论文部分内容阅读
摘 要：电动推杆又名直线驱动器，是一种将电动机的旋转运动通过丝杆副转化为直线运动的电力驱动装置，利用电动机正反转实现推杆的伸缩动作，可用于各种设备中的执行机构。随着各行业的飞速发展，电动推杆已在医疗、家居、办公、娱乐、冶金、矿山，环保、汽车、太阳能等行业中得到广泛应用。
关键词：电动推杆;直线运动;电机;减速机构;丝杆副
前言
电动推杆主要由电机、减速机构、丝杆副和控制装置等组成，是一种新型直线执行机构，可以实现远程控制、集中控制、自动控制。电动推杆的主要性能参数有：行程/安装距、额定负载、额定电压、空/负载电流、空/负载速度、空/负载噪音值、工作制、防护等级、定位精度等。电动推杆按所配置的电机类型，可分为直流电动推杆、交流电动推杆、步进电动推杆、伺服电动推杆等。
1国内电动推杆发展简介
电动推杆是在1990年代开始大规模应用的一种直线传动设备，而在此之前，国内机械行业直线传动设备首选气缸、液压缸等设备，很少用电动推杆。进入1990年代后期，随着进口设备的增多以及国外技术的引进吸收，电动推杆逐渐被国内机械技术人员熟知并应用，电动推杆因其结构简单，不需配套相应的气源、液压源等辅助设备，响应迅速，操作方便，易维护，自锁性能高于气缸和液压缸，使得电动推杆迅速得到了广泛的应用。迄今为止，已形成了一批以浙江捷昌线性驱动科技股份有点公司、嘉兴礼海电气科技有限公司、常州市凯迪电器股份有限公司、青岛豪江电器有限公司等为代表的具有领先优势的本土企业。
2电动推杆的常见类型
2.1直流电动推杆
直流电动推杆所配套的电机为直流电机，其基本结构为直流电机通过减速装置减速后，驱动丝杆副，将旋转运动转化为推杆的直线运动。一方面，由于直流电机的常用额定电压为12V、24V、29V、36V，属于安全电压，且可以通过蓄电池供电，在一些需要移动的应用场合，直流电动推杆得以广泛应用。另一方面，直流电机过载能力较强，受电磁干扰影响小，起动转矩大，调速性能好，不需配套其他装置，只要改变输入或励磁电压、电流就能实现调速，调速范围广而平滑，由于直流电机的上述优点，使得直流电动推杆的适应性更强，应用范围更广，多用于医疗、家居、办公、汽车、太阳能等行业。
2.2交流电动推杆
交流电动推杆所配套的电机为交流电机，其基本结构与直流电动推杆相同，额定电压为220V/380V。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，结构较之简单，制造方便，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机，其缺点是交流电机自身完成不了调速，需要借助变频设备来实现速度的改变。交流电动推杆多用于电力、化工、冶金、矿山，环保、太阳能等工业领域。
2.3步进电动推杆
步进电动推杆所配套的步进电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，未超载时，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲的个数，而不受负载变化的影响。同时，可以通过控制脉冲个数来控制电机的角位移量，从而达到控制推杆直线运动的精确定位。步进电动推杆多用于对精度控制要求较高的场合，步进电动推杆也多采用滚珠丝杆副，以保证其整体运行精度。
2.4伺服电动推杆
伺服电动推杆所配套的伺服电机，将伺服电机的旋转运动转换为推杆的直线运动，同时将伺服电机的精确转速控制、精确转数控制、精确扭矩控制转变成推杆的精确速度控制、精确位置控制、精确推力控制，实现高精度线性运动。伺服电动推杆多用于对精度控制要求较高的场合，多配套滚珠丝杆使用，广泛应用于医疗行业;军工行业：飞行模拟器等;娱乐行业：3D影院座椅、机械人手臂及关节等;工业行业：食品机械，陶瓷机械，焊接机械等。
