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〖實例16〗簡單直線滑臺的設計 直線滑臺是工業應用里比較廣泛的一種典型機構。
1. 問題描述 想設計一個直線運動機構，負載2Kg，中等速度，往復行程大約120mm，除原點外有3次停留，定位誤差0.1mm左右，初步考慮使用步進電機驅動絲杠來完成，有哪些需要注意的地方？另外還有別的更好更便宜的方案嗎？
2. 討論 電機+絲杠的組合在直線運動單元中應該是應用最廣泛的一種，其原理不用懷疑，但選用何種絲杠卻應該考究一下。提問者說，在一些產品的標準件書上看到絲杠分精密滾珠絲杠、壓軋滾珠絲杠、30度梯形絲杠三種，但不明白這幾種絲杠具體有什么區別，以及其分別應用的場合。
甲回答說，前兩種都是滾珠絲桿：最初滾珠絲桿的絲桿體用圓鋼切削成型，因切削表面光潔度不夠，再用成型砂輪磨出螺旋槽。后來工藝發展，絲桿體可以不再需要切削，直接壓軋而成，并且壓軋后具有相當的精度尺寸和光潔度，在沒有很高精度要求的場合，可以直接使用，于是就有了“壓軋滾珠絲杠”這一種類；目前壓軋工藝制作的滾珠絲桿體還不能達到很高精度，精密滾珠絲杠還必須采用磨削工藝，滾珠絲桿的螺母螺旋槽和絲桿螺旋槽間置有鋼球，把螺母和絲桿間旋合移動從滑動變成了滾動，所以可以高速輕巧動作；30度梯形絲杠是傳統的機械結構，普通車床的絲桿就是很好的例子。
乙補充說，方便起見，這次的設計應以滾動直線導軌配合滾珠絲桿為宜；直線運動器件和滾珠絲桿都可以很方便在市場購得，東西小，所費也有限；如果采用滑動導軌和30度梯形絲杠，不會有現成的，恐怕都要設計和逐一加工出來，費時費工，代價也許更高。況且精度要求并不高，一些便宜的絲杠和導軌都可以達到要求。
甲給出了如圖16-1的設計方案，并解釋說，導軌用了兩根表面淬火，磨削后鍍硬鉻的光桿，配合加長直線軸承，滑塊和導軌支架用硬鋁塊以線切割制作；絲桿用市售普通M12X1.75三角螺紋螺柱改制，螺母用青銅相配，絲桿與支座間用618系列的深溝球軸承支承，51000推力軸承和圓螺母消除軸向間隙；光桿的價格約100元/米，直線軸承幾十元一個，軸承幾元一個，加上其它，代價不會超過500元，這樣的結構，完全可以適應要求的工況并有極長工作壽命。
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2015-1-14 09:59 上傳
提問者擔心三角螺紋的牙型不規范，且螺距較小，運動起來速度不太理想，甲回應說如果有這樣的擔心，可以做一根4頭的，導程7mm，應該夠了，也比較適合步進馬達傳動。
丙同意甲的觀點，牙型在這種輕負荷場合關系不大，為加工方便，仍以普通三角為宜；行程控制應該和用滾珠絲桿一樣，差別在滾珠絲桿可以預緊消間隙，而在這里的普通螺紋配合有間隙，正反轉有空檔。但達到工況所要求的精度不會有問題；即使增加一個消除螺紋配合間隙的結構，也是低代價和容易的；4個位置，兩端可以用止位擋塊。中間兩個只好按計算的步進電機步數了。用步進電機，無反饋，丟步在所難免。每次循環后清零應無大礙。
丙同時提出，這樣低的精度要求，使用電機+絲杠的組合怕是浪費了，不若使用氣缸驅動更為便宜。二個很便宜的定位氣缸定兩個位，終點用擋塊，起點當然什么也不用了。氣缸的總價格不會很高。另一種選擇是一種行程125mm的氣動滑臺，又簡潔又便宜，只是定位精度問題需要考慮。使用磁性開關和三位五通閥結合，由磁性開關響應時間不大于0.3毫秒和三位五通閥電磁鐵最短勵磁時間0.05秒看，雖精度較差，但只要重復性好，也許可用。而帶有傳感器的精密氣缸價格太高。
丁說，若擔心精度問題，其實還可以用步進電機驅動固定在工作臺上的同步帶，使用直線導軌導向，每次回原點清零，定位誤差可以確實地控制在0.1mm之內。
3. 結論
因為身處微電子行業，需要設備具有快速響應和運行能力，最終提問者采取了甲的最后一套方案，實際定位精度在±0.02左右，完全滿足要求。這套設計因為要求極低，所以把成本放在了第一位，如果精度要求很高的時候，則電機+滾珠絲杠+直線導軌的組合就不能避免了，加上合適的傳感器，效果非常好，裝配時再調整好平行度和間隙，就可以達到很高的精度。
https://zhuanlan.zhihu.com/c_1051171562501287936
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發表于 2015-1-14 10:00:13
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