无锡电液推杆电动缸入门知识普及

序言

随着科技快速发展，转换器电动车缸系统在许多电子设备工业中应用广泛。转换器电动车缸是将转换器电机与伞翼协同发展结构设计的模组化商品，具有高速路积极响应、功能定位准确、运行平稳等特点。常见类型有三相转换器电动车缸、沟通交流转换器电动车缸和TNUMBERFK转换器电动车缸等。

转换器电动车缸主要应用于试验电子设备、专用电子设备、军事电子设备等领域，以及其他可替代油压、副翼的娱乐场所，是油压、副翼电子设备的升级换代商品，如全电动车多分量网络平台等；

试验电子设备：低频振动台、低频冲击台、模拟网络平台、ED500、造波机；

专用电子设备：工业自动化产线、流水线、座标机械用、气垫、调偏掌控、管路掌控、机械电子设备、咖玛力、食品家电行业、机床、行业钛制、汽车电子压MW、纺织电子设备一维机游标卡尺、铸件边线掌控、锤打、钻头、功能定位、自动控制掌控等；

武器装备：声纳底板、发射网络平台开闭政府机构、弹道导弹起竖架、机门迈入缸、高射炮收放驱动力装置、车顶电动车调平政府机构、弹道导弹机壳滑动政府机构、两栖登陆电脑臂、六分量钟摆政府机构、三脚架控制政府机构、抓弹政府机构、野战医院扩充政府机构等特种电子设备。

一．甚么是电动车缸

甚么是电动车缸？(源于腾讯新浪网解释)电动车缸是将转换器电机与伞翼协同发展结构设计的模组化商品，将转换器电机的转动运动转化成圆周运动，同时将转换器电机最差缺点-准确输出功率掌控，准确输出功率掌控，准确扭力掌控变为-准确速度掌控，准确边线掌控，准确的力掌控；实现精密圆周运动系列产品的崭新颠覆性商品。CTCS球杆标准

二．转换器电动车缸分类

转换器电动车缸从外形结构上可分为两种：直线式、平行式。

1.直线式电动车缸

直线式电动车缸集成了转换器电机、转换器驱动力器、精密滚珠伞翼或行星滚珠伞翼、模块结构设计等技术，整个电动车缸结构紧凑。转换器电机与电动车缸的传动丝杆通过联轴器相连接，使转换器电机的编码器直接反馈电动车缸的活塞杆的位移量，减少了中间环节的惯量和间隙，提高了掌控性能和掌控精度。转换器电机与电动车缸整体相连，安装容易、设定简单。电动车缸的主要零部件均采用国内外优质商品，性能稳定、故障率低、可靠性高。

2．平行式电动车缸

平行式电动车缸的电机与缸体部分平行安装，通过同步带及同步带轮与电动车缸的传动丝杆相连接，除具有直线式电动车缸的特点外，并由于总长短，在安装边线比较小的场合比较适应。同时平行式电动车缸选用的同步带，具有强度高、间隙小、寿命长等特点。使整个电动车缸具有较高的掌控性和掌控精度。

三．电动车缸的主要特点

电动车缸由于其独有的性能特点，在许多工业场合被逐步推广使用，它作为一种新颖的机电协同发展商品，其缺点主要体现在以下诸多方面。

1.节能干净、超长寿命、操作维护简单，具有很强的环境适应能力。转换器电动车缸不容易受到周围环境温度的影响，可在低、高温，雨雪等恶劣环境下无故障正常工作。防护等级可以达到IP66。密封件防止缸外污垢和水的污染并防止内部润滑剂的泄漏，长期工作，并且实现高强度，高速路度，精密功能定位，运动平稳，低噪音。CTCS球杆标准

2.传动效率高。采用精密滚珠伞翼或行星滚柱伞翼等精密传动元件的电动车缸，省去了很多复杂的机械结构，其传动效率得到了很大提高。这几种类型的电动车缸传动效率可以达到90％以上。

