线性运动系统：仅作为最薄弱的链接

当今自动化中线性系统上的需求大于永远 - 并继续增加。在这里，我们在设计元素链中审查了五个链接，这对于精密操作至关重要。

经过马克许•机电一体化全球产品经理|PBC线性

Kevin Bischel.•主工程师|PBC线性

线性运动系统的强度取决于其机械和机电元件链中最脆弱的环节。了解每个组件和特性(及其对设计输出的影响)可以改进决策，并提高最终设计完全满足应用程序需求的几率。毕竟，系统侧隙、精度和其他性能方面都可以追溯到丝杠、防侧隙螺母、联轴器、电机和控制策略的设计和制造过程。

顶部是用常规方法制造的螺钉的两个图像。底部是与世界一流的自动化过程制造的铅印。

使用所有设计中具有专业知识的线性运动供应商是获得最佳设计性能的最佳方式。最终，优化的运动控制系统就像一个高性能的跑车将其所有元素都良好平衡......正确尺寸电机+右转+右转轮胎+伟大的控制特征（如防姑式制动器和牵引力控制）=伟大表现。

考虑一些需要最高性能的设计的示例。在某些类型的3D打印中，层分辨率被推为每层低至10μm。在医疗设备中，分配单元必须将救生药物输出并控制剂量下降到微升。在半导体工业中的光学和扫描设备，芯片和晶圆加工设备中可以看到相同类型的紧密可靠性，以及实验室自动化空间。

只有用整体方法和集成的整体方法构建的线性运动设计可以满足这些更高的性能要求。通常，这些构建的最合适的解决方案是一种电动驱动的螺钉和螺母，具有适当的控制架构。因此，让我们考虑这种类型的线性组件中每个链接的关键注意事项和性能特征。

链接一个：铅螺钉和螺母的质量

Leadscrews已经存在几十年，各种形式，具有螺母设计和材料阵列。在此时间的大部分时间内，用于制造铅印的机器被手动调节 - 限制质量和操作员的技能水平的质量。大多数制造商今天仍然使用这种类型的设备，但现代自动化流程正在将铅螺钉质量带到下一个水平。

例如，这种操作使用cnc控制的进给，倾斜调整，和滚丝工艺的压力控制，以产生最一致的丝杠螺纹形式。这些丝杠的表面光洁度始终是光滑的，没有表面磨损，可以撕裂聚合物螺母…前所未有的系统精度和寿命。

同时，追踪铅印线的形式和形状的高级计量和检查技术显示出可点对点的引线精度，比传统的手动方法更好三倍。在螺钉的长度上始终如一地将铅精度降至0.003。

对于运输型应用程序移动某些物体点沿轴的点，传统的检查引脚精度每300毫米或六英寸的方法是足够的。但对于最高的精度应用，每个轴线的准确性都是相关的。从合适的线几何偏差被称为酒醉线程。

从单螺纹旋转内的理想尺寸偏离，称为ISO标准3408-3中所述螺纹的醉酒。

新的自动化CNC制造设备，工艺和详细检查方法产生更严格的控制和质量，使单个线程内的高低点显示出大大提高的子旋转精度 - 换句话说，较少的醉酒。这反过来有助于引导螺丝将定位重复性保持在单个旋转到1μm。这是一种特别关键的性能度量，如应用昂贵的晶片和用于半导体工业的碎片和芯片，以及准确地分配注射器泵中的药物。

专业设备可以在72英寸中检查100％的螺钉长度或高达20,000点。与传统上检查单个数据点每6英寸相比。超过相同的长度。

滚动后，先进的螺杆供应商用自动伸直螺旋轴，以最小化可能导致振动，噪音和过早磨损的误差和跳动。螺旋轴直线度至关重要，因为当它与电动机组装时任何误差都会被突出。相比之下，传统（手动）螺旋矫直方法可以在螺杆轴几何形状中产生雪锥效应 - 以单个拱形或多个拱形围绕长轴轴的拱形拱起。同样，自动化矫直和检查消除了这些误差导致稳定的螺杆性能。

