直線步進電機，又稱線性步進電機，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，直線步進電機在電機內(nèi)部把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為線性運動。直線步進電機可以直接做直線運動或直線往復運動，如果以旋轉(zhuǎn)電機作為動力源，轉(zhuǎn)變成直線運動，需要借助齒輪、凸輪結(jié)構(gòu)及皮帶或鋼絲等機構(gòu)。直線步進電機的首次推出是1968年，下圖是一些典型的直線步進電機。

 

大大簡化了設計，使得在許多應用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線步進電機進行精密的線性運動。

 

外部驅(qū)動直線電機的結(jié)構(gòu)

 

下圖所示為外部驅(qū)動直線電機的基本結(jié)構(gòu)：

 

直線步進電機與旋轉(zhuǎn)電機比較，能直接直線運動，可以使機器小型化，使設計更簡潔。

 

外部驅(qū)動直線電機的基本原理

 

外部驅(qū)動直線步進電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生矢量磁場。該磁場會帶動轉(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。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動一個角度并前進一步。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，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。

 

電機以螺桿作為出軸，在電機外部通過一個外部驅(qū)動螺母和螺桿相嚙合，采取某種方式防止螺桿螺母相對轉(zhuǎn)到，從而實現(xiàn)直線運動。這樣做的結(jié)果是大大簡化了設計，使得在許多應用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線步進電機進行精密的線性運動。

 

外部驅(qū)動直線電機的優(yōu)勢

 

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

 

▲高精度，重復定位精度可達±0.01mm

 

直線絲桿步進電機因傳動機構(gòu)簡單減少了插補滯后的問題，定位精度、重復精度、絕對精度，通都會較“旋轉(zhuǎn)電機+絲杠”高，且容易實現(xiàn)。直線絲桿步進電機普通絲桿的重復定位精度可達±0.05mm,搭配滾珠絲桿重復定位精度可達±0.01mm。

 

▲ 高速度，最高可達300m/min

 

從速度上和加速度的對比上，直線絲桿步進電機具有相當大的優(yōu)勢，直線絲桿步進電機速度可達300m/min，加速度10g；滾珠絲杠速度為120m/min，加速度為1.5g。而且直線絲桿步進電機在成功解決發(fā)熱問題后速度還會進一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機 & 滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。

 

▲ 高壽命，維護簡單

 

直線絲桿步進電機因運動部件和固定部件間有安裝間隙，無接觸，不會因動子的高速往復運動而磨損，長時間使用對運動定位精度無變化，適合高精度的場合。滾珠絲杠則無法在高速往復運動中保證精度，因高速摩擦，會造成絲杠螺母的磨損，影響運動的精度要求，對高精度的需求場合無法滿足。

 

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

 

1.系統(tǒng)的負荷是多少？

 

系統(tǒng)的負荷包括靜負荷和動負荷，往往負荷的大小決定了電機的基本尺寸。

 

靜負荷：絲桿靜止狀態(tài)下可承受的最大推力。

 

動負荷：絲桿處于運動狀態(tài)下可承受的最大推力。

 

2.電機的直線運行速度是多少？

 

直線電機的運行速度與絲桿的導程緊密相關(guān)，絲桿旋轉(zhuǎn)一圈則螺母前進一個導程。低速度宜選擇導程較小的絲桿，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)苦干圈后實際行程與理論行程的誤差。

 

重復定位精度：重復定位精度為系統(tǒng)能夠重復到達指定位置的精度定義，對系統(tǒng)是一個重要的指標。

 

背隙：背隙的絲桿和螺母靜止時兩者軸向的相對可移動量。隨著工作時間的增加，由于磨損也會導致背隙增加。背隙的補償或校正可由消間隙螺母來實現(xiàn)。當需要雙向定位時，背隙是需要被關(guān)注的。

 

4.其他的選擇

 

在選型時還需要考慮以下問題：直線步進電機的安裝是否符合機械結(jié)構(gòu)設計？您將如何將運動物體與螺母相聯(lián)？絲桿的有效行程是多少？匹配什么樣的驅(qū)動？