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简单直线滑台的设计
时间: 2018-08-27 16:48:04来源: 辽宁科沃机械制造有限公司

直线滑台是工业应用里比较广泛的一种典型机构。

1. 问题描述

想设计一个直线运动机构,负载2Kg,中等速度,往复行程大约120mm,除原点外有3次停留,定位误差0.1mm左右,初步考虑使用步进电机驱动丝杠来完成,有哪些需要注意的地方?另外还有别的更好更便宜的方案吗?



2. 讨论

电机+丝杠的组合在直线运动单元中应该是应用广泛的一种,其原理不用怀疑,但选用何种丝杠却应该考究一下。提问者说,在一些产品的标准件书上看到丝杠分精密滚珠丝杠、压轧滚珠丝杠、30度梯形丝杠三种,但不明白这几种丝杠具体有什么区别,以及其分别应用的场合。

甲回答说,前两种都是滚珠丝杆:初滚珠丝杆的丝杆体用圆钢切削成型,因切削表面光洁度不够,再用成型砂轮磨出螺旋槽。后来工艺发展,丝杆体可以不再需要切削,直接压轧而成,并且压轧后具有相当的精度尺寸和光洁度,在没有很高精度要求的场合,可以直接使用,于是就有了“压轧滚珠丝杠”这一种类;目前压轧工艺制作的滚珠丝杆体还不能达到很高精度,精密滚珠丝杠还必须采用磨削工艺,滚珠丝杆的螺母螺旋槽和丝杆螺旋槽间置有钢球,把螺母和丝杆间旋合移动从滑动变成了滚动,所以可以高速轻巧动作;30度梯形丝杠是传统的机械结构,普通车床的丝杆就是很好的例子。

乙补充说,方便起见,这次的设计应以滚动直线导轨配合滚珠丝杆为宜;直线运动器件和滚珠丝杆都可以很方便在市场购得,东西小,所费也有限;如果采用滑动导轨和30度梯形丝杠,不会有现成的,恐怕都要设计和逐一加工出来,费时费工,代价也许更高。况且精度要求并不高,一些便宜的丝杠和导轨都可以达到要求。

甲给出了如图设计方案,并解释说,导轨用了两根表面淬火,磨削后镀硬铬的光杆,配合加长直线轴承,滑块和导轨支架用硬铝块以线切割制作;丝杆用市售普通M12X1.75三角螺纹螺柱改制,螺母用青铜相配,丝杆与支座间用618系列的深沟球轴承支承,51000推力轴承和圆螺母消除轴向间隙;光杆的价格约100元/米,直线轴承几十元一个,轴承几元一个,加上其它,代价不会超过500元,这样的结构,完全可以适应要求的工况并有极长工作寿命。

提问者担心三角螺纹的牙型不规范,且螺距较小,运动起来速度不太理想,甲回应说如果有这样的担心,可以做一根4头的,导程7mm,应该够了,也比较适合步进马达传动。

丙同意甲的观点,牙型在这种轻负荷场合关系不大,为加工方便,仍以普通三角为宜;行程控制应该和用滚珠丝杆一样,差别在滚珠丝杆可以预紧消间隙,而在这里的普通螺纹配合有间隙,正反转有空档。但达到工况所要求的精度不会有问题;即使增加一个消除螺纹配合间隙的结构,也是低代价和容易的;4个位置,两端可以用止位挡块。中间两个只好按计算的步进电机步数了。用步进电机,无反馈,丢步在所难免。每次循环后清零应无大碍。

丙同时提出,这样低的精度要求,使用电机+丝杠的组合怕是浪费了,不若使用气缸驱动更为便宜。二个很便宜的定位气缸定两个位,终点用挡块,起点当然什么也不用了。气缸的总价格不会很高。另一种选择是一种行程125mm的气动滑台,又简洁又便宜,只是定位精度问题需要考虑。使用磁性开关和三位五通阀结合,由磁性开关响应时间不大于0.3毫秒和三位五通阀电磁铁短励磁时间0.05秒看,虽精度较差,但只要重复性好,也许可用。而带有传感器的精密气缸价格太高。

丁说,若担心精度问题,其实还可以用步进电机驱动固定在工作台上的同步带,使用直线导轨导向,每次回原点清零,定位误差可以确实地控制在0.1mm之内。

3. 结论

因为身处微电子行业,需要设备具有快速响应和运行能力,终提问者采取了甲的后一套方案,实际定位精度在±0.02左右,完全满足要求。这套设计因为要求极低,所以把成本放在了位,如果精度要求很高的时候,则电机+滚珠丝杠+直线导轨的组合就不能避免了,加上合适的传感器,效果非常好,装配时再调整好平行度和间隙,就可以达到很高的精度。

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