隨著工廠自動化的要求越來越高，電動缸應運而生。我們目前比較常見的電動缸，一般為如下圖所示的結構，伺服電機通過機械傳動裝置（如齒輪、同步帶或聯(lián)軸器）驅動滾珠絲杠旋轉，絲杠與滑塊間排列分布著滾珠，沿著絲杠螺紋槽滾動并帶動滑塊完成直線運動，從而實現(xiàn)推桿的推拉動作。為適應不同的要求，電動缸已有多種品種規(guī)格，也有不同的名稱，如：電動滑臺、直線滑臺、工業(yè)機械手臂等。

 

通常的電動缸結構簡圖

上述的電動缸結構雖然已經(jīng)比較成熟，但是在面對更苛刻的運控挑戰(zhàn)時，依然是捉襟見肘的。電動缸在復雜的環(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成本。比如：

伺服的高動態(tài)響應和精確位置控制,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

為了解決這些難題，一些直線運控產(chǎn)品廠家在其產(chǎn)品中運用了一些特別的技術，來幫助設備用戶在這些方面提升直線運動應用的體驗。今天為大家介紹的就是在一種在某些電動缸產(chǎn)品中應用的特殊的絲杠傳動技術－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構

 

行星滾柱絲杠的結構示意圖

粗略看其結構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），其長度決定了運動行程

 

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，每個滾柱都可以自轉，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)側齒牙咬合，當滾柱自轉時，整個滾柱組和法蘭也會在套筒內(nèi)側旋轉。這個和行星齒輪減速機的原理非常像。

 

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。當絲杠旋轉時，由于滾柱和絲杠螺紋槽的咬合作用，整個滾柱螺母總成就會沿著絲杠直線方向運動。

 

行星滾柱絲杠

如果電動缸內(nèi)部采用上述的行星滾柱絲杠，其結構形式和傳動原理是同滾珠絲杠電動缸類似的，如下圖，伺服電機驅動絲杠旋轉，從而使行星滾柱螺母總成帶動電動缸推桿完成直線往復推拉運動。

 

行星滾柱絲杠的電動缸結構示意圖

那么，采用了行星滾柱絲杠的電動缸，在性能上有什么不同呢？

超長壽命

當絲杠旋轉并在推桿上產(chǎn)生推（拉）力時，作用力在滾珠絲杠上的力是施加在各個滾珠球面上的一個點的。

 

滾珠絲杠作用力示意圖

而這個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動中相互撞擊，從而會導致發(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效率。

 

⚠️以EXLAR的FT系列電動缸產(chǎn)品為例，其可以提供高達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導致了能量的損耗

 

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，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作。

 

這些都使?jié)L柱絲杠的可以達到極高的轉速，可超過6000 rpm。

易于維護

當拆卸滾珠絲杠的滾珠螺母時，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）非常容易獲得且價格便宜

滾珠可以彌補滾道加工的誤差，使其平均每顆珠子可以平均承載，設計和制造難度相對較低

滾柱絲杠

設計困難，需要通過精密的數(shù)學計算其螺紋形式，使其避免相互間的滑動

需要超高精度的加工工藝，以保證所有的螺紋接觸點都能平均受力

需要昂貴的加工設備和經(jīng)驗豐富的技師

所以目前只有少數(shù)的廠家能夠提供滾柱絲杠的電動缸，而且其硬件價格也是較高的。其價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

易于拆裝

最高轉速可達6000 rpm

運行安靜

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

 

集成式電動缸（剖視）