当设计师和集成商需要简单、灵活且紧凑的直线执行器时，他们通常会选用步进电机直线执行器（SMLA）。SMLA的一大优点是可配置性高，但即使对资深的运动工程师来说，通过整理大量的配置选项来针对特定应用定制最佳解决方案也相当棘手。充分了解各类SMLA的独特功能和限制有利于充分利用其灵活性。
为什么选择SMLA？
SMLA非常适合直线驱动的原因有多种，而高水平的定制化和可配置性是其中的主要原因。凭借高效的设计，它们可进行各种电机、梯形丝杠和梯形螺母选项配置，实现为每个应用构建独特组件。
SMLA广受欢迎的其他原因还包括，步进电机无需编码器等外部反馈设备即可提供基本控制。设计人员可以对步进电机进行编程，使其按照各种分辨率移动到精确位置，而无需向驱动器或控制器提供任何反馈。因此，其总体成本和复杂性要低于伺服、无刷直流和其他电机选项。
步进电机和梯形丝杠还是自然兼容的，有利于SMLA的高可配置性。当涉及最佳速度范围、负载能力和位置精度时，这种自然兼容尤其显著。
此外，梯形丝杠和步进电机提供了许多可用的定制选项。例如，梯形丝杠可针对末端加工、涂层、精度、螺纹形状和长度进行定制，而步进电机则提供了优化电机绕组扭矩和速度的选项，并可指定应用的电缆、连接器、编码器和端盖加工。集成步进电机与梯形丝杠显著增加了可能的设计数量。
SMLA类型
尽管可能的组合数量众多，但SMLA通常提供三种不同的配置：旋转丝杠、旋转螺母和执行器。（图1）
图1. 三种类型的SMLA（从左到右：旋转丝杠、旋转螺母和伸缩执行器）采用独特的机械结构，分别成为不同应用的理想选择。
每种类型的SMLA都包含相同的通用组件：步进电机 (1)、梯形丝杠 (2) 和梯形螺母 (3)，但是根据螺母的作用，其核心机构各不相同，如图2-4所示。
旋转丝杠的结构和机理
旋转丝杠配置也被称为电动丝杠、外部直线、外部螺母或平移螺母，其设计灵活性和定制化能力非常高。顾名思义，驱动通过旋转梯形丝杠进行。当正确限制梯形螺母以防止其与丝杠一起旋转时，它将沿着梯形丝杠的轴向平移。
图2. 旋转丝杠配置的剖视图。
旋转螺母结构和机理
在三种配置中，旋转螺母组件的设计最小、最紧凑。这种设计可实现最短的伸缩长度和总长度，同时几乎没有任何可见的组件旋转。这种类型的执行器也被称为电动梯形螺母、非外加螺母、内部螺母和平移丝杠。
旋转螺母SMLA的工作机理本质上与旋转丝杠配置相反。当电机旋转时，电机轴内的集成梯形螺母旋转，并驱动与负载连接的丝杠伸出/缩回电机。
图3. 旋转螺母配置的剖视图。
伸缩式执行器结构和机理
伸缩式执行器的性能更像大多数工业应用中的传统伸缩杆式执行器，但同时具备可配置步进电机和基于丝杠单元的优点。伸缩式执行器的核心是一种旋转丝杠配置，带有可“捕获”花键内梯形螺母的额外外壳组件，并使用内部衬套提供了部分侧向和弯矩负载支撑。由于这些配置的设计直接融合了导向和支撑，因此在很多情况下，它们无需原本可能需要的外部组件。这种类型的执行器也被称为电动丝杠执行器、电动推杆和电动缸。
伸缩式SMLA的工作机理与旋转丝杠配置类似。主要区别在于其配置集成了花键套管和带支撑衬套的伸缩管形式的导向和支撑组件，无需外部组件即可实现运动。
图4. 伸缩式配置的剖视图。
安装
三种SMLA配置的安装过程类似，主要包括安装电机、支撑梯形丝杠（如果需要）以及连接负载。它们的主要区别在于负载的连接位置和支撑方式。（图5）对于旋转丝杠配置，负载将连接到梯形螺母上，梯形丝杠的末端需要用轴承或衬套支撑以实现更大的长度。
对于旋转螺母配置，负载将连接到梯形丝杠上。对于伸缩式配置，负载将连接到伸缩管的末端安装件上。
旋转丝杠和旋转螺母配置都只能承受轴向负载，因此需要直线轴承和导轨形式的导向和支撑组件才能正常运行。由于导向和支撑通常已集成到伸缩式执行器中，因此许多情况下，可以消除对直线轴承和导轨的需求。
图5. 这个流体泵应用示例说明了全部三个SMLA的典型安装配置（从左到右：旋转丝杠、旋转螺母、伸缩式执行器）。
应用选型
