當機器設計人員需要將電機扭矩轉換為直線推力時，他們通常會指定帶有集成絲杠和螺母的步進電機。這種配置被稱為步進電機直線推桿（SMLA），可以沿直線路徑提供精確的控制、可靠性和多功能性，但即使存在很小的力矩或側向負載，也有必要添加額外的直線導軌。設計良好的導向機構可以防止側向載荷可能帶來的任何束縛、折彎、屈曲或其他功能障礙。

從表面上看，為SMLA添加導向似乎很容易，以至于有經驗的工程師可能會自己設計，但考慮到可能涉及的計算的復雜性，即使在很小的應用中，DIY策略也可能不值得一試。確定適合任何應用的方法需要仔細考慮運動曲線、可用時間和預算、空間考慮、集成和支持。

為什么選擇SMLA

SMLA通常由步進電機和集成梯形絲杠組成，該梯形絲杠驅動負載來回直線運動。SMLA是高度可靠、經濟的主力產品，可驅動許多需要精確啟停以及高可編程性的應用，例如顯微鏡載物臺調整、3D打印頭移動和移液等。（圖 1）

圖1.上圖：所有SMLA都有一個步進電機、集成梯形絲杠和一個螺母，它們的區(qū)別是通過旋轉梯形絲杠/螺母，還是驅動傳統(tǒng)推桿型直桿的梯形絲杠來進行運動轉換。下圖：理想的SMLA應用包括（從左到右）移液、顯微鏡載物臺調整、流體泵送和3D打印。圖片由Thomson Industries，Inc.提供

對導向的需求

SMLA沿直線軸提供推力，但不能承受側向載荷。垂直于此軸的不良載荷可能由以下因素引起：

• 未對準載荷引起的彎曲矩力
• 振動和沖擊載荷，尤其是在具有機械沖擊或振蕩的環(huán)境中。
• 組件之間的熱膨脹差異。
• 重力

無論是單獨還是組合施加的這種力都會加劇部件磨損或變形。它們會導致折彎和屈曲、過早失效以及軸承或絲杠螺母和螺紋上的應力增加。錯位、摩擦增加和材料疲勞也會導致整體性能下降和系統(tǒng)壽命縮短。

避免力矩或側向載荷的負面影響需要增加額外的導向，以防止外力影響載荷的直線運動。導向通常涉及在梯形絲杠外部部署額外的圓形或方形導軌和軸承。用戶或OEM工廠面臨的挑戰(zhàn)是如何在狹小空間內以低成本實現(xiàn)穩(wěn)健的導向。

添加導向

負載越大，速度越高，以理想的方式添加導向就越復雜。這涉及以下步驟：

• 評估間距、預算和交付參數(shù)
• 確定適合采用圓軌、方軌還是其他導向機構
• 進行優(yōu)化運算，這可能需要數(shù)天時間。
• 在CAD中實現(xiàn)終稿設計
• 組裝
• 測試

有時可以自己用現(xiàn)成的組件組裝一個緊湊的直線運動系統(tǒng)，將推力和導軌集成到一個小型單元中。但是，通常需要額外的專業(yè)知識才能得出理想的解決方案。機器設計師需要選擇是自己組裝直線運動系統(tǒng)（可能存在未知風險），或者是依靠具有數(shù)十年應用專業(yè)知識的運動控制制造商來創(chuàng)建高度配置且通常采用標準組件的解決方案

DIY?

自己設計一個緊湊的直線運動系統(tǒng)可能會以較低成本獲得更為定制化的解決方案，并且可以在大批量應用中產生規(guī)模經濟效益，但也有許多潛在的缺點。

沒有豐富系統(tǒng)設計經驗的機器設計人員可能會在謹慎和過度設計方面犯錯誤。雖然過度設計可能會降低風險，但它通常也會增加復雜性。例如，過大的軌道能提供更多的支撐，但也會增加成本和占用空間。工程項目在第一次迭代中失敗并不罕見，這可能需要回到起點，進一步增加成本和延遲。

許多（如果不是絕大多數(shù)）DIY項目集成了來自不同供應商的組件，這些組件不太可能以理想的方式協(xié)同工作。如果出現(xiàn)問題，可能出現(xiàn)零部件供應商之間的相互推諉。同樣，維護和支持也可能是一個問題，特別是如果原來的內部設計團隊不再可用來完成項目。

合作取得成功

與能夠通過標準或略微修改的組件實現(xiàn)“恰到好處”的配置的供應商合作將有助于避免此類問題。供應商在為各種應用定制直線運動系統(tǒng)方面擁有更為豐富的經驗。供應商可能已經開發(fā)了配置規(guī)范、CAD模型和在線工具來促進該過程，以及使他們能夠更高效地加工零件的實體工具。供應商也可能擁有經過預先測試的模塊，無需進行重大定制即可輕松適合應用。（圖2）模塊化使供應商能夠交付高度配置的標準產品，而不會增加與產品定制相關的成本。

圖2. 運動工程師擁有無數(shù)標準配置選項，可用于向SMLA添加導向。例如，根據(jù)應用要求以及安裝和空間考慮因素，他們可以使用垂直（左）或水平（中）放置的導軌和梯形絲杠。或者，他們可以在梯形絲杠的兩側（右）使用圓軌來幫助承受更高的力矩負載。圖片由Thomson Industries， Inc.提供

供應商還對產品的運行負責——一般通過提供保修服務。如果在工廠集成，設計人員可以更有信心地認為組件之間不會出現(xiàn)不匹配的情況。供應商還擁有合理利用狹小空間的經驗，從而生產出更緊湊的直線運動系統(tǒng)。一些供應商還免費提供定制服務。這些供應商優(yōu)勢和能力帶來的結果是更少的時間、麻煩和維護，更快的解決方案，重要的是，降低了總擁有成本。

安全的選擇

如果您需要定制一個大容量直線運動系統(tǒng)項目，擁有可用的時間和專業(yè)知識，并且可以承受一些風險，那么您可以通過自己構建來降低擁有引導系統(tǒng)的成本。否則，與經驗豐富的供應商工程團隊合作，為您的應用使用標準組件組裝一個高度配置、緊湊的直線運動系統(tǒng)，可能會讓您更快、更低風險地獲得所需的優(yōu)化產品。