线性执行器相结合性能和经济

滚珠丝杠、皮带和齿条传动等解决方案可以提供惊人的高精度和速度，超过数十米甚至数百米。

有一段时间线性电机是具有任何精度所需线性运动所需的应用程序的去选择。类似于展开的伺服电机，a线性电机只能通过足够的磁力轨道的可用性，可以通过足够的磁性材料的可用性来旅行。稀土磁体的性能最初定位了线性电机，如合理定价的高速溶液。将多个FIRCERS在同一磁铁轨道上组合在一起甚至允许单位处理合理的高负荷，使它们成为设计师越来越受欢迎的选择。然而，当稀土磁铁的价格通过屋顶时，几年前发生了所有这些。突然，工程团队正在寻找更具成本效益的选择。虽然如半导体制造和计量等所要求的应用仍然需要线性电机，但在许多情况下，像滚珠轴，皮带驱动器和齿条驱动器一样的线性执行器提供令人惊讶的有效和经济替代方案。

在定位时，线性电机被认为是金标准的好原因。除了亚微米定位精度和几十纳米的可重复性之外，它们还提供高刚性，高加速度，高速度，高速度，高速度，高速度。“您还减少了机械传动系元件的数量来控制负载，因此您的本质上没有间隙，”驱动系统组销售总监George Rabuzin说。与工程中的大多数事情一样，有权衡。线性电机比线性执行器更复杂。根据设计，系统可以遭受已知定期误差齿轮。最重要的是，有成本问题。“关于它的一切都贵，”Rabuzin说。“有一些具有线性执行器经验的年轻工程师可能会说技术是有意义的，但它非常昂贵，所以现实是如果你真的需要它，你无法证明其成本。”

线性致动器将旋转伺服电机或步进电机的运动转换为线性位移。在滚珠螺钉执行器的情况下，在轮流时，负载连接到螺母上行进的螺母。螺母内的球会降低摩擦，以及帮助分配负载，使它们能够处理高达数百磅的载荷（见图1）。然而，滚珠丝杠执行器确实有局限性。将螺钉运转太快，可以激发激发谐振模式，导致机械变形称为鞭子。随着距离的增加，这个问题恶化，因此出于实际目的，滚珠丝杠致动器的长度不超过约3米。

然而，在这些界限内，它们可以提供令人印象深刻的性能，定位精度超过12载位的行驶量±5μm。“Obviously there’s a limit to what you can do with a ball screw, but if you can get a high-speed rotary motor and a precision-ground ball screw, you can actually do a lot of precise, pretty fast moves and it’s going to be a lot cheaper than a linear motor,” says Aaron Dietrich, marketing manager atTolomatic Inc.（哈梅尔，明尼苏达州）。在电动机反馈回路外，将线性编码器添加到致动器或定位级，除电机反馈回路外，还可以进一步提高精度。“现在你可以变得几乎像穷人的线性电机性能，”他补充道。

行星辊螺杆提供滚珠丝杠替代方案，可提供高线性速度和数百至数千磅的行程的推力（通常为24英寸或更少）。滚轮螺钉类似于行星齿轮，因为它们具有足够坚固的以承受高占空比（见图2）。预装以消除间隙并与闭环反馈集成，它们也可以非常精确定位。“根据反馈设备的分辨率，我们可以谈论几十微米的定位准确性，”Exlar Corp.的区域销售经理Travis Lake说

经典滚珠钳致动器由移动螺钉和固定螺母组成，附接到负载。随着几个供应商完成的，将技术置于下一个级别要求将该安排转变为耳朵。“我希望设计具有高速，高保真度，高刚度的主要优点，高效率，高刚度，以及在同一驱动线上有多个车厢的能力，”Bell-everman Inc的首席技术官Mike Everman Mike Everman说。“这让您带来了一种设计，您必须旋转球螺母，而不是滚珠丝杠。”

在新设备中，球螺母执行器，螺母是放置在空心芯电机内的精密行驶主轴的一部分。当电机旋转时，它会转动螺母，整个组件向上或向下移动螺钉。因为只有螺母转动，它将电机暴露于低旋转惯性。这允许用户使用较小的电机进行更具侵略性的移动。螺丝鞭子也少了一个问题。所以说，向上移动螺母螺钉仍然可以激发共振频率，因此有一些速度限制，但奥尔曼指向一个在2.5米/秒的系统上运行。

