滚珠螺杆型单轴机械手臂应用要领

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1、滚珠螺杆型单轴机械手臂应用要领    单轴机械手臂种类繁多，又称精密定位滑台、精密线性模块、电动滑台、引动器（Actuator）等，在自动化工业中扮演关键角色。单轴机械手臂是机电整合的具体实践，也是产业机器人的基础，是这个领域的工程师必须熟识的技术。机械手臂产品的种类虽然很多，但是基本构造却大同小异，本文将从使用者的角度就基本构造、使用寿命、承载负荷、安装方式、使用环境、定位精度、动力匹配等方面提供选用要领，期使第一线的工程师对本类产品的应用能更顺手。     在产业机器人中，应用最广的当属单轴机械手臂。单轴机械手臂看似简单，只在单一方向往复运动，但在实际应用上功能各异，种类繁多。由于构造简

2、单，一般教科书甚至把它当作计算的例题。可是使用者往往发现，虽然它看似很简单的东西，要能真正全面深入做精确的计算却并不容易。理论和实际之间毕竟存有差距，例如摩擦系数就很难确定，而且工程师通常没有那么多时间仔细的一步一步推导公式。不但如此，单轴机械手臂的应用正是典型的机电整合，既要计算负荷、结构，也要匹配马达和控制，还必须从数以百计的厂商型录中挑选适合的产品，过程冗长而且复杂。因此，本文拟为第一线的工程师或产品选购者提出一些解说，由基本的认识切入，让使用者能更正确地判读厂商型录，选用产品时也更省力。   单轴机械手臂的驱动方式有：滚珠螺杆、时规皮带、齿轮齿条、线性马达、液压缸、气压缸等。限于篇幅

3、，本文将以滚珠螺杆型机械手臂的机械结构为主，从使用者的角度针对应用上必须注意的要领列举一二供读者参考。   图1单轴机械手臂构造基本构造    单轴机械手臂构造简单，最常见的形式如图1所示。其中，滑台承载负荷，负荷传递到线性滑轨上，滚珠螺杆负责推动滑台，马达则通过联轴器驱动螺杆。螺杆的支撑通常靠近马达端的轴承为固定端，另一端为支撑端。    滚珠螺杆的转速有限制，在共振发生之前的最高转速称为临界转速。为免发生共振，常以临界转速的80%当作最大容许转速，计算方式如下：  其中Np=最大容许转速(RPM) Mf=组装型式系数，例如固定－支撑Mf=0.689 dr=螺杆根径(mm) Lr=轴承间的

4、螺杆跨距(mm)   由于容许转速和跨距的平方成反比，大大限制了螺杆的长度，机械手臂的有效行程也因而受到限制。所以选用单轴机械手臂的第一步，先确认工作运转的速度（mm/sec），用螺杆导程换算成螺杆的转速（RPM），再以此转速确认螺杆跨距及有效行程。    有些产品虽然提供足够长的行程，但是由于共振的限制，超过某个规定长度以上会限制转速，超过愈多，转速降得愈多，应特别注意。    如果工作行程确实很长，则须选用长行程的产品。目前长行程的机械手臂除了线性马达和皮带驱动者外，滚珠螺杆型的有两种：一是旋转螺帽式，螺杆本身根本静止不转，靠中空马达驱动螺帽；另一种是在跨距中间增设移动式的螺杆支撑座，形

5、同跨距减半，螺杆总长度达2,500mm不成问题。 使用寿命    最困扰使用者的，大概是使用寿命的计算。寿命和负荷直接相关，简单的说，负荷轻松则长寿，负担劳苦则短命；寿命和负荷必须相提并论。    单轴机械手臂的基本构造有三个关键组件，滚珠螺杆、线性滑轨、轴承，都是运用滚珠的组件，各有其使用寿命。「寿命」都和「基本动额定负荷」有关，因此欲计算寿命，必须先提出负荷条件，亦即承载的方式、方向、重量、距离、运动方式等等，计算出等效负荷，接着再用等效负荷计算寿命，计算过程十分复杂。    大部分的单轴机械手臂制造厂商并不会让使用者自己计算寿命，而是给一个经过换算的既定寿命值，例如行走5,000Km或

6、是10,000Km，然后限制欲达到此寿命的容许负荷条件。    要注意的是，此容许负荷并非从结构强度的观点来理解，而是表示某一寿命值的参考负荷点。例如某厂商设定产品寿命10,000Km，并且给了一个容许负荷表，其意义是指如果负荷状况超过表列的容许值则寿命将短于10,000Km，反之如果实际负荷低于容许值，则使用寿命将高过10,000Km。当然，为了延长使用寿命，应用时尽可能不要超过容许负荷为宜。    虽然单轴机械手臂中有滚珠螺杆、线性滑轨、轴承等三个关键组件，但是除了垂直安装（Z轴）或大角度倾斜安装之外，承载负荷的组件仍以线性滑轨为主，螺杆只负责推力，不承担重量，故寿命计算也是以线性滑轨的

7、动额定负荷为计算基础。 线性滑轨的寿命计算式如下：  其中L=预期寿命fh=硬度系数C=基本动额定负荷ft=温度系数Pc=计算所得的等效工作负荷fw=负荷系数    对单轴机械手臂而言，上式其实只提供了一个重要的讯息：寿命和负荷的三次方成反比，意即稍微增加负荷就会使寿命快速减少。上式难以直接套用的关键是Pc的计算。    使用者在选用阶段从型录上或厂商提供的CAD图上根本看不到单轴机械手臂的内部构造和尺寸，也