電動缸方案設計

電動缸設計方案引言：電動缸是將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的一種裝置，實現(xiàn)高精度直線運動系列的全新革命性產(chǎn)品。作為一種由轉(zhuǎn)動變成直線運動的裝置，要實現(xiàn)這樣的功能，可以有很多的設計方案，比較簡單的齒輪齒條結(jié)構(gòu)和液壓、氣壓系統(tǒng)都能到達設計的目的，方案是多種多樣的，最重要的是設計一個滿足功能要求、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、環(huán)保并且管理維護方便的機器。采用不同的結(jié)構(gòu)有不同的優(yōu)缺點。隨著工廠自動化的要求越來越高，電動缸應用越來越廣。電動缸能夠把電機的轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)化為直線運動，是一種高響應、長壽命的執(zhí)行機構(gòu)，目前在鋼鐵企業(yè)中已廣泛用于原料碼頭、原料場、燒結(jié)廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠等工作場所的卸料、卸煤、卸礦、卸灰、皮帶運輸機、除塵器種種設備上。和其他采用液壓或氣壓作為驅(qū)動源的系統(tǒng)相比，電動缸直接由電機控制，不再需要油、氣等中間媒介傳遞動力，可以避免因為漏油、漏氣產(chǎn)生系統(tǒng)的誤差，導致不準確、使用不方便，所以電動控制系統(tǒng)比液壓系統(tǒng)具有更優(yōu)越的控制性能，速度更快、承載能力更高、壽命更長。系統(tǒng)的控制性能不會受環(huán)境溫度、易污染的液壓閥和流體介質(zhì)等因素影響。電機和伺服驅(qū)動器之間的連線也非常簡單，不再需要液壓系統(tǒng)中復雜的油泵、管路、冷卻系統(tǒng)以及其他附屬設施。與氣缸相比，電動缸可以應用在那些不太適合使用高壓空氣的場合。與氣缸所產(chǎn)生的軸向運動相比，螺紋的使用使運動有了更高的速度和力矩。在最新的電動伺服系統(tǒng)中，在控制速度、位置和扭矩時，可以對每個動作進行設定。這個特點使一個簡單的“圓柱體”成為一個真正的自動化系統(tǒng)，具有體積小、性能優(yōu)、便于維護等優(yōu)點。電動缸也可以采用滾珠絲杠技術使系統(tǒng)具有更高的機械剛性、更長的使用壽命、更高的抗沖擊能力。高效堅硬的滾珠絲桿適合做精確定位和長距離往復運動，適合大軸向載荷的往復運動，并能夠獲得更高的可靠性和更長的使用壽命。電動缸有著獨特的性能特點，相比于液壓和氣壓系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)越性。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.定位精確。如果采用伺服電機作為驅(qū)動機構(gòu)，伺服控制系統(tǒng)精度非常高，它與高精度的傳動件相配合可以使電動缸的控制精度大大的提高，實現(xiàn)0.01mm左右的精確定位。2.傳動效率高。采用滾珠絲桿副作為傳動件實現(xiàn)直線的往復運動，減少運動時的摩擦，傳動效率可達80%90% ，比液壓系統(tǒng)的傳動效率高出約15%3.運動響應快。 直線運動的速度范圍達到55mm/s ,而液壓缸只能達到35mm/s4.承載能力范圍廣?？梢詫崿F(xiàn)從幾十公斤到上百噸的承載范圍5.使用壽命長，如果采用滾珠絲桿等高精度傳動件，減少摩擦的同時可以提高電動缸的使用壽命6.結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用空間。電動缸是非標準件產(chǎn)品，可以按照使用的環(huán)境充分考慮空間而設計。7.環(huán)境適用能力強。可以在低溫、高溫、干燥、風雨等惡劣環(huán)境下適用，不同液壓和氣壓系統(tǒng)要充分考慮環(huán)境的因素。