將高速、多軸運(yùn)動(dòng)集成到單個(gè)軸上的好處經(jīng)常被忽視

當(dāng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、高速和多軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，他們可能首先想到的是精心設(shè)計(jì)的預(yù)包裝機(jī)器人手臂?；蛘?，如果他們只需要幾個(gè)軸，他們可能會(huì)考慮為每個(gè)軸配置單獨(dú)導(dǎo)軌或圓軌。但是，隱藏在這些選項(xiàng)之間的是簡(jiǎn)單且成熟但經(jīng)常被遺忘的滾珠花鍵技術(shù)。這種多軸運(yùn)動(dòng)解決方案已經(jīng)存在多年，并且仍然與當(dāng)今許多復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方案高度相關(guān)。滾珠花鍵采用獨(dú)特的架構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)集成在單個(gè)軸上，使它們能夠更靈活地在狹窄空間內(nèi)實(shí)施復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方案，從而實(shí)現(xiàn)二合一的運(yùn)動(dòng)控制（圖 1）。

圖1.滾珠花鍵可在單個(gè)軸上實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)，在不同的工作條件下提供高可靠性和預(yù)期壽命。圖片由Thomson Industries，Inc.提供

滾珠花鍵集成了旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)

滾珠花鍵可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這是通過公共軸來執(zhí)行兩種獨(dú)立運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。（圖 2）如圖，該軸包括沿其長(zhǎng)度稱為“花鍵”的軸向磨削槽，還包括一個(gè)沿軸向磨削槽移動(dòng)的滾珠花鍵螺母，可鎖定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或徑向力矩載荷。每個(gè)螺母都通過軸承支撐，常見的做法是，將一個(gè)公共錨固點(diǎn)（如圓管）固定在由機(jī)構(gòu)支撐的支架上。每個(gè)螺母將由負(fù)責(zé)控制各自運(yùn)動(dòng)軸的電機(jī)（通常是皮帶驅(qū)動(dòng)）獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

< p>為了驅(qū)動(dòng)軸向旋轉(zhuǎn)，需要轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠花鍵螺母。該螺母裝有一系列滾珠，允許沿軸自由運(yùn)動(dòng)（即，螺母以很低的摩擦力沿軸滑動(dòng)）。旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些滾珠通過花鍵槽向軸施加垂直力，使其旋轉(zhuǎn)。

為了驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)，通過液壓、氣動(dòng)或電動(dòng)活塞等直線推桿使花鍵軸向前或向后移動(dòng)。當(dāng)花鍵螺母沿軸的長(zhǎng)度方向移動(dòng)時(shí)，滾珠軸承在凹槽內(nèi)滾動(dòng)。滾動(dòng)而不是滑行具有較低的摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)，并實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、精確的直線運(yùn)動(dòng)和更高的速度。滾珠軸承在螺母內(nèi)循環(huán)，提供與軸的持續(xù)滾動(dòng)接觸。

由于錨固/支撐，這種布置也非常耐扭轉(zhuǎn)載荷（即，除非由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，否則軸會(huì)抵抗旋轉(zhuǎn)）。如果在軸伸展/縮回/靜止時(shí)從外部施加扭轉(zhuǎn)載荷到軸上，則它由花鍵螺母支撐并抵抗該載荷。除了軸上的“二合一”運(yùn)動(dòng)控制外，此功能對(duì)于它在應(yīng)用設(shè)計(jì)中的效用也同樣重要。

在單個(gè)軸上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)有很多好處。它提供更好的空間利用率，提高負(fù)載能力、速度和精度，摩擦力可以忽略不計(jì)，并以低維護(hù)需要提高耐用性。

圖2.滾珠花鍵可在單個(gè)軸上實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)器人設(shè)計(jì)帶來了許多好處，包括提高緊湊性、負(fù)載能力、速度和精度。圖片由Thomson Industries，Inc.提供

更好的空間利用率

將多個(gè)軸壓縮為一個(gè)軸，使?jié)L珠花鍵相比傳統(tǒng)軸承解決方案能夠節(jié)省更多的空間。與同類直線軸承相比，這種設(shè)計(jì)意味著更少的組件和運(yùn)動(dòng)部件，并且在相同空間內(nèi)提供更大的負(fù)載能力。

更高的負(fù)載能力

寬精密研磨凹槽增加了承載能力，并提高了硬度和剛度，以處理更大的力矩負(fù)載 — 可高達(dá)傳統(tǒng)軸承組件的兩倍。滾珠花鍵還可沿軸的長(zhǎng)度分配更多的載荷。這使它們相較于傳統(tǒng)軸承能夠承受更高的載荷，而傳統(tǒng)軸承可能更容易受到局部應(yīng)力集中的影響。滾珠花鍵在偏心載荷下也表現(xiàn)得更好，這種偏心壓力在換刀和拾取/放置等應(yīng)用中很常見。

< strong >可忽略不計(jì)的摩擦力

滾珠導(dǎo)向系統(tǒng)通過與花鍵軸槽引導(dǎo)的滾動(dòng)滾珠的切向點(diǎn)和螺母內(nèi)滾道的精確接觸，提供幾乎無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)。

更高的速度

滾珠花鍵只需要很小的力就可以軸向移動(dòng)花鍵螺母，同時(shí)傳遞扭矩并減少摩擦。與傳統(tǒng)滾珠絲杠相比，這有助于將速度提高約20%，并且運(yùn)行更平穩(wěn)。滾珠花鍵可以處理高達(dá)2m/s的速度。

