當(dāng)設(shè)計(jì)師和集成商需要簡(jiǎn)單、靈活且緊湊的直線執(zhí)行器時(shí)，他們通常會(huì)選用步進(jìn)電機(jī)直線執(zhí)行器（SMLA）。SMLA的一大優(yōu)點(diǎn)是可配置性高，但即使對(duì)資深的運(yùn)動(dòng)工程師來(lái)說(shuō)，通過(guò)整理大量的配置選項(xiàng)來(lái)針對(duì)特定應(yīng)用定制最佳解決方案也相當(dāng)棘手。充分了解各類SMLA的獨(dú)特功能和限制有利于充分利用其靈活性。
為什么選擇SMLA？
SMLA非常適合直線驅(qū)動(dòng)的原因有多種，而高水平的定制化和可配置性是其中的主要原因。憑借高效的設(shè)計(jì)，它們可進(jìn)行各種電機(jī)、梯形絲杠和梯形螺母選項(xiàng)配置，實(shí)現(xiàn)為每個(gè)應(yīng)用構(gòu)建獨(dú)特組件。
SMLA廣受歡迎的其他原因還包括，步進(jìn)電機(jī)無(wú)需編碼器等外部反饋設(shè)備即可提供基本控制。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編程，使其按照各種分辨率移動(dòng)到精確位置，而無(wú)需向驅(qū)動(dòng)器或控制器提供任何反饋。因此，其總體成本和復(fù)雜性要低于伺服、無(wú)刷直流和其他電機(jī)選項(xiàng)。
步進(jìn)電機(jī)和梯形絲杠還是自然兼容的，有利于SMLA的高可配置性。當(dāng)涉及最佳速度范圍、負(fù)載能力和位置精度時(shí)，這種自然兼容尤其顯著。
此外，梯形絲杠和步進(jìn)電機(jī)提供了許多可用的定制選項(xiàng)。例如，梯形絲杠可針對(duì)末端加工、涂層、精度、螺紋形狀和長(zhǎng)度進(jìn)行定制，而步進(jìn)電機(jī)則提供了優(yōu)化電機(jī)繞組扭矩和速度的選項(xiàng)，并可指定應(yīng)用的電纜、連接器、編碼器和端蓋加工。集成步進(jìn)電機(jī)與梯形絲杠顯著增加了可能的設(shè)計(jì)數(shù)量。
SMLA類型
盡管可能的組合數(shù)量眾多，但SMLA通常提供三種不同的配置：旋轉(zhuǎn)絲杠、旋轉(zhuǎn)螺母和執(zhí)行器。（圖1）
圖1. 三種類型的SMLA（從左到右：旋轉(zhuǎn)絲杠、旋轉(zhuǎn)螺母和伸縮執(zhí)行器）采用獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)，分別成為不同應(yīng)用的理想選擇。
每種類型的SMLA都包含相同的通用組件：步進(jìn)電機(jī) (1)、梯形絲杠 (2) 和梯形螺母 (3)，但是根據(jù)螺母的作用，其核心機(jī)構(gòu)各不相同，如圖2-4所示。
旋轉(zhuǎn)絲杠的結(jié)構(gòu)和機(jī)理
旋轉(zhuǎn)絲杠配置也被稱為電動(dòng)絲杠、外部直線、外部螺母或平移螺母，其設(shè)計(jì)靈活性和定制化能力非常高。顧名思義，驅(qū)動(dòng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)梯形絲杠進(jìn)行。當(dāng)正確限制梯形螺母以防止其與絲杠一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，它將沿著梯形絲杠的軸向平移。
圖2. 旋轉(zhuǎn)絲杠配置的剖視圖。
旋轉(zhuǎn)螺母結(jié)構(gòu)和機(jī)理
在三種配置中，旋轉(zhuǎn)螺母組件的設(shè)計(jì)最小、最緊湊。這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)最短的伸縮長(zhǎng)度和總長(zhǎng)度，同時(shí)幾乎沒有任何可見的組件旋轉(zhuǎn)。這種類型的執(zhí)行器也被稱為電動(dòng)梯形螺母、非外加螺母、內(nèi)部螺母和平移絲杠。