電動缸的組成電動缸的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包括驅(qū)動機構(gòu)、減速裝置、直線傳動機構(gòu)和輔助機構(gòu)四大部分。驅(qū)動電機類型：直流電機、交流電機、步進電機、伺服電機等。減速裝置一般齒輪減速、蝸輪蝸桿、行星齒輪輪、諧波減速直線傳動機構(gòu)梯形絲桿 滾珠絲桿 滾柱絲桿 滑動導軌電動缸分類：電動缸在安裝結(jié)構(gòu)上可以分為直線式，折返式和垂直式三類。直線式是電動缸的電機與絲桿主軸安裝位置在同一軸線上，折返式是電機安裝位置與絲桿軸線平行。垂直式是電機軸線與絲桿軸線相垂直電動缸設計問題的提出電動缸驅(qū)動電機類型的選擇？他們什么優(yōu)缺點選擇什么樣的減速裝置、他們有什么優(yōu)缺點選擇哪種直線傳動機構(gòu)？當負載超過設計值時、采用什么過載保護措施？電動缸設計可能方案方案一： 這是一種行星滾柱絲杠電動缸。由伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過帶輪傳動，帶動絲杠的轉(zhuǎn)動，采用了行星滾柱絲杠傳動力方式，由螺母組件推動推桿的往復運動。行星滾柱絲杠這種傳動方式是在主螺紋絲杠周圍，行星布置安裝了6-8個螺紋滾柱絲杠，這樣將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為絲杠或螺母的直線運動，與梯形絲杠、滾珠絲杠的傳動方式有點相近，但不同點則是行星絲杠能夠在極其艱苦的工作環(huán)境下承受重載上千個小時，這樣就使得行星絲杠成為要求連續(xù)工作制應用場合的理想選擇。超承載能力，行星滾柱絲杠為受力多線接觸，接觸面的增加，承載能力和剛性將大大提高。相同的負載比較滾珠絲杠節(jié)約1/3的空間方案分析圖1中A 為絲杠, B 為螺母, 其牙型為三角形, 牙型半角為45 度 , 線數(shù)相同。C 為滾柱,單線螺紋。為保證滾柱具有較高的承載能力和剛度, 其螺旋面磨出較大的接觸半徑圖2。滾柱的螺旋角與螺母相同, 以保證滾柱在螺母內(nèi)滾動時無軸向移動二滾柱的兩端加工出輪齒G , 它與內(nèi)齒輪H 相嚙合, 確保滾子正常滾動。滾柱兩軸端D 裝人導向環(huán)E 內(nèi), 使?jié)L柱沿圓周均勻分布.導向環(huán)由彈簧擋圈H定位, J 為油孔。行星滾柱絲杠的特點：1. 承載能力及剛度高由于滾柱加工出較大的接觸半徑, 且所有的滾柱同時參與工作, 接觸面積大, 因此承載能力及剛度比普通滾珠絲杠高。2速度、加速度高由于采用行星機構(gòu)控制滾柱運動, 不需要滾動件的循環(huán)裝置, 所以行星滾柱絲杠具有較高的移動速度和加速度。移動速度可高達60m/min , 角加速度達7000rad/, 且高速下的振動噪音小3.可在惡劣環(huán)境下使用采用滾珠絲杠, 當有雜質(zhì)進人或潤滑不良時, 絲杠將不能正常工作, 嚴重時將導致絲杠咬死，而行星滾柱絲杠中, 滾柱的滾動由其兩端的輪齒驅(qū)動, 比較容易保證滾柱能夠正常運動。4. 拆卸方便行星滾柱絲杠在拆卸時, 可不將滾柱拆下, 就可將螺母從絲杠上整體卸下, 使用方便。方案二這是DDG-W系列電動缸的主要結(jié)構(gòu)為： 制動電機通過聯(lián)軸器、過載保護裝置、減速齒輪箱與滾珠絲桿聯(lián)結(jié)作旋轉(zhuǎn)運動, 滾珠螺母與筒形推桿聯(lián)結(jié), 套在滾珠絲杠之上, 由于滾珠絲桿的正反轉(zhuǎn)動, 使得滾珠螺母和筒形推桿作直線往復運動。該系列電動缸由于采用滾動螺旋付, 摩擦力小, 機械效率高, 節(jié)省電能, 相對的說結(jié)構(gòu)就顯得小巧。由于滾動螺旋付不能自鎖, 所以采用了制動電機, 以防止停機時的逆轉(zhuǎn)。制動電機是由電動機和電磁摩擦制動裝置兩部分構(gòu)成。當電源接通以后, 制動器的電磁吸力克服彈簧作用力, 使摩擦部分脫離, 于是電機便開始轉(zhuǎn)動。當電源切斷, 電機旋轉(zhuǎn)磁場和制動器的電磁吸力便同時消失。電磁鐵在彈簧力的作用下便產(chǎn)生摩擦制動力矩, 電機在0.15s-0.5s極短的時間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動。