运动控制:如何选择一个执行机构4英尺或更少

作者:Naoki Yamaguchi, NB Corporation of America

无论是包装、生命科学还是工厂自动化，平滑的运动、快速的加速度和高度的精度都是线性运动执行器的标志性要求。小型化越来越多地增加了紧凑的额外要求。在将电机扭矩转换为线性推力时，可以满足上述所有要求的系统是单轴滚珠丝杠驱动器。滚珠丝杠将旋转运动转换为直线运动，或将扭矩转换为推力，反之亦然。以下是为您的下一个项目选择执行器时需要考虑的八个因素。

滚珠丝杠驱动器是由滚珠丝杠组合而成，滚珠丝杠上的滑块或螺母的运动由在滑块和导轨的滚道之间滚动的循环钢球引导。这种配置消除了反弹。

1. 系统解决方案vs.定制

传统上，许多设备制造商设计和组装自己的定制滚珠丝杠驱动器。事实上，许多半导体制造商和医疗设备制造商仍然这样做。为了设计定制的舞台，工程师必须设计滚珠丝杠的尺寸，这意味着他们必须找到正确的三个主要部件:滚珠丝杠、支架和导轨。它们还需要滚珠丝杠两端的支撑，以及电机支架。安装完所有部件后，还要反复进行调整。

许多公司已经认识到购买现货的好处。滚珠丝杠执行机构系统通常至少有五种不同的级尺寸。他们有几种行程长度的选择，还有其他已经设计好的选择。一旦工程师确定了最佳的系统，他或她只需要得到正确的电机。

然而，为了为应用选择正确的系统，执行器系统必须仔细分析。比较滑块、滚道、轴承、导轨、滚珠丝杠、螺母和外壳材料等部件的设计和尺寸是至关重要的。它们都影响执行器的性能。

2.密实度

选择将滚珠丝杠执行机构组件组装到定制外壳中，通常会比使用预先设计的系统产生更大的整体单元。首先，预先设计的系统更加紧凑，因为执行器的导轨与执行器的结构集成在一起，滑块中包含滚珠丝杠螺母。一般来说，如果你要用各种各样的组件来制造一个执行器，你将需要一个外壳来放置滚珠丝杠螺母。同样，线性导轨也会有一个单独的底座。因此，整个单位将会大得多——多达30%。

3.执行机构的选择

要为特定应用选择最有效的执行器，首先必须确定关键信息。负载能力、操作速度、行程长度、环境、方向和位置精度等因素必须被识别和量化。一旦知道了这些因素，我们就可以考虑部件设计差异对4英尺及以下级别滚珠丝杠执行机构操作的影响。

4.负载能力

除了滚珠丝杠和导轨尺寸外，负载能力还取决于在导轨中块和滚道之间滚动的再循环钢球的尺寸，以及与滚道接触的钢球的数量，以及它们接触的方式。满足负载能力的一种方法是增加滚珠丝杠和导轨的尺寸。另一种不增加执行器整体尺寸的方法是增加球电路。大多数标准滚珠丝杠驱动器在块的两侧都有一组再循环球。

球电路的数量翻倍，在块的两侧各有两个，驱动器的负载能力翻倍。由于我们讨论的是大约4英尺轨道行程的执行器，一个标准的1,380毫米轨道长度和两个球电路的最大负载的例子是37千牛顿。如果有四个球电路，就是74千牛顿。

在致动器尺寸范围的低端，带有两个球电路的100 mm导轨的致动器的负载能力预计为3.945千牛顿，而带有四个球电路的致动器的负载能力为7.89千牛顿。

5.精度

执行器系统通常提供两个或三个等级，或精度水平。“商业等级”是最低的。下一个是“高”或“标准等级”。“精度等级”最高。为了比较系统的准确性水平，人们不能假设所有制造商的最低到最高等级都具有可比的准确性。有必要对他们发表的文章进行比较

线性驱动器影响其精度的方面包括其导轨和滚道的真实程度，以及滚珠在块和滚道中再循环的流畅程度。在行程长度为4英尺及以下时，再循环球的微小偏差或间隙都会显著影响准确的移动和定位。在此尺寸范围内，为了获得最佳精度，导轨必须进行精密研磨。滑块和滚珠丝杠本身也是如此。此外，为了确保位置精度，滚道球槽内的球不能有允许它们偏转的间隙。

在市场上的凹槽设计中，标准的选择是在两点与滚道凹槽接触的球之间，或在四点与滚道凹槽接触的球之间。略微椭圆的凹槽设计允许球在两个相对的点上进行接触，但允许在垂直于接触点的球的侧面有一点间隙。四点接触拱设计(称为哥特式拱)消除了任何可能导致偏转的间隙。因此，四点设计最适合要求最大精度的应用。

6.刚性

滚珠丝杠执行机构的刚性主要受导轨组成的影响。作为系统的外部结构，这是执行器的支撑。它的刚性决定了滚道沟槽的一致性。导轨下缘的厚度和强度对其刚性至关重要。u型外轨具有更好的抗力矩载荷刚性。

如果滑道的位置低于滚珠丝杠中心，也会增加滑道的刚度。当循环球的沟槽更接近轨道底部时，块可以承载更重的负载。结合更刚性的u型风格的轨道，比两个球电路更强的刚性，所有的东西都是相等的(球，导轨，块，滚珠丝杠)。

7.致动器分级

根据应用的不同，执行器必须运行的速度有助于确定滚珠丝杠引脚的长度。所需的行进时间越快，导线就必须越长。但是，为了达到更高的精度，最好使用最短的引线。

速度与长度有直接关系。例如，假设马达的转数

8.环境中的液体和颗粒物质

滚珠丝杠执行机构系统通常可与金属盖。然而，标准金属盖板与导轨之间有间隙。这使得它们不适合液体或颗粒物质可能进入系统的环境。虽然通常是定制的选项，手风琴褶皱风箱类型的盖子是设计为不透水的液体和颗粒物。

山口直树是公司的助理技术经理美国NB公司联系他的邮箱是naoki@nbcorporation.com

蕾妮·罗宾斯，资深编辑
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