步进电动推杆和伺服电动推杆的基本结构相似，两者的区别需要从电机的控制精度、控制方式、低频特性、矩频特性、过载能力、运行性能、响应速度、成本等方面考虑。步进电机的精度取决于其相数和拍数数量，伺服电机精度取于自带编码器的刻度数量。步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。伺服电机价格高于步进电机。
3电动推杆结构简介
3.1电机和丝杆副的布置方式
电动推杆的基本结构为：电动机经减速机构减速后，驱动丝杆副，把电机的旋转运动变成推杆的直线运动，利用电动机正反转实现推杆的伸缩动作。根据电机轴与丝杆副中心轴的相对位置，常用的布置方式可以四类，垂直式：电机轴与丝杆副中心轴垂直;直线式：电机轴与丝杆副中心轴重合;平行折返式：电机轴与丝杆副中心轴平行，且电机尾端所指方向为推杆伸出方向;平行后置式：电机轴与丝杆副中心轴平行，且电机尾端所指方向为推杆缩回方向。以上四种布置方式可配置不同的减速机构，实际应用中，可根据安装空间合理地选择不同布置方式的电动推杆。
3.2电动缸的传动机构
3.2.1运动转换机构
电动推杆主要通过丝杆副将旋转运动转换为直线运动，常用的丝杆副有：梯形丝杆副，滚珠丝杆副，行星滚柱丝杆副。
梯形丝杆副在传动过程中为滑动摩擦，因此其传动效率较低，但由于其成本低，且有較好的自锁性能，梯形丝杆副在电动推杆中得到大量的应用。滚珠丝杆副是将钢珠置入螺母及螺杆之间以滚动摩擦代替滑动摩擦，来改善其定位不佳及易磨损的问题。滚珠丝杆副具有高精度、可逆性和高效率的特点，广泛应用于各种高精度设备和仪器中，其缺点是自锁性能差，电动推杆须设置额外的锁止机构。行星滚柱丝杆副与滚珠丝杆副的结构相似，不同的是在主螺纹丝杆的周围，行星布置了若干个螺纹滚柱，螺纹滚柱作为载荷传递元件，其与主螺纹丝杆之间的接触方式是线接触，代替了滚珠丝杠中载荷传递元件--滚珠的点接触方式，使其有更高的负载能力和抗冲击能力。
3.2.2减速机构
电动推杆的常用的减速机构有：蜗轮蜗杆减速，齿轮减速（圆柱齿轮、锥齿轮等）、同步带减速、行星齿轮减速，谐波齿轮减速等。蜗轮蜗杆减速，具有体积小，减速比大，重合度高、传动平稳的优点，缺点是传动效率较低，齿面易磨损。同步带传动结合了皮带传动、链传动和齿轮传动的优点，具有精确传动、恒定比和稳定传动的优点。行星齿轮减速器具有体积小、重量轻、载荷能力大等优点。谐波齿轮减速器也是电动推杆中常用的减速装置之一，谐波减速器是一种通过中间柔性部件的弹性变形来传递运动和扭矩的装置，谐波减速器具有结构简单、体积小、载荷能力大、传动比大、运动精度高、齿曲面磨损小等优点。
3.3电动推杆发展趋势
低噪音、高防护等级：在医疗、办公、家居、汽车等领域，已越来越受到人们的关注。
高负载：大型设备和军事装备需要较高负载能力，螺旋传动机构是电动推杆的主要支撑机构，随着丝杆传动副制造技术和材料技术的发展，电动推杆的承载能力将大大提高。
高速度：在各行业迅猛发展的趋势下，快速、高效已成为提高工作效率与生产率的一个主要的途径。
高精度：随着精密制造的发展，许多精密设备对线性传动系统提出更高的精度要求。
结束语
综上所述，一方面，随着各行业自动化水平的不断提高，电动推杆将得到更为广泛的应用，电动推杆具有运行精度高，响应迅速，运行稳定等优点，能够满足大多数工作场所的需要。另一方面，各行业快速发展的同时，对电动推杆性能提出了更高的要求，还需要线性驱动行业不断地探索新技术、新工艺，以满足市场的新要求。
参考文献：
[1]江漪，彭飞，卢屹东，张瑞龙.新型平置电动防护门设计和仿真分析[J].工程设计学报，2019，26（05）：513-519.
