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伺服電動缸

　　導讀

　　隨著科技快速發展，伺服電動缸系統在許多設備工業中應用廣泛。伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品，具有高速響應、定位精確、運行平穩等特點。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。

　　伺服電動缸主要應用于實驗設備、專用設備、軍事設備等領域，以及其他可代替液壓、氣動的場所，是液壓、氣動設備的升級產品，如全電動多自由度平臺等;

　　實驗設備：高頻振動臺、高頻沖擊臺、仿真平臺、試驗臺、造波機;

　　專用設備：工業自動化生產線、裝配線、坐標機械用、升降臺、調偏控制、閥門控制、機械設備、咖瑪力、食品醫藥行業、數控機床、行業包裝機、汽車電子壓裝機、紡織設備卷繞機分度、模具位置控制、夾緊、鉆孔、定位、自動調節控制等;

　　軍事裝備：雷達支撐架、發射平臺升降機構、導彈起豎架、艙門開啟缸、火炮俯仰驅動裝置、車體電動調平機構、導彈外殼翻轉機構、掃雷機器臂、六自由度搖擺機構、履帶調節機構、抓彈機構、方艙擴展機構等特種設備。

　　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計的模塊化產品，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時將伺服電機最佳優點-精確轉速控制，精確轉數控制，精確扭矩控制轉變成-精確速度控制，精確位置控制，精確的力控制;實現高精度直線運動系列的全新革命性產品。

　　二.伺服電動缸分類

　　伺服電動缸從外形結構上可分為兩種：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、伺服驅動器、高精度滾珠絲杠或行星滾珠絲杠、模塊設計等技術，整個電動缸結構緊湊。伺服電機與電動缸的傳動絲桿通過聯軸器相連接，使伺服電機的編碼器直接反饋電動缸的活塞桿的位移量，減少了中間環節的慣量和間隙，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、設定簡單。電動缸的主要零部件均采用國內外優質產品，性能穩定、故障率低、可靠性高。

　　2.折返式電動缸

　　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。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，在許多工業場合被逐步推廣使用，它作為一種新穎的機電一體化產品，其優點主要體現在以下諸多方面。　　1.節能干凈、超長壽命、操作維護簡單，具有很強的環境適應能力。伺服電動缸不容易受到周圍環境溫度的影響，可在低、高溫，雨雪等惡劣環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部潤滑劑的泄漏，長期工作，并且實現高強度，高速度，高精度定位，運動平穩，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構，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0.01mm左右的精確定位，具有很高的定位精度，適合應用在對精度要求比較高

　　的場合。電動缸在半閉環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控制系統。

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

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

　　6.運行穩定，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，提高運行穩定性，延長使用壽命。

　　7.響應快，直線工作速度可以在很寬的速率范圍內調節，低速運行穩定。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，速度優勢非常明顯。此外，液壓缸在低速重載下容易產生爬行現象，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。能夠實現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構簡單，受溫度波動的影響小。

　　它可替代液壓缸和氣動缸，從而帶來比傳統技術更大的優勢，它具有液壓和氣動缸得以流行的許多獨特設計，以及更清潔、更簡單且能效更高的動力傳輸能力，同時執行器也可以更加簡易的集成到可編程控制系統中，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，并通過構件間的螺旋運動轉化為螺母(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。傳統的電動缸一般采用電動機驅動絲杠旋轉，并通過構件間的螺旋運動轉化為螺母的直線運動。近些年新興的“螺母反轉型”電動缸(如整體式行星滾柱絲杠電動缸)采用相反的驅動方式，即驅動螺母旋轉，并通過構件間的螺旋運動轉化為絲杠的直線運動。

　　4.1.運動轉換機構

　　電動缸主要采用螺旋絲杠傳動機構將旋轉運動轉換為直線運動。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運動轉換成直線運動，或將轉矩轉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