铅印的自动矫直会产生比从手动矫直操作的精度更高的螺钉。

铅印生产的最终步骤是施用PTFE涂层。只有一致的光滑饰面提供了长的寿命和系统性能。PTFE的不一致应用（由次优涂层环境或设备引起）可以促使凹陷，裂缝，气泡，剥落或表面粗糙度，导致螺母的过早磨损和缩短的装配寿命。

这里显示的是显微镜下的铅螺丝PTFE表面涂层（不可接受和可接受的）。

连杆二:螺母和螺钉的相互作用

传统的防齿齿螺母使用多件式设计，该设计需要螺旋弹簧沿着螺母线性地移动夹头，以关闭手指并控制螺杆和螺母之间的配合。

导致这些设计中失效的问题是弹簧的旋转性和变力，螺母上的夹头的粘合，以及随着螺母材料的波动压力。相反，一个替代的螺母设计用于输送恒定力，包括简化的两件式设计，其沿径向方式将压力施加到螺母指状物，这是控制间隙或螺钉之间的间隙或在螺钉之间的光线所需的方向。

这里示出的是传统的螺旋弹簧和夹头抗全隙螺母设计和通过PBC线性专利的恒力技术（CFT）抗全隙设计。后者经过超过2,500英里的行程，没有失败......轴的L10寿命四十次。

考虑传统的螺旋弹簧和夹头设计，用于防止刹车铅螺母。这里，可变力螺旋弹簧产生轴向力，其通过机械干扰转换为径向力。该设计依赖于注塑成型部件施加到手指上的力。基准测试确认预加载在前1000个周期中会发生巨大变化。

相比之下，某些恒定力的反稳压漏洞螺母提供的间隙性能比通过实验室自动化客户的FDA测试验证的传统设计更好的反隙性能。恒定力弹簧设计确保在轴线的寿命上保持一致的预负载。具有PTFE的自润滑螺母材料，用于润滑性和提高效率。

系统测试使用激光干涉仪验证精度，并可以提供螺旋测绘能力，以帮助最终的系统集成。

恒力防侧隙丝杠螺母的最大优点之一是可以调整弹簧和其他参数的应用。这种调整可以优化预紧力、侧隙、阻力和运行间隙，以满足规格要求。每个螺杆和螺母组合，以及每个满油电机和螺杆总成，都可以在验证和最终检查期间测试这些性能特征。

链接三：耦合或直接连接驱动

链中的下一个链接是螺钉如何连接到电机。有三种基本方式可以完成。

首先是最传统的方法，其中将耦合器引入组件中作为具有延伸螺柱轴之间的螺钉和电动机之间的部件，该设计需要更多的耦合器长度和任何相关的附件壳体的空间，也需要更多空间可以创建对齐问题。由于组件数量增加，更难以将所有内容保持在中心线上。如果一个或多个组分超出或对准，则结果可以是凸轮型效果，这极大地影响了系统的性能和寿命。

这里是一种设计，其包括引线螺钉和电动机之间的联接以及集成的混合线性致动器对准。

第二种方法将螺钉插入锥形孔中以将其机械地固定到与螺栓的位置（从后部）。这种组装在需要频繁维护的电机上是常见的 - 以及拆卸和重新组装的快速方法。缺点是对准难以保持并且可以促进雪锥效应，其在螺钉的长度上放大不准确的差距。此外，这种雪锥摆动螺丝会产生磨损点，可以促进维护和过早系统故障的需求。

激光焊接牢固地将螺钉锁定在电机上以获得最高的精度。

第三种方法是将螺钉的直接配合在电动机内的空心轴上，并在电动机背面上粘贴有激光焊接的螺钉。该方法可确保螺杆与电动机的拟合的最大接合，从而实现最高的精度对准。在一些情况下，焊缝可以用工业粘合剂代替，该工业粘合剂在螺杆和电动机之间产生永久粘合剂。该组装方法还通过在螺杆中提供最少量的跳动来提供最高级别的精度，从而导致延长寿命并最小化维护需求。

优化铅印，螺母和耦合对准延长了整个系统的寿命。作为与系统中的其他元素进行比较的基线，在各种引线和载荷范围和速度范围内测试各种取向。结果显示出超过标准L10轴承寿命的行程寿命40倍。

