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常用的电动机构模块设计

电力驱动原件始终是设备的主流动力部件,其组成包含电机和电磁铁,考虑到电磁铁应用场合相对较少且有不少专著阐述其应用,所以本文内容主要讲述电机驱动机构的典型应用。相对于气动液压产品而言,电机具有响应速度快、效率高、动力参数调节控制方便的特点。

从机构学理论来说,只要设计合理电机几乎可以驱动所以的机构执行任何动作。机械技术发展到如今,已经有浩如烟海的各类专著和典籍阐述各种机构和结构。鉴于这个原因,本文内容只关注在工厂自动化的工程实践中最为普遍和常用的一些结构和机构,并介绍其在工程实际应用中对于初级设计师来说最容易忽视和最容易出错的问题。

步进电机驱动滚珠丝杠+直线导轨直线运动机构

滚珠丝杠由于传动效率高、发热小、精度高、易于实现高速运动,所以,被广泛的应用于各种机床、工业设备和精密仪器中。直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨,用于直线往复运动场合,拥有比直线轴承更高的额定负载,同时各个方向都可以承受一定的扭矩,可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。所以,步进电机(或伺服电机)驱动滚珠丝杠+直线导轨的直线运动机构是在各类设备中使用最为广泛的一种精密直线运动机构。诸位务必要将其结构设计方法烂熟于心。下面,我们将介绍其中最为经典的结构和直线导轨的安装调试方法。

齿轮齿条传动方式_齿轮齿条往复传动机构_齿轮齿条往复传动机构

图3.3-1-1

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图3.3-1-2

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图3.3-1-3

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图3.3-1-4

1:电机2:联轴器3:锁定螺母4:间隔套5:轴承座6:角接触球轴承7:轴承端盖8:密封圈9:滚珠丝杠

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图3.3-1-5(滚珠丝杠末端)

上面5张图片给出了自动化设备中最为常用的步进电机(或伺服电机)+滚珠丝杠+直线导轨驱动工作台的结构方式。此处所说得最为常用的机构方式指的是:图3.3-1-3中直线导轨的安装方式、图3.3-1-4中滚珠丝杠的安装方式、图3.3-1-5中丝杠导轨末端安装方式。

注意:图3.3-1-4中所示的滚珠丝杠的驱动端安装方式中选用的是角接触球轴承,其原因是因为本机构中滚珠丝杠的主要负载为轴向负荷,同时也要求工作台能够高速运行齿轮齿条往复传动机构,而角接触球轴承正好是满足这样的条件。角接触球轴承需要相向或相对安装,图中给出的是常用的安装方式,如有特别需要可以查阅相关资料或咨询轴承供应商设计安装方式。图3.3-1-5中滚珠丝杠末端安装的轴承可根据实际情况选用深沟球轴承或者调心球轴承。

下面,我们重点描述一下直线导轨的装配方法。

图3.3-1-3中所示的结构为工程中最为普遍的要求有高精度和高刚性运行状态的直线导轨的装配方式,其安装步骤如下:

1:使用油石仔细清理干净安装面的毛刺、伤痕、杂物;

2:使用标准直尺检测安装面的平面度,若平面度不符合要求则需要修整安装面或者对安装面进行适度地刮研;

3:打开直线导轨包装,使用清洗油将直线导轨上的防锈油清理干净;

4:将直线导轨轻放在安装座上后,带上装配螺钉(不拧紧装配螺钉)后,将直线导轨与底座上主导轨侧面基准面轻微靠紧。

5:用虎口台钳锁紧直线导轨,使直线导轨有基准标记的一面与主导轨侧面基准面靠紧;

6:使用扭力扳手按照规定的力矩按顺序锁紧装配螺钉;

7:将主导轨(基准导轨)的两个滑块固定在工作台上(注意先使滑块的侧面紧靠滑块侧面基准面后才可以锁紧安装螺钉),将副导轨(从动导轨)及其上的滑块分别临时固定在安装底座上和工作台上;

8:将千分表吸附在工作台上靠副导轨一侧,千分表的测量端子与副导轨上的滑块接触,从直线导轨的一端向另一端缓慢移动工作台,一边调整副导轨与主导轨之间的平行度,一边按顺序由轻到重的紧固装配螺钉;

9:重复第8步数次,直到调整好副导轨与主导轨之间的平行度并按规定的扭矩锁紧直线导轨为止;

10:使用第8步的方法锁紧副导轨上的滑块。

直线导轨的安装是一项非常需要经验和耐心的工作,一旦直线导轨安装不好,则机器运行精度则无从谈起。通常,在设备有振动或者冲击的情况下,直线导轨侧面(双导轨侧)需要设计有止动螺丝,如下图所示。

