當設(shè)計師和集成商需要簡單、靈活且緊湊的直線執(zhí)行器時,他們通常會選用步進電機直線執(zhí)行器(SMLA)。SMLA的一大優(yōu)點是可配置性高,但即使對資深的運動工程師來說,通過整理大量的配置選項來針對特定應(yīng)用定制最佳解決方案也相當棘手。充分了解各類SMLA的獨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,它們可進行各種電機、梯形絲杠和梯形螺母選項配置,實現(xiàn)為每個應(yīng)用構(gòu)建獨特組件。
SMLA廣受歡迎的其他原因還包括,步進電機無需編碼器等外部反饋設(shè)備即可提供基本控制。設(shè)計人員可以對步進電機進行編程,使其按照各種分辨率移動到精確位置,而無需向驅(qū)動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、無刷直流和其他電機選項。
步進電機和梯形絲杠還是自然兼容的,有利于SMLA的高可配置性。當涉及最佳速度范圍、負載能力和位置精度時,這種自然兼容尤其顯著。
此外,梯形絲杠和步進電機提供了許多可用的定制選項。例如,梯形絲杠可針對末端加工、涂層、精度、螺紋形狀和長度進行定制,而步進電機則提供了優(yōu)化電機繞組扭矩和速度的選項,并可指定應(yīng)用的電纜、連接器、編碼器和端蓋加工。集成步進電機與梯形絲杠顯著增加了可能的設(shè)計數(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)采用獨特的機械結(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:步進電機 (1)、梯形絲杠 (2) 和梯形螺母 (3),但是根據(jù)螺母的作用,其核心機構(gòu)各不相同,如圖2-4所示。
旋轉(zhuǎn)絲杠的結(jié)構(gòu)和機理
旋轉(zhuǎn)絲杠配置也被稱為電動絲杠、外部直線、外部螺母或平移螺母,其設(shè)計靈活性和定制化能力非常高。顧名思義,驅(qū)動通過旋轉(zhuǎn)梯形絲杠進行。當正確限制梯形螺母以防止其與絲杠一起旋轉(zhuǎn)時,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)和機理
在三種配置中,旋轉(zhuǎn)螺母組件的設(shè)計最小、最緊湊。這種設(shè)計可實現(xiàn)最短的伸縮長度和總長度,同時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的工作機理本質(zhì)上與旋轉(zhuǎn)絲杠配置相反。當電機旋轉(zhuǎn)時,電機軸內(nèi)的集成梯形螺母旋轉(zhuǎn),并驅(qū)動與負載連接的絲杠伸出/縮回電機。
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,但同時具備可配置步進電機和基于絲杠單元的優(yōu)點。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)向和彎矩負載支撐。由于這些配置的設(shè)計直接融合了導(dǎo)向和支撐,因此在很多情況下,它們無需原本可能需要的外部組件。這種類型的執(zhí)行器也被稱為電動絲杠執(zhí)行器、電動推桿和電動缸。
伸縮式SMLA的工作機理與旋轉(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,無需外部組件即可實現(xiàn)運動。
圖4. 伸縮式配置的剖視圖。
安裝
三種SMLA配置的安裝過程類似,主要包括安裝電機、支撐梯形絲杠(如果需要)以及連接負載。它們的主要區(qū)別在于負載的連接位置和支撐方式。(圖5)對于旋轉(zhuǎn)絲杠配置,負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現(xiàn)更大的長度。
對于旋轉(zhuǎn)螺母配置,負載將連接到梯形絲杠上。對于伸縮式配置,負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,可以消除對直線軸承和導(dǎo)軌的需求。
圖5. 這個流體泵應(yīng)用示例說明了全部三個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(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、梯形絲杠和梯形螺母的限制。為了確保正常運行和長使用壽命,必須適當選擇這些核心組件中每個組件的尺寸。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載曲線的形式,并高亮顯示電機、絲杠和螺母組合的最佳性能范圍。
對比SMLA
SMLA支持模塊化運動系統(tǒng)設(shè)計方法,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)動因素。
對于尋求高度定制化或真正獨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)計是最常用的SMLA類型,因此許多工程師對它們已經(jīng)非常熟悉。
對于需要更緊湊、更簡單的執(zhí)行器,并且無需消隙螺母或多個編碼器選型的應(yīng)用,旋轉(zhuǎn)螺母設(shè)計可能是更好的選擇。對于偏好采用更傳統(tǒng)的推桿式執(zhí)行器設(shè)計,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。如果減少組件總數(shù)量很重要,則也應(yīng)考慮這種配置,因為集成的導(dǎo)向/支撐組件消除了購買外部組件的需要。表1總結(jié)了每種SMLA配置最常見的優(yōu)勢和劣勢,以及一些常見的應(yīng)用示例。
為了幫助設(shè)計師和集成商整理各種選項,SMLA制造商推出了越來越多的在線工具,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,同時能立即查看性能特性、3D模型、定價和交貨時間。
在了解三種主要SMLA類型的設(shè)計、機理、安裝和尺寸的前提下,應(yīng)用自動選型工具可以幫助引導(dǎo)運動設(shè)計師和集成商為其應(yīng)用做出最佳選擇。