停止精度較高, 水平使用時, 一般為15mm。方案分析 方案中的電機選擇的是制動電機。電機輸出的轉(zhuǎn)矩先經(jīng)過載保護裝置再輸入到減速箱中，過載保護能夠在負載過重時保護電機減速箱等設備的安全。這個過載保護裝置結(jié)構(gòu)簡單，主要的原理是在負載過重時，通過彈簧把聯(lián)軸器2分開，起到過載保護的作用。在減速箱左邊可以看到有一個手動轉(zhuǎn)軸5，這個手動裝置是為在停電或者電機無法正常工作時而設計的，可以通過手動的方法使?jié)L珠絲杠繼續(xù)工作。電位計的使用可以用于指示推桿的位置和控制推桿的動作，非常適用于機械自動化領域。方案采用了滾珠絲杠的傳動方式。滾珠絲杠副是由滾珠絲杠、滾珠、滾珠螺母和相關循環(huán)零件組成的以圓柱螺旋線為運動軌跡的傳動部件。用來將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動（主要用途），或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化成回轉(zhuǎn)運動（大導程）。廣泛應用于數(shù)控機床、自動化設備、測量儀器、印刷包裝機械、紡織機械、制藥機械、玻璃機械以及其他需要精密路徑定位的領域。作為滾動摩擦的傳動部件，它具有如下6點特性： 傳動效率高滾珠絲杠副的傳動效率高達90%98%，為滑動絲杠副的24倍，能高效地將扭力轉(zhuǎn)化為推力，或?qū)⑼屏D(zhuǎn)化為扭力。 傳動靈敏平穩(wěn)滾珠絲杠副為點接觸滾動摩擦，摩擦阻力小、靈敏度好、啟動時無顫動、低速時無爬行，可級控制微量進給。 定位精度高滾珠絲杠副傳動過程中溫升小、可預緊消除軸向游隙和初級彈性形變、可對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，故可獲得較高的定位精度和重復定位精度。 精度保持性好滾珠及滾道硬度達HRC5863，滾道形狀準確，滾動摩擦磨損極小，具有良好的精度保持性、可靠性和使用壽命。 傳動剛度高滾珠絲杠副內(nèi)外滾道均為偏心轉(zhuǎn)角雙圓弧面、在滾道間隙極小的時也能靈活傳動。需要時加一定的預緊載荷則可消除軸向游隙和初級彈性形變以獲得良好的剛性（此時使用壽命有所減少）。 同步性能好滾珠絲杠副因具有導程精度高、靈敏度好的特點，在需要同步傳動的場合，用幾套相同導程的滾珠絲杠副可獲得良好的同步性能。方案三 方案如圖2-1所示，整機采用折返式結(jié)構(gòu)形式，由伺服電機作為動力源，經(jīng)過減速器，安全離合保護器、制動器、同步帶傳動等將動力傳遞到絲杠傳動系統(tǒng)。減速裝置采用行星齒輪減速器。同步帶傳動與絲杠傳動系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的功能。絲杠傳動采用的是滾動絲杠的傳動方式，方案中設計了一種空心絲杠和滑動花鍵副相結(jié)合的二級絲杠傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了二級電動缸傳動。絲杠傳動原理 如圖2-2所示，當主絲杠工作時，主絲杠副螺母作直線運動，同時，通過滑動花鍵副，主絲杠帶動空心絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)空心絲杠副螺母的直線運動?？招慕z杠一端相對于主絲杠副螺母可以做回轉(zhuǎn)運動，但無相對軸線運動。外套筒與主絲杠螺母副固連，推力套筒與空心絲杠副螺母固連，外套筒對推力套筒起導向和徑向支撐作用。推力套筒端部承受外界載荷，在推力套筒作軸向直線運動時，推動載荷物體同步作軸向移動。方案四如圖1所示。步進電動機1 通過聯(lián)軸節(jié)2 帶動螺桿5 轉(zhuǎn)動，與螺母4 成為一體的外筒6 便在螺桿的推動下作直線運圖動。端板10將外筒與滑臺9連在一起，滑臺便在外筒的推動下沿直線導軌8 作直線運動。工件可安裝在端板或滑臺上。