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〖实例16〗简单直线滑台的设计 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最广泛的一种，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：最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16-1的设计方案，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最短励磁时间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，最终提问者采取了甲的最后一套方案，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，所以把成本放在了第一位，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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发表于 2015-1-14 10:00:13
