了解精密加工如何影响您的运动系统性能

很容易陷入施胶电机和驱动器和控制器的魔力，但在一天结束时，机电系统的机械部分需要尽可能多地思考和关注。这特别适用于将旋转电机的运动转换为线性位移的系统。甚至甚至具有最新连续自动调谐驱动器的直线伺服电机，如果不与正确指定和已安装的执行器配对，则可以将负载放置高精度和可重复性。在这里，我们看看可以降低性能和寿命的致动器的机械部分引入的问题。

滚珠丝杠驱动器
在螺杆型致动器，旋转马达转动，其作用于连接到负载翻译的负载的螺母的螺杆。或者，当一个螺母内部的电动机平移上下安装螺钉可以保持固定;这篇文章的目的，我们将承担整个第一款车型。螺钉的最简单的形式是梯形螺杆，其中，所述螺钉设有梯形螺纹和基于滑动摩擦螺母移动。这些设备往往是低成本，低性能，使它们最适合要求不高，预算有限的应用。

滚子螺杆，有点类似于行星齿轮，是基于滚动摩擦。它们由一个带有三角形螺纹的中心螺钉和一组相匹配的滚动螺钉组成。这种设计分散了负载，使其很好地适用于涉及高强度和高可靠性的应用。

虽然这两种设计都有自己的地方，当它涉及到精密的运动，滚珠丝杠驱动器是一种流行的解决方案。滚珠螺杆致动器是基于一个螺杆和一个移动螺母上再循环该分配负载并且最小化摩擦球轴承的游乐设施（见图1）。虽然滚珠丝杆的致动器在单一方向上是有效的，它们可以从空转，或间隙挨，对于涉及逆转的应用程序。这降低了轴的定位负载的能力。

预加载致动器提供了一种通过将球压在螺杆和螺母上的滚道中来拆下间隙，以消除任何游戏。有几种方法可以实现这一目标。一个是使用两个设计的螺母，使得每个螺母施加在相反方向上的力，类似于预加载变速箱。或者，引线换档方法在螺母的内滚道之间引入偏移，这再次紧紧地限制球（参见图2）。第三种方法是略微增加球的尺寸，使得它们更贴在滚道中。

为了保证性能，必须消除间隙。组件可以购买预负荷水平代表百分之一的负载能力。所需的预紧程度取决于应用程序的准确性和重复性规格。

管理力
滚珠丝杠设计用于支持和应用纯轴向力来移动负载。滚珠丝杠的能力是建立在滚珠螺母的整个周长和长度上的。它的设计不支持径向载荷。克林特海斯，线性运动和装配技术的销售产品管理经理博世Rexroth公司（北卡罗来纳州夏洛特），它比作机车的列车，其推动的负载，对轨道，它支持的整体负荷。

具有滚珠丝杠致动器的运动系统同样通常使用引导或轨道来支撑负载。它们防止径向和/或扭转力矩载荷扭曲滚珠丝杠，引入磨损和过早失效（见图3）。“如果你有向下的力量或角度错位，那么你只是使用球的边缘部分，这导致螺丝的无意降低”Hayes说。“这导致螺钉的过早失效，作为螺母和螺丝中的球和滚道的脱落。”

除了径向力，甚至过度的轴向压缩和拉力也可能是一个问题(见图4)。在这里，失效模式与球无关，而是螺杆本身。一个关键属性是力量;具体来说，是指螺钉承受压缩载荷而不屈曲的能力。“如果你在应用程序中压缩螺丝，那么在开始压缩和扣紧螺丝之前，在特定直径和特定负载下，你只能在螺丝上持续这么长时间，”包括你在内的项目经理Jonathan Kasberg说。Nook Industries(俄亥俄州克利夫兰)。

正确的设计不仅要考虑负载的支撑，还要考虑负载如何与驱动器本身的支撑相互作用，这就是所谓的固定性。这些选项包括，为了他们处理增加的负载的能力:

• 一端固定，另一端免费
• 两端都坚定支持
• 一端固定，一端简单支持
• 两端都是固定的

“你必须要真正重视在应用程序中发生了什么事情，只要如何负载导向，两端是如何固定，然后才能真正选择最好的螺丝，” Kasberg说。

事实上，滚珠丝杠的固定性直接影响不仅仅涉及的力，而且速度驱动器可以支持。这带来了鞭子的问题，螺杆的振荡，在某个临界转速舱单确定由系统的特性。鞭不仅降低在位置精度，它可以在机器本身的本体激发共振振动。

