小型化的往复式滚珠丝杠方案 - 文章

小型化的往复式滚珠丝杠方案

作者：Al Presher

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新的精密光学检测仪设计要求改变设计思维。过去的设计方案中包括凸轮和其他相关机械定位设备。但是，随着对仪器能够小型化和充分延长使用寿命的要求，不能再采用凸轮的设计。典型的往复式滚珠丝杠方案被证实可以降低成本并且它们的结构特性可以在应用上发挥到最大化。

CAR Engineering公司总裁John Pickering介绍说：“用户操作我们的设备时，注意到我们为某电子公司设计和制造的精密、高速、三轴定位导螺杆系统。顾客们认可了我们精密导螺杆专业技术，他们承认这样的内部设计使他们大吃一惊，并且希望能看到我们的更多工程技术。”

紧凑的运动部件采用能够前后运动的四个导螺杆，
由两个安装在其中两个导螺杆上的伺服电机驱动，
能够精确定位单元相机透镜或机械探测器。

小型化、效率、成本

与Kerk Motion产品紧密配合，CAR Engineering的工程设计组与最终用户合作设计了一个包括四个导螺杆、与之相匹配的驱动螺母，两个微型伺服电机的多运动组件。组件组装后尺寸仅有高1.5英寸、宽1英寸且长7英寸。

为使单元相机的透镜或机械探测器精确定位，部件设计上采用了由两个伺服电机驱动能够前后运动的四个导螺杆机构。与先前设计方案相比，这样的设计可以使得光学检测仪清晰度提高25%，同时运动控制部件尺寸减小50%。

这种计算机控制的光学检测仪采用一种基于距离的清晰度相机透镜或机械探测器，距离操作控制台可以从小到3英尺，大到40英尺。透镜或探测器可以在360°回转，并可以基于自身翻转90°，绕自身轴线旋转90°，因此它具有很大的灵活性。

基本上，这样的外围设计可以使系统完成多种多样的检测任务，可以能够探测出在铸件或其他联合件内部的细微变化。系统也能确保复杂的航空发动机结构完整性或能够检测出汽车发出吱吱声或卡嗒声的原因。

工程挑战

一旦完全确定应用的技术要求，Pickering证实设计项目不需要再循环利用导向滚珠丝杠。他说，当小型化是设计的主要目标之一时，作为替代的Kerk导螺杆被证实其设计费用只有合并小型化导向滚珠丝杠的通常设计费用的十分之一。协作设计产生数个不同方案，方案被模型化并作为“买前试用” 组件供用户选择。

如果仪器提供的清晰度还不能满足要求，Pickering说他们还可以进一步小型化设计，但是随着移动进程的进一步提高，设计遇到了挠折、扭曲问题。为解决这个问题，设计组略微增加了导螺杆直径。但是尽管如此，最终的设计系统仍然紧凑和高效。

Kerk Motion开发出一个用户界面友好的工程模式，这种工程模式简化由运动系统设计、工程效率、负载、建议速度和因摩擦产生潜在热量等组成的体系形式。借助于导螺杆与它配合的驱动螺母几何形状尺寸，Kerk Motion同样有助于工程计划。

“驱动能力受到限制，但我们有一个预先定义但需要管理的移动量和加载量，我们必须使效率最大化，螺栓上的工作效率至关重要，不仅要保证组件运作恰当，而且还要保证经久耐用。” Pickering说。

据Pickering的介绍，项目中有两方面的工程设计挑战：小型化组件和优化摩擦系数，摩擦系数应是导螺杆轮廓在设计上应满足检测仪清晰度要求的。分组件组装尽可能紧凑在检测仪把手内，因为异乎寻常的紧凑结构限制，机械组件已经没有出错机会。最终产品组装时，组件设计上要求有专用的位置来安装电路板和板载光学传感器。

初始化效率在10％～15％，系统必须优化达到必需的效率。在应用上，Kerk Motion采用专门加工方法，即采用典型的滚压方法加工导螺杆，因而，增加效率超过了20%，最终在产品设计上取得25％～28％效率。

“微型的导螺杆允许我们运用一直所期望的高精度和高效率去创造一个机械组件，” Pickering说。

为满足在没有外在的润滑、保养或调整构造的要求下运行数百万英尺，Kerk Motion的迷你系列正采用拥有专利权的聚合体材料。该产品复合了润滑剂、加强剂和明确表示可提供最适宜的、独特的热塑性特征的材料。

聚合体材料是这种特殊应用取得成功的关键成分，不像一般应用的微型组件，光学检测仪要求有特别高负载能力和实现超光滑的运动。

“设计灵活性和材料可选性是一个关键优势。” Kerk Motion产品应用专家David Arguin说，“Kerkite材料允许有更长的产品磨损期限，具有满足使用要求的高速和承载负荷的能力。”

KerKite 制造的袖珍型螺旋杆，它包括聚合体材料和复合
材料，
复合材料是由润滑剂、加强件和明确表示可提供最适宜性能的、独特的热塑性特性材料组成。

CAR Engineering现正提供制造和检测组装件，包括四个导螺杆，四个驱动螺母和伺服电机。CAR Engineering和她的用户共同定义组件和执行标准，这能够使得他们提供即插即用子件。每一个子件都有CAR提供的一系列详细的检测报告和每一部分的全部记录。“将来，假如某单元在使用中遇到问题，我们可以使用SAP评估技术借助可跟踪的制造发展数据找出失效原因。” Pickering说。最终用户现在做的是为检测仪做包括电气和计算机界面方面的最后包装组合件。

CAR Engineering是一个多学科工程公司，从工具设计、工程学到高速金属冲压、多滑块机、冲床、制螺钉机、多功能数控磨床/加工中心、放电加工，激光焊接和制造，还能进行清洁房间组装能力。

“我们的用户有一个强有力的工程项目组，但是这稍稍超出他们所能及的范围，” Pickering说。“通过引进我们的技术，能够让工程减轻负荷，并且为运动子系统负责，缓解工程难度，从而平衡他们在全部项目其他挑战性工程方面的核心能力。”

原载《DESIGN NEWS China》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2006)


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