旋轉(zhuǎn)螺母SMLA的工作機(jī)理本質(zhì)上與旋轉(zhuǎn)絲杠配置相反。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)軸內(nèi)的集成梯形螺母旋轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)與負(fù)載連接的絲杠伸出/縮回電機(jī)。
圖3. 旋轉(zhuǎn)螺母配置的剖視圖。
伸縮式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和機(jī)理
伸縮式執(zhí)行器的性能更像大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中的傳統(tǒng)伸縮桿式執(zhí)行器，但同時(shí)具備可配置步進(jìn)電機(jī)和基于絲杠單元的優(yōu)點(diǎn)。伸縮式執(zhí)行器的核心是一種旋轉(zhuǎn)絲杠配置，帶有可“捕獲”花鍵內(nèi)梯形螺母的額外外殼組件，并使用內(nèi)部襯套提供了部分側(cè)向和彎矩負(fù)載支撐。由于這些配置的設(shè)計(jì)直接融合了導(dǎo)向和支撐，因此在很多情況下，它們無(wú)需原本可能需要的外部組件。這種類型的執(zhí)行器也被稱為電動(dòng)絲杠執(zhí)行器、電動(dòng)推桿和電動(dòng)缸。
伸縮式SMLA的工作機(jī)理與旋轉(zhuǎn)絲杠配置類似。主要區(qū)別在于其配置集成了花鍵套管和帶支撐襯套的伸縮管形式的導(dǎo)向和支撐組件，無(wú)需外部組件即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
圖4. 伸縮式配置的剖視圖。
安裝
三種SMLA配置的安裝過(guò)程類似，主要包括安裝電機(jī)、支撐梯形絲杠（如果需要）以及連接負(fù)載。它們的主要區(qū)別在于負(fù)載的連接位置和支撐方式。（圖5）對(duì)于旋轉(zhuǎn)絲杠配置，負(fù)載將連接到梯形螺母上，梯形絲杠的末端需要用軸承或襯套支撐以實(shí)現(xiàn)更大的長(zhǎng)度。
對(duì)于旋轉(zhuǎn)螺母配置，負(fù)載將連接到梯形絲杠上。對(duì)于伸縮式配置，負(fù)載將連接到伸縮管的末端安裝件上。
旋轉(zhuǎn)絲杠和旋轉(zhuǎn)螺母配置都只能承受軸向負(fù)載，因此需要直線軸承和導(dǎo)軌形式的導(dǎo)向和支撐組件才能正常運(yùn)行。由于導(dǎo)向和支撐通常已集成到伸縮式執(zhí)行器中，因此許多情況下，可以消除對(duì)直線軸承和導(dǎo)軌的需求。
圖5. 這個(gè)流體泵應(yīng)用示例說(shuō)明了全部三個(gè)SMLA的典型安裝配置（從左到右：旋轉(zhuǎn)絲杠、旋轉(zhuǎn)螺母、伸縮式執(zhí)行器）。
應(yīng)用選型
SMLA的高水平定制化和可配置性可提供無(wú)數(shù)的應(yīng)用可能。圖6所示為一些SMLA應(yīng)用的常見示例。
圖6. 通過(guò)減少所需組件的總數(shù)量，SMLA非常適合各種注重空間的應(yīng)用，包括（從左到右）：XY工作臺(tái)（旋轉(zhuǎn)絲杠）、水平定位（旋轉(zhuǎn)螺母）和移液（伸縮和旋轉(zhuǎn)絲杠）。
然后，選擇適合特定應(yīng)用的SMLA尺寸，這主要涉及了解電機(jī)、梯形絲杠和梯形螺母的限制。為了確保正常運(yùn)行和長(zhǎng)使用壽命，必須適當(dāng)選擇這些核心組件中每個(gè)組件的尺寸。所幸的是，大多數(shù)制造商都提供了這些組件的理論性能曲線圖，可便于快速確定執(zhí)行器的尺寸。這些性能圖通常采用速度和負(fù)載曲線的形式，并高亮顯示電機(jī)、絲杠和螺母組合的最佳性能范圍。
對(duì)比SMLA
SMLA支持模塊化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)其具體應(yīng)用要求高度定制的解決方案。確定合適的SMLA配置取決于許多應(yīng)用驅(qū)動(dòng)因素。