當設(shè)計師和集成商需要簡單、靈活且緊湊的直線執(zhí)行器時,他們通常會選用步進電機直線執(zhí)行器(SMLA)。SMLA的一大優(yōu)點是可配置性高,但即使對資深的運動工程師來說,通過整理大量的配置選項來針對特定應(yīng)用定制最佳解決方案也相當棘手。充分了解各類SMLA的獨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,它們可進行各種電機、梯形絲杠和梯形螺母選項配置,實現(xiàn)為每個應(yīng)用構(gòu)建獨特組件。
SMLA廣受歡迎的其他原因還包括,步進電機無需編碼器等外部反饋設(shè)備即可提供基本控制。設(shè)計人員可以對步進電機進行編程,使其按照各種分辨率移動到精確位置,而無需向驅(qū)動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、無刷直流和其他電機選項。
步進電機和梯形絲杠還是自然兼容的,有利于SMLA的高可配置性。當涉及最佳速度范圍、負載能力和位置精度時,這種自然兼容尤其顯著。
此外,梯形絲杠和步進電機提供了許多可用的定制選項。例如,梯形絲杠可針對末端加工、涂層、精度、螺紋形狀和長度進行定制,而步進電機則提供了優(yōu)化電機繞組扭矩和速度的選項,并可指定應(yīng)用的電纜、連接器、編碼器和端蓋加工。集成步進電機與梯形絲杠顯著增加了可能的設(shè)計數(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)采用獨特的機械結(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:步進電機 (1)、梯形絲杠 (2) 和梯形螺母 (3),但是根據(jù)螺母的作用,其核心機構(gòu)各不相同,如圖2-4所示。
旋轉(zhuǎn)絲杠的結(jié)構(gòu)和機理
旋轉(zhuǎn)絲杠配置也被稱為電動絲杠、外部直線、外部螺母或平移螺母,其設(shè)計靈活性和定制化能力非常高。顧名思義,驅(qū)動通過旋轉(zhuǎn)梯形絲杠進行。當正確限制梯形螺母以防止其與絲杠一起旋轉(zhuǎn)時,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)和機理
在三種配置中,旋轉(zhuǎn)螺母組件的設(shè)計最小、最緊湊。這種設(shè)計可實現(xiàn)最短的伸縮長度和總長度,同時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的工作機理本質(zhì)上與旋轉(zhuǎn)絲杠配置相反。當電機旋轉(zhuǎn)時,電機軸內(nèi)的集成梯形螺母旋轉(zhuǎn),并驅(qū)動與負載連接的絲杠伸出/縮回電機。
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,但同時具備可配置步進電機和基于絲杠單元的優(yōu)點。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)向和彎矩負載支撐。由于這些配置的設(shè)計直接融合了導(dǎo)向和支撐,因此在很多情況下,它們無需原本可能需要的外部組件。這種類型的執(zhí)行器也被稱為電動絲杠執(zhí)行器、電動推桿和電動缸。
伸縮式SMLA的工作機理與旋轉(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,無需外部組件即可實現(xiàn)運動。
圖4. 伸縮式配置的剖視圖。
安裝
三種SMLA配置的安裝過程類似,主要包括安裝電機、支撐梯形絲杠(如果需要)以及連接負載。它們的主要區(qū)別在于負載的連接位置和支撐方式。(圖5)對于旋轉(zhuǎn)絲杠配置,負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現(xiàn)更大的長度。
對于旋轉(zhuǎn)螺母配置,負載將連接到梯形絲杠上。對于伸縮式配置,負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,可以消除對直線軸承和導(dǎo)軌的需求。
圖5. 這個流體泵應(yīng)用示例說明了全部三個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(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、梯形絲杠和梯形螺母的限制。為了確保正常運行和長使用壽命,必須適當選擇這些核心組件中每個組件的尺寸。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載曲線的形式,并高亮顯示電機、絲杠和螺母組合的最佳性能范圍。
對比SMLA
SMLA支持模塊化運動系統(tǒng)設(shè)計方法,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)動因素。
對于尋求高度定制化或真正獨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)計是最常用的SMLA類型,因此許多工程師對它們已經(jīng)非常熟悉。
對于需要更緊湊、更簡單的執(zhí)行器,并且無需消隙螺母或多個編碼器選型的應(yīng)用,旋轉(zhuǎn)螺母設(shè)計可能是更好的選擇。對于偏好采用更傳統(tǒng)的推桿式執(zhí)行器設(shè)計,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。如果減少組件總數(shù)量很重要,則也應(yīng)考慮這種配置,因為集成的導(dǎo)向/支撐組件消除了購買外部組件的需要。表1總結(jié)了每種SMLA配置最常見的優(yōu)勢和劣勢,以及一些常見的應(yīng)用示例。
為了幫助設(shè)計師和集成商整理各種選項,SMLA制造商推出了越來越多的在線工具,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,同時能立即查看性能特性、3D模型、定價和交貨時間。
在了解三種主要SMLA類型的設(shè)計、機理、安裝和尺寸的前提下,應(yīng)用自動選型工具可以幫助引導(dǎo)運動設(shè)計師和集成商為其應(yīng)用做出最佳選擇。
"