换句话说，传统的电机和丝杠安装包括多个组件，需要组装，很难对齐。它们引入了发挥和容忍度叠加，降低了准确性，增加了失败的可能性。高的组件数量也会导致更高的整体组装成本。但是集成的混合线性执行机构设置包括一个丝杠与电机直接对齐和固定-为更少的组件。这使得更大的刚性、精度和可靠性，以及整体设计价值。

链接四：电机类型和设计的选择

线性执行器具有选择的电动机选项，其中最常见的电机选择是开环步进器，使用电路板安装控制或工业包装的智能步进器的闭环版，以及完美无刷直流（BLDC）电机。每个都有自己的性能主张或速度和加载能力，每个人也围绕成本，集成，控制等待了自己的专业人士和缺点。

从左到右是直线运动轴的常见电机选择-无刷直流电机，工业封闭智能步进电机，IP20额定和安装控制步进电机，开环步进电机。

对电动机的线性运动性能的最大影响需要在电动机内部设计的罩下看起来。典型的通用电机使用波浪垫圈将轴承和组件固定到位。这通常适用于旋转应用，并且通常也可以应用于线性。然而，波浪垫圈确实提供了电动机内的符合性，可以促使少量的轴向或线性游戏转化为线性位置的不准确性。

为了减轻这种情况，可以在设计中修改两个元素中的一个或两个。可以插入更大的轴承，以增加总成的推力负载能力，可以添加扳手螺母，并调整到预定扭矩规格，以将发挥出系统。

电机组件中的两个常用元件包括轴承和可调节扳手螺母。

链接五：控制选项的选择

将所有元素联系在一起的最后一个环节是如何引导和控制物理线性运动。传统上，这需要多个独立部件，包括放大器和控制器。每一个都需要一个机柜和相关的硬件、线路、编码器和反馈传感器。这些设置在安装、故障排除和操作上可能变得复杂和麻烦。

步进电机的集成控制选项比比皆是。左边是工业化智能步进。右侧是商用IP20级电机，带有控制板安装在电机端。

现成的现成智能电机解决方案的出现已经提供了简化接线并减少与获得步进伺服型性能和控制相关的连接器和传感器的数量。由于较低的组件计数以及与安装相关联的时间和劳动力，这提供了成本节约。这些电机还进入了预装的工业化包装，这些套餐密封并保护了电路板，并控制滥用或污染，评分为IP65或IP67。

当应用程序需要特定的自定义功能时，具有最小化空间和大小考虑，或者低成本是关键驱动程序，自定义未封闭的IP20电机安装的电路板控制是一个有用的选项。对于放置在风格化的外壳或设备中的大容量应用尤其如此。此类执行器赋予智能电机的优点（通常以实质节省成本），并且控制在电机上，以便于与主设备或PLC更快地通信。

今天的Leadscrew的执行器支持集成到传统和分布式控制架构中。

案例研究 - 高精度Z轴：高精度SLA样式3D打印机的制造商需要将层分辨率保持在10μm的严格级别。恒力防止齿轮螺母的机械精度和铅螺丝与较低整体系统成本的规格内的智能阶梯伺服电机的高性能相结合，因为该组件无需用于反馈的线性编码器兴趣点。

立体光刻DPL 3D打印机创建细节和液体滴水，平台慢慢移动液体特写。渐进式现代添加剂技术3D打印，通过UV聚合创建缩放模型

案例研究-X-Y轮廓和分配：融合沉积建模（FDM）3D打印机倾向于产生显示从每个层的脊或珠子的部分，就像放置在印刷部分上一样。使用FDM机器构建器并使用恒定力防止齿轮螺母功能的一致性，工程师能够在使用智能步进电机的控制换向能力来改善时，工程师能够降低印刷的表面光洁度和层分辨率性能导致典型FDM打印机的过程输出的两倍。

案例研究 - 医用注射器泵：用于医疗应用的注射器泵的领先制造商需要最高水平的流体控制，随着时间的推移最小的流动方差。这对他们的救生设备至关重要。使用常规螺旋弹簧和夹头并排操作的恒定力零间隙螺母和螺钉进行具体的寿命试验。最后，所有传统设计都未能由于预载丧失而完成测试，但最终结果显示了恒定力螺母的铅螺钉组件为200％，以更好地用于瞄准150万次循环的流体精度。