當(dāng)機(jī)器設(shè)計(jì)人員需要將電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)換為直線推力時(shí)，他們通常會指定帶有集成絲杠和螺母的步進(jìn)電機(jī)。這種配置被稱為步進(jìn)電機(jī)直線推桿（SMLA），可以沿直線路徑提供精確的控制、可靠性和多功能性，但即使存在很小的力矩或側(cè)向負(fù)載，也有必要添加額外的直線導(dǎo)軌。設(shè)計(jì)良好的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以防止側(cè)向載荷可能帶來的任何束縛、折彎、屈曲或其他功能障礙。
從表面上看，為SMLA添加導(dǎo)向似乎很容易，以至于有經(jīng)驗(yàn)的工程師可能會自己設(shè)計(jì)，但考慮到可能涉及的計(jì)算的復(fù)雜性，即使在很小的應(yīng)用中，DIY策略也可能不值得一試。確定適合任何應(yīng)用的方法需要仔細(xì)考慮運(yùn)動曲線、可用時(shí)間和預(yù)算、空間考慮、集成和支持。
為什么選擇SMLA
SMLA通常由步進(jìn)電機(jī)和集成梯形絲杠組成，該梯形絲杠驅(qū)動負(fù)載來回直線運(yùn)動。SMLA是高度可靠、經(jīng)濟(jì)的主力產(chǎn)品，可驅(qū)動許多需要精確啟停以及高可編程性的應(yīng)用，例如顯微鏡載物臺調(diào)整、3D打印頭移動和移液等。（圖 1）
圖1.上圖：所有SMLA都有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)、集成梯形絲杠和一個(gè)螺母，它們的區(qū)別是通過旋轉(zhuǎn)梯形絲杠/螺母，還是驅(qū)動傳統(tǒng)推桿型直桿的梯形絲杠來進(jìn)行運(yùn)動轉(zhuǎn)換。下圖：理想的SMLA應(yīng)用包括（從左到右）移液、顯微鏡載物臺調(diào)整、流體泵送和3D打印。圖片由Thomson Industries，Inc.提供
對導(dǎo)向的需求
SMLA沿直線軸提供推力，但不能承受側(cè)向載荷。垂直于此軸的不良載荷可能由以下因素引起：
- 未對準(zhǔn)載荷引起的彎曲矩力
- 振動和沖擊載荷，尤其是在具有機(jī)械沖擊或振蕩的環(huán)境中。
- 組件之間的熱膨脹差異。
- 重力
無論是單獨(dú)還是組合施加的這種力都會加劇部件磨損或變形。它們會導(dǎo)致折彎和屈曲、過早失效以及軸承或絲杠螺母和螺紋上的應(yīng)力增加。錯(cuò)位、摩擦增加和材料疲勞也會導(dǎo)致整體性能下降和系統(tǒng)壽命縮短。
避免力矩或側(cè)向載荷的負(fù)面影響需要增加額外的導(dǎo)向，以防止外力影響載荷的直線運(yùn)動。導(dǎo)向通常涉及在梯形絲杠外部部署額外的圓形或方形導(dǎo)軌和軸承。用戶或OEM工廠面臨的挑戰(zhàn)是如何在狹小空間內(nèi)以低成本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的導(dǎo)向。
添加導(dǎo)向
負(fù)載越大，速度越高，以理想的方式添加導(dǎo)向就越復(fù)雜。這涉及以下步驟：
- 評估間距、預(yù)算和交付參數(shù)
- 確定適合采用圓軌、方軌還是其他導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
- 進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，這可能需要數(shù)天時(shí)間。
- 在CAD中實(shí)現(xiàn)終稿設(shè)計(jì)
- 組裝
- 測試
有時(shí)可以自己用現(xiàn)成的組件組裝一個(gè)緊湊的直線運(yùn)動系統(tǒng)，將推力和導(dǎo)軌集成到一個(gè)小型單元中。但是，通常需要額外的專業(yè)知識才能得出理想的解決方案。機(jī)器設(shè)計(jì)師需要選擇是自己組裝直線運(yùn)動系統(tǒng)（可能存在未知風(fēng)險(xiǎn)），或者是依靠具有數(shù)十年應(yīng)用專業(yè)知識的運(yùn)動控制制造商來創(chuàng)建高度配置且通常采用標(biāo)準(zhǔn)組件的解決方案
DIY?
