工控設(shè)備：伺服電動缸入門知識普及

隨著科技快速發(fā)展，伺服電動缸系統(tǒng)在許多設(shè)備工業(yè)中應(yīng)用廣泛。伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品，具有高速響應(yīng)、定位精確、運行平穩(wěn)等特點。常見類型有直流伺服電動缸、交流伺服電動缸和步進伺服電動缸等。

伺服電動缸主要應(yīng)用于實驗設(shè)備、專用設(shè)備、軍事設(shè)備等領(lǐng)域，以及其他可代替液壓、氣動的場所，是液壓、氣動設(shè)備的升級產(chǎn)品，如全電動多自由度平臺等；

實驗設(shè)備：高頻振動臺、高頻沖擊臺、仿真平臺、試驗臺、造波機；

專用設(shè)備：工業(yè)自動化生產(chǎn)線、裝配線、坐標機械用、升降臺、調(diào)偏控制、閥門控制、機械設(shè)備、咖瑪力、食品醫(yī)藥行業(yè)、數(shù)控機床、行業(yè)包裝機、汽車電子壓裝機、紡織設(shè)備卷繞機分度、模具位置控制、夾緊、鉆孔、定位、自動調(diào)節(jié)控制等；

軍事裝備：雷達支撐架、發(fā)射平臺升降機構(gòu)、導彈起豎架、艙門開啟缸、火炮俯仰驅(qū)動裝置、車體電動調(diào)平機構(gòu)、導彈外殼翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、掃雷機器臂、六自由度搖擺機構(gòu)、履帶調(diào)節(jié)機構(gòu)、抓彈機構(gòu)、方艙擴展機構(gòu)等特種設(shè)備。

一．什么是電動缸?

什么是電動缸？(源自百度百科解釋)電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，同時將伺服電機最佳優(yōu)點-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-精確速度控制，精確位置控制，精確的力控制；實現(xiàn)高精度直線運動系列的全新革命性產(chǎn)品。

二．伺服電動缸分類

伺服電動缸從外形結(jié)構(gòu)上可分為兩種：直線式、平行式。

1.直線式電動缸

直線式電動缸集成了伺服電機、伺服驅(qū)動器、高精度滾珠絲杠或行星滾珠絲杠、模塊設(shè)計等技術(shù)，整個電動缸結(jié)構(gòu)緊湊。伺服電機與電動缸的傳動絲桿通過聯(lián)軸器相連接，使伺服電機的編碼器直接反饋電動缸的活塞桿的位移量，減少了中間環(huán)節(jié)的慣量和間隙，提高了控制性能和控制精度。伺服電機與電動缸整體相連，安裝容易、設(shè)定簡單。電動缸的主要零部件均采用國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定、故障率低、可靠性高。

 

2．平行式電動缸

平行式電動缸的電機與缸體部分平行安裝，通過同步帶及同步帶輪與電動缸的傳動絲桿相連接，除具有直線式電動缸的特點外，并由于總長短，在安裝位置比較小的場合比較適應(yīng)。同時平行式電動缸選用的同步帶，具有強度高、間隙小、壽命長等特點。使整個電動缸具有較高的控制性和控制精度。

 

三．電動缸的主要特點

電動缸由于其獨有的性能特點，在許多工業(yè)場合被逐步推廣使用，它作為一種新穎的機電一體化產(chǎn)品，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下諸多方面。

1.節(jié)能干凈、超長壽命、操作維護簡單，具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力。伺服電動缸不容易受到周圍環(huán)境溫度的影響，可在低、高溫，雨雪等惡劣環(huán)境下無故障正常工作。防護等級可以達到IP66。密封件防止缸外污垢和水的污染并防止內(nèi)部潤滑劑的泄漏，長期工作，并且實現(xiàn)高強度，高速度，高精度定位，運動平穩(wěn)，低噪音。

2.傳動效率高。采用精密滾珠絲杠或行星滾柱絲杠等精密傳動元件的電動缸，省去了很多復雜的機械結(jié)構(gòu)，其傳動效率得到了很大提高。這幾種類型的電動缸傳動效率可以達到90％以上。

