通过Mark Huebner, PBC线性市场开发经理
当评估一个扫描、打印或加工设备的机电一体化时，4个部件和一个特性是至关重要的。检查每个操作系统，并对其进行优化，将提供可能产生最高质量的设备，无论是业余爱好者的预算，还是标准桌面单位的大量生产，或高端立体光刻或医疗扫描设备。
在数字环境和真实的有形世界之间移动物品已经成为我们生活中许多领域的日常惯例。扫描设备让人们通过机场安检，为医疗目的数字化患者或x射线媒体的图像，并将创建实体模型的数据输入减少到单次扫描操作。输出设备已从纸张上的平面打印发展到数字打印机，能够打印到各种介质上，如织物、玻璃、金属等。
Trinity Labs的Aluminatus 3D打印机采用简单的滑动轴承，Simo系列线性工作台，和PBC线性恒力技术丝杠。
近年来，3D打印技术带来了快速的原型制作和在桌面上创建几乎任何形状的能力。用于更传统的减法生产方法的机器，如布线、蚀刻或机械加工，可以轻松地直接接受扫描的数字图像，并快速生成物理物品。
在开发扫描、加法（3D打印）或减法设备的新设计时，考虑的因素各不相同，例如个人为了好玩而构建其第一台3D打印机，设计团队为教育机构开发可靠的桌面模型，或集体构建工业用高端加法设备。然而，在每种情况下，都会有五个基本设计领域影响给定系统的质量、可重复性和寿命。当针对应用条件进行优化时，完整的机电系统将提供高质量的结果
需要评估的五个领域是:
1-Guide Rails
2-Bearings
3次方传输
4-Electronics
5-Manufacturability
1.导轨
淬硬钢圆轴或型材轨经过严格的公差研磨，为轴承提供光滑的运行表面。然而，当涉及到在平行的情况下安装它们时，它们可能很难使用——需要特殊的夹具、激光或其他设备来校准。任何不对中都将导致不一致的摩擦力，这将影响零件(如相机或打印头)所需的平滑运动。此外，安装表面也需要精确的制造，通常是地面或机械加工，这增加了整体装配的成本。
导轮采用合格的滚子轴承
硬化钢滚道的弯曲、扭曲和翘曲公差很紧。
一体式预对齐导轨或导轨可提供各种形式，并提供了传统组件组装的替代方案。变化包括:
•铝制底座，带有圆形或v型淬硬钢嵌入滚道
•设计用于滑动轴承的完整铝挤压件。
这里显示的是一个图形模型，是对多个部件的平整度、直线度和平行度的实际检验报告，并与一个合格的一体式直线导轨进行比较。
当评估铝轨时，要注意一些保持“挤压”公差的铝轨无法达到扫描、打印或加工应用所需的精度。一些制造商在制造方法上的进步将在保持铝型材的成本优势的同时，对弯曲、扭曲和翘曲产生严格的公差。此外，滚道的预对准降低了装配成本，并在输入或输出设备上产生一致的结果。
单独安装的导轨难以对齐，增加了成本，降低了性能。
2.方位
塑料外嵌轴承(在低成本扫描、打印和减法机器设计中是一种常见的选择)通常成本低，但公差可能不像应用程序所需的那么紧。塑料是注塑成型的，因此可能没有经过加工操作到内径。通常，塑料轴承辗过的挤压铝轨的公差不够紧。缺乏对这两个部件的公差控制会影响单个设备内的摩擦力，使机器之间的可重复装配变得困难。
滑动轴承与聚四氟乙烯为基础的Frelon®衬垫消除金属对金属接触，是自润滑。
循环球轴承，无论是圆形还是方形轴承座，都提供刚性预加载低摩擦运动，可以克服一些错位问题。轴承具有良好的承载能力和力矩能力，可在轨道上实现刚性、精确的运动，因为消除了间隙。然而，真正的精度最终取决于整个系统的功能，包括电力传输和电子设备。
由于金属与金属的接触，质量输出可能会出现问题。这些小球不仅与钢轴接触，还会相互碰撞，产生冲击振动，这些振动被电子设备捕捉到。这一操作可能导致数字图像和打印部分出现不规则的伪线。
滚子轴承最大限度地减少金属对金属的接触，每个轴承的一条线，同时保持预紧可调性。它们也能平稳地进行高速操作，如在极快的打印应用中发现的。滚子轴承具有承载能力的优势，特别是在力矩或侧向载荷是因素的情况下。它们可以密封防止污染，大直径的车轮有利于滚动或移动微粒。
