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，它們的區別是通過旋轉梯形絲杠/螺母，還是驅動傳統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工廠面臨的挑戰是如何在狹小空間內以低成本實現穩健的導向。

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
• 確定適合采用圓軌、方軌還是其他導向機構
• 進行優化運算，這可能需要數天時間。
• 在CAD中實現終稿設計
• 組裝
• 測試

有時可以自己用現成的組件組裝一個緊湊的直線運動系統，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（可能存在未知風險），或者是依靠具有數十年應用專業知識的運動控制制造商來創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模經濟效益，但也有許多潛在的缺點。

沒有豐富系統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）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同工作。如果出現問題，可能出現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“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方面擁有更為豐富的經驗。供應商可能已經開發了配置規范、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標準配置選項，可用于向SMLA添加導向。例如，根據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。一些供應商還免費提供定制服務。這些供應商優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項目，擁有可用的時間和專業知識，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，可能會讓您更快、更低風險地獲得所需的優化產品。