對(duì)于尋求高度定制化或真正獨(dú)特的組件組合的用戶，應(yīng)考慮旋轉(zhuǎn)絲杠執(zhí)行器。旋轉(zhuǎn)絲杠設(shè)計(jì)是最常用的SMLA類型，因此許多工程師對(duì)它們已經(jīng)非常熟悉。
對(duì)于需要更緊湊、更簡(jiǎn)單的執(zhí)行器，并且無(wú)需消隙螺母或多個(gè)編碼器選型的應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)螺母設(shè)計(jì)可能是更好的選擇。對(duì)于偏好采用更傳統(tǒng)的推桿式執(zhí)行器設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用將獲益于集成導(dǎo)向、支撐和內(nèi)置防旋轉(zhuǎn)裝置的工程師，應(yīng)考慮伸縮式設(shè)計(jì)。如果減少組件總數(shù)量很重要，則也應(yīng)考慮這種配置，因?yàn)榧傻膶?dǎo)向/支撐組件消除了購(gòu)買外部組件的需要。表1總結(jié)了每種SMLA配置最常見的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，以及一些常見的應(yīng)用示例。
為了幫助設(shè)計(jì)師和集成商整理各種選項(xiàng)，SMLA制造商推出了越來(lái)越多的在線工具，以幫助他們快速輕松地配置適合其應(yīng)用的解決方案。例如，某些在線選型工具可使用戶在幾分鐘內(nèi)確定出適合他們應(yīng)用的SMLA，同時(shí)能立即查看性能特性、3D模型、定價(jià)和交貨時(shí)間。
在了解三種主要SMLA類型的設(shè)計(jì)、機(jī)理、安裝和尺寸的前提下，應(yīng)用自動(dòng)選型工具可以幫助引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)師和集成商為其應(yīng)用做出最佳選擇。
當(dāng)設(shè)計(jì)師和集成商需要簡(jiǎn)單、靈活且緊湊的直線執(zhí)行器時(shí)，他們通常會(huì)選用步進(jìn)電機(jī)直線執(zhí)行器（SMLA）。SMLA的一大優(yōu)點(diǎn)是可配置性高，但即使對(duì)資深的運(yùn)動(dòng)工程師來(lái)說(shuō)，通過(guò)整理大量的配置選項(xiàng)來(lái)針對(duì)特定應(yīng)用定制最佳解決方案也相當(dāng)棘手。充分了解各類SMLA的獨(dú)特功能和限制有利于充分利用其靈活性。
為什么選擇SMLA？
SMLA非常適合直線驅(qū)動(dòng)的原因有多種，而高水平的定制化和可配置性是其中的主要原因。憑借高效的設(shè)計(jì)，它們可進(jìn)行各種電機(jī)、梯形絲杠和梯形螺母選項(xiàng)配置，實(shí)現(xiàn)為每個(gè)應(yīng)用構(gòu)建獨(dú)特組件。
SMLA廣受歡迎的其他原因還包括，步進(jìn)電機(jī)無(wú)需編碼器等外部反饋設(shè)備即可提供基本控制。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編程，使其按照各種分辨率移動(dòng)到精確位置，而無(wú)需向驅(qū)動(dòng)器或控制器提供任何反饋。因此，其總體成本和復(fù)雜性要低于伺服、無(wú)刷直流和其他電機(jī)選項(xiàng)。
步進(jìn)電機(jī)和梯形絲杠還是自然兼容的，有利于SMLA的高可配置性。當(dāng)涉及最佳速度范圍、負(fù)載能力和位置精度時(shí)，這種自然兼容尤其顯著。
此外，梯形絲杠和步進(jìn)電機(jī)提供了許多可用的定制選項(xiàng)。例如，梯形絲杠可針對(duì)末端加工、涂層、精度、螺紋形狀和長(zhǎng)度進(jìn)行定制，而步進(jìn)電機(jī)則提供了優(yōu)化電機(jī)繞組扭矩和速度的選項(xiàng)，并可指定應(yīng)用的電纜、連接器、編碼器和端蓋加工。集成步進(jìn)電機(jī)與梯形絲杠顯著增加了可能的設(shè)計(jì)數(shù)量。
