一種迷宮式密封直線傳動模組設(shè)計

聶新賢

摘要：針對不同的行業(yè)需求，設(shè)計了一種迷宮式密封直線傳動模組。通過迷宮式密封直線傳動模組與傳統(tǒng)模組的對比實驗，驗證了迷宮式模組在防護(hù)性能上的優(yōu)越性，可取代國外同類產(chǎn)品，有效提升了我國電子行業(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

直線傳動模組是用于多坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人或其他自動化設(shè)備的一種通用傳動功能件，該模組可單軸或多軸組合，配合驅(qū)動電機(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)用推動了傳統(tǒng)勞動密集型行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，如用于電子行業(yè)的LED點膠、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、上下料、裝配自動化工序等。

相對于關(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，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)自動化機(jī)械中的直線定位系統(tǒng)。

直線傳動模組是直線坐標(biāo)機(jī)器人的組成單元。針對不同的行業(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、控制系統(tǒng)和末端操作器，組合成結(jié)構(gòu)簡單、性價比高的機(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。

本文主要設(shè)計了一種迷宮式密封直線傳動模組，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)軌副和絲桿等傳動部件，大幅降低其在惡劣環(huán)境下長時間使用發(fā)生故障的概率，確保傳動模組在高速工作狀態(tài)下的運動精度、可靠性及使用壽命，可以完全取代國外同類產(chǎn)品，有效提升了我國電子行業(yè)及裝備制造業(yè)的技術(shù)水平。

1 直線傳動模組

1.1? ? 直線傳動模組結(jié)構(gòu)

直角坐標(biāo)系機(jī)械手由直線傳動模組組合而成，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臺直線傳動模組組合的X、Y、Z三軸直角坐標(biāo)系機(jī)械手，配備電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可多方向直線精確運動。電機(jī)驅(qū)動系統(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。直線傳動模組直接影響直角坐標(biāo)系機(jī)械手的運動精度、使用壽命和可靠性，是機(jī)械手的核心功能部件。直線傳動模組應(yīng)用實例如圖1所示。

迷宮式密封直線傳動模組主要由圖2所示的直線傳動模組各部分組合而成，各部分起到不同的作用，必須通過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）移動座與絲桿螺母通過螺釘組合，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部分的跳動≤0.03 mm/300 mm，絲桿末端跳動度在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C5等級對角軸承，調(diào)整兩端軸承座的等高精度，使得絲桿螺紋傳動部分的平行度調(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)入直線傳動模組內(nèi)部，損壞里面的導(dǎo)軌副和絲桿等傳動部件的作用。

1.2? ? DG系列迷宮式設(shè)計

常規(guī)的直線傳動模組絲桿和導(dǎo)軌副等傳動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，其他公司直線傳動模組產(chǎn)品如圖4所示。

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

針對上述情況，我公司所研發(fā)的直線運動模組采用了一種新型的迷宮式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。底座上方的兩個凸臺與移動座的兩個凹槽位配合，移動座里面設(shè)計與蓋板同形狀的貫穿槽，蓋板通過貫穿槽穿過移動座，蓋板兩邊的側(cè)翼與底座兩邊凸臺形成一個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，從而保證模組的運動精度和使用壽命，降低了維護(hù)費用。

另外，在需要打磨工藝等行業(yè)，針對粉塵特別多的使用環(huán)境，迷宮式結(jié)構(gòu)的直線傳動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底座、移動座等重要部件進(jìn)行有限元受力分析和優(yōu)化設(shè)計，提高直線傳動模組的負(fù)載能力，降低直線傳動時的能量損耗，可以實現(xiàn)替換使用。底座、移動座有限元結(jié)構(gòu)分析如圖7所示。

通過有限元分析優(yōu)化后，直線傳動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)品測試分析

為了測試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)行跑合實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

對表1數(shù)據(jù)分析表明，DG系列迷宮式直線傳動模組的停機(jī)維護(hù)次數(shù)少，無需更換導(dǎo)軌副，重復(fù)定位精度比傳統(tǒng)模組提高了0.01 mm。對于客戶來說，使用迷宮式直線傳動模組不但減少了后期的維護(hù)費用，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)浪費的生產(chǎn)時間。

3 結(jié)語

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

（1）運動行走平行度≤0.02 mm/300 mm;

（2）運動行走等高度≤0.02 mm/300 mm;

（3）運動最高速度達(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模組已經(jīng)獲得了2項實用新型專利和1項發(fā)明專利。

[參考文獻(xiàn)]

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