3.定位精度高。采用滾珠絲杠的伺服電動缸，通過伺服控制可以實現(xiàn)0.01mm左右的精確定位，具有很高的定位精度，適合應(yīng)用在對精度要求比較高

的場合。電動缸在半閉環(huán)時就能達到相當高的定位精度，而液壓缸和氣缸要達到相同的定位精度必須采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4.結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，維護方便。電動缸主要由電機和螺母螺桿機構(gòu)組成，機構(gòu)簡單，體積小，不會占用太大的工作空間。由于其結(jié)構(gòu)簡單，在發(fā)生故障時容易找到故障原因，平時的維護保養(yǎng)也非常方便。

5.可靠性和安全性高。電動缸可以搭載先進的傳感器系統(tǒng)，以及各種行程控制裝置，對電動缸的工作狀態(tài)進行檢測和反饋，防止發(fā)生事故。

6.運行穩(wěn)定，使用壽命長。當電動缸采用滾珠絲杠或行星滾柱絲杠時，傳動部分的摩擦將大大減小，有利于減少材料磨損，提高運行穩(wěn)定性，延長使用壽命。

7.響應(yīng)快，直線工作速度可以在很寬的速率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，低速運行穩(wěn)定。液壓缸的工作速度一般只能達到35mm/s，但普通電動缸的工作速度一般可以達到55mm/s。采用了行星滾柱絲杠的電動缸的速度甚至可以達到2000?mm/s，速度優(yōu)勢非常明顯。此外，液壓缸在低速重載下容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而電動缸沒有這個缺點。

8.控制精準，同步性好。在需要多驅(qū)動同步的情況下，使用液壓缸或氣缸很難達到高精度的同步，因為使多個獨立的液壓缸或氣缸的控制回路頻率特性一致

是非常困難的事情。但使用多個電動缸很容易達到同步，因為電氣系統(tǒng)的頻率特性比較容易達到一致。

9.電動缸還可替代部分液壓缸和氣動缸。能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳動的元件主要有電動缸、液壓缸、氣缸這三者的主要區(qū)別如下表所示。通過對比可以看出，電動缸比液壓缸和氣缸結(jié)構(gòu)簡單，受溫度波動的影響小。

 

它可替代液壓缸和氣動缸，從而帶來比傳統(tǒng)技術(shù)更大的優(yōu)勢，它具有液壓和氣動缸得以流行的許多獨特設(shè)計，以及更清潔、更簡單且能效更高的動力傳輸能力，同時執(zhí)行器也可以更加簡易的集成到可編程控制系統(tǒng)中，因此精度更高，噪音更少。

四．電動缸工作原理

電動缸的工作原理是以電力作為直接動力源，采用各種類型的電機(如AC伺服電機、步進伺服電機、DC伺服電機）帶動不同形式的絲杠(或螺母)旋轉(zhuǎn)，并通過構(gòu)件間的螺旋運動轉(zhuǎn)化為螺母(或絲杠)的直線運動，再由螺母(或絲杠)帶動缸筒或負載做往復直線運動。傳統(tǒng)的電動缸一般采用電動機驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，并通過構(gòu)件間的螺旋運動轉(zhuǎn)化為螺母的直線運動。近些年新興的“螺母反轉(zhuǎn)型”電動缸(如整體式行星滾柱絲杠電動缸)采用相反的驅(qū)動方式，即驅(qū)動螺母旋轉(zhuǎn)，并通過構(gòu)件間的螺旋運動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動。

 

4.1.運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)

電動缸主要采用螺旋絲杠傳動機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。螺旋絲杠傳動主要有螺母螺桿傳動、滾珠絲杠傳動和行星滾柱絲杠傳動等。普通的螺母螺桿機構(gòu)由于傳動摩擦阻力大、傳遞效率低等缺點而逐漸被淘汰，目前較常用的是滾珠絲杠傳動和行星滾柱絲杠傳動等。