高精度和準(zhǔn)確性

滾珠花鍵能提供高定位精度和準(zhǔn)確度，使其成為需要精確控制應(yīng)用的理想選擇。零背隙確保在改變方向時(shí)沒有旋轉(zhuǎn)間隙或丟失運(yùn)動(dòng)。滾珠花鍵即使在重負(fù)載下也能保持這種精度和低摩擦力，確保準(zhǔn)確和一致的運(yùn)動(dòng)。

易于安裝和維護(hù)

安裝很容易，通常需要粗孔和攻絲安裝孔來固定法蘭螺母，或通過粗孔和鍵槽固定圓螺母。其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使?jié)L珠花鍵更易于故障排除和維護(hù)。與導(dǎo)軌和滾珠絲杠的更高維護(hù)要求不同，維護(hù)團(tuán)隊(duì)只需將花鍵從軸上拉出，潤(rùn)滑后放回原處即可。

高耐用性

滾珠花鍵由于增加了滾珠軸承接觸點(diǎn)，減輕了壓力并增加了負(fù)載能力，與一些傳統(tǒng)軸承相比，使用壽命更長(zhǎng)。滾珠上的應(yīng)力越小，它們可以承受的負(fù)載就越重，同時(shí)還具有耐磨損性，長(zhǎng)期提供一致的性能。

滾珠花鍵通常可以設(shè)計(jì)有密封件和保護(hù)蓋，以保護(hù)滾珠軸承免受灰塵和碎屑等污染物的影響，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)其使用壽命。滾珠花鍵架構(gòu)從每個(gè)角度都具有安全的負(fù)載能力，這與徑向軸承不同，在徑向軸承中，必須適當(dāng)而費(fèi)力地定位滾珠才能平衡負(fù)載。

< p>節(jié)省成本

對(duì)于這種執(zhí)行兩軸運(yùn)動(dòng)的替代方式來說，前期節(jié)省是可觀的，在量較大的情況下，節(jié)省的費(fèi)用會(huì)成倍增加。與封裝的多軸系統(tǒng)相比，滾珠花鍵的成本要低得多。它們也比型材導(dǎo)軌組件更經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槠洳考?shù)量少，運(yùn)動(dòng)部件少。它們能在相同價(jià)格下提供更好的力矩負(fù)載阻力，并且安裝時(shí)需要的表面處理更少。與圓軌組件相比，滾珠花鍵的成本相似，但占地面積更小，軸數(shù)更少。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，需要維護(hù)的部件越少，就越能節(jié)省時(shí)間和成本。

應(yīng)用

需要集成直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)師應(yīng)該評(píng)估滾珠花鍵技術(shù)，看看將這兩種運(yùn)動(dòng)配置在同一軸上是否有益。以下是工廠自動(dòng)化、運(yùn)輸、醫(yī)療保健和研究中利用滾珠花鍵功能的一些應(yīng)用示例：

工廠自動(dòng)化

• 用于重復(fù)拾取和放置的組件，例如高速半導(dǎo)體物體定位，其中機(jī)械臂在裝配階段進(jìn)行拾取，旋轉(zhuǎn)并放置到另一處。
• 加工和銑削操作中的數(shù)控刀具定位。
• 用于精確控制灌裝和封蓋機(jī)構(gòu)的包裝設(shè)備。

運(yùn)輸

• 飛機(jī)控制，例如襟翼展開和油門調(diào)節(jié)。
• 軍用車輛，用于旋轉(zhuǎn)、火炮升降和車輛轉(zhuǎn)向。

醫(yī)療保健和研究

• 手術(shù)機(jī)器人，用于指導(dǎo)機(jī)器人輔助外科手術(shù)。
• 醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，用于CT掃描儀的精確運(yùn)動(dòng)或其他高精度圖像采集設(shè)備。
• 實(shí)驗(yàn)室分析，如顯微鏡載物臺(tái)和樣品定位。

滾珠花鍵的優(yōu)點(diǎn)使其成為許多應(yīng)用的理想選擇，包括（從左到右）CNC加工、造紙廠滾筒、拾取和放置以及機(jī)器自動(dòng)化。圖片由Thomson Industries，Inc.提供

為了幫助機(jī)器設(shè)計(jì)人員針對(duì)其應(yīng)用優(yōu)化滾珠花鍵，一些供應(yīng)商提供了在線指導(dǎo)。例如，市場(chǎng)上的某款滾珠花鍵選擇工具使用視覺輔助工具，使用戶可在幾分鐘內(nèi)獲得理想配置。

找到自己的位置

滾珠花鍵對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)器設(shè)計(jì)師來說是一種有吸引力的解決方案。與封裝的多軸系統(tǒng)相比，滾珠花鍵需要的空間更小，可以實(shí)現(xiàn)更高的速度，且具有摩擦力低、精度高、使用壽命更長(zhǎng)且更可預(yù)測(cè)以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。此外，它們也更便宜。

滾珠花鍵不僅可以取代封裝好的機(jī)械臂，而且其空間效率和零背隙也使它們可以用作這些總成的組件，可以延長(zhǎng)垂直行程或協(xié)助承受更重的徑向和軸向載荷。

隨著業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)變得越來越復(fù)雜，數(shù)字化、人工智能和運(yùn)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步將更多的運(yùn)動(dòng)軸引入了自動(dòng)化戰(zhàn)略，滾珠花鍵的獨(dú)特性能和多功能性終將得到應(yīng)有的尊重。