基于滚珠丝杆传动的助老收纳柜设计分析

葛昱昊 娜和雅 徐 震

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

随着科学技术不断创新，现代社会对自动化需求越来越普遍，生活中随处可见各式各样的机械自动化设备。滚珠丝杆机构作为一种传动装置，可以实现旋转运动和直线运动间的相互转换，并且具有体积小、使用灵活、结构紧凑、安装方便、传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长和同步性能好等诸多优点[1]，在现代机械设备中广泛应用。

收纳柜是日常生活中不可缺少的家居产品，但目前市场上已有收纳柜存在体积过大、与室内设计规划不相融合、缺乏人性化设计理念等问题，尤其对于老年人群体而言，缺少对生理行为能力下降的考虑，容易造成一系列身体损伤和经济负担[2]。基于滚珠丝杆传动的助老收纳柜，通过丝杆传动改变收纳柜位置，为老年人存取衣物提供方便，减少安全隐患，体现关爱设计。

1 步进电机驱动滚珠丝杆传动原理

滚珠丝杆传动机构原理如图1 所示，丝杆整体由下端支撑块支撑受力，支撑块左右两侧分别有圆柱导轨，滚轮通过固定螺丝螺母实现导轨与滑块的联轴器链接，丝杠从滑块中间穿过，一端固定在端部挡板轴承，一端与步进电机链接，由步进电机提供动力驱动。当步进电机正向驱动时，带动丝杠顺时针旋转，丝杠上的连接套则会受到向上运动的外力，将外力传递到滑块上，滑块再带动固定于其上的物体沿着导轨向上运动。反之，步进电机带动丝杠逆时针转动，滑块则会带动滑块和物体向下运动[3]。

图1 滚珠丝杆传动机构示意图

丝杆机构的运动主要依靠步进电机转动，在机构不发生故障的状态下，丝杆预定动作分为以下几步：静止、通电、启动、转动、制动、抱轴。而现实中也会存在一定的误差影响机构正常运动，滚珠丝杆的轴向间隙是主要影响误差因素之一，其中包括滚珠丝杆与滚动螺母之间以及滚珠丝杆与支撑它的轴承之间的间隙，主要是滚珠丝杆螺母副的轴向间隙。滚珠丝杆的轴向间隙是指静止时丝杆与螺母之间的最大轴向窜动量，这个窜动量包括结构本身的游隙以及轴向加载后弹性变形造成的窜动。滚珠丝杆螺母副的轴向间隙是指负载时在滚珠与滑道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有问隙的总和，其直接影响传动刚度和传动精度，尤其是反向传动精度，反向间隙会造成在工作台反向运动时，电动机空转而滑台不做运动，从而造成滑台的位置偏移不稳定，因此消除轴向间隙非常重要，通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形量控制在最小限度内[4]。

2 滚珠丝杆传动收纳柜设计

滚珠丝杆传动收纳柜将最终存取位置均设于中间水平位置，其高度符合老年人人机工程学和形体尺寸，老年人既不需借助工具增加高度，也不需要弯腰到最低处，减少了存取过程的危险性，使老年人居家生活更加安全便携。收纳柜在设计原理上参考华容道的移动方式，将整个大柜体分为九个区域，如图2 所示。柜体内部除中央区域外分布有八个等大的六面体小柜，八个丝杆固定在后方底板对应位置上，每个小柜由滑台固定于对应丝杆上，通过控制器开关的操作选定对应柜体，驱动对应丝杆进行转动，使目标柜体移动到中间水平位置，便于老人存取物品。如选择1 号小柜体进行物品存取，则对应的预定运动为：首先4 号小柜体对应丝杆转动，带动该柜体向中央位置移动，该柜体到达目标位置后，1 号小柜体对应丝杆转动，带动该柜体向下移动至原4 号柜体位置处，3、6、8 号柜体预定运动可参照上述过程，如图3 所示。如选择2 号小柜体进行物品存取，则预定运动为：2 号柜体对应丝杆转动，带动该柜体向下方中央位置移动，至目标位置后停止，7 号柜体预定动作可参照上述过程。

图2 滚珠丝杆传动收纳柜外观示意图

图3 小柜体移动流程示意图

除此之外，单个小柜体采用阻尼三节轨抽屉式存储，轻推便可弹出或卡住抽屉，进一步方便老年人的开关柜过程。收纳柜丝杆驱动由步进电机系统完成，运动控制由多轴控制器进行控制。在实验过程中发现，当丝杆传动应用于收纳柜的垂直面上时，丝杆的反向间隙对其运动影响非常大，柜体中装入较多东西荷载较大时，向下重力压紧螺母副与下丝杆上接触面，在较高转速时极容易发生空走，累积误差会导致柜体位置偏移，影响柜体预定的相互配合动作，研究采用预紧方式解决上述问题。减少丝杆传动误差后，其动效率增高、传动载荷增大，很好的实现预期产品功能。同时，为保证柜体移动稳定和减少偏移误差，同时保证操作安全性，电机转速设置在中低速。

3 滚珠丝杆传动收纳柜优缺点分析

滚珠丝杆传动收纳柜旨在对传统收纳柜进行自动化和人性化创新，符合现代家具发展趋势和社会对老年产品需求意愿。通过实物测试发现其具有传统收纳柜所不具备的优点，包括：（1）运动简单，每根丝杆单独控制一个柜体；（2）丝杆传动可靠，传动效率高，定位精度高，使用寿命长，同步性好，承重较大；（3）控制简单，每个按键控制一个柜体的预定动作，不同预定动作之间互不影响；（4）柜体存取位置高度适宜，便于开柜存取，节省用力，符合人机工程学原理和人性化设计理念；（5）采用阻尼三节轨抽屉式开关方式，操作轻便；（6）收纳柜整体结构简单，方便拆装，利于后期维护与检修。科学设计无单一性发展，有优点同时也存在一些不足，其主要缺点有：（1）因尺寸和装潢风格限制，需要定制产品，不能批量化生产；（2）柜体内部有存储空间未利用，造成空间资源浪费；（3）阻尼三节轨抽屉式柜体开关浪费部分空间，致使存储空间减小；（4）丝杆传动整体成本较高。在家具市场成熟化的今天，智能储物柜被认为是家具行业未来发展的主要方向之一，具有较大的创新和进步空间，尤其针对特殊群体的家具产品设计越来越受市场青睐。基于滚珠丝杆传动收纳柜作为一款助老新型设计产品，虽然存在许多不足但总体评估依然具有较大的创新性，并且随着现代科学技术的不断进步，硬件设备对产品设计发展的限制将会越来越小，设计理念成为关乎未来设计创新的重要因素。根据马斯洛需求层次理论，随着人们对物质条件的不断满足，人们对日常家居产品的功能和质量都提出了更高要求，高科技、智能化产品将成为人们提升生活水平的主要方向，尤其对于老年人群体而言，智能化居民住宅将成为社会进步和发展的主要趋势，因此研究并开发适合老年人智能化产品具有现实的指导意义和应用价值。