直线滑台是工业应用里比较广泛的一种典型机构。

1. 问题描述

想设计一个直线运动机构，负载2Kg，中等速度，往复行程大约120mm，除原点外有3次停留，定位误差0.1mm左右，初步考虑使用步进电机驱动丝杠来完成，有哪些需要注意的地方？另外还有别的更好更便宜的方案吗？

2. 讨论

电机+丝杠的组合在直线运动单元中应该是应用最广泛的一种，其原理不用怀疑，但选用何种丝杠却应该考究一下。提问者说，在一些产品的标准件书上看到丝杠分精密滚珠丝杠、压轧滚珠丝杠、30度梯形丝杠三种，但不明白这几种丝杠具体有什么区别，以及其分别应用的场合。

甲回答说，前两种都是滚珠丝杆：最初滚珠丝杆的丝杆体用圆钢切削成型，因切削表面光洁度不够，再用成型砂轮磨出螺旋槽。后来工艺发展，丝杆体可以不再需要切削，直接压轧而成，并且压轧后具有相当的精度尺寸和光洁度，在没有很高精度要求的场合，可以直接使用，于是就有了“压轧滚珠丝杠”这一种类；目前压轧工艺制作的滚珠丝杆体还不能达到很高精度，精密滚珠丝杠还必须采用磨削工艺，滚珠丝杆的螺母螺旋槽和丝杆螺旋槽间置有钢球，把螺母和丝杆间旋合移动从滑动变成了滚动，所以可以高速轻巧动作；30度梯形丝杠是传统的机械结构，普通车床的丝杆就是很好的例子。

乙补充说，方便起见，这次的设计应以滚动直线导轨配合滚珠丝杆为宜；直线运动器件和滚珠丝杆都可以很方便在市场购得，东西小，所费也有限；如果采用滑动导轨和30度梯形丝杠，不会有现成的，恐怕都要设计和逐一加工出来，费时费工，代价也许更高。况且精度要求并不高，一些便宜的丝杠和导轨都可以达到要求。

甲给出了如图设计方案，并解释说，导轨用了两根表面淬火，磨削后镀硬铬的光杆，配合加长直线轴承，滑块和导轨支架用硬铝块以线切割制作；丝杆用市售普通M12X1.75三角螺纹螺柱改制，螺母用青铜相配，丝杆与支座间用618系列的深沟球轴承支承，51000推力轴承和圆螺母消除轴向间隙；光杆的价格约100元/米，直线轴承几十元一个，轴承几元一个，加上其它，代价不会超过500元，这样的结构，完全可以适应要求的工况并有极长工作寿命。

气缸对于使用者的要求不高。电缸则不同，工程人员必需具备一定的电气知识，否则极有可能因为误操作而使之损坏。

气缸输出力大。气缸的输出力与缸径的平方成正比；而电缸的输出力与三个因素有关，缸径、电机的功率和丝杆的螺距，缸径及功率越大、螺距越小则输出力越大。一个缸径为50mm的气缸，理论上的输出力可达2000N，对于同样缸径的电缸，虽然不同公司的产品各有差异，但是基本上都不超过1000N。显而易见，在输出力方面气缸更具优势。

气缸能够在高温和低温环境中正常工作且具有防尘、防水能力，可适应各种恶劣的环境。而电缸由于具有大量电气部件的缘故，对环境的要求较高，适应性较差。

气缸的优势主要体现在以下3个方面：

气缸系统构成非常简单。由于电机通常与缸体集成在一起，再加上控制器与电缆，电缸的整个系统就是由这三部分组成的，简单而紧凑。

气缸停止的位置数多且控制精度高。一般电缸有低端与高端之分，低端产品的停止位置有3、5、16、64个等，根据公司不同而有所变化；高端产品则更是可以达到几百甚至上千个位置。在精度方面，电缸也具有优势，定位精度可达?0.05mm，所以常常应用于电子、半导体等精密的行业。

气缸柔韧性强。毫无疑问，电缸的柔韧性远远强于气缸。由于控制器可以与PLC直接进行连接，对电机的转速、定位和正反转都能够实现精准控制，在一定程度上，电缸可以根据需要随意进行运动；由于气体的可压缩性和运动时产生的惯性，即使换向阀与磁性开关之间配合地再好也不能做到气缸的准确定位，柔韧性也就无从谈起了。

在技术性能方面，本人认为电动和气动各有所长，首先电动执行器的优势主要包括：

气缸结构紧凑，体积小巧。比起气动执行器，电动执行器结构相对简单，一个基本的电子系统包括执行器，三位置DPDT开关、熔断器和一些电线，易于装配。

同时将伺服电机优点-精准转速控制，精准转数控制，精准扭矩控制转变成

随着工厂自动化的要求越来越高，而液压始终有着发热 振动 泄漏等问题，电动缸应运普及。

电动缸与气缸、液压缸对比的优势

解除漏油的烦恼， 低噪音低震动 — 末端电子缓冲和制动控制，无撞击，极低的噪音和振动，减少对整体设备的影响，更提高了生产效· 高速 — 最快6m/s，10g加速度，极高的响应速度，即使在高速运行下也能提供超长的使用寿命· 免维护 — 采用自润滑材料，使用中无需添加润滑油，安装方便 —，无需气源和液压复杂的管路

电动缸对于准确移动、定位、设置和执行机构可以提供以下功能：

高等级的机械效率（可达90%） 织梦内容管理系统

行程长度可达2400毫米

高推力/牵引力，可达10000牛顿

可重复精度± 0.07毫米（±0.01毫米）

速度可达1米/秒

调速皮带轮传动（平行电机安装），可以提供4种传动比

滚珠丝杠倾斜为5~50毫米/回转

5种不同的外形尺寸

可以是伺服电机传动或步进电机传动技术

(1)滚珠丝杠

ET系列电动缸带有高质量的C7等级滚珠丝杠传动。螺丝和螺母间的滚珠保证了较低的摩擦力，在整个速度范围内提供了平滑的操作。

使用寿命和效率都很高。由于没有粘滑效果，可以实现非常短的距离移动。

(2)调速皮带传输

在平行传动设备中使用了防滑、免维护的调速皮带传输，提供了高效率。

传动比可以为1:1.5（ET32）；1:1、1.5:1和2:1。

(3)杆轴承

超长活塞杆轴承能够承受高边缘荷载力。清洁环能够在正常的环境条件下防止外部污染的进入。对于细小粉尘、污染严重、以及有泥泞和液体的情况，客户可以索取定购特殊的垫圈。

(4)后部螺丝支撑轴承

传动侧面的螺丝轴承用于承受高轴向和径向力。它包括两个相互紧挨的有角滚珠轴承，能够吸收产生的推力和牵引力。

(5)前部螺丝支撑轴承

一个聚合轴承支撑着前端和滚珠丝杠，这消除了振动和脱离，改进了位置的准确度并延长了螺丝的寿命。

(6)精准防旋转机构

集成的Nylatron NS轮能够防止杆的旋转并吸收微小的扭矩。

(7)开关操作磁铁

内置于螺丝母中的***磁铁用于操作可以安装在汽缸体纵向槽上的本位开关和限位开关。

(8)8IP65防护等级

IP65防护等级适用于严酷的工作环境，例如需要用液体清洁传动或者多尘或潮湿的使用环境。根据不同介质的使用情况，可能需要对设备进行密封。因此可能有必要和制造商进行协商。