选择正确的线性执行器

为您的申请意味着选择右执行器的最大性能。鉴于无数的选择，这可能是挑战性的。让我们仔细看看权衡和问题。

线性驱动器将伺服或步进电机的旋转运动转换为线性运动。执行机构有很多种类型，包括丝杠执行机构、滚珠丝杠执行机构、行星滚子丝杠执行机构、皮带传动等。设计可以是无杆，杆风格，甚至集成电机到执行器。那么你该如何选择呢?

与工程中的大多数东西一样，执行器的选择归结为应用程序。在考虑各种技术之前，请清楚地了解您的要求，从负载，速度和准确性到所需的寿命和占空比。执行器是否会在冲洗，真空或其他恶劣环境中运行？你有多少空间？当然，你的预算是什么？

有了这些信息，您可以做出明智的选择，并找到将为投资提供最佳性能的技术。“作为一名设计工程师，你有四五项技术在回顾你，”科克运动产品公司(Kerk Motion Products Inc.，新罕布什尔州霍利斯)的应用工程师斯科特·弗雷德里克(Scott Frederick)说。“当你完成一份特定的申请时，当你完成它的时候，你可能只剩下一两个选择了。”

螺杆技术
那么有哪些选择呢?直线执行器可分为螺杆式和带式。在第一类中，旋转螺旋产生运动。螺杆式执行机构可进一步分为丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠类型。

在最基本的设计中，通常被称为丝杠驱动器，螺纹螺母相对于丝杠移动，在任何不是固定的元件中产生运动。术语“丝杠”实际上是一个错误的名称，因为所有的丝杠设计都是基于丝杠，但为了达到本文的目的和减少混淆，我们将使用它。丝杠技术简单、经济，应用广泛。该驱动器往往是安静的，并遭受较少的反驱动比其他选择。

因为螺母的表面是滑动的螺纹，然而，摩擦，从而磨损，成为问题。这降低了寿命、效率、速度和性能，因为固体螺母的磨损可能会影响精度/重复性。摩擦阻力甚至可能需要更高的输入扭矩。

一般来说，引线螺钉是成本驱动的应用程序的良好解决方案，可以容忍性能的折衷。据弗雷德里克说，这仍然使这项技术在一系列令人惊讶的市场中占有一席之地。他说:“医疗行业、生命科学、半导体、汽车和数据存储都在丝杠领域发挥了很好的作用。”“部分原因是，这些应用程序通常涉及较轻的负载(500磅或以下)，而且负载周期通常不是24/7运行。”他指出，特别是在医疗和生命科学市场，手术通常每周5天，每天8小时，完全在丝杠驱动器的性能范围内。

在滚珠丝杠致动器中，螺母周围的螺栓的运动从滚珠轴承，减少摩擦，分配负荷和提高铅螺丝型设计的寿命可预测性。滚珠丝杠可以取得重载并提供精密定位。它们提供高于铅螺钉的效率和推力能力。

一如既往，这是有权衡的。滚珠丝杠比丝杠贵。轴承可能会被污染，被覆盖，甚至断裂，降低性能或触发故障。滚珠丝杠减少了摩擦力，使其更容易驱动，但也使其更容易反向驱动，例如在垂直应用中。滚珠轴承也产生更多的噪音。

行星利弊
下一个上升的性能阶梯是行星滚柱丝杠。在滚子螺杆中，螺纹滚子的行星排列围绕着主螺纹轴，增加了承受负载的表面积，并赋予了螺杆名称。行星滚柱螺钉提供最高的推力和寿命的任何螺旋型执行机构，操作与最低的维护和高效率。

当然，在现实世界中，所有美好的东西都是价格，行星螺丝也不例外。他们的成本是三种铅螺杆技术中最高的。然而，对于苛刻的应用，行星螺钉提供性能。“如果客户说他们需要20年的生活中的产品 - 它可能是它在一个没有维护的远程位置，那么也许滚轮螺丝将是最佳选择，”弗雷德里克说。