SMLA類型
盡管可能的組合數(shù)量眾多，但SMLA通常提供三種不同的配置：旋轉(zhuǎn)絲杠、旋轉(zhuǎn)螺母和執(zhí)行器。（圖1）
圖1. 三種類型的SMLA（從左到右：旋轉(zhuǎn)絲杠、旋轉(zhuǎn)螺母和伸縮執(zhí)行器）采用獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)，分別成為不同應(yīng)用的理想選擇。
每種類型的SMLA都包含相同的通用組件：步進(jìn)電機(jī) (1)、梯形絲杠 (2) 和梯形螺母 (3)，但是根據(jù)螺母的作用，其核心機(jī)構(gòu)各不相同，如圖2-4所示。
旋轉(zhuǎn)絲杠的結(jié)構(gòu)和機(jī)理
旋轉(zhuǎn)絲杠配置也被稱為電動(dòng)絲杠、外部直線、外部螺母或平移螺母，其設(shè)計(jì)靈活性和定制化能力非常高。顧名思義，驅(qū)動(dòng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)梯形絲杠進(jìn)行。當(dāng)正確限制梯形螺母以防止其與絲杠一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，它將沿著梯形絲杠的軸向平移。
圖2. 旋轉(zhuǎn)絲杠配置的剖視圖。
旋轉(zhuǎn)螺母結(jié)構(gòu)和機(jī)理
在三種配置中，旋轉(zhuǎn)螺母組件的設(shè)計(jì)最小、最緊湊。這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)最短的伸縮長(zhǎng)度和總長(zhǎng)度，同時(shí)幾乎沒有任何可見的組件旋轉(zhuǎn)。這種類型的執(zhí)行器也被稱為電動(dòng)梯形螺母、非外加螺母、內(nèi)部螺母和平移絲杠。
旋轉(zhuǎn)螺母SMLA的工作機(jī)理本質(zhì)上與旋轉(zhuǎn)絲杠配置相反。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)軸內(nèi)的集成梯形螺母旋轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)與負(fù)載連接的絲杠伸出/縮回電機(jī)。
圖3. 旋轉(zhuǎn)螺母配置的剖視圖。
伸縮式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和機(jī)理
伸縮式執(zhí)行器的性能更像大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中的傳統(tǒng)伸縮桿式執(zhí)行器，但同時(shí)具備可配置步進(jìn)電機(jī)和基于絲杠單元的優(yōu)點(diǎn)。伸縮式執(zhí)行器的核心是一種旋轉(zhuǎn)絲杠配置，帶有可“捕獲”花鍵內(nèi)梯形螺母的額外外殼組件，并使用內(nèi)部襯套提供了部分側(cè)向和彎矩負(fù)載支撐。由于這些配置的設(shè)計(jì)直接融合了導(dǎo)向和支撐，因此在很多情況下，它們無(wú)需原本可能需要的外部組件。這種類型的執(zhí)行器也被稱為電動(dòng)絲杠執(zhí)行器、電動(dòng)推桿和電動(dòng)缸。
伸縮式SMLA的工作機(jī)理與旋轉(zhuǎn)絲杠配置類似。主要區(qū)別在于其配置集成了花鍵套管和帶支撐襯套的伸縮管形式的導(dǎo)向和支撐組件，無(wú)需外部組件即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
圖4. 伸縮式配置的剖視圖。
安裝
三種SMLA配置的安裝過(guò)程類似，主要包括安裝電機(jī)、支撐梯形絲杠（如果需要）以及連接負(fù)載。它們的主要區(qū)別在于負(fù)載的連接位置和支撐方式。（圖5）對(duì)于旋轉(zhuǎn)絲杠配置，負(fù)載將連接到梯形螺母上，梯形絲杠的末端需要用軸承或襯套支撐以實(shí)現(xiàn)更大的長(zhǎng)度。