滾珠絲杠是目前電動缸最常用的傳動元件之一，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，或?qū)⑥D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。由于很多滾珠在滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間做滾動運動，所以采用滾珠絲杠的電動缸能得到較高的運動效率。

4.2.減速機構(gòu)

電動缸的減速機構(gòu)可選用同步帶、行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器等。

同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動多用于折返式電動缸上。同步帶傳動具有傳動準確，傳動比恒定，傳動平穩(wěn)等優(yōu)點。部分電動缸在減速裝置的選擇上采用了行星齒輪減速機構(gòu)。行星齒輪傳動是使一個或一個以上的行星輪的軸線繞中心輪的固定軸線回轉(zhuǎn)的齒輪傳動。行星齒輪傳動具有體積小、質(zhì)量輕、承載能力高等優(yōu)點。諧波齒輪減速器也是電動缸常用的減速裝置之一。所謂諧波傳動是一種靠中間柔性構(gòu)件彈性變形來實現(xiàn)運動和動力傳動的裝置的總稱。諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、承載能力大，傳動比范圍大、運動精度高、齒面磨損小而均勻等優(yōu)點

 

 

4.3.控制系統(tǒng)

伺服電動缸的核心部件為伺服電機，電動缸系統(tǒng)利用伺服電機的閉環(huán)控制特性，伺服電機驅(qū)動器本身也具有位移、速度、轉(zhuǎn)矩等多種控制模式，但為了控制策略的自由性和多樣性從而實現(xiàn)位移、速度、加速度曲線品質(zhì)的優(yōu)化，利用PC機、運動控制器或PLC、執(zhí)行和輔助單元建立開放式的控制系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制進一步提高控制品質(zhì)。該技術(shù)與計算機控制技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對伺服電動缸推桿位移、速度、推力、加速度的高精度動態(tài)閉環(huán)控制，為伺服電動缸控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代運動控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)程序化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制。

電動缸主要由伺服電機、電動缸體、傳動裝置和位置反饋裝置等組成。其主要功能是通過PC機或HMI輸入控制命令信號給運動控制卡或運動控制器，然后經(jīng)過設(shè)定運動指令、插補算法、路徑規(guī)劃等發(fā)送指令給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器根據(jù)指令驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)，通過減速器、換向齒輪傳動或同步帶機構(gòu)帶動滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)；絲杠螺母徑向限位，在絲杠旋轉(zhuǎn)力的驅(qū)動下與推桿一起做往復直線運動，在絲杠端部安裝有多圈絕對值編碼器作為位置反饋裝置，也可以用伺服電機自帶編碼器作為位置反饋，實時反饋推桿位置。并且實時讀取電動缸上編碼器反饋值，獲得電動缸的實際位置，上傳給PC或HMI用于顯示監(jiān)控。具有手動功能、應(yīng)急裝置、鎖定功能、極限限位、報警功能。

 

?伺服控制主要解決位置控制問題，要求系統(tǒng)具有對位置指令準確的跟蹤能力。對于伺服系統(tǒng)而言，位置指令是一個隨機變量，系統(tǒng)必須具有良好的跟隨性能，才能準確跟蹤給定位置的變化，確保電動缸推桿準確跟蹤給定指令。

因此利用伺服電機的反饋信號，在驅(qū)動器外部與運動控制器之間構(gòu)造了一個數(shù)字閉環(huán)，并在控制器中采取PID算法和超前補償方法，實現(xiàn)了人工對PID參數(shù)的快捷調(diào)節(jié)，并且進一步提高了伺服跟蹤精度。在復雜指令下，伺服電動缸推桿相位延遲和幅值誤差都得到明顯的改善，對于預(yù)先設(shè)定伺服運行軌跡的環(huán)境有參考價值。

五．電動缸的發(fā)展趨勢

電動缸的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電動缸的市場也越來越大。隨著工廠自動化的要求逐步提高，將會有越來越多的公司投入到電動缸的研究開發(fā)中。未來電動缸的發(fā)展趨勢將主要集中在以下幾點：

