隨著工廠自動(dòng)化的要求越來越高，電動(dòng)缸應(yīng)運(yùn)而生。我們目前比較常見的電動(dòng)缸，一般為如下圖所示的結(jié)構(gòu)，伺服電機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)裝置（如齒輪、同步帶或聯(lián)軸器）驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠與滑塊間排列分布著滾珠，沿著絲杠螺紋槽滾動(dòng)并帶動(dòng)滑塊完成直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)推桿的推拉動(dòng)作。為適應(yīng)不同的要求，電動(dòng)缸已有多種品種規(guī)格，也有不同的名稱，如：電動(dòng)滑臺(tái)、直線滑臺(tái)、工業(yè)機(jī)械手臂等。

通常的電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)簡圖

上述的電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)雖然已經(jīng)比較成熟，但是在面對更苛刻的運(yùn)控挑戰(zhàn)時(shí)，依然是捉襟見肘的。電動(dòng)缸在復(fù)雜的環(huán)境下工作只需要定期的注脂潤滑，并無易損件需要維護(hù)更換，將比液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)減少了大量的售后服務(wù)成本。比如：

伺服的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精確位置控制,可與液壓執(zhí)行器相抗衡的超長使用壽命,與液壓執(zhí)行器相抗衡的極高的功率密度,寬泛的推力范圍和更長的行程（如：可超過2米）,小體積、低重量,抗沖擊能力,超寬的工作溫度范圍,低噪音和振動(dòng)

為了解決這些難題，一些直線運(yùn)控產(chǎn)品廠家在其產(chǎn)品中運(yùn)用了一些特別的技術(shù)，來幫助設(shè)備用戶在這些方面提升直線運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的體驗(yàn)。今天為大家介紹的就是在一種在某些電動(dòng)缸產(chǎn)品中應(yīng)用的特殊的絲杠傳動(dòng)技術(shù)－行星滾柱絲杠。

行星滾柱絲杠

什么是行星滾柱絲杠

我們先看一下行星滾柱絲杠的結(jié)構(gòu)

行星滾柱絲杠的結(jié)構(gòu)示意圖

粗略看其結(jié)構(gòu)形式與普通的絲杠沒有太大分別

首先是一根的螺紋絲杠（如下圖），其長度決定了運(yùn)動(dòng)行程

 

螺紋絲杠

然后是一組帶有螺紋的滾柱，滾柱的數(shù)量取決于絲杠的直徑的絲杠推力的大小，這一組滾柱被均勻的排列固定在一對法蘭的圓周上，每個(gè)滾柱都可以自轉(zhuǎn)，再用圓柱套筒封裝，組成行星滾柱總成，如下圖所示。

 

行星滾柱螺母總成

這其實(shí)是與滾珠絲杠差別最大的地方。

并且我們注意到在滾柱的端側(cè)不僅有螺紋，還有齒牙。通過下面的截面圖看得更加清楚，滾柱端部齒牙與圓柱套筒內(nèi)側(cè)齒牙咬合，當(dāng)滾柱自轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)滾柱組和法蘭也會(huì)在套筒內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。這個(gè)和行星齒輪減速機(jī)的原理非常像。

 

行星滾柱螺母總成截面

將行星滾柱總成像螺母一樣套裝在螺紋絲杠上，如下圖所示。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于滾柱和絲杠螺紋槽的咬合作用，整個(gè)滾柱螺母總成就會(huì)沿著絲杠直線方向運(yùn)動(dòng)。

 

行星滾柱絲杠

如果電動(dòng)缸內(nèi)部采用上述的行星滾柱絲杠，其結(jié)構(gòu)形式和傳動(dòng)原理是同滾珠絲杠電動(dòng)缸類似的，如下圖，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使行星滾柱螺母總成帶動(dòng)電動(dòng)缸推桿完成直線往復(fù)推拉運(yùn)動(dòng)。

 

行星滾柱絲杠的電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)示意圖

那么，采用了行星滾柱絲杠的電動(dòng)缸，在性能上有什么不同呢？

超長壽命

當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)并在推桿上產(chǎn)生推（拉）力時(shí)，作用力在滾珠絲杠上的力是施加在各個(gè)滾珠球面上的一個(gè)點(diǎn)的。

滾珠絲杠作用力示意圖

而這個(gè)力在滾柱絲杠上則是施加在螺紋面上的。

 

滾住絲杠作用力示意圖

在同樣的體積空間內(nèi)，滾柱絲杠的受力承載面積是滾珠絲杠的15倍以上

 

受力承載面積比較

因此，相對于同規(guī)格滾珠絲杠，滾柱絲杠可以提供15倍以上的使用壽命

更高的效率

滾珠絲杠中相鄰的珠子在運(yùn)動(dòng)中相互撞擊，從而會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱和磨損。

 

滾柱絲杠的小滾柱以行星的形式在大滾柱周圍，沒有相互間的碰撞，因此可以提供更高的傳動(dòng)效率。

⚠️以EXLAR的FT系列電動(dòng)缸產(chǎn)品為例，其可以提供高達(dá)177kN的推力。

更高的速度

滾珠絲杠的珠子相互間的摩擦和振動(dòng)導(dǎo)致了能量的損耗

另外，滾珠絲杠循環(huán)槽的尖銳的拐角使得其珠子產(chǎn)生振動(dòng)和噪音

 

這些都限制了其速度，僅在1000rpm左右。

而滾柱絲杠則不同，首先其行星滾柱都經(jīng)過精密磨削

 

同時(shí)，滾柱絲杠摒棄了滾珠的循環(huán)槽，因此，行星絲杠可高效的運(yùn)作。

 

這些都使?jié)L柱絲杠的可以達(dá)到極高的轉(zhuǎn)速，可超過6000 rpm。

易于維護(hù)

當(dāng)拆卸滾珠絲杠的滾珠螺母時(shí)，珠子容易掉落。

 

而滾柱絲杠的小滾柱嵌于螺母中，螺母可以非常方便的取下，易于檢測和做重新潤滑（不需要任何工具）

 

很明顯，兩種不同的絲杠技術(shù)難度差異是極大的。

滾珠絲杠

鋼球（滾珠軸承）非常容易獲得且價(jià)格便宜

滾珠可以彌補(bǔ)滾道加工的誤差，使其平均每顆珠子可以平均承載，設(shè)計(jì)和制造難度相對較低

滾柱絲杠

設(shè)計(jì)困難，需要通過精密的數(shù)學(xué)計(jì)算其螺紋形式，使其避免相互間的滑動(dòng)

需要超高精度的加工工藝，以保證所有的螺紋接觸點(diǎn)都能平均受力

需要昂貴的加工設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)豐富的技師

所以目前只有少數(shù)的廠家能夠提供滾柱絲杠的電動(dòng)缸，而且其硬件價(jià)格也是較高的。其價(jià)值就在于上面所說的：

相對于同規(guī)格滾珠絲杠，15倍以上的使用壽命

抗沖擊能力強(qiáng)

易于拆裝

最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6000 rpm

運(yùn)行安靜

除此以外，如果將行星滾柱絲杠做“反置式”設(shè)計(jì)，在圓柱套筒上加工內(nèi)螺紋，套筒的旋轉(zhuǎn)就可以讓行星滾柱組在套筒內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。利用這樣的傳動(dòng)原理，就可以將伺服電機(jī)和機(jī)械缸體集成在一起，做成體積更加緊湊的集成式電動(dòng)缸，如下圖。

集成式電動(dòng)缸（剖視）