为了优化螺杆的性能，设备制造商有一定的自由度来应用。为了更好地理解，让我们看看临界速度的表达式N_C.，假设海平面位置：

在哪里D.为螺杆芯直径，L.是支撑件之间的距离，两者都以毫米为单位测量C._S.是由以下提供的固定系数：

随着等式所示，通过进入更大的螺纹尺寸或通过改变安装条件，可以推动临界速度更高。然而，所有这些都涉及成本和复杂性，因此需要在更大应用程序的上下文中进行评估。

右上尺寸
这就给我们带来了另一个可以显著影响系统性能的问题——大小调整。滚珠丝杠执行机构的选型是一个复杂的过程，涉及许多因素。幸运的是，大多数供应商的网站上都有可以自动完成这项工作的软件包。此外，应用工程师能够指导用户使用最佳的解决方案，以满足他们的性能、预算和寿命要求。也就是说，人们很容易跳过分析，而采用经过验证的经验法则。不过，继续读下去，你会发现为什么这可能不是你最感兴趣的。

与电机尺寸一样，在指定滚珠丝杠执行机构时，一个常见的错误是基于越大越好的假设，将零件的尺寸定得过大。海斯说:“即使某种尺寸的滚珠丝杠能够承受一定的负载，机器制造商也会认为它看起来很小，所以他们会把它加大两到三个直径尺寸，使它看起来合适。”“基本上，他们会使用精度非常高的螺丝钉，而用较小的螺丝钉可以省钱。”

超大滚珠丝杠的缺点超出了最初的资本支出。更大的螺杆导致更大的负载惯量，需要更大的电机来补偿。反过来需要一个更大的驱动器，这增加了功耗。或者，齿轮头可以有助于纠正，但在任何一种情况下，项目的尺寸和成本都会增加。

"All I can do is present the facts with regards to the sizing detail and they have the freedom to say, ‘Yeah, I hear you, it’ll work, but market perception says that’s too small, so I need to beef it up, make it look right,’” he says. “That’s a common hurdle we have to overcome.”

机器刚度对系统性能有显著的负面影响。这通常出现在由运动激发的共振振动的背景下，但它也可能是一个机械对准的问题。如果机器底座的尺寸低于负载，它将变形，这将引入挠度，这将表现为机器的操作错误，无论是加工一个零件或印刷塑料包装苏打盒。

齿轮齿条
对于超过滚珠螺杆执行器的能力的应用，机架和小齿轮设计可能是一个不错的选择。拇指规则一直是使用螺钉执行器到1或2米的行程;申请需要更大长度和准确性的线性电机;皮带驱动为长，快速的轻载;和机架和小齿轮致动器以处理更长的力量更长的速度。因为机架由连接端的多个段组成，所以它将自身带到模块化解决方案（见图5）。

没有技术是完美的，但是。所有这些齿条段需要仔细对准，并耦合以确保最佳的机械效果，这个过程可能是耗时且劳动密集的。更糟的是，传统的齿条和小齿轮解决方案高反弹，这降低了运动，防止它们比中等水平的精度实现更吃亏。

今天，与更复杂的高精度设计的版本变化。“虽然传统的齿轮齿条式动力系统是不会因为是准确的，今天有齿轮齿条设计，提供相当的性能，以直线电机和地面滚珠丝杠驱动器。”S.ays Tim Brennan, senior application engineer at Wittenstein US (Bartlett, Illinois) And if you need high precision over a longer run, a rack and pinion is an almost no brainer -- just because the costs don’t increase as much as you go to longer lengths.”

去除间隙的一种方法是通过添加第二电动机/小齿轮对来预先加载系统，类似于对球螺杆执行器讨论的双螺母技术。另一个改进是使用螺旋小齿轮，例如，例如提供更大的齿对齿接触比以支持更高的负载和更安静的操作。使用螺旋齿轮也有助于稳定系统。再加上具有非常平滑的安装表面和安装过程中的仔细对准，可以从系统中移除错误，并以实惠的解决方案提供高精度。

斜齿轮也有一些缺点，但是。“当你加速，你得到的轴向和径向力，它可以是相当多的力矩加载的，”布伦南说。“我们所发现的是加速度的限制因素机架的一个齿轮通常是您的变速箱的输出轴承。”为了获得最佳性能，寻找变速箱专为解决这一问题。

机器设计是一个整体过程。为了优化性能，设计人员需要解决多个问题。上述因素提供了选择精密线性致动器的起点，该致动器将最有效地提供应用并提供所需的性能。