電動(dòng)推桿的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張昭

摘 要：電動(dòng)推桿又名直線驅(qū)動(dòng)器，是一種將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過絲桿副轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)裝置，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)推桿的伸縮動(dòng)作，可用于各種設(shè)備中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著各行業(yè)的飛速發(fā)展，電動(dòng)推桿已在醫(yī)療、家居、辦公、娛樂、冶金、礦山，環(huán)保、汽車、太陽能等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)推桿;直線運(yùn)動(dòng);電機(jī);減速機(jī)構(gòu);絲桿副

前言

電動(dòng)推桿主要由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、絲桿副和控制裝置等組成，是一種新型直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、集中控制、自動(dòng)控制。電動(dòng)推桿的主要性能參數(shù)有：行程/安裝距、額定負(fù)載、額定電壓、空/負(fù)載電流、空/負(fù)載速度、空/負(fù)載噪音值、工作制、防護(hù)等級(jí)、定位精度等。電動(dòng)推桿按所配置的電機(jī)類型，可分為直流電動(dòng)推桿、交流電動(dòng)推桿、步進(jìn)電動(dòng)推桿、伺服電動(dòng)推桿等。

1國內(nèi)電動(dòng)推桿發(fā)展簡介

電動(dòng)推桿是在1990年代開始大規(guī)模應(yīng)用的一種直線傳動(dòng)設(shè)備，而在此之前，國內(nèi)機(jī)械行業(yè)直線傳動(dòng)設(shè)備首選氣缸、液壓缸等設(shè)備，很少用電動(dòng)推桿。進(jìn)入1990年代后期，隨著進(jìn)口設(shè)備的增多以及國外技術(shù)的引進(jìn)吸收，電動(dòng)推桿逐漸被國內(nèi)機(jī)械技術(shù)人員熟知并應(yīng)用，電動(dòng)推桿因其結(jié)構(gòu)簡單，不需配套相應(yīng)的氣源、液壓源等輔助設(shè)備，響應(yīng)迅速，操作方便，易維護(hù)，自鎖性能高于氣缸和液壓缸，使得電動(dòng)推桿迅速得到了廣泛的應(yīng)用。迄今為止，已形成了一批以浙江捷昌線性驅(qū)動(dòng)科技股份有點(diǎn)公司、嘉興禮海電氣科技有限公司、常州市凱迪電器股份有限公司、青島豪江電器有限公司等為代表的具有領(lǐng)先優(yōu)勢的本土企業(yè)。

2電動(dòng)推桿的常見類型

2.1直流電動(dòng)推桿

直流電動(dòng)推桿所配套的電機(jī)為直流電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)為直流電機(jī)通過減速裝置減速后，驅(qū)動(dòng)絲桿副，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推桿的直線運(yùn)動(dòng)。一方面，由于直流電機(jī)的常用額定電壓為12V、24V、29V、36V，屬于安全電壓，且可以通過蓄電池供電，在一些需要移動(dòng)的應(yīng)用場合，直流電動(dòng)推桿得以廣泛應(yīng)用。另一方面，直流電機(jī)過載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，不需配套其他裝置，只要改變輸入或勵(lì)磁電壓、電流就能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速范圍廣而平滑，由于直流電機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，使得直流電動(dòng)推桿的適應(yīng)性更強(qiáng)，應(yīng)用范圍更廣，多用于醫(yī)療、家居、辦公、汽車、太陽能等行業(yè)。

2.2交流電動(dòng)推桿

交流電動(dòng)推桿所配套的電機(jī)為交流電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)推桿相同，額定電壓為220V/380V。交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，由于沒有換向器，結(jié)構(gòu)較之簡單，制造方便，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)，其缺點(diǎn)是交流電機(jī)自身完成不了調(diào)速，需要借助變頻設(shè)備來實(shí)現(xiàn)速度的改變。交流電動(dòng)推桿多用于電力、化工、冶金、礦山，環(huán)保、太陽能等工業(yè)領(lǐng)域。

2.3步進(jìn)電動(dòng)推桿

步進(jìn)電動(dòng)推桿所配套的步進(jìn)電機(jī)，是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，未超載時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖的個(gè)數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。同時(shí)，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到控制推桿直線運(yùn)動(dòng)的精確定位。步進(jìn)電動(dòng)推桿多用于對(duì)精度控制要求較高的場合，步進(jìn)電動(dòng)推桿也多采用滾珠絲桿副，以保證其整體運(yùn)行精度。

2.4伺服電動(dòng)推桿

伺服電動(dòng)推桿所配套的伺服電機(jī)，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為推桿的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將伺服電機(jī)的精確轉(zhuǎn)速控制、精確轉(zhuǎn)數(shù)控制、精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成推桿的精確速度控制、精確位置控制、精確推力控制，實(shí)現(xiàn)高精度線性運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)推桿多用于對(duì)精度控制要求較高的場合，多配套滾珠絲桿使用，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè);軍工行業(yè)：飛行模擬器等;娛樂行業(yè)：3D影院座椅、機(jī)械人手臂及關(guān)節(jié)等;工業(yè)行業(yè)：食品機(jī)械，陶瓷機(jī)械，焊接機(jī)械等。