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图3.3-1-6

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图3.3-2

现在,市场上有不少厂家将这种滚珠丝杠配直线导轨的机构集成为一个标准组件——单轴机械手(Single Axis Actuator),如图3.3-2所示。这样看起来结构紧凑、外形美观,而且由于供应商为大批量的标准化生产,成本低廉。通常,不同的厂家都有不同精度等级的单轴机械手提供,非常适合中小负载的场合使用。

现在,越来越多的设计师选择这种标准件代替自己设计制作,一方面可以降低成本,另一方面可以节约时间。通常,这种单轴机械手配有3个传感器,它们分别是:两端的极限传感器和中间的原位传感器(初始位置传感器)。所以,可以直接在上面安装步进电机或伺服电机构成开环或半闭环控制系统;如果是高精度使用场合,也可以自己配置磁栅尺或光栅尺构成全闭环系统。

需要注意的是:由于滚珠丝杠的运动是可逆的,所以,滚珠丝杠机构在竖直使用的时候——出于安全的考虑——需要设计防逆转机构或者自动锁紧装置。通常的做法是:1、在滚珠丝杠与电机之间增加蜗轮蜗杆减速机或者超越离合器;2、使用带刹车的电机;3、设计自动锁紧机构,如:电磁锁紧夹具或气动夹具;4、增加负载重力平衡装置。

步进电机驱动同步带+直线导轨的直线运动机构

同步带传动是由一条内周表面设有等间距齿的环形皮带和具有相应齿的带轮所组成,运行时,带齿与带轮的齿槽相啮合传递运动和动力,它是综合了皮带传动、链传动齿轮传动各自优点的新型带传动。由此可见,同步带具有如下的特点:

(1)传动准确,工作时无滑动,具有恒定的传动比;

(2)传动平稳,具有缓冲、减振能力,噪声低;

(3)传动效率高,可达0.98,节能效果明显;

(4)维护保养方便,不需润滑,维护费用低;

(5)速比范围大,一般可达10,线速度可达50m/s,具有较大的功率传递范围,可达几瓦到几百千瓦;

(6)可用于长距离传动,中心距可达10m以上;

(7)相对于V型带传送,预紧力较小,轴和轴承上所受载荷小。

正是由于同步带具有上述这些特点,所以在工厂自动化设备中得到了广泛的运用。显然,同步带具有三种主要应用方式:(1)传递旋转运动;(2)拖动工作台或者机械手做直线往复运动;(3)传输产品时做输送带使用。

由于在圆周运动的传动中,同步带的使用结构与普通皮带相似,勿需我们做太多的说明;上述第二种与第三种应用都属于直线运动应用,下面,我们要关注的是同步带在直线运动场合的使用方法。当然,在直线运动场合中,它相对于滚珠丝杠来说最大的缺点就是传动精度相对较低;但是,它相对于滚珠丝杠来说,也具有安装精度要求低,减震性能好、成本低廉的明显优势。图3.3-3所示为同步带直线往复运动机构的典型结构。

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图3.3-3

1:驱动电机

2:同步带齿形压板

3:同步带

4:同步带惰轮(从动轮)

5:同步带张紧板

6:张紧螺钉防松螺母

7:张紧螺钉

8:直线导轨

9:直线导轨滑块

10:工作台

11:同步带主动轮

12:主动轮轴承座

注意:上图中同步带从动轮为惰轮,带轮中转配有轴承。使用惰轮做从动轮的优点是支撑座结构简单,节约加工成本和装配成本。

同步带的选型计算方法与普通皮带相似齿轮齿条往复传动机构,各参数根据供应商提供的样本目录确定。其主要计算参数也就是皮带能够传递的功率容量。

安装同步带时需要注意:安装同步带时,必须先将带轮的中心距缩短,装好同步带后,再使中心距复位。张紧时张紧力适中就好,勿需过度张紧。

关于皮带结构的设计问题,这里顺便说一下:在使用平皮带的时候,通常需要将带轮设计成中间大,两头小的鼓型,这样才能防止皮带跑偏。

步进电机驱动齿轮齿条的直线运动机构

齿轮齿条机构也是一种在工业上广泛使用的将旋转运动转换为直线运动的机构,它具有高精度、高负荷、高刚性、高速度等特点。所以,通常在各类机床以及需要快速精确定位的设备中使用,最为典型的应用就是龙门铣床中的主轴移动机构。所以,诸位也非常有必要详细了解其设计使用方法。