SMLA的高水平定制化和可配置性可提供无数的应用可能。图6所示为一些SMLA应用的常见示例。
图6. 通过减少所需组件的总数量，SMLA非常适合各种注重空间的应用，包括（从左到右）：XY工作台（旋转丝杠）、水平定位（旋转螺母）和移液（伸缩和旋转丝杠）。
然后，选择适合特定应用的SMLA尺寸，这主要涉及了解电机、梯形丝杠和梯形螺母的限制。为了确保正常运行和长使用寿命，必须适当选择这些核心组件中每个组件的尺寸。所幸的是，大多数制造商都提供了这些组件的理论性能曲线图，可便于快速确定执行器的尺寸。这些性能图通常采用速度和负载曲线的形式，并高亮显示电机、丝杠和螺母组合的最佳性能范围。
对比SMLA
SMLA支持模块化运动系统设计方法，使工程师能够实现根据其具体应用要求高度定制的解决方案。确定合适的SMLA配置取决于许多应用驱动因素。
对于寻求高度定制化或真正独特的组件组合的用户，应考虑旋转丝杠执行器。旋转丝杠设计是最常用的SMLA类型，因此许多工程师对它们已经非常熟悉。
对于需要更紧凑、更简单的执行器，并且无需消隙螺母或多个编码器选型的应用，旋转螺母设计可能是更好的选择。对于偏好采用更传统的推杆式执行器设计，以及应用将获益于集成导向、支撑和内置防旋转装置的工程师，应考虑伸缩式设计。如果减少组件总数量很重要，则也应考虑这种配置，因为集成的导向/支撑组件消除了购买外部组件的需要。表1总结了每种SMLA配置最常见的优势和劣势，以及一些常见的应用示例。
为了帮助设计师和集成商整理各种选项，SMLA制造商推出了越来越多的在线工具，以帮助他们快速轻松地配置适合其应用的解决方案。例如，某些在线选型工具可使用户在几分钟内确定出适合他们应用的SMLA，同时能立即查看性能特性、3D模型、定价和交货时间。
在了解三种主要SMLA类型的设计、机理、安装和尺寸的前提下，应用自动选型工具可以帮助引导运动设计师和集成商为其应用做出最佳选择。
当设计师和集成商需要简单、灵活且紧凑的直线执行器时，他们通常会选用步进电机直线执行器（SMLA）。SMLA的一大优点是可配置性高，但即使对资深的运动工程师来说，通过整理大量的配置选项来针对特定应用定制最佳解决方案也相当棘手。充分了解各类SMLA的独特功能和限制有利于充分利用其灵活性。
为什么选择SMLA？
SMLA非常适合直线驱动的原因有多种，而高水平的定制化和可配置性是其中的主要原因。凭借高效的设计，它们可进行各种电机、梯形丝杠和梯形螺母选项配置，实现为每个应用构建独特组件。
SMLA广受欢迎的其他原因还包括，步进电机无需编码器等外部反馈设备即可提供基本控制。设计人员可以对步进电机进行编程，使其按照各种分辨率移动到精确位置，而无需向驱动器或控制器提供任何反馈。因此，其总体成本和复杂性要低于伺服、无刷直流和其他电机选项。
步进电机和梯形丝杠还是自然兼容的，有利于SMLA的高可配置性。当涉及最佳速度范围、负载能力和位置精度时，这种自然兼容尤其显著。
此外，梯形丝杠和步进电机提供了许多可用的定制选项。例如，梯形丝杠可针对末端加工、涂层、精度、螺纹形状和长度进行定制，而步进电机则提供了优化电机绕组扭矩和速度的选项，并可指定应用的电缆、连接器、编码器和端盖加工。集成步进电机与梯形丝杠显著增加了可能的设计数量。
SMLA类型
尽管可能的组合数量众多，但SMLA通常提供三种不同的配置：旋转丝杠、旋转螺母和执行器。（图1）
图1. 三种类型的SMLA（从左到右：旋转丝杠、旋转螺母和伸缩执行器）采用独特的机械结构，分别成为不同应用的理想选择。
每种类型的SMLA都包含相同的通用组件：步进电机 (1)、梯形丝杠 (2) 和梯形螺母 (3)，但是根据螺母的作用，其核心机构各不相同，如图2-4所示。
旋转丝杠的结构和机理
旋转丝杠配置也被称为电动丝杠、外部直线、外部螺母或平移螺母，其设计灵活性和定制化能力非常高。顾名思义，驱动通过旋转梯形丝杠进行。当正确限制梯形螺母以防止其与丝杠一起旋转时，它将沿着梯形丝杠的轴向平移。