[2]李英康.鄂式闸门电动推杆保护装置的研制与应用[J].电世界，2019，60（07）：51-52.
（浙江捷昌线性驱动科技股份有限公司，浙江 新昌 312500）
关键词：电动推杆;直线运动;电机;减速机构;丝杆副
前言
电动推杆主要由电机、减速机构、丝杆副和控制装置等组成，是一种新型直线执行机构，可以实现远程控制、集中控制、自动控制。电动推杆的主要性能参数有：行程/安装距、额定负载、额定电压、空/负载电流、空/负载速度、空/负载噪音值、工作制、防护等级、定位精度等。电动推杆按所配置的电机类型，可分为直流电动推杆、交流电动推杆、步进电动推杆、伺服电动推杆等。
1国内电动推杆发展简介
电动推杆是在1990年代开始大规模应用的一种直线传动设备，而在此之前，国内机械行业直线传动设备首选气缸、液压缸等设备，很少用电动推杆。进入1990年代后期，随着进口设备的增多以及国外技术的引进吸收，电动推杆逐渐被国内机械技术人员熟知并应用，电动推杆因其结构简单，不需配套相应的气源、液压源等辅助设备，响应迅速，操作方便，易维护，自锁性能高于气缸和液压缸，使得电动推杆迅速得到了广泛的应用。迄今为止，已形成了一批以浙江捷昌线性驱动科技股份有点公司、嘉兴礼海电气科技有限公司、常州市凯迪电器股份有限公司、青岛豪江电器有限公司等为代表的具有领先优势的本土企业。
2电动推杆的常见类型
2.1直流电动推杆
直流电动推杆所配套的电机为直流电机，其基本结构为直流电机通过减速装置减速后，驱动丝杆副，将旋转运动转化为推杆的直线运动。一方面，由于直流电机的常用额定电压为12V、24V、29V、36V，属于安全电压，且可以通过蓄电池供电，在一些需要移动的应用场合，直流电动推杆得以广泛应用。另一方面，直流电机过载能力较强，受电磁干扰影响小，起动转矩大，调速性能好，不需配套其他装置，只要改变输入或励磁电压、电流就能实现调速，调速范围广而平滑，由于直流电机的上述优点，使得直流电动推杆的适应性更强，应用范围更广，多用于医疗、家居、办公、汽车、太阳能等行业。
2.2交流电动推杆
交流电动推杆所配套的电机为交流电机，其基本结构与直流电动推杆相同，额定电压为220V/380V。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，结构较之简单，制造方便，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机，其缺点是交流电机自身完成不了调速，需要借助变频设备来实现速度的改变。交流电动推杆多用于电力、化工、冶金、矿山，环保、太阳能等工业领域。
2.3步进电动推杆
步进电动推杆所配套的步进电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，未超载时，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲的个数，而不受负载变化的影响。同时，可以通过控制脉冲个数来控制电机的角位移量，从而达到控制推杆直线运动的精确定位。步进电动推杆多用于对精度控制要求较高的场合，步进电动推杆也多采用滚珠丝杆副，以保证其整体运行精度。
2.4伺服电动推杆
伺服电动推杆所配套的伺服电机，将伺服电机的旋转运动转换为推杆的直线运动，同时将伺服电机的精确转速控制、精确转数控制、精确扭矩控制转变成推杆的精确速度控制、精确位置控制、精确推力控制，实现高精度线性运动。伺服电动推杆多用于对精度控制要求较高的场合，多配套滚珠丝杆使用，广泛应用于医疗行业;军工行业：飞行模拟器等;娱乐行业：3D影院座椅、机械人手臂及关节等;工业行业：食品机械，陶瓷机械，焊接机械等。