青铜轴承骑在一个圆硬钢轴是另一种选择。它们的摩擦系数很高，往往保持一致，但金属之间的接触以及宽松的公差会降低质量输出。
粘合聚四氟乙烯基轴承是一种替代方案，消除了金属对金属的接触，具有最一致的摩擦性能系数，以及精确研磨到精确公差。该材料也适用于使用的两圆轴或预先对齐的轨道和导轨。这些特性有助于在输入和输出设备中产生高质量的结果。
3.电力传输
滚珠丝杠在驱动直线运动时具有明显的机械优势，很像预加载循环滚珠轴承，它们提供精确的，低摩擦的运动。然而，当金属对金属与小钢球接触时，问题就会出现;电子设备的振动和反馈对质量有影响。由于在制造过程中所需要的精度，成本也趋于上升。然而，较低的效率通常不适用于与大量扫描、打印或加工平台相关的相对较轻的负载。
采用聚合物螺帽的丝杠是所有三种应用中性价比较高的选择。由于更少的移动部件和更容易的制造过程，成本更低。性能优势，如消除金属对金属接触和具有一致的摩擦力，导致最高质量的输出在扫描或打印可能。更大的引线，产生高达25毫米的运动每一个旋转，使他们成为一个替代的高速应用，更大的控制比皮带可以交付是需要的。
对线性系统来说，所有旋转元件的对准是至关重要的。“抖动”会导致图像质量差。如图所示:红色=电机对中，绿色=联轴器对中，蓝色=螺丝对中。
针对丝杠出现了两种类型的防侧隙控制螺母:
•传统的防齿隙螺母采用螺旋弹簧和夹头设计，传递可变力以消除系统的间隙或齿隙。该系统的优点是通常可以手动调整，但产生的力可能会迅速变化，预载可能会丢失。
•恒力(CFT)型螺母在运动剖面的所有阶段和整个使用寿命中对螺母施加一致的压力。该驱动机构可以加速，刹车，和转弯快速相比，“弹性”效应和齿槽加强皮带和皮带轮的设计。这种皮带的“拉扯”会导致像海鳐鱼一样的图案，或者在一些特征上失去锐利性，比如洞或腔。
皮带驱动系统以适中的成本提供高速运行。通常在一个组件中有更多的组件，皮带驱动器的安装和调整可能是耗时的。由于皮带在滑轮上的“齿槽”效应，它们很难对较短的行程进行微调。皮带往往在较长的长度表现最好，开始超过500毫米的行程。
4.电子产品
电动机:步进电机是运动控制成本最低的选择，具有简单的布线和很少的连接。因此，对于基本或标准桌面类型设备来说，它们是一个有吸引力的选择。它们产生高质量的结果，当与抗侧隙丝杠配合时，最大限度地减少每一步产生的“颠簸”的影响。然而，当与皮带传动系统结合时，由于前一节提到的“齿槽”，这种影响可能会被放大。
伺服电机系统是昂贵的，更复杂的设置和程序，并需要更多的微调，但控制水平和图像或产品的质量可以提高高端机器。
反馈:开环或无反馈控制器成本低，易于实现。但由于没有实际测量的位置或产品注册，最高质量的输入或输出将难以实现。
旋转编码器可以提高质量，因为它可以测量位置。然而，这个测量是关于电机位置的，并且假设轴承、导向和驱动的机械系统没有变化。
线性编码器将提供最高质量的输入或输出，基于机器感兴趣点的位置测量。它提供关于扫描、打印或加工头位置的实时反馈。
5.可制造性
易于装配:对于任何系统来说，首要考虑的是能够以低成本轻松地制造和组装各种组件，同时保持一致的对齐。一个例子是电机与丝杠的连接。通过将螺杆与电机集成，省去耦合器，不仅可以简化装配过程，减少零件数量和成本，而且可以提高质量。消除公差叠加，降低同心度和跳动，同时提高刚性。由于旋转惯性质量的减小，运动学也得到了增强。
显示- 3D打印机的对比图像:(左)典型的组件设计与数百个部件;(右)工程装配大大减少了部件的数量。阅读更多3D打印应用故事在本期。
另一个例子是对轨道和轴承的评估。成本性能要求通常最好由两件合格的预对齐轨道和集成轴承车厢来满足，而不是由难以对齐的多件组件、单个轨道的组装和单个轴承的安装来满足。这种分析组件和组件的关键方法可以应用于平台设计评审的每个领域。
PBC Linear®帮助Trinity Labs建立3D打印成功