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图3.3-4

如图3.3-4所示,这是齿轮齿条在工厂自动化设备中常用的结构,图中负载工作台和工作台底座可以互换,即也可以用图中所示的负载工作台作为工作台底座固定不动而让图中所示的工作台底座做负载工作台在齿轮的驱动下做直线往复运动。需要注意的是:当选择不同工作台作为负载工作台时,在计算负载惯量时需要计算的负载质量的部件选择要正确。

我们把图3.3-4中所示的机构略加变化即可形成图3.3-5所示的机构。

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图3.3-5

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图3.3-6

图3.3-6所示为图3.3-5的传动机构简图,由图3.3-6可以看出:这是一个行程放大机构,移动齿条的行程是齿轮行程的两倍。如果将图3.3-6中所示的机构再做进一步的变换可以得到如图3.3-7中所示的机构简图。

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图3.3-7

如图3.3-7所示,由3.3-6变换之后的机构中移动齿条的行程是曲柄长度的4倍。

上面介绍了自动化设备中常用的电机驱动原件:滚珠丝杠、同步带和齿轮齿条常用的结构方式。请诸位注意:我们提到的是“常用”二字,在实际使用过程中,应该根据设备自身的功能、结构、工况等具体工程环境在常用结构的基础上进行变化和创新设计,切不可拘泥于任何书本上见到的现成的东西。灵活运用、随机应变是一个机械设计师基本素质,也只有这样设计出来的设备才是最适合自己使用工况的设备、最合理的设备。

倍速链基础知识

接下来我们简略地介绍一下在现代工厂自动化流水线中广泛使用的一种输送链——倍速链。在自动化流水线中使用的物料输送主要有两种:皮带输送和链输送。而皮带和普通的滚子链在各类教材中都有详尽的解说,在这里我们只是简单的介绍一下教材中没有提到的而工厂中广泛使用的倍速链。倍速链通常也被称为:自由节拍输送链、差速链、差动连,工程上较为普遍的叫法是倍速链。如图3.3-8所示为实物图,图3.3-9所示为结构图。

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图3.3-8

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图3.3-9

下面我们介绍一下其具体结构,诸位只需要有一个大致的了解就可以,只要在实际使用中有这么一个东西就好了。因为,现在市场上有很多链传动供应商都能提供倍速链线,而且因为其专业设计生产这类产品,所以他们能做得非常精美而且价格便宜。所以,诸位如果不是在链条制造企业做流水线体设计,大可不必花费精力钻研。我们在这里做介绍的目的也只是对学校教材的内容做的一点补充而已,让诸位对其特性有一个了解,知道在什么时候需要使用这个产品。

由图3.3-9中可以看出,倍速链结构与普通的滚子链结构类似,其主要结构件有6种:外链板、内链板、销、套筒、滚子、滚轮。

通常,滚子和滚轮都是由工程塑料制作而成的。当然,重载或者有特殊要求的时候除外。

在连接上:销与外链板采取过盈配合方式;销与内链板为间隙配合;销与套筒采用间隙配合方式;套筒与滚轮之间也采用间隙配合方式,以使它们之间能够相对转动;滚轮与滚子之间也采用间隙配合方式,以使它们之间能够相对转动,降低工作时相互之间的磨损。

在实际使用时:通常倍速链滚子由专用的铝型材支撑,而滚轮上面则放产品或者工装夹具,在各工位可以配置阻挡装置挡停并定位工装夹具或者产品而链则可以连续运行。而现在工厂通常使用的阻挡装置都是一款专门为流水线设计的阻挡气缸,如图3.3-10所示。

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图3.3-10

倍速链输送具有以下优点:

1、链条以低速运行,而被输送的产品或者工装夹具能获得成倍于链条速度的移动速度(通常,倍速链设计增速为:产品移动速度为链条速度的2.5—3倍),提高输送效率。

2、因为倍速链滚轮与被输送产品之间为滚动摩擦,所以,倍速链可以以恒定速度连续运行而被输送产品可以在任意位置停止而不损坏链条。所以,我们可以采用三相异步交流电机驱动,控制简单、成本低廉。这些正是流水线生产所期望的。

3、因为滚轮通常由塑料制作,所以,运行平稳、噪音低、耐磨损。正是基于其具有以上三大优点,所以,在工厂流水线中使用非常广泛。流水线的工作方式和原理也是工厂自动化设备设计是的重要参照。所以,有机会的话,大家可以多看看各种不同产品的流水线,仔细揣摩其中的道理。

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