步進(jìn)電動(dòng)推桿和伺服電動(dòng)推桿的基本結(jié)構(gòu)相似，兩者的區(qū)別需要從電機(jī)的控制精度、控制方式、低頻特性、矩頻特性、過載能力、運(yùn)行性能、響應(yīng)速度、成本等方面考慮。步進(jìn)電機(jī)的精度取決于其相數(shù)和拍數(shù)數(shù)量，伺服電機(jī)精度取于自帶編碼器的刻度數(shù)量。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。伺服電機(jī)價(jià)格高于步進(jìn)電機(jī)。

3電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)簡介

3.1電機(jī)和絲桿副的布置方式

電動(dòng)推桿的基本結(jié)構(gòu)為：電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速后，驅(qū)動(dòng)絲桿副，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成推桿的直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)推桿的伸縮動(dòng)作。根據(jù)電機(jī)軸與絲桿副中心軸的相對(duì)位置，常用的布置方式可以四類，垂直式：電機(jī)軸與絲桿副中心軸垂直;直線式：電機(jī)軸與絲桿副中心軸重合;平行折返式：電機(jī)軸與絲桿副中心軸平行，且電機(jī)尾端所指方向?yàn)橥茥U伸出方向;平行后置式：電機(jī)軸與絲桿副中心軸平行，且電機(jī)尾端所指方向?yàn)橥茥U縮回方向。以上四種布置方式可配置不同的減速機(jī)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)安裝空間合理地選擇不同布置方式的電動(dòng)推桿。

3.2電動(dòng)缸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.2.1運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

電動(dòng)推桿主要通過絲桿副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，常用的絲桿副有：梯形絲桿副，滾珠絲桿副，行星滾柱絲桿副。

梯形絲桿副在傳動(dòng)過程中為滑動(dòng)摩擦，因此其傳動(dòng)效率較低，但由于其成本低，且有較好的自鎖性能，梯形絲桿副在電動(dòng)推桿中得到大量的應(yīng)用。滾珠絲桿副是將鋼珠置入螺母及螺桿之間以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，來改善其定位不佳及易磨損的問題。滾珠絲桿副具有高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種高精度設(shè)備和儀器中，其缺點(diǎn)是自鎖性能差，電動(dòng)推桿須設(shè)置額外的鎖止機(jī)構(gòu)。行星滾柱絲桿副與滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)相似，不同的是在主螺紋絲桿的周圍，行星布置了若干個(gè)螺紋滾柱，螺紋滾柱作為載荷傳遞元件，其與主螺紋絲桿之間的接觸方式是線接觸，代替了滾珠絲杠中載荷傳遞元件--滾珠的點(diǎn)接觸方式，使其有更高的負(fù)載能力和抗沖擊能力。

3.2.2減速機(jī)構(gòu)

電動(dòng)推桿的常用的減速機(jī)構(gòu)有：蝸輪蝸桿減速，齒輪減速（圓柱齒輪、錐齒輪等）、同步帶減速、行星齒輪減速，諧波齒輪減速等。蝸輪蝸桿減速，具有體積小，減速比大，重合度高、傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是傳動(dòng)效率較低，齒面易磨損。同步帶傳動(dòng)結(jié)合了皮帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，具有精確傳動(dòng)、恒定比和穩(wěn)定傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。行星齒輪減速器具有體積小、重量輕、載荷能力大等優(yōu)點(diǎn)。諧波齒輪減速器也是電動(dòng)推桿中常用的減速裝置之一，諧波減速器是一種通過中間柔性部件的彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩的裝置，諧波減速器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、載荷能力大、傳動(dòng)比大、運(yùn)動(dòng)精度高、齒曲面磨損小等優(yōu)點(diǎn)。

3.3電動(dòng)推桿發(fā)展趨勢

低噪音、高防護(hù)等級(jí)：在醫(yī)療、辦公、家居、汽車等領(lǐng)域，已越來越受到人們的關(guān)注。

高負(fù)載：大型設(shè)備和軍事裝備需要較高負(fù)載能力，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是電動(dòng)推桿的主要支撐機(jī)構(gòu)，隨著絲桿傳動(dòng)副制造技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)推桿的承載能力將大大提高。

高速度：在各行業(yè)迅猛發(fā)展的趨勢下，快速、高效已成為提高工作效率與生產(chǎn)率的一個(gè)主要的途徑。

高精度：隨著精密制造的發(fā)展，許多精密設(shè)備對(duì)線性傳動(dòng)系統(tǒng)提出更高的精度要求。

結(jié)束語

綜上所述，一方面，隨著各行業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，電動(dòng)推桿將得到更為廣泛的應(yīng)用，電動(dòng)推桿具有運(yùn)行精度高，響應(yīng)迅速，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大多數(shù)工作場所的需要。另一方面，各行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)電動(dòng)推桿性能提出了更高的要求，還需要線性驅(qū)動(dòng)行業(yè)不斷地探索新技術(shù)、新工藝，以滿足市場的新要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]江漪，彭飛，盧屹東，張瑞龍.新型平置電動(dòng)防護(hù)門設(shè)計(jì)和仿真分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2019，26（05）：513-519.

[2]李英康.鄂式閘門電動(dòng)推桿保護(hù)裝置的研制與應(yīng)用[J].電世界，2019，60（07）：51-52.

（浙江捷昌線性驅(qū)動(dòng)科技股份有限公司，浙江 新昌 312500）