线性执行器相结合性能和经济性

解决方案如滚珠丝杠，皮带，齿条传动可以提供惊人的高精度和速度超过几十米，甚至数百米。

有一段时间，直线电机是应用程序的选择，需要线性运动与任何程度的精度。类似于展开伺服电机，a线性电机只能通过足够的磁力轨道的可用性来行驶长度限制。稀土磁体的性能最初定位了线性电机，合理定价高速溶液。将多个FIRCER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，皮带驱动器和机架驱动器这样的线性执行器提供了令人惊讶的有效和经济的替代方案。

有充分的原因是线性电机被认为是在定位时的金标。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。“您还减少了机械传动系组件的数量来控制负载，因此您的精华无间隙，”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．但最重要的是成本问题。“一切都更贵了，”Rabuzin说。“一些有线性驱动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，如果你实际上不需要它，你无法证明它的成本是合理的。”

线性执行器将旋转伺服电机或步进电机的运动转换为线性位移。在滚珠螺旋致动器的情况下，在转动时，负载连接到螺母上螺钉。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负载（见图1）。然而，滚珠丝杠执行器确实有局限性。将螺钉在太快转动可以激发谐振模式，导致称为鞭子的机械变形。随着距离的增加，这个问题会使距离增加，因此出于实际目的，滚珠丝杠致动器的长度应限制为不超过约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- in型行程的达到±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）。对于电动机反馈回路，除了电动机反馈回路之外，将线性编码器添加到致动器或定位级，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。

行星滚子螺杆提供了一种滚珠丝杠的替代方案，可以提供高线速度和数百至数千磅的推力，在短距离旅行(通常为24英寸)。或更少)。滚柱螺钉类似于行星齿轮，它们足够坚固，可以承受高负载周期(见图2)。预加载消除齿隙，并集成闭环反馈，它们还可以非常精确地定位。Exlar公司的区域销售经理Travis Lake说:“根据反馈设备的分辨率，我们可以谈论几十微米的定位精度。

经典的滚珠丝杠致动器由移动螺钉和固定螺母构成，附接到负载。正如几个供应商所做的那样，将技术置于下一个级别要求将该安排转变为耳朵。“我希望具有线性电机的主要优点的设计，该电机是高速，高保真度，高刚度以及在同一驱动线上有多个运车的能力，”Bell-everman Inc的首席技术官Mike Everman说。“这让您进入设计，您必须旋转球螺母，而不是滚珠丝杠。”

在新的装置中，滚珠螺母执行器，螺母是精密移动主轴的一部分，放置在一个空心电机。当电机旋转时，转动螺母，整个总成在固定螺钉上上下移动。因为只有螺母转动，它暴露了电机的低转动惯量。这使得用户可以用更小的马达做出更大胆的动作。螺旋鞭子的问题也少得多。也就是说，上下移动螺母仍然会激发共振频率，因此存在一些速度限制，但艾弗曼指出，系统的运行速度为2.5米/秒。

齿条和皮带传动
对于需要更长距离和更高速度的应用，机架驱动提供了实用的替代方案。在齿条驱动器中，电动机驱动的小齿轮 - 基本上沿着齿轮轨道进行齿轮行进。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连接到提供非常高的精度。修改小齿轮和机架也带来了很大的好处。例如，消除间隙，设计人员使用一对与0.5º至1º轴向相位失配相连的小齿轮。当弹簧装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。另一个改进是使用螺旋齿架，在小齿轮上具有成角度的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，但它们可能很昂贵，”Rabuzin说。“一个非常好的机架可以花费超过皮带系统。您必须获得匹配的螺旋桨机，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将机架集成。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方面提供了良好的性能。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，特别是在长距离范围内，皮带驱动器提供更好的解决方案。

曾经有一段时间，皮带驱动器被认为是堆的底部时，它的定位。尽管它们可以处理从英寸到远超过100英尺的距离，安全带是伸展的，需要不断的监测和调整。它们可能会在毫无预警的情况下破裂，这使得该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出几个数量级。

在过去的五年中，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加工在皮带齿和皮带轮上拧紧公差，允许皮带传动可靠地提供约±75 μ m的精度。通过闭环控制和控制回路中的补偿算法，可以进一步减小误差。它们可以以大约10米/秒的速度运行，并移动相当于数千磅的负载。

尽管结构水平，但皮带中的一定量是不可避免的。通过确定负载施加的最大力并增加通常为10％的安全系数，通过基本上预先加载皮带基本上预先加载皮带。“你预先伸展了它会过去的任何负荷都会看到它，”丹卢茨，领先工程师说北美项目（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 - 你实际伸展的最大正时同步带基本上约为4 mm / m。”

当涉及到机器设计时，有一种过度指定部件的趋势。与计算电机尺寸和齿轮减速比相比，设计团队通常从现有平台开始计算电机尺寸，并根据一些安全系数进行缩放。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:“有些人基本上(启动了机器)并拉长了传动带，因为他们的扭矩是变速箱所需扭矩的15到20倍。”“我们必须再安装一个，因为它不能保持准确性。”

一种新型的皮带传动更像是传统皮带传动和齿轮齿条传动的混合。它由两条皮带组成:一条是固定在铝轨上的齿状带，另一条是由马车上的电机驱动小齿轮转动的主动带(见图3)。

与线性电机一样，设计与在同一驱动线上使用多个托架兼容。“从头到尾有一个始终如一和非常高的僵硬，”埃德曼说。“上部动态带啮合，带有较低的皮带，使得粘合下来，因此它有点像Über架子驱动器，牙齿完全覆盖。”腰带的唯一一部分可以伸展是托架中的段，只有大约一英寸半长;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，我们现在可以将有效载荷带有非常高而恒定的刚度传动系统的能力。”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。

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对于精密应用，直线电机提供了难以匹敌的性能水平。然而，对于除了最苛刻的用途之外的所有用途，工程团队如今都有多种选择。通过确定应用程序中的关键性能参数，无论是负载、行程长度、速度、绝对精度或成本，他们可以找到满足自己需求的解决方案。