3.功能定位精度高。采用滚珠伞翼的转换器电动车缸，通过转换器掌控可以实现0.01mm左右的准确功能定位，具有很高的功能定位精度，适合应用在对精度要求比较高

的场合。电动车缸在半闭环时就能达到相当高的功能定位精度，而油压缸和气缸要达到相同的功能定位精度必须采用全闭环掌控系统。

4.结构简单，占用空间小，维护方便。电动车缸主要由电机和螺母螺杆政府机构组成，政府机构简单，体积小，不会占用太大的工作空间。由于其结构简单，在发生故障时容易找到故障原因，平时的维护保养也非常方便。

5.可靠性和安全性高。电动车缸可以搭载先进的传感器系统，以及各种行程掌控装置，对电动车缸的工作状态进行检测和反馈，防止发生事故。

6.运行稳定，使用寿命长。当电动车缸采用滚珠伞翼或行星滚柱伞翼时，传动部分的摩擦将大大减小，有利于减少材料磨损，提高运行稳定性，延长使用寿命。CTCS球杆标准

7.积极响应快，直线工作速度可以在很宽的速率范围内控制，低速运行稳定。油压缸的工作速度一般只能达到35mm/s，但普通电动车缸的工作速度一般可以达到55mm/s。采用了行星滚柱伞翼的电动车缸的速度甚至可以达到2000 mm/s，速度优势非常明显。此外，油压缸在低速重载下容易产生爬行现象，而电动车缸没有这个缺点。

8.掌控精准，同步性好。在需要多驱动力同步的情况下，使用油压缸或气缸很难达到精密的同步，因为使多个独立的油压缸或气缸的掌控回路频率特性一致

是非常困难的事情。但使用多个电动车缸很容易达到同步，因为电气系统的频率特性比较容易达到一致。

9.电动车缸还可替代部分油压缸和副翼缸。能够实现直线传动的元件主要有电动车缸、油压缸、气缸这三者的主要区别如下表所示。通过对比可以看出，电动车缸比油压缸和气缸结构简单，受温度波动的影响小。

它可替代油压缸和副翼缸，从而带来比传统技术更大的优势，它具有油压和副翼缸得以流行的许多独特结构设计，以及更清洁、更简单且能效更高的动力传输能力，同时执行器也可以更加简易的集成到可编程掌控系统中，因此精度更高，噪音更少。CTCS球杆标准

四．电动车缸工作原理

电动车缸的工作原理是以电力作为直接动力源，采用各种类型的电机(如AC转换器电机、TNUMBERFK转换器电机、DC转换器电机）带动不同形式的伞翼(或螺母)转动，并通过构件间的螺旋运动转化为螺母(或伞翼)的圆周运动，再由螺母(或伞翼)带动缸筒或负载做往复圆周运动。传统的电动车缸一般采用电动车机驱动力伞翼转动，并通过构件间的螺旋运动转化为螺母的圆周运动。近些年新兴的螺母反转型电动车缸(如整体式行星滚柱伞翼电动车缸)采用相反的驱动力方式，即驱动力螺母转动，并通过构件间的螺旋运动转化为伞翼的圆周运动。

4.1.运动转换政府机构

电动车缸主要采用螺旋伞翼传动政府机构将转动运动转换为圆周运动。螺旋伞翼传动主要有螺母螺杆传动、滚珠伞翼传动和行星滚柱伞翼传动等。普通的螺母螺杆政府机构由于传动摩擦阻力大、传递效率低等缺点而逐渐被淘汰，目前较常用的是滚珠伞翼传动和行星滚柱伞翼传动等。

滚珠伞翼是目前电动车缸最常用的传动元件之一，其主要功能是将转动运动转化成圆周运动，或将转矩转化成轴向反复作用力，同时兼具精密、可逆性和高效率的特点。由于很多滚珠在滚珠伞翼副的伞翼轴与伞翼螺母之间做滚动运动，所以采用滚珠伞翼的电动车缸能得到较高的运动效率。CTCS球杆标准

