直線步進(jìn)電機(jī)，又稱線性步進(jìn)電機(jī)，是由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直線步進(jìn)電機(jī)在電機(jī)內(nèi)部把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)。直線步進(jìn)電機(jī)可以直接做直線運(yùn)動(dòng)或直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如果以旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為動(dòng)力源，轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，需要借助齒輪、凸輪結(jié)構(gòu)及皮帶或鋼絲等機(jī)構(gòu)。直線步進(jìn)電機(jī)的首次推出是1968年，下圖是一些典型的直線步進(jìn)電機(jī)。

 

大大簡化了設(shè)計(jì)，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的情況下直接使用直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密的線性運(yùn)動(dòng)。

 

外部驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)

 

下圖所示為外部驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：

 

直線步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)比較，能直接直線運(yùn)動(dòng)，可以使機(jī)器小型化，使設(shè)計(jì)更簡潔。

 

外部驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)的基本原理

 

外部驅(qū)動(dòng)直線步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生矢量磁場。該磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度并前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

 

電機(jī)以螺桿作為出軸，在電機(jī)外部通過一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)螺母和螺桿相嚙合，采取某種方式防止螺桿螺母相對轉(zhuǎn)到，從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。這樣做的結(jié)果是大大簡化了設(shè)計(jì)，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的情況下直接使用直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密的線性運(yùn)動(dòng)。

 

外部驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)的優(yōu)勢

 

精密的直線絲桿步進(jìn)電機(jī)，可以在某些場合替代氣缸，實(shí)現(xiàn)定位精確，速度可控，精度高等優(yōu)點(diǎn)。直線絲桿步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于包括制造、精密校準(zhǔn)、精密流體測量、精確位置移動(dòng)等諸多高精度要求領(lǐng)域。

 

▲高精度，重復(fù)定位精度可達(dá)±0.01mm

 

直線絲桿步進(jìn)電機(jī)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單減少了插補(bǔ)滯后的問題，定位精度、重復(fù)精度、絕對精度，通都會(huì)較“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+絲杠”高，且容易實(shí)現(xiàn)。直線絲桿步進(jìn)電機(jī)普通絲桿的重復(fù)定位精度可達(dá)±0.05mm,搭配滾珠絲桿重復(fù)定位精度可達(dá)±0.01mm。

 

▲ 高速度，最高可達(dá)300m/min

 

從速度上和加速度的對比上，直線絲桿步進(jìn)電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，直線絲桿步進(jìn)電機(jī)速度可達(dá)300m/min，加速度10g；滾珠絲杠速度為120m/min，加速度為1.5g。而且直線絲桿步進(jìn)電機(jī)在成功解決發(fā)熱問題后速度還會(huì)進(jìn)一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī) & 滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。

 

▲ 高壽命，維護(hù)簡單

 

直線絲桿步進(jìn)電機(jī)因運(yùn)動(dòng)部件和固定部件間有安裝間隙，無接觸，不會(huì)因動(dòng)子的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)而磨損，長時(shí)間使用對運(yùn)動(dòng)定位精度無變化，適合高精度的場合。滾珠絲杠則無法在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)中保證精度，因高速摩擦，會(huì)造成絲杠螺母的磨損，影響運(yùn)動(dòng)的精度要求，對高精度的需求場合無法滿足。

 

在做直線運(yùn)動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品或解決方案時(shí)，我們建議工程師們要重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：

 

1.系統(tǒng)的負(fù)荷是多少？

 

系統(tǒng)的負(fù)荷包括靜負(fù)荷和動(dòng)負(fù)荷，往往負(fù)荷的大小決定了電機(jī)的基本尺寸。

 

靜負(fù)荷：絲桿靜止?fàn)顟B(tài)下可承受的最大推力。

 

動(dòng)負(fù)荷：絲桿處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下可承受的最大推力。

 

2.電機(jī)的直線運(yùn)行速度是多少？

 

直線電機(jī)的運(yùn)行速度與絲桿的導(dǎo)程緊密相關(guān)，絲桿旋轉(zhuǎn)一圈則螺母前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程。低速度宜選擇導(dǎo)程較小的絲桿，高速度宜選擇較大的絲桿。

 

3.系統(tǒng)的精度要求是多少？

 

絲桿精度：一般以線性精度來衡量絲桿精度，即絲桿旋轉(zhuǎn)苦干圈后實(shí)際行程與理論行程的誤差。

 

重復(fù)定位精度：重復(fù)定位精度為系統(tǒng)能夠重復(fù)到達(dá)指定位置的精度定義，對系統(tǒng)是一個(gè)重要的指標(biāo)。

 

背隙：背隙的絲桿和螺母靜止時(shí)兩者軸向的相對可移動(dòng)量。隨著工作時(shí)間的增加，由于磨損也會(huì)導(dǎo)致背隙增加。背隙的補(bǔ)償或校正可由消間隙螺母來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要雙向定位時(shí)，背隙是需要被關(guān)注的。

 

4.其他的選擇

 

在選型時(shí)還需要考慮以下問題：直線步進(jìn)電機(jī)的安裝是否符合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)？您將如何將運(yùn)動(dòng)物體與螺母相聯(lián)？絲桿的有效行程是多少？匹配什么樣的驅(qū)動(dòng)？