由于在行星式设计中，围绕着中心丝杠的螺钉数量很多，螺母往往比较大。与滚珠丝杠一样，减少运动阻力意味着增加向后驱动的脆弱性;事实上，马达扭矩的损失会使行星螺杆自由下落。

通常，行星螺钉是需要高推力力和长寿命的应用的最佳解决方案。然而，在某些情况下，滚珠丝杠解决方案可能为可以提供尺寸的运输成本提供的应用提供可行的替代方案。

“我可以从标准滚珠丝杠作为行星螺钉那样高的力，但直径将会成长，其他一切都是平等的，”营销经理Jim Drennen说：Tolomatic Inc .)（哈梅尔，明尼苏达州）。与如此多的东西一样，这是一个权衡。“Sometimes people say, ‘You know, I'm just going to go ahead and take the penalty of size because I've got a stationary piece of equipment anyway.’ Other people will make size a consideration because the application is robot end-of-arm tooling or in tight quarters, and then you’re going to see the planetary screw work.”

皮带传动基础知识
螺杆驱动器的替代方案是皮带驱动器，特别是当速度是本质的时。“随着电动机和齿轮减少的正确组合，您将接近气动学的速度，”德伦登说，将皮带驱动器执行器速度快至每秒200英寸（/ s）。

所有螺钉设备都有所谓的临界速度。随着螺丝旋转更快，它在被称为螺钉鞭子，引起振动，过早的磨损和最终失败的情况下开始凹陷。该现象取决于螺杆直径，铅和转速？直径越大，临界速度越大。

Drennen说:“我们正在研究如何支持螺丝，以便提高速度。”“10到50英寸/秒的范围可能是螺丝的高端。对于50英寸/秒到200英寸/秒的应用程序，你可以看看传送带。”

根据德伦登的说法，聚氨酯钢带足以提供合理的寿命。皮带驱动器是需要速度和力的水平应用的理想选择。它们通常不用于垂直应用，因为皮带的破损可以将负载放入自由落体。

皮带传动的重复性不像替代品一样好——大约在+/- 0.002到+/-0.010英寸。或更高，与+/-0.0001到+/-0.003。提供引线或滚珠丝杠设计。对于需要速度的应用，皮带传动可能是最好的选择。罗森格伦说:“虽然在某些情况下，精确程度可能会受到轻微影响，但在高速下实现长冲程的能力远远超过任何精确度的损失。”

噪音或复杂性往往不是问题的皮带驱动器。就像任何皮带一样，它们可以拉伸，需要定期拉紧。对于行程长度，皮带下垂也可能是一个问题。

无杆或杆式
另一组权衡涉及杆式或无杆执行器之间的选择。在杆式致动器中，推力元件或杆在致动器的末端移动，因为运动发生。在无杆式风格中，执行器外壳完全围绕螺钉，该螺钉将负载移动在沿着致动器的顶部骑在骑行的平台上。

这两种类型提供不同的价值主张。杆式执行器在推力式应用中产生更多的力量和卓越，而无杆风格支持负载。“杆式执行器的杆式执行器有一点房地产，所以您可以放置​​更大的轴承机制，无论是球螺母还是滚柱螺母还是ACME螺母，而且由于那个，您可以产生更多的推力在给定的足迹中，“Tolomatic的Gary Rosengren说。“你不试图将这种旋转运动传送到直线电动机通过另一个构件到致动器的托架，例如通过圆柱结构的侧面的细长槽[无杆致动器]。一直都是或多或少的。“

杆式的缺点是大多数应用需要一种结构来承载负荷。例如，杆式执行器将使木材平板推入纸箱中，但例如，可能不一定是在钻机压机中定位用于钻孔序列的那些木头的最佳解决方案。“这并不是真的旨在掌握负荷，”弗雷德里克说。“你可能很可能需要一些外部轴承结构。”