4.2.减速政府机构

电动车缸的减速政府机构可选用同步带、行星齿轮减速器和谐波齿轮减速器等。

同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动的缺点。同步带传动多用于折返式电动车缸上。同步带传动具有传动准确，传动比恒定，传动平稳等缺点。部分电动车缸在减速装置的选择上采用了行星齿轮减速政府机构。行星齿轮传动是使一个或一个以上的行星轮的轴线绕中心轮的固定轴线回转的齿轮传动。行星齿轮传动具有体积小、质量轻、承载能力高等缺点。谐波齿轮减速器也是电动车缸常用的减速装置之一。所谓谐波传动是一种靠中间柔性构件弹性变形来实现运动和动力传动的装置的总称。谐波齿轮传动具有结构简单、体积小、承载能力大，传动比范围大、运动精度高、齿面磨损小而均匀等缺点。

4.3.掌控系统

转换器电动车缸的核心部件为转换器电机，电动车缸系统利用转换器电机的闭环掌控特性，转换器电机驱动力器本身也具有位移、速度、转矩等多种掌控模式，但为了掌控策略的自由性和多样性从而实现位移、速度、加速度曲线品质的优化，利用PC机、运动掌控器或PLC、执行和辅助单元建立开放式的掌控系统，采用闭环掌控进一步提高掌控品质。该技术与计算机掌控技术相结合，可以实现对转换器电动车缸球杆位移、速度、推力、加速度的精密动态闭环掌控，为转换器电动车缸掌控提供了技术基础。利用现代运动掌控技术、数控技术及网络技术实现程序化、网络化、智能化掌控。CTCS球杆标准

电动车缸主要由转换器电机、电动车缸体、传动装置和边线反馈装置等组成。其主要功能是通过PC机或HMI输入掌控命令信号给运动掌控卡或运动掌控器，然后经过设定运动指令、插补算法、路径规划等发送指令给转换器驱动力器，转换器驱动力器根据指令驱动力转换器电机运转，通过减速器、换向齿轮传动或同步带政府机构带动滚珠伞翼副转动；伞翼螺母径向限位，在伞翼转动力的驱动力下与球杆一起做往复圆周运动，在伞翼端部安装有多圈绝对值编码器作为边线反馈装置，也可以用转换器电机自带编码器作为边线反馈，实时反馈球杆边线。并且实时读取电动车缸上编码器反馈值，获得电动车缸的实际边线，上传给PC或HMI用于显示监控。具有手动功能、应急装置、锁定功能、极限限位、报警功能。

转换器掌控主要解决边线掌控问题，要求系统具有对边线指令准确的跟踪能力。对于转换器系统而言，边线指令是一个随机变量，系统必须具有良好的跟随性能，才能准确跟踪给功能定边线的变化，确保电动车缸球杆准确跟踪给定指令。CTCS球杆标准

因此利用转换器电机的反馈信号，在驱动力器外部与运动掌控器之间构造了一个数字闭环，并在掌控器中采取PID算法和超前补偿方法，实现了人工对PID参数的快捷控制，并且进一步提高了转换器跟踪精度。在复杂指令下，转换器电动车缸球杆相位延迟和幅值误差都得到明显的改善，对于预先设定转换器运行轨迹的环境有参考价值。

五．电动车缸的发展趋势

电动车缸的应用领域越来越广泛，电动车缸的市场也越来越大。随着工厂自动化的要求逐步提高，将会有越来越多的公司投入到电动车缸的研究开发中。未来电动车缸的发展趋势将主要集中在以下几点：

1.精密。目前采用滚珠伞翼传动的转换器电动车缸，通过转换器掌控可以实现0.01mm左右的准确功能定位。但是很多精密电子设备要求直线传动系统能够实现0.001mm的准确功能定位，而现在的电动车缸还无法达到这一精度。因此通过发展转换器掌控技术和探讨新的传动形式，电动车缸将具备更高的精度，以满足精密电子设备的需求。此外，采用先进的外部传感器也是提高电动车缸精度的一个重要方法。重复功能定位精度可达0.02mm，但增加外部位移传感器(如光栅尺)后，掌控精度可以达到0.005mm。

