一種迷宮式密封直線傳動模組設計

聶新賢

摘要：針對不同的行業需求，設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模組的對比實驗，驗證了迷宮式模組在防護性能上的優越性，可取代國外同類產品，有效提升了我國電子行業及裝備制造業的技術水平。

關鍵詞：直線傳動模組;直線坐標機器人;防護性能;有限元分析

0 引言

直線傳動模組是用于多坐標工業機器人或其他自動化設備的一種通用傳動功能件，該模組可單軸或多軸組合，配合驅動電機和控制系統即可組成多坐標工業機器人，替代人進行重復、單調的高強度工作，其逐步推廣應用推動了傳統勞動密集型行業的產業升級，如用于電子行業的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。

相對于關節型機器人而言，直角坐標型機器人不僅結構簡單，而且成本低廉，可以靈活多樣地組裝成單軸或多軸的機械手，如龍門式、懸臂式、壁掛式等機械手，也可根據不同的負載、行程、功能及特殊空間要求，為客戶訂制所需產品。同時，直角坐標型機器人在X、Y、Z三軸基礎上可以擴展旋轉軸和翻轉軸，構成五自由度和六自由度機器人，或者作為專業自動化機械中的直線定位系統。

直線傳動模組是直線坐標機器人的組成單元。針對不同的行業需求，直線模組可組合成2～5軸或更多軸的組合直角坐標機械手，配合電機驅動、控制系統和末端操作器，組合成結構簡單、性價比高的機器人，可替代人工進行高強度作業，在提高生產率、產品質量等方面具備顯著的應用優勢。

本文主要設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結構，防止外圍異物進入模組內部，損壞導軌副和絲桿等傳動部件，大幅降低其在惡劣環境下長時間使用發生故障的概率，確保傳動模組在高速工作狀態下的運動精度、可靠性及使用壽命，可以完全取代國外同類產品，有效提升了我國電子行業及裝備制造業的技術水平。

1 直線傳動模組

1.1? ? 直線傳動模組結構

直角坐標系機械手由直線傳動模組組合而成，根據不同的數量組合可以分為雙軸、三軸或多軸直角坐標系機械手。圖1是由3臺直線傳動模組組合的X、Y、Z三軸直角坐標系機械手，配備電機驅動系統和控制系統，可多方向直線精確運動。電機驅動系統和控制系統是標準元件，具有一定的可靠穩定性。直線傳動模組直接影響直角坐標系機械手的運動精度、使用壽命和可靠性，是機械手的核心功能部件。直線傳動模組應用實例如圖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到使用要求。

（1）底座與導軌副組合形成模組的主體框架，起到穩定的直線導向作用，必須調整導軌副與底座組合，控制兩導軌平行度在0.02 mm/300 mm，根據客戶使用狀況，選配的鋼球直徑、調整的導軌副預緊力，應滿足客戶使用要求。

（2）移動座與絲桿螺母通過螺釘組合，要根據客戶的不同要求，選配鋼球，調整預緊力，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。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整在0.03 mm/300 mm以內。

（3）蓋板、底座與移動座組成迷宮式防護結構（圖3），再與前端蓋和后端蓋配合行程內部密封結構，起到防止外圍異物進入直線傳動模組內部，損壞里面的導軌副和絲桿等傳動部件的作用。

1.2? ? DG系列迷宮式設計

常規的直線傳動模組絲桿和導軌副等傳動部件都是半裸露在設備上，異物很容易進入模組內部，其他公司直線傳動模組產品如圖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，增加客戶維護成本。

針對上述情況，我公司所研發的直線運動模組采用了一種新型的迷宮式結構，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。模組的絲桿導軌副傳動部件處于封閉狀態，可有效避免外界異物進入，從而保證模組的運動精度和使用壽命，降低了維護費用。

另外，在需要打磨工藝等行業，針對粉塵特別多的使用環境，迷宮式結構的直線傳動模組還增加了柔性防護罩結構，使密封效果已經很好的迷宮式直線傳動模組的防護性能更高。迷宮式結構增加的柔性防護罩如圖6所示。

1.3? ? 關鍵零部件的有限元分析

本文采用專業的有限元分析軟件對底座、移動座等重要部件進行有限元受力分析和優化設計，提高直線傳動模組的負載能力，降低直線傳動時的能量損耗，可以實現替換使用。底座、移動座有限元結構分析如圖7所示。

通過有限元分析優化后，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型模組的需求，互換性強。

1.4? ? 產品工藝流程

該模組具體生產工藝流程如圖8所示。

2 產品測試分析

為了測試DG系列迷宮式模組與傳統模組防護性能的差別，我公司將這兩款模組放進有大量珍珠棉顆粒的空間內進行跑合實驗，實驗結果如表1所示。

對表1數據分析表明，DG系列迷宮式直線傳動模組的停機維護次數少，無需更換導軌副，重復定位精度比傳統模組提高了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費用，而且能提高企業生產效率和產品質量，減少由于停機維護浪費的生產時間。

3 結語

我公司設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計加柔性防護罩提高了模組的防護性能，利用測試驗證了其密封效果，經過綜合測試，其符合以下技術要求：

（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）運動最高速度達到1 m/s;

（4）重復定位精度≤±0.01 mm/300 mm;

（5）DG60系列迷宮式模組最大載荷達30 kg，DG100系列迷宮式模組最大載荷達60 kg，DG135系列迷宮式模組最大載荷達85 kg。

該迷宮式模組密封直線傳動模組已經獲得了2項實用新型專利和1項發明專利。

[參考文獻]

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