1.高精度。目前采用滾珠絲杠傳動的伺服電動缸，通過伺服控制可以實現(xiàn)0.01mm左右的精確定位。但是很多精密設(shè)備要求直線傳動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)0.001mm的精確定位，而現(xiàn)在的電動缸還無法達到這一精度。因此通過發(fā)展伺服控制技術(shù)和探討新的傳動形式，電動缸將具備更高的精度，以滿足高精度設(shè)備的需求。此外，采用先進的外部傳感器也是提高電動缸精度的一個重要方法。重復定位精度可達0.02mm，但增加外部位移傳感器(如光柵尺)后，控制精度可以達到0.005mm。

2.新的傳動機構(gòu)。在一些直線運動行程大、承載力高的場合，需要更長的絲杠或螺母，同時也要求設(shè)計較長的滾柱以增加嚙合點，這就增加了制造的難度，因此有必要開發(fā)新的傳動形式以滿足特殊場合的需要。

3.高負載。鍛壓設(shè)備和大型軍事設(shè)備上需要更大承載力的裝置，但是目前電動缸的最大承載能力普遍低于液壓缸。螺旋絲杠傳動機構(gòu)是電動缸的主要承力機構(gòu)，隨著螺旋絲杠傳動機構(gòu)制作技術(shù)和材料的發(fā)展，電動缸的承載能力將得到很大提高。

4.發(fā)展適用于電動缸的伺服電機技術(shù)。伺服電機的性能直接影響著電動缸的性能，電動缸有其自己的工作特點，發(fā)展適用于電動缸的伺服電機驅(qū)動技術(shù)對于推動電動缸的發(fā)展具有重要意義。如GSM系列的電動缸在伺服電機驅(qū)動技術(shù)上進行了改進，其內(nèi)置伺服電機采用了T-LAM?定子分段疊片設(shè)計技術(shù)，電機發(fā)熱量非常低，輸出轉(zhuǎn)矩比相同體積的傳統(tǒng)伺服電機大35％。此外，隨著一些先進的控制方法(如模糊控制、專家系統(tǒng)等)引入永磁無刷電動機控制器，以及先進檢測技術(shù)的發(fā)展，永磁無刷電動機的性能也將得到大幅提高，從而促進電動缸的發(fā)展。

5.高速率。目前電動缸的速率主要由驅(qū)動電機決定，當驅(qū)動電機的技術(shù)獲得發(fā)展時，電動缸的速度也將得到很大提升。此外，由于滾珠在高速運動中會產(chǎn)生碰撞，所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速一般只能在2000r/min以下。而現(xiàn)在高性能電機轉(zhuǎn)速都在3000r/min以上，因此滾柱絲杠傳動將得到發(fā)展，以實現(xiàn)電動缸的高速率運行。

6.小型化和一體化。隨著電動缸技術(shù)的發(fā)展，電動缸傳動部件將實現(xiàn)一體化設(shè)計，電動缸的尺寸將越來越小，以占用更少的安裝空間。如Exlar公司的GS系列電動缸，該系列電動缸將實現(xiàn)直線運動所需的全部部件集成到一個封閉的單元中，直接實現(xiàn)直線運動，體積比傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)—直線運動機構(gòu)小得多。此外，電動缸還將與設(shè)備一體化設(shè)計，使其能夠更好地滿足設(shè)備的需求。

7.數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。電動缸將實現(xiàn)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制，以滿足未來生產(chǎn)模式的需求。下圖六自由度電動平臺通過同一個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)同時控制６個電動缸，使其聯(lián)合工作。該電動平臺還可與其他外部設(shè)備連接，由總平臺對整個系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制。

 

8.更長的工作行程。目前常見的電動缸多為單級傳動，但很多情況下，單級電動缸不能滿足設(shè)備工作行程的要求，因此，電動缸將向著多級化方向發(fā)展，以實現(xiàn)更長的工作行程。