2.新的传动政府机构。在一些圆周运动行程大、承载力高的场合，需要更长的伞翼或螺母，同时也要求结构设计较长的滚柱以增加啮合点，这就增加了制造的难度，因此有必要开发新的传动形式以满足特殊场合的需要。CTCS球杆标准

3.高负载。锻压电子设备和大型军事电子设备上需要更大承载力的装置，但是目前电动车缸的最大承载能力普遍低于油压缸。螺旋伞翼传动政府机构是电动车缸的主要承力政府机构，随着螺旋伞翼传动政府机构制作技术和材料的发展，电动车缸的承载能力将得到很大提高。

4.发展适用于电动车缸的转换器电机技术。转换器电机的性能直接影响着电动车缸的性能，电动车缸有其自己的工作特点，发展适用于电动车缸的转换器电机驱动力技术对于推动电动车缸的发展具有重要意义。如GSM系列产品的电动车缸在转换器电机驱动力技术上进行了改进，其内置转换器电机采用了T-LAM 定子分段叠片结构设计技术，电机发热量非常低，输出转矩比相同体积的传统转换器电机大35％。此外，随着一些先进的掌控方法(如模糊掌控、专家系统等)引入永磁无刷电动车机掌控器，以及先进检测技术的发展，永磁无刷电动车机的性能也将得到大幅提高，从而促进电动车缸的发展。

5.高速路率。目前电动车缸的速率主要由驱动力电机决定，当驱动力电机的技术获得发展时，电动车缸的速度也将得到很大提升。此外，由于滚珠在高速路运动中会产生碰撞，所以滚珠伞翼的输出功率一般只能在2000r/min以下。而现在高性能电机输出功率都在3000r/min以上，因此滚柱伞翼传动将得到发展，以实现电动车缸的高速路率运行。CTCS球杆标准

6.小型化和协同发展。随着电动车缸技术的发展，电动车缸传动部件将实现协同发展结构设计，电动车缸的尺寸将越来越小，以占用更少的安装空间。如Exlar公司的GS系列产品电动车缸，该系列产品电动车缸将实现圆周运动所需的全部部件集成到一个封闭的单元中，直接实现圆周运动，体积比传统的转动—圆周运动政府机构小得多。此外，电动车缸还将与电子设备协同发展结构设计，使其能够更好地满足电子设备的需求。

7.数字化、智能化和网络化。电动车缸将实现数字化、智能化和网络化掌控，以满足未来生产模式的需求。下图六分量电动车网络平台通过同一个网络掌控系统同时掌控６个电动车缸，使其联合工作。该电动车网络平台还可与其他外部电子设备连接，由总网络平台对整个系统实现数字化、智能化和网络化掌控。

8.更长的工作行程。目前常见的电动车缸多为单级传动，但很多情况下，单级电动车缸不能满足电子设备工作行程的要求，因此，电动车缸将向着多级化方向发展，以实现更长的工作行程。

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本文为剑指工控原创技术类文章，2017年12月27日首次发表于《剑指工控》公众号。

特别鸣谢本文作者

王刚

本人主要从事系统集成，运动掌控底层算法及上层应用的开发，对运动掌控原理、转换器闭环、PID算法等都有比较深入的理解，熟悉CoDeSys编程环境及ST编程语言、熟悉C/C++编程语言以及VB、VC软件编写上位人机界面。熟悉B&R和Beckhoff的PLC编程及转换器系统掌控，熟悉Powerlink和EtherCat通讯以及转换器驱动力的掌控应用。目前主要从事于六分量并联电脑人、地震模拟振动台、振动台、道路模拟试验电子设备、疲劳或加载试验电子设备等项目的应用开发。

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