步进电动推杆和伺服电动推杆的基本结构相似，两者的区别需要从电机的控制精度、控制方式、低频特性、矩频特性、过载能力、运行性能、响应速度、成本等方面考虑。步进电机的精度取决于其相数和拍数数量，伺服电机精度取于自带编码器的刻度数量。步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。伺服电机价格高于步进电机。
3电动推杆结构简介
3.1电机和丝杆副的布置方式
电动推杆的基本结构为：电动机经减速机构减速后，驱动丝杆副，把电机的旋转运动变成推杆的直线运动，利用电动机正反转实现推杆的伸缩动作。根据电机轴与丝杆副中心轴的相对位置，常用的布置方式可以四类，垂直式：电机轴与丝杆副中心轴垂直;直线式：电机轴与丝杆副中心轴重合;平行折返式：电机轴与丝杆副中心轴平行，且电机尾端所指方向为推杆伸出方向;平行后置式：电机轴与丝杆副中心轴平行，且电机尾端所指方向为推杆缩回方向。以上四种布置方式可配置不同的减速机构，实际应用中，可根据安装空间合理地选择不同布置方式的电动推杆。
3.2电动缸的传动机构
3.2.1运动转换机构
电动推杆主要通过丝杆副将旋转运动转换为直线运动，常用的丝杆副有：梯形丝杆副，滚珠丝杆副，行星滚柱丝杆副。
梯形丝杆副在传动过程中为滑动摩擦，因此其传动效率较低，但由于其成本低，且有較好的自锁性能，梯形丝杆副在电动推杆中得到大量的应用。滚珠丝杆副是将钢珠置入螺母及螺杆之间以滚动摩擦代替滑动摩擦，来改善其定位不佳及易磨损的问题。滚珠丝杆副具有高精度、可逆性和高效率的特点，广泛应用于各种高精度设备和仪器中，其缺点是自锁性能差，电动推杆须设置额外的锁止机构。行星滚柱丝杆副与滚珠丝杆副的结构相似，不同的是在主螺纹丝杆的周围，行星布置了若干个螺纹滚柱，螺纹滚柱作为载荷传递元件，其与主螺纹丝杆之间的接触方式是线接触，代替了滚珠丝杠中载荷传递元件--滚珠的点接触方式，使其有更高的负载能力和抗冲击能力。
3.2.2减速机构
电动推杆的常用的减速机构有：蜗轮蜗杆减速，齿轮减速（圆柱齿轮、锥齿轮等）、同步带减速、行星齿轮减速，谐波齿轮减速等。蜗轮蜗杆减速，具有体积小，减速比大，重合度高、传动平稳的优点，缺点是传动效率较低，齿面易磨损。同步带传动结合了皮带传动、链传动和齿轮传动的优点，具有精确传动、恒定比和稳定传动的优点。行星齿轮减速器具有体积小、重量轻、载荷能力大等优点。谐波齿轮减速器也是电动推杆中常用的减速装置之一，谐波减速器是一种通过中间柔性部件的弹性变形来传递运动和扭矩的装置，谐波减速器具有结构简单、体积小、载荷能力大、传动比大、运动精度高、齿曲面磨损小等优点。
3.3电动推杆发展趋势
低噪音、高防护等级：在医疗、办公、家居、汽车等领域，已越来越受到人们的关注。
高负载：大型设备和军事装备需要较高负载能力，螺旋传动机构是电动推杆的主要支撑机构，随着丝杆传动副制造技术和材料技术的发展，电动推杆的承载能力将大大提高。
高速度：在各行业迅猛发展的趋势下，快速、高效已成为提高工作效率与生产率的一个主要的途径。
高精度：随着精密制造的发展，许多精密设备对线性传动系统提出更高的精度要求。
结束语
综上所述，一方面，随着各行业自动化水平的不断提高，电动推杆将得到更为广泛的应用，电动推杆具有运行精度高，响应迅速，运行稳定等优点，能够满足大多数工作场所的需要。另一方面，各行业快速发展的同时，对电动推杆性能提出了更高的要求，还需要线性驱动行业不断地探索新技术、新工艺，以满足市场的新要求。
参考文献：
[1]江漪，彭飞，卢屹东，张瑞龙.新型平置电动防护门设计和仿真分析[J].工程设计学报，2019，26（05）：513-519.
[2]李英康.鄂式闸门电动推杆保护装置的研制与应用[J].电世界，2019，60（07）：51-52.
（浙江捷昌线性驱动科技股份有限公司，浙江 新昌 312500）