机架和带驱动器
对于需要更长距离和更高速度的应用，机架驱动器提供了实用的替代方案。在机架驱动器中，电动机驱动的小齿轮基本上沿着齿轨道进行齿轮行进。通过使用编码器添加闭环反馈并使用控制算法来补偿磨损，可以将机架和小齿轮系统展示为提供非常高的精度。修改小齿轮和机架也带来了很大的好处。例如，为了消除间隙，设计人员使用一对引脚连接在一起，与0.5º到1º轴向相位失配。当弹簧加载的小齿轮被推入齿条时使其牙齿啮合，迫使它们张力，使得它们在操作期间保持其位置，消除滞后。另一种改进是使用螺旋齿的螺旋地面架，而不是齿轮上的齿齿而不是简单的切割软钢架。

机架和小齿轮驱动器不距离有限，但高性能版本确实携带相关成本。“它们与线性电机不那么昂贵，但它们可能是昂贵的，”Rabuzin说。“一个非常好的架子可以花费超过皮带系统。你必须得到一个匹配的螺旋桨机，而不是用分裂小齿轮切割软钢架。您可以使用80美元的价格购买标准小齿轮，而分裂小齿轮可能会花费1000美元，因为它是一个工程设备。有时他们会做的是用线性轴承整合齿条。一侧你有一个线性导轨，另一侧是机架，所以它几乎是你的指导系统以及你的驾驶系统。但这将花费你一些钱，因为它是一款工程产品。“

机架驱动器在长距离提供了良好的性能。因为它们涉及金属金属，因此它们是速度有限的。对于需要重复高速运动的应用，特别是在长范围内，皮带驱动器提供更好的解决方案。

在定位时，有一个时间皮带驱动器被认为是堆的底部。虽然它们可以从英寸到100英尺到100英尺处的距离，但皮带拉伸并要求永久监测和调整。他们可以在没有警告的情况下突破，使技术不适合垂直应用。最重要的是，它们的准确性和重复性比竞争技术高的数量级。

在过去的五年里，大部分都发生了变化。今天的皮带是具有金属和Kevlar的高度结构化产品，以确保鲁棒性和最小化拉伸。CNC加工在皮带齿和滑轮上拧紧公差，允许皮带驱动可靠地提供约±75μm的精度。借助于控制回路中的闭环控制和补偿算法，可以进一步降低误差。它们可以以大约10米/秒的速度运行，并将负载相当于数千磅。

尽管结构水平，但皮带中的一定量是不可避免的。通过确定载荷施加的最大力并增加通常为10％的安全系数，实现上述性能所要求基本上预先加载皮带。“你预先伸展了它会过去的任何负载，”丹卢茨，领先工程师物品北美（阿克伦，俄亥俄州）。“只要你不超过那么负荷，你就不会伸展腰带。”然而，重要的是不要过度。这样做可能会使牙齿变形最终会引入间隙。“我们甚至没有接近最大的材料公差 - 您实际伸展的最大立场腰带基本上约为4 mm / m。”

当涉及到机器设计时，有一种过分指定部件的倾向。设计团队通常从现有平台上的电机尺寸开始，然后根据一些安全系数进行缩放，而不是计算电机尺寸和齿轮减速比，这确实很复杂。问题是，同样的技术可能已经在机器生产线多年来多次使用，导致齿轮电机提供远远超过必要的扭矩。这是必要的，在设置期间，限制开关的地方，以使传送带不成为过度应力。卢茨说:“我们有一些人基本上(启动了机器)，拉伸了皮带，因为他们有变速箱所需扭矩的15到20倍。”“我们必须安装另一个，因为它无法保持准确性。”

一种新的皮带驱动风格更像是传统皮带驱动器的混合动力车和机架和小齿轮驱动器。它基于两个带：静态带，该静止带，螺纹啮合到铝导轨和有源皮带上通过滑架上的电动小齿轮转动（参见图3）。

与线性电机一样，设计与在同一驱动器上使用多个托架兼容。“从头到尾有一个始终如一，非常高的僵硬，”埃弗曼说。“上部动态带啮合，较低皮带，粘合下来，所以它有点像一个完全覆盖牙齿的Über机架驱动器。”腰带的唯一一部分可以伸展是托架中的段，只有大约一英寸半;其余部分在最小的张力下（见视频）。“而不是拥有20英尺长而像橡皮筋的皮带，我们现在有能力用非常高且恒定的刚度传动系统传动有效载荷。”该系统提供无间隙操作并具有固有的机械阻尼，这允许更高的调谐增益。该设计可最大限度地减少皮带拉伸，允许系统实现高达3米/秒的速度，其单向单向重复性为±5μm，双向重复性为±50μm。

行动中的伺服媒介视频;内部看起来从1:00开始

对于精密应用，线性电机提供了难以击败的性能水平。但是，除了最苛刻的用途，无论如何，今天的工程团队都有各种替代品可供选择。通过确定其应用中的关键性能参数，是否是负载，旅行长度，速度，绝对精度或成本，他们可以找到一个满足他们需求的解决方案。