Trinity Labs是一家位于俄勒冈州波特兰市的笛卡尔机器人研发公司，该公司“设想了一个世界，在这个世界里，观念和现实之间的传统障碍已成为过去。”他们对这一目标的奉献远远超出了言语，因为他们不断发展和推进3D打印(3DP)技术，同时使它既爱好者和认真的工程师一样。通过为RepRap社区提供一系列组件，为寻求升级的人提供改装套件，以及完整的专业桌面3D打印机，Trinity Labs使人们能够轻松地参与到3DP领域中，而无需承担与许多快速成型选项相关的高昂启动成本。
Trinity Labs的Aluminatus 3D打印机采用简单的滑动轴承，Simo系列线性工作台，和PBC线性恒力技术丝杠。
Trinity实验室提供的质量的一个关键方面是PBC Linear为“X”和“Y”轴提供的稳定运动。低调的统一指南™ （UGA）是一个简单的两件式系统。它由一个整体式线性轨道组成，所有关键表面均采用PBC linear开发的正在申请专利的单程SIMO®工艺进行加工。这一过程实际上消除了弓，扭曲，和一个精确的，但具有成本效益的线性引导翘曲。车厢也是铝制的，集成的轴瓦永久性地直接连接到车厢上。这些轴瓦由FrelonGOLD®制成，FrelonGOLD®是一种PTFE基材料，具有自润滑性，可提供一致的平滑运动。导轨和托架之间的间隙保持在严格的公差范围内，从而与导轨紧密配合，并反映在质量输出中。这最终会更好地控制3D打印机底座上的材料堆积。UGA导轨和托架总成是现场现有机器和Trinity Labs重新设计的MendleMaxPro型号改装套件的一部分。
最初的设计采用双轴线性系统和青铜衬套。它需要多个部件、夹具和耗时的装配过程来对齐轴，以便轴承可以自由移动而不受约束。2件式单导轨设计省去了这些装配和对准过程，节省了时间，并使现有机器易于现场改造。
Trinity Labs创始人兼总裁Ezra Zygmuntowicz表示，对于现有打印机的改装套件，“这是目前开源RepRap 3D打印机社区生态系统中质量最高的y轴解决方案。低调的unguide在性能和客户满意度方面给了我们巨大的提升。这确实引起了轰动，直到我们开始发货，因为人们非常渴望得到新版本的MendleMax。我们的订单激增。此外，我们已经开始在Prusa Mendel RepRap打印机的y轴升级套件中使用UniGuide。有一大批用户会喜欢这个游戏。”
最近，三一实验室发布了一款新的桌面打印机，旨在使更高精度的3D打印更实惠。Aluminatus TrinityOne平台在“X”和“Y”轴上使用SIMO®系列丝杠从动导轨。这些驱动系统基于相同的UGA轨道和车厢，但也集成了一个恒力™丝杠和螺母来驱动车厢。铝的设计进一步减少了组件的数量组装。零件数量从400件减少到35件，总装配时间从40小时减少到2小时以下。
SIMO系列和恒力技术(CFT)的结合技术为Aluminatus提供了满足Trinity实验室标准所需的高质量直线运动，并增加了3D打印目标。以前使用的皮带驱动系统保持了+/- 0.1 mm/m的线性位置的重复性，最小的层高度在100微米。使用SIMO系列和CFT, Aluminatus具有+/- 0.02 mm/m的重复性和50微米的层高。这些公差是可能的，因为CFT丝杠技术允许驱动机构加速、制动和转弯快速响应精度，与“弹性”效应和加强皮带和滑轮设计的齿槽相比。这种皮带的“拉扯”会导致像海默鱼一样的图案，或者在一些特征上失去锐度，比如洞或腔。使用CFT丝杠进行更大控制的另一个好处是，Aluminatus可以使用整个300 x 300 x 350 mm的工作空间，而不用担心随着高度的增加零件质量下降。
认识到三一实验室在改装套件和新机器方面的部分成功可以直接追溯到低调的UniGuide、SIMO系列线性导轨和恒力技术丝杠，Ezra说:“我们希望销售大量的x - y轴解决方案，并寻找未来打印机的潜在z轴应用。”
PBC线性
www.pbclinear.com
根据以下文件提交：滚珠螺钉•丝杠螺钉，设计世界的文章，数字制造，编码器•线性，编码器(旋转)+分解器，直线运动•滑动，机械，机电一体化
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