在外筒內(nèi)裝有磁環(huán)3在器體12 的側(cè)溝內(nèi)可安裝磁性開關，這樣便可檢知執(zhí)行器的伸出行程。限位器11 限制了執(zhí)行器的最大行程。當滑臺運行至行程端部時，緩沖墊7 起緩沖作用。在返回運動中，當傳感器板13 擋住微型光電傳感器14 的光時，表示執(zhí)行器已返回到原點。15 是電動機蓋。方案在工程中的問題：行星滾柱絲杠工程問題由于行星滾柱絲杠具有以上幾個特點, 故特別適用于高精度、高速度以及惡劣條件下。但行星滾柱絲杠的零件數(shù)量多, 結(jié)構(gòu)復雜, 成本高, 因此選用時應慎重 通常可從以下幾個方面進行考慮（1）. 載荷行星滾柱絲杠在實際使用中, 很多情況下絲杠的速度及所承受的軸向載荷都是變化的。為計算當量動載荷, 首先須計算出絲杠所受的平均載荷，當速度不變時, 所受載荷也是固定不變的， 而當速度改變時, 載荷也隨之而變。此時作用在絲杠上的平均載荷可由下式計算滾珠絲杠的程問題1、 精密滾珠絲杠副絲杠滾道磨損異常滾珠絲杠副滾道的磨損會改變滾道的設計尺寸和形狀，導致絲杠副性能降低。在通常情況下，絲杠副的壽命是根據(jù)疲勞壽命理論設計的，絲杠和螺母采用相同的材料和熱處理工藝，硬度基本相同。雖然螺母滾道面的工作時間比絲杠軸滾道面長，但是實踐中卻發(fā)現(xiàn)，絲杠軸的磨損明顯大于螺母，致使絲杠副的有效壽命大大縮短。圖1為壽命試驗后分解的絲杠副零件，圖中可見絲杠滾道的磨痕非常明顯，而螺母滾道卻無明顯磨痕。陳建生等人曾研究了滑動絲杠螺母副的磨損問題，在鋼青銅配套的滑動絲杠螺母副中，螺母的磨損較大，而常用的精密滾珠絲杠副卻是絲杠軸滾道磨損更嚴重。這一現(xiàn)象使人們感到非常困惑，目前尚未見到對這一現(xiàn)象的合理解釋。 圖12、滾珠絲杠副卡滯現(xiàn)象滾珠絲杠在裝配或者使用過程中會經(jīng)常出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。滾珠絲杠副的卡滯現(xiàn)象與絲杠副卡死現(xiàn)象是不同的, 卡死后的滾珠絲杠副絲杠相對于螺母無法轉(zhuǎn)動, 滾珠絲杠副正、逆運動都無法進行, 無論以絲杠還是以螺母做主動件, 也無論其驅(qū)動力矩有多大都不能使絲杠與螺母產(chǎn)生相對運動; 而卡滯后的滾珠絲杠副可以工作, 但需要的驅(qū)動力矩為正常工作時的5 10倍, 有時甚至更大。這種需要較大驅(qū)動力矩驅(qū)動的情況在很多時候只持續(xù)較短時間, 當絲杠轉(zhuǎn)過一定角度后就自行消失而恢復成正常驅(qū)動力矩水平了。3、滾珠絲杠副中滾珠與導珠管的接觸碰撞目前高速滾珠絲杠副的dN 值一般在100 000到150 000之間. 當dN 值達到上述水平時, 高轉(zhuǎn)速使?jié)L珠在循環(huán)滾道中產(chǎn)生劇烈的往復沖擊, 由此帶來了一般低速條件下未出現(xiàn)的問題, 如滾珠循環(huán)系統(tǒng)的疲勞損壞, 熱變形, 高振動和噪聲， 絲杠的滾珠循環(huán)反向裝置是滾珠絲杠的薄弱環(huán)節(jié), 滾珠進入及離開反向裝置時運動狀態(tài)都會發(fā)生徹底的變化, 當滾珠進入導珠管反向器時, 兩者之間發(fā)生碰撞, 使?jié)L珠絲杠產(chǎn)生振動和噪聲, 甚至會導致滾珠循環(huán)系統(tǒng)的疲勞失效。可行方案設計1、伺服電機 2、安全離合器3、圓柱齒輪減速器4、手動輸入端 5、電位計 6、主絲桿 7、滾珠螺母 8、筒形推桿方案分析：1、根據(jù)設計原則和技術要求選擇電機的型號和參數(shù)，電機的額定功率為計算功率的1.3-1.4倍。電動機的額定轉(zhuǎn)速都比較高，假設選擇3000r/min的電機，減速器的傳動比I=2，經(jīng)過減速后主絲桿的轉(zhuǎn)速為1500r/min，也就是25r/s，主絲桿轉(zhuǎn)動一圈滾珠螺母平行移動約20mm。每秒移動的距離約為500mm,這樣的距離是比較合適的。移動的距離與主絲桿的螺距有關。2、減速器的傳動比為2，減速器的類型很多，有一般齒輪減速器、蝸桿減速器、蝸桿齒輪減速器、行星齒輪減速器、擺線針減速器和諧波齒輪減速器