除了提供承载轴承和引导结构之外，螺钉钳（临界速度）倾向于不太受到螺旋鞭子（临界速度）。与一端的支持相比，螺母在任何一端和螺母上都是仅靠的螺丝，只能像相应的杆式一样。无杆执行器还提供较小的占地面积，因为螺钉是包含的。

在杆式执行器中，突出杆的质量会导致凹陷，损害刚性和轴承元件的磨损增加;例外是垂直推力情况，其中负载可以居中在杆上。

杆式执行机构真正擅长的一个地方是在肮脏的环境中，如尘土飞扬的工厂地板，清洗环境，或腐蚀性材料的环境。杆式执行机构除电机的安装点和杆的出口点外是密封的。无杆执行机构需要执行机构的窄缝长度，以允许承重平台与螺母连接并随螺母移动，这使得它们在潮湿环境下很难(如果不是不可能的话)密封。

Drennen认为无杆驱动器的利用率还不够高。他说:“我认为有杆与无杆的市场规模可能是10比1。”“我认为更多的人会想到杆式。如果他们评估自己的应用，看看他们试图做什么来引导和支持外部负载，他们会考虑内置这些东西的无杆风格。”

集成执行器
集成正在扫描运动控制行业，并且执行器也不例外。集成致动器系列从螺钉定位在电机内的设计中，以便随着绕组通电，引线螺钉旋转到包含驱动器和控制的版本。

艾克斯拉公司(Exlar Corp.，明尼苏达州查哈森市)销售和营销副总裁约翰·沃克说:“进一步整合所有不同的部分似乎是一种趋势。”“没有长螺纹轴和长螺纹气缸，(螺母)成为电机的转子。然后，拉杆进入转子内部，(组件)长度减半，宽度减半，与电机连接在执行机构旁边。”

将执行器集成到电机中消除了对耦合的需求，这消除了重量，部分，并且可以成为另一个故障点。特别是重量成为必须最小化惯性的应用的问题，例如在机器人臂的尽头。

集成执行机构的价值主张与集成电机相同:易于维护。对于停机成本高的应用，更换驱动器变得非常简单，只需拧下驱动器，再拧上另一个驱动器即可。另一方面，这取决于你问的是谁，这些部件的成本可能高于由单独组件组成的系统，而且执行器比电机更容易发生故障。Drennen说:“我们的经验表明，单独组件驱动器中的电机通常不是第一个故障点。“问题出在螺杆的轴承结构上。”

和往常一样，这取决于应用程序。如果不考虑时间和维护成本，那么传统系统可能是您的解决方案。在半导体制造等应用中，几分钟的停机时间可能要花费数千美元，在诊断和更换时间上节省的资金将超过组件的成本。

设计模块化
当然，这个理论的搭便车是，对于大量轴和各种轴的机器要求，备件库存可能是令人惊叹的。一个答案是通过尝试在少数执行器类型上标准化来设计解决此问题。然而，这种方法的缺点可以是集成执行器的一般性规范。

例如，Drennen建议要谨慎。“我看到很多人把他们的电动马达弄得太大，以至于他们要花更多的钱来买。但不仅仅是电机，现在驱动和控制的尺寸和成本都在增长，所有这些都导致了整体成本的上升。这就是标准化能给你带来的——你降低了库存成本，但增加了零部件采购。”最终，这归结为一个数字游戏。“你得自己算算。在某种程度上，基于一台机器上不同电机的数量和轴的数量，标准化可能是有意义的。在其他情况下，无论驱动器大小，购买驱动器都是合理的。”

它全部来自于相同的消息 - 申请应该推动您的决定。“从根本上开始，你试图完成的是什么，”Rosengren建议。“负载是什么，它是如何导向的，我们试图实现什么样的运动配置文件？这将使我们能够开始考虑每种特定类型的执行器的机械属性并专注于执行器的那一点最有可能不仅提供具有给定参数的运动型材，而且还提供所需的寿命。“

致谢
对于有用的投入，谢谢去John Wong，高级工程师东方电机美国公司(加州托兰斯)。