图2. 旋转丝杠配置的剖视图。
旋转螺母结构和机理
在三种配置中，旋转螺母组件的设计最小、最紧凑。这种设计可实现最短的伸缩长度和总长度，同时几乎没有任何可见的组件旋转。这种类型的执行器也被称为电动梯形螺母、非外加螺母、内部螺母和平移丝杠。
旋转螺母SMLA的工作机理本质上与旋转丝杠配置相反。当电机旋转时，电机轴内的集成梯形螺母旋转，并驱动与负载连接的丝杠伸出/缩回电机。
图3. 旋转螺母配置的剖视图。
伸缩式执行器结构和机理
伸缩式执行器的性能更像大多数工业应用中的传统伸缩杆式执行器，但同时具备可配置步进电机和基于丝杠单元的优点。伸缩式执行器的核心是一种旋转丝杠配置，带有可“捕获”花键内梯形螺母的额外外壳组件，并使用内部衬套提供了部分侧向和弯矩负载支撑。由于这些配置的设计直接融合了导向和支撑，因此在很多情况下，它们无需原本可能需要的外部组件。这种类型的执行器也被称为电动丝杠执行器、电动推杆和电动缸。
伸缩式SMLA的工作机理与旋转丝杠配置类似。主要区别在于其配置集成了花键套管和带支撑衬套的伸缩管形式的导向和支撑组件，无需外部组件即可实现运动。
图4. 伸缩式配置的剖视图。
安装
三种SMLA配置的安装过程类似，主要包括安装电机、支撑梯形丝杠（如果需要）以及连接负载。它们的主要区别在于负载的连接位置和支撑方式。（图5）对于旋转丝杠配置，负载将连接到梯形螺母上，梯形丝杠的末端需要用轴承或衬套支撑以实现更大的长度。
对于旋转螺母配置，负载将连接到梯形丝杠上。对于伸缩式配置，负载将连接到伸缩管的末端安装件上。
旋转丝杠和旋转螺母配置都只能承受轴向负载，因此需要直线轴承和导轨形式的导向和支撑组件才能正常运行。由于导向和支撑通常已集成到伸缩式执行器中，因此许多情况下，可以消除对直线轴承和导轨的需求。
图5. 这个流体泵应用示例说明了全部三个SMLA的典型安装配置（从左到右：旋转丝杠、旋转螺母、伸缩式执行器）。
应用选型
SMLA的高水平定制化和可配置性可提供无数的应用可能。图6所示为一些SMLA应用的常见示例。
图6. 通过减少所需组件的总数量，SMLA非常适合各种注重空间的应用，包括（从左到右）：XY工作台（旋转丝杠）、水平定位（旋转螺母）和移液（伸缩和旋转丝杠）。
然后，选择适合特定应用的SMLA尺寸，这主要涉及了解电机、梯形丝杠和梯形螺母的限制。为了确保正常运行和长使用寿命，必须适当选择这些核心组件中每个组件的尺寸。所幸的是，大多数制造商都提供了这些组件的理论性能曲线图，可便于快速确定执行器的尺寸。这些性能图通常采用速度和负载曲线的形式，并高亮显示电机、丝杠和螺母组合的最佳性能范围。
对比SMLA
SMLA支持模块化运动系统设计方法，使工程师能够实现根据其具体应用要求高度定制的解决方案。确定合适的SMLA配置取决于许多应用驱动因素。
对于寻求高度定制化或真正独特的组件组合的用户，应考虑旋转丝杠执行器。旋转丝杠设计是最常用的SMLA类型，因此许多工程师对它们已经非常熟悉。
对于需要更紧凑、更简单的执行器，并且无需消隙螺母或多个编码器选型的应用，旋转螺母设计可能是更好的选择。对于偏好采用更传统的推杆式执行器设计，以及应用将获益于集成导向、支撑和内置防旋转装置的工程师，应考虑伸缩式设计。如果减少组件总数量很重要，则也应考虑这种配置，因为集成的导向/支撑组件消除了购买外部组件的需要。表1总结了每种SMLA配置最常见的优势和劣势，以及一些常见的应用示例。
为了帮助设计师和集成商整理各种选项，SMLA制造商推出了越来越多的在线工具，以帮助他们快速轻松地配置适合其应用的解决方案。例如，某些在线选型工具可使用户在几分钟内确定出适合他们应用的SMLA，同时能立即查看性能特性、3D模型、定价和交货时间。
在了解三种主要SMLA类型的设计、机理、安装和尺寸的前提下，应用自动选型工具可以帮助引导运动设计师和集成商为其应用做出最佳选择。
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