　　電動缸的減速機構可選用同步帶、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周表面設有等間距齒形的環行帶及具有相應吻合的輪組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優點。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，傳動平穩等優點。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。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的齒輪傳動。行星齒輪傳動具有體積小、質量輕、承載能力高等優點。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件彈性變形來實現運動和動力傳動的裝置的總稱。諧波齒輪傳動具有結構簡單、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點

　　4.3.控制系統

　　伺服電動缸的核心部件為伺服電機，電動缸系統利用伺服電機的閉環控制特性，伺服電機驅動器本身也具有位移、速度、轉矩等多種控制模式，但為了控制策略的自由性和多樣性從而實現位移、速度、加速度曲線品質的優化，利用PC機、運動控制器或PLC、執行和輔助單元建立開放式的控制系統，采用閉環控制進一步提高控制品質。該技術與計算機控制技術相結合，可以實現對伺服電動缸推桿位移、速度、推力、加速度的高精度動態閉環控制，為伺服電動缸控制提供了技術基礎。利用現代運動控制技術、數控技術及網絡技術實現程序化、網絡化、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，然后經過設定運動指令、插補算法、路徑規劃等發送指令給伺服驅動器，伺服驅動器根據指令驅動伺服電機運轉，通過減速器、換向齒輪傳動或同步帶機構帶動滾珠絲杠副旋轉;絲杠螺母徑向限位，在絲杠旋轉力的驅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用于顯示監控。具有手動功能、應急裝置、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，要求系統具有對位置指令準確的跟蹤能力。對于伺服系統而言，位置指令是一個隨機變量，系統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，在驅動器外部與運動控制器之間構造了一個數字閉環，并在控制器中采取PID算法和超前補償方法，實現了人工對PID參數的快捷調節，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，對于預先設定伺服運行軌跡的環境有參考價值。

　　五.電動缸的發展趨勢

　　電動缸的應用領域越來越廣泛，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中。未來電動缸的發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0.01mm左右的精確定位。但是很多精密設備要求直線傳動系統能夠實現0.001mm的精確定位，而現在的電動缸還無法達到這一精度。因此通過發展伺服控制技術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。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，因此有必要開發新的傳動形式以滿足特殊場合的需要。

　　3.高負載。鍛壓設備和大型軍事設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。螺旋絲杠傳動機構是電動缸的主要承力機構，隨著螺旋絲杠傳動機構制作技術和材料的發展，電動缸的承載能力將得到很大提高。

　　4.發展適用于電動缸的伺服電機技術。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，發展適用于電動缸的伺服電機驅動技術對于推動電動缸的發展具有重要意義。如GSM系列的電動缸在伺服電機驅動技術上進行了改進，其內置伺服電機采用了T-LAM定子分段疊片設計技術，電機發熱量非常低，輸出轉矩比相同體積的傳統伺服電機大35%。此外，隨著一些先進的控制方法(如模糊控制、專家系統等)引入永磁無刷電動機控制器，以及先進檢測技術的發展，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展。

　　5.高速率。目前電動缸的速率主要由驅動電機決定，當驅動電機的技術獲得發展時，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生碰撞，所以滾珠絲杠的轉速一般只能在2000r/min以下。而現在高性能電機轉速都在3000r/min以上，因此滾柱絲杠傳動將得到發展，以實現電動缸的高速率運行。

　　6.小型化和一體化。隨著電動缸技術的發展，電動缸傳動部件將實現一體化設計，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，直接實現直線運動，體積比傳統的旋轉—直線運動機構小得多。此外，電動缸還將與設備一體化設計，使其能夠更好地滿足設備的需求。

　　7.數字化、智能化和網絡化。電動缸將實現數字化、智能化和網絡化控制，以滿足未來生產模式的需求。下圖六自由度電動平臺通過同一個網絡控制系統同時控制6個電動缸，使其聯合工作。該電動平臺還可與其他外部設備連接，由總平臺對整個系統實現數字化、智能化和網絡化控制。

　　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備工作行程的要求，因此，電動缸將向著多級化方向發展，以實現更長的工作行程。