對(duì)于旋轉(zhuǎn)螺母配置，負(fù)載將連接到梯形絲杠上。對(duì)于伸縮式配置，負(fù)載將連接到伸縮管的末端安裝件上。
旋轉(zhuǎn)絲杠和旋轉(zhuǎn)螺母配置都只能承受軸向負(fù)載，因此需要直線軸承和導(dǎo)軌形式的導(dǎo)向和支撐組件才能正常運(yùn)行。由于導(dǎo)向和支撐通常已集成到伸縮式執(zhí)行器中，因此許多情況下，可以消除對(duì)直線軸承和導(dǎo)軌的需求。
圖5. 這個(gè)流體泵應(yīng)用示例說(shuō)明了全部三個(gè)SMLA的典型安裝配置（從左到右：旋轉(zhuǎn)絲杠、旋轉(zhuǎn)螺母、伸縮式執(zhí)行器）。
應(yīng)用選型
SMLA的高水平定制化和可配置性可提供無(wú)數(shù)的應(yīng)用可能。圖6所示為一些SMLA應(yīng)用的常見示例。
圖6. 通過(guò)減少所需組件的總數(shù)量，SMLA非常適合各種注重空間的應(yīng)用，包括（從左到右）：XY工作臺(tái)（旋轉(zhuǎn)絲杠）、水平定位（旋轉(zhuǎn)螺母）和移液（伸縮和旋轉(zhuǎn)絲杠）。
然后，選擇適合特定應(yīng)用的SMLA尺寸，這主要涉及了解電機(jī)、梯形絲杠和梯形螺母的限制。為了確保正常運(yùn)行和長(zhǎng)使用壽命，必須適當(dāng)選擇這些核心組件中每個(gè)組件的尺寸。所幸的是，大多數(shù)制造商都提供了這些組件的理論性能曲線圖，可便于快速確定執(zhí)行器的尺寸。這些性能圖通常采用速度和負(fù)載曲線的形式，并高亮顯示電機(jī)、絲杠和螺母組合的最佳性能范圍。
對(duì)比SMLA
SMLA支持模塊化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)其具體應(yīng)用要求高度定制的解決方案。確定合適的SMLA配置取決于許多應(yīng)用驅(qū)動(dòng)因素。
對(duì)于尋求高度定制化或真正獨(dú)特的組件組合的用戶，應(yīng)考慮旋轉(zhuǎn)絲杠執(zhí)行器。旋轉(zhuǎn)絲杠設(shè)計(jì)是最常用的SMLA類型，因此許多工程師對(duì)它們已經(jīng)非常熟悉。
對(duì)于需要更緊湊、更簡(jiǎn)單的執(zhí)行器，并且無(wú)需消隙螺母或多個(gè)編碼器選型的應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)螺母設(shè)計(jì)可能是更好的選擇。對(duì)于偏好采用更傳統(tǒng)的推桿式執(zhí)行器設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用將獲益于集成導(dǎo)向、支撐和內(nèi)置防旋轉(zhuǎn)裝置的工程師，應(yīng)考慮伸縮式設(shè)計(jì)。如果減少組件總數(shù)量很重要，則也應(yīng)考慮這種配置，因?yàn)榧傻膶?dǎo)向/支撐組件消除了購(gòu)買外部組件的需要。表1總結(jié)了每種SMLA配置最常見的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，以及一些常見的應(yīng)用示例。
為了幫助設(shè)計(jì)師和集成商整理各種選項(xiàng)，SMLA制造商推出了越來(lái)越多的在線工具，以幫助他們快速輕松地配置適合其應(yīng)用的解決方案。例如，某些在線選型工具可使用戶在幾分鐘內(nèi)確定出適合他們應(yīng)用的SMLA，同時(shí)能立即查看性能特性、3D模型、定價(jià)和交貨時(shí)間。
在了解三種主要SMLA類型的設(shè)計(jì)、機(jī)理、安裝和尺寸的前提下，應(yīng)用自動(dòng)選型工具可以幫助引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)師和集成商為其應(yīng)用做出最佳選擇。
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