自己設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊的直線運(yùn)動系統(tǒng)可能會以較低成本獲得更為定制化的解決方案，并且可以在大批量應(yīng)用中產(chǎn)生規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，但也有許多潛在的缺點(diǎn)。
沒有豐富系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的機(jī)器設(shè)計(jì)人員可能會在謹(jǐn)慎和過度設(shè)計(jì)方面犯錯(cuò)誤。雖然過度設(shè)計(jì)可能會降低風(fēng)險(xiǎn)，但它通常也會增加復(fù)雜性。例如，過大的軌道能提供更多的支撐，但也會增加成本和占用空間。工程項(xiàng)目在第一次迭代中失敗并不罕見，這可能需要回到起點(diǎn)，進(jìn)一步增加成本和延遲。
許多（如果不是絕大多數(shù)）DIY項(xiàng)目集成了來自不同供應(yīng)商的組件，這些組件不太可能以理想的方式協(xié)同工作。如果出現(xiàn)問題，可能出現(xiàn)零部件供應(yīng)商之間的相互推諉。同樣，維護(hù)和支持也可能是一個(gè)問題，特別是如果原來的內(nèi)部設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不再可用來完成項(xiàng)目。
合作取得成功
與能夠通過標(biāo)準(zhǔn)或略微修改的組件實(shí)現(xiàn)“恰到好處”的配置的供應(yīng)商合作將有助于避免此類問題。供應(yīng)商在為各種應(yīng)用定制直線運(yùn)動系統(tǒng)方面擁有更為豐富的經(jīng)驗(yàn)。供應(yīng)商可能已經(jīng)開發(fā)了配置規(guī)范、CAD模型和在線工具來促進(jìn)該過程，以及使他們能夠更高效地加工零件的實(shí)體工具。供應(yīng)商也可能擁有經(jīng)過預(yù)先測試的模塊，無需進(jìn)行重大定制即可輕松適合應(yīng)用。（圖2）模塊化使供應(yīng)商能夠交付高度配置的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，而不會增加與產(chǎn)品定制相關(guān)的成本。
圖2. 運(yùn)動工程師擁有無數(shù)標(biāo)準(zhǔn)配置選項(xiàng)，可用于向SMLA添加導(dǎo)向。例如，根據(jù)應(yīng)用要求以及安裝和空間考慮因素，他們可以使用垂直（左）或水平（中）放置的導(dǎo)軌和梯形絲杠。或者，他們可以在梯形絲杠的兩側(cè)（右）使用圓軌來幫助承受更高的力矩負(fù)載。圖片由Thomson Industries， Inc.提供
供應(yīng)商還對產(chǎn)品的運(yùn)行負(fù)責(zé)——一般通過提供保修服務(wù)。如果在工廠集成，設(shè)計(jì)人員可以更有信心地認(rèn)為組件之間不會出現(xiàn)不匹配的情況。供應(yīng)商還擁有合理利用狹小空間的經(jīng)驗(yàn)，從而生產(chǎn)出更緊湊的直線運(yùn)動系統(tǒng)。一些供應(yīng)商還免費(fèi)提供定制服務(wù)。這些供應(yīng)商優(yōu)勢和能力帶來的結(jié)果是更少的時(shí)間、麻煩和維護(hù)，更快的解決方案，重要的是，降低了總擁有成本。
安全的選擇
如果您需要定制一個(gè)大容量直線運(yùn)動系統(tǒng)項(xiàng)目，擁有可用的時(shí)間和專業(yè)知識，并且可以承受一些風(fēng)險(xiǎn)，那么您可以通過自己構(gòu)建來降低擁有引導(dǎo)系統(tǒng)的成本。否則，與經(jīng)驗(yàn)豐富的供應(yīng)商工程團(tuán)隊(duì)合作，為您的應(yīng)用使用標(biāo)準(zhǔn)組件組裝一個(gè)高度配置、緊湊的直線運(yùn)動系統(tǒng)，可能會讓您更快、更低風(fēng)險(xiǎn)地獲得所需的優(yōu)化產(chǎn)品。
p>盡管短期的現(xiàn)付費(fèi)用可能更高，但當(dāng)您考慮所有因素時(shí)，與經(jīng)驗(yàn)豐富的直線運(yùn)動供應(yīng)商合作將產(chǎn)生更高質(zhì)量、更快速的解決方案，并具有高投資回報(bào)率。