙的總和，其直接影響傳動(dòng)剛度和傳動(dòng)精度，尤其是反向傳動(dòng)精度，反向間隙會(huì)造成在工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)而滑臺(tái)不做運(yùn)動(dòng)，從而造成滑臺(tái)的位置偏移不穩(wěn)定，因此消除軸向間隙非常重要，通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性變形量控制在最小限度內(nèi)[4]。

2 滾珠絲桿傳動(dòng)收納柜設(shè)計(jì)

滾珠絲桿傳動(dòng)收納柜將最終存取位置均設(shè)于中間水平位置，其高度符合老年人人機(jī)工程學(xué)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(guò)程的危險(xiǎn)性，使老年人居家生活更加安全便攜。收納柜在設(shè)計(jì)原理上參考華容道的移動(dòng)方式，將整個(gè)大柜體分為九個(gè)區(qū)域，如圖2 所示。柜體內(nèi)部除中央?yún)^(qū)域外分布有八個(gè)等大的六面體小柜，八個(gè)絲桿固定在后方底板對(duì)應(yīng)位置上，每個(gè)小柜由滑臺(tái)固定于對(duì)應(yīng)絲桿上，通過(guò)控制器開(kāi)關(guān)的操作選定對(duì)應(yīng)柜體，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)絲桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使目標(biāo)柜體移動(dòng)到中間水平位置，便于老人存取物品。如選擇1 號(hào)小柜體進(jìn)行物品存取，則對(duì)應(yīng)的預(yù)定運(yùn)動(dòng)為：首先4 號(hào)小柜體對(duì)應(yīng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)該柜體向中央位置移動(dòng)，該柜體到達(dá)目標(biāo)位置后，1 號(hào)小柜體對(duì)應(yīng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)該柜體向下移動(dòng)至原4 號(hào)柜體位置處，3、6、8 號(hào)柜體預(yù)定運(yùn)動(dòng)可參照上述過(guò)程，如圖3 所示。如選擇2 號(hào)小柜體進(jìn)行物品存取，則預(yù)定運(yùn)動(dòng)為：2 號(hào)柜體對(duì)應(yīng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)該柜體向下方中央位置移動(dòng)，至目標(biāo)位置后停止，7 號(hào)柜體預(yù)定動(dòng)作可參照上述過(guò)程。

圖2 滾珠絲桿傳動(dòng)收納柜外觀示意圖

圖3 小柜體移動(dòng)流程示意圖

除此之外，單個(gè)小柜體采用阻尼三節(jié)軌抽屜式存儲(chǔ)，輕推便可彈出或卡住抽屜，進(jìn)一步方便老年人的開(kāi)關(guān)柜過(guò)程。收納柜絲桿驅(qū)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)完成，運(yùn)動(dòng)控制由多軸控制器進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絲桿傳動(dòng)應(yīng)用于收納柜的垂直面上時(shí)，絲桿的反向間隙對(duì)其運(yùn)動(dòng)影響非常大，柜體中裝入較多東西荷載較大時(shí)，向下重力壓緊螺母副與下絲桿上接觸面，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)極容易發(fā)生空走，累積誤差會(huì)導(dǎo)致柜體位置偏移，影響柜體預(yù)定的相互配合動(dòng)作，研究采用預(yù)緊方式解決上述問(wèn)題。減少絲桿傳動(dòng)誤差后，其動(dòng)效率增高、傳動(dòng)載荷增大，很好的實(shí)現(xiàn)預(yù)期產(chǎn)品功能。同時(shí)，為保證柜體移動(dòng)穩(wěn)定和減少偏移誤差，同時(shí)保證操作安全性，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置在中低速。

3 滾珠絲桿傳動(dòng)收納柜優(yōu)缺點(diǎn)分析

滾珠絲桿傳動(dòng)收納柜旨在對(duì)傳統(tǒng)收納柜進(jìn)行自動(dòng)化和人性化創(chuàng)新，符合現(xiàn)代家具發(fā)展趨勢(shì)和社會(huì)對(duì)老年產(chǎn)品需求意愿。通過(guò)實(shí)物測(cè)試發(fā)現(xiàn)其具有傳統(tǒng)收納柜所不具備的優(yōu)點(diǎn)，包括：（1）運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，每根絲桿單獨(dú)控制一個(gè)柜體；（2）絲桿傳動(dòng)可靠，傳動(dòng)效率高，定位精度高，使用壽命長(zhǎng)，同步性好，承重較大；（3）控制簡(jiǎn)單，每個(gè)按鍵控制一個(gè)柜體的預(yù)定動(dòng)作，不同預(yù)定動(dòng)作之間互不影響；（4）柜體存取位置高度適宜，便于開(kāi)柜存取，節(jié)省用力，符合人機(jī)工程學(xué)原理和人性化設(shè)計(jì)理念；（5）采用阻尼三節(jié)軌抽屜式開(kāi)關(guān)方式，操作輕便；（6）收納柜整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便拆裝，利于后期維護(hù)與檢修?？茖W(xué)設(shè)計(jì)無(wú)單一性發(fā)展，有優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也存在一些不足，其主要缺點(diǎn)有：（1）因尺寸和裝潢風(fēng)格限制，需要定制產(chǎn)品，不能批量化生產(chǎn)；（2）柜體內(nèi)部有存儲(chǔ)空間未利用，造成空間資源浪費(fèi)；（3）阻尼三節(jié)軌抽屜式柜體開(kāi)關(guān)浪費(fèi)部分空間，致使存儲(chǔ)空間減??；（4）絲桿傳動(dòng)整體成本較高。在家具市場(chǎng)成熟化的今天，智能儲(chǔ)物柜被認(rèn)為是家具行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要方向之一，具有較大的創(chuàng)新和進(jìn)步空間，尤其針對(duì)特殊群體的家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來(lái)越受市場(chǎng)青睞?；跐L珠絲桿傳動(dòng)收納柜作為一款助老新型設(shè)計(jì)產(chǎn)品，雖然存在許多不足但總體評(píng)估依然具有較大的創(chuàng)新性，并且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，硬件設(shè)備對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展的限制將會(huì)越來(lái)越小，設(shè)計(jì)理念成為關(guān)乎未來(lái)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要因素。根據(jù)馬斯洛需求層次理論，隨著人們對(duì)物質(zhì)條件的不斷滿足，人們對(duì)日常家居產(chǎn)品的功能和質(zhì)量都提出了更高要求，高科技、智能化產(chǎn)品將成為人們提升生活水平的主要方向，尤其對(duì)于老年人群體而言，智能化居民住宅將成為社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展的主要趨勢(shì)，因此研究并開(kāi)發(fā)適合老年人智能化產(chǎn)品具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。