一种迷宫式密封直线传动模组设计

聂新贤

摘要：针对不同的行业需求，设计了一种迷宫式密封直线传动模组。通过迷宫式密封直线传动模组与传统模组的对比实验，验证了迷宫式模组在防护性能上的优越性，可取代国外同类产品，有效提升了我国电子行业及装备制造业的技术水平。

关键词：直线传动模组;直线坐标机器人;防护性能;有限元分析

0 引言

直线传动模组是用于多坐标工业机器人或其他自动化设备的一种通用传动功能件，该模组可单轴或多轴组合，配合驱动电机和控制系统即可组成多坐标工业机器人，替代人进行重复、单调的高强度工作，其逐步推广应用推动了传统劳动密集型行业的产业升级，如用于电子行业的LED点胶、焊接、滴塑、喷涂、码垛、分拣、包装工序;也可用于金属的加工、搬运、上下料、装配自动化工序等。

相对于关节型机器人而言，直角坐标型机器人不仅结构简单，而且成本低廉，可以灵活多样地组装成单轴或多轴的机械手，如龙门式、悬臂式、壁挂式等机械手，也可根据不同的负载、行程、功能及特殊空间要求，为客户订制所需产品。同时，直角坐标型机器人在X、Y、Z三轴基础上可以扩展旋转轴和翻转轴，构成五自由度和六自由度机器人，或者作为专业自动化机械中的直线定位系统。

直线传动模组是直线坐标机器人的组成单元。针对不同的行业需求，直线模组可组合成2～5轴或更多轴的组合直角坐标机械手，配合电机驱动、控制系统和末端操作器，组合成结构简单、性价比高的机器人，可替代人工进行高强度作业，在提高生产率、产品质量等方面具备显著的应用优势。

本文主要设计了一种迷宫式密封直线传动模组，该模组具有迷宫型防护结构，防止外围异物进入模组内部，损坏导轨副和丝杆等传动部件，大幅降低其在恶劣环境下长时间使用发生故障的概率，确保传动模组在高速工作状态下的运动精度、可靠性及使用寿命，可以完全取代国外同类产品，有效提升了我国电子行业及装备制造业的技术水平。

1 直线传动模组

1.1    直线传动模组结构

直角坐标系机械手由直线传动模组组合而成，根据不同的数量组合可以分为双轴、三轴或多轴直角坐标系机械手。图1是由3台直线传动模组组合的X、Y、Z三轴直角坐标系机械手，配备电机驱动系统和控制系统，可多方向直线精确运动。电机驱动系统和控制系统是标准元件，具有一定的可靠稳定性。直线传动模组直接影响直角坐标系机械手的运动精度、使用寿命和可靠性，是机械手的核心功能部件。直线传动模组应用实例如图1所示。

迷宫式密封直线传动模组主要由图2所示的直线传动模组各部分组合而成，各部分起到不同的作用，必须通过精密的安装配合在一起才能达到使用要求。

（1）底座与导轨副组合形成模组的主体框架，起到稳定的直线导向作用，必须调整导轨副与底座组合，控制两导轨平行度在0.02 mm/300 mm，根据客户使用状况，选配的钢球直径、调整的导轨副预紧力，应满足客户使用要求。

（2）移动座与丝杆螺母通过螺钉组合，要根据客户的不同要求，选配钢球，调整预紧力，校直丝杆满足丝杆传动部分的跳动≤0.03 mm/300 mm，丝杆末端跳动度在0.02 mm以内。与丝杆配套连接的轴承座里面使用精密的配对C5等级对角轴承，调整两端轴承座的等高精度，使得丝杆螺纹传动部分的平行度调整在0.03 mm/300 mm以内。

（3）盖板、底座与移动座组成迷宫式防护结构（图3），再与前端盖和后端盖配合行程内部密封结构，起到防止外围异物进入直线传动模组内部，损坏里面的导轨副和丝杆等传动部件的作用。

1.2    DG系列迷宮式设计

常规的直线传动模组丝杆和导轨副等传动部件都是半裸露在设备上，异物很容易进入模组内部，其他公司直线传动模组产品如图4所示。

直线传动模组是高精密的自动化元件，异物的进入，将直接影响模组的运动精度和使用寿命，使用过程中故障率高，增加客户维护成本。

针对上述情况，我公司所研发的直线运动模组采用了一种新型的迷宫式结构，如图5所示。底座上方的两个凸台与移动座的两个凹槽位配合，移动座里面设计与盖板同形状的贯穿槽，盖板通过贯穿槽穿过移动座，盖板两边的侧翼与底座两边凸台形成一个类似水管弯头的迷宫型密封形状。模组的丝杆导轨副传动部件处于封闭状态，可有效避免外界异物进入，从而保证模组的运动精度和使用寿命，降低了维护费用。

另外，在需要打磨工艺等行业，针对粉尘特别多的使用环境，迷宫式结构的直线传动模组还增加了柔性防护罩结构，使密封效果已经很好的迷宫式直线传动模组的防护性能更高。迷宫式结构增加的柔性防护罩如图6所示。

1.3    关键零部件的有限元分析

本文采用专业的有限元分析软件对底座、移动座等重要部件进行有限元受力分析和优化设计，提高直线传动模组的负载能力，降低直线传动时的能量损耗，可以实现替换使用。底座、移动座有限元结构分析如图7所示。

通过有限元分析优化后，直线传动模组能够承受的最大载荷提高20%，零部件重量减少15%，安装尺寸可以满足替换各种常规型模组的需求，互换性强。

1.4    产品工艺流程

该模组具体生产工艺流程如图8所示。

2 产品测试分析

为了测试DG系列迷宫式模组与传统模组防护性能的差别，我公司将这两款模组放进有大量珍珠棉颗粒的空间内进行跑合实验，实验结果如表1所示。

对表1数据分析表明，DG系列迷宫式直线传动模组的停机维护次数少，无需更换导轨副，重复定位精度比传统模组提高了0.01 mm。对于客户来说，使用迷宫式直线传动模组不但减少了后期的维护费用，而且能提高企业生产效率和产品质量，减少由于停机维护浪费的生产时间。

3 结语

我公司设计的迷宫式密封直线传动模组采用有限元分析软件减轻了模组自身的重量，并通过迷宫式防尘设计加柔性防护罩提高了模组的防护性能，利用测试验证了其密封效果，经过综合测试，其符合以下技术要求：

（1）运动行走平行度≤0.02 mm/300 mm;

（2）运动行走等高度≤0.02 mm/300 mm;

（3）运动最高速度达到1 m/s;

（4）重复定位精度≤±0.01 mm/300 mm;

（5）DG60系列迷宫式模组最大载荷达30 kg，DG100系列迷宫式模组最大载荷达60 kg，DG135系列迷宫式模组最大载荷达85 kg。

该迷宫式模组密封直线传动模组已经获得了2项实用新型专利和1项发明专利。

[参考文献]

[1] 江门市天功自动化科技有限公司.一种直线传动模组：CN201520224897.6[P].2015-08-05.

[2] 江门市天功自动化科技有限公司.一种直线模组结构：CN201520330234.2[P].2015-09-09.

[3] 江门市天功自动化科技有限公司.高防尘型直线模组：CN201610305380.9[P].2016-07-27.