步進(jìn)電機(jī)直線推桿（SMLA）將步進(jìn)電機(jī)、精密梯形絲杠和螺母組合在一個(gè)緊湊的外殼中，為直線運(yùn)動(dòng)提供了一種高度可配置、可定制和穩(wěn)健的解決方案。在運(yùn)動(dòng)控制器和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的幫助下，所有SMLA都可以通過編程將負(fù)載定位到精確位置。然而，標(biāo)準(zhǔn)配置并不提供反饋機(jī)制來告訴操作人員是否已完成運(yùn)動(dòng)。
盡管反饋對于許多應(yīng)用來說并非必需，但反饋是一種可以在更復(fù)雜的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用的強(qiáng)大工具。為此，鑒于對精確負(fù)載定位信息的需求不斷增長，為SMLA配備編碼器可能是獲取您應(yīng)用實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)反饋的一種有效且簡單的解決方案。
SMLA核心配置
圖1顯示了三種常見的SMLA結(jié)構(gòu)：電動(dòng)梯形絲杠（MLS）、電動(dòng)梯形螺母（MLN）和電動(dòng)直線推桿（MLA）。這些結(jié)構(gòu)的核心都具有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)、梯形絲杠和螺母，但在獲得運(yùn)動(dòng)的方式上有所不同。
圖1.SMLA類型（從左到右：MLS、MLN和MLA）。圖片由Thomson Industries，Inc.提供
對于MLS裝置，梯形絲杠直接連接到電機(jī)軸上，電機(jī)軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)平移螺母。MLN裝置將螺母集成在電機(jī)軸內(nèi)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)平移梯形絲杠而不是螺母。MLA配置本質(zhì)上是帶有附加組件的MLS單元，這些組件可容納梯形絲杠和螺母，同時(shí)還集成了支撐和導(dǎo)向功能。
開環(huán)直線推桿
圖2描述了適用于所有配置的開環(huán)SMLA架構(gòu)。用戶通過人機(jī)界面（HMI）與系統(tǒng)交互。他們將所需的運(yùn)動(dòng)序列編程到運(yùn)動(dòng)控制器中，運(yùn)動(dòng)控制器將其發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，然后再將其傳輸?shù)絊MLA實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。通信途徑是單向的，運(yùn)動(dòng)控制器和HMI都不會(huì)收到任何表示預(yù)期的移動(dòng)已成功完成的反饋通知。
圖2：用于驅(qū)動(dòng)SMLA的基本開環(huán)系統(tǒng)設(shè)置架構(gòu)。圖片由Thomson Industries，Inc. 提供
準(zhǔn)確了解負(fù)載的位置對醫(yī)療儀器、測量裝置和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備等眾多高精度應(yīng)用而言至關(guān)重要。此外，某些應(yīng)用可能會(huì)遇到意外關(guān)閉電源或負(fù)載被強(qiáng)制脫離位置的情況。在這種情況下，如果不使用反饋機(jī)制，就不可能知道負(fù)載的確切位置。
從編碼器功能中獲益的一個(gè)很好應(yīng)用示例是自動(dòng)移液機(jī)。（圖 3）這些設(shè)備利用水平軸上的編碼器來準(zhǔn)確跟蹤分液移液器的位置，并確保液體轉(zhuǎn)移到正確的試管中。其他示例包括流體泵、3D打印機(jī)和XY載物臺(tái)。
圖3：自動(dòng)移液機(jī)在其水平軸上使用編碼器。圖片由Thomson Industries，Inc.提供
使用光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)
許多SMLA可以通過添加旋轉(zhuǎn)編碼器來提供反饋。旋轉(zhuǎn)編碼器，也稱為軸編碼器，將軸的角度位置轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字輸出信號(hào)。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器是向SMLA組件添加反饋功能的常用選項(xiàng)。圖4說明了將編碼器添加到SMLA如何向控制器提供反饋并共享重要運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，例如位置、速度或方向。
圖4：用于驅(qū)動(dòng)SMLA的基本閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)置架構(gòu)。圖片由Thomson Industries，Inc.提供
使用編碼器進(jìn)行定位
旋轉(zhuǎn)編碼器有兩種主要類型：增量式或絕對式。（圖5）
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器使用連接到軸并位于光源和光電傳感器之間的旋轉(zhuǎn)盤。圍繞圓盤周邊均勻布置有多個(gè)狹縫，光線可以通過其到達(dá)傳感器，其脈沖模式代表了運(yùn)動(dòng)特性。
對于需要更詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)或斷電時(shí)額外保護(hù)級別的應(yīng)用，可使用絕對編碼器。與增量編碼器一樣，絕對編碼器也采用中心安裝，與光源和光電傳感器之間的電機(jī)軸一起旋轉(zhuǎn)。絕對編碼器不像增量編碼器那樣使用均勻排列的狹縫，而是在圓盤的更大表面上使用獨(dú)特開口的復(fù)雜排列。這些會(huì)以特定模式遮擋光信號(hào)，即使沒有歸零裝置，檢測芯片也可以讀取行程每個(gè)角度位置的高保真表征。
圖5：增量編碼器（左）和絕對編碼器（右）的過程如上圖所示。圖片由Thomson Industries，Inc.提供
實(shí)施旋轉(zhuǎn)編碼器
在許多情況下，編碼器可以集成到所有三種SMLA配置類型（MLS、MLN 和 MLA）中。只需要一個(gè)平面即可固定編碼器主體和一個(gè)軸來安裝光盤。軸必須是原始電機(jī)軸的延伸，以便光盤可以隨之旋轉(zhuǎn)以準(zhǔn)確捕捉電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。
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圖6：將編碼器安裝到具有所需突出軸和安裝表面的電機(jī)上。圖片由Thomson Industries，Inc.提供
帶有額外光學(xué)編碼器的SMLA（從左到右：MLS、MLN和MLA）。圖片由Thomson Industries，Inc.提供
增強(qiáng)配置
盡管開環(huán)SMLA系統(tǒng)適合許多應(yīng)用，但希望實(shí)時(shí)反饋負(fù)載位置的步進(jìn)電機(jī)用戶應(yīng)考慮在其電機(jī)中添加編碼器。編碼器可以提供位置反饋、速度、方向和其他實(shí)時(shí)特性數(shù)據(jù)，同時(shí)改善對負(fù)載的控制和監(jiān)控。對于基本的定位反饋，用戶可使用增量編碼器，但如果需要高精度或在設(shè)備通電后保持位置的能力，則應(yīng)考慮絕對編碼器。
使用光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)反饋回路的閉環(huán)不僅滿足當(dāng)今精密應(yīng)用的需求，而且使得SMLA成為不斷發(fā)展的工業(yè)4.0和數(shù)字互聯(lián)創(chuàng)新領(lǐng)域的寶貴組件，確保其在下一代工業(yè)自動(dòng)化中的持續(xù)相關(guān)性和有效性。