化曲为直之道——如何用电机输出直线运动

从分拣快递的传送带，到3D打印机的xyz轴平台，再到仿真机器人的主要关节驱动，直线运动的场景在生活中随处可见。显然不论其实现路径如何，动力源头都是输入旋转运动的电机，那么到底有哪些将旋转运动转化为直线运动的方案呢？我们来简单扒一扒。

一、螺纹传动

螺纹传动最典型的是丝杠机构（图1），丝杠可能是应用最广泛的圆化直方案，因其刚性传动的特点，适用于大力矩传递或保持的场合。丝杠机构又分为滑动丝杠和滚珠丝杠，前者结构简单、直接、成本低，有自锁性，但传动效率低，磨损大，精度一般；后者用滚珠的滚动摩擦代替滑动摩擦，大幅增大了传动效率（90%以上），精度高，但机构复杂，成本高。

图1 电机驱动丝杠传动系统

由于丝杠机构良好的力矩传递能力以及较好的精度，XYZ轴平台、直线滑台等大多采用滑动丝杠，对于某些高要求高精度的仪器设备，则会使用滚珠丝杠机构。

二、链/带传动

这一类机构是最简单的圆周化直线方案，典型的例子是同步轮皮带（图2）。同步轮皮带由同步轮和同步皮带组成，跟电机输出轴连接的同步轮和同步皮带通过齿槽结构连接，这种结构装配简单、灵活、低噪音、成本低，在负载不大时，可以保证较好的精度和同步性。但是由于皮带强度较低且具有一定的弹性，无法保障高负载时的精度和可靠性。使用金属丝/高强度编织材料内衬皮带可以很大程度上弥补同步轮皮带的缺陷，目前也的确成了越来越多的直线机构选择对象。

图2 电机驱动同步轮/皮带系统

三、齿轮、齿条传动

齿轮齿条传动跟同步皮带传动非常像，将软皮带变成了铁家伙——齿条。显然这种结构简单可靠、刚性较强，负载能力大，但由于齿轮结构的特性，具有磨损明显、噪音较大等问题。

图3 电机驱动齿轮/齿条系统

四、连杆、凸轮传动

连杆和凸轮机构是经典的往复运动结构。如图4所示，连杆传动利用曲柄（偏心轮）的旋转，通过连杆带动滑块做往复直线运动，结构简单可靠，可将匀速旋转转化为非匀速的直线往复运动，承载能力较强。但是输出轴负荷不均匀，输出的直线运动也无法控制速度与力量，因此受限于对速度和力量控制要求不高的往复运动场合。内燃机的气缸利用曲柄滑块机构将往复运动转化为圆周运动。

图4 连杆滑块机构

凸轮传动通过电机带动具有特定轮廓的凸轮旋转，推动从动件（挺杆）实现精确的、定制化的往复直线运动，能实现非常复杂的运动规律（如停-升-停-降），设计灵活，但凸轮设计加工复杂，高转速下易磨损，应用场合局限性较大。

图5 凸轮机构

以上比较常用的化曲为直的实现路径，各有特色，也各有优势，应当根据应用场合灵活选用。

此外呢，使用直线电机可以直接输出直线运动。一般直线电机是指图6所展示的这种电机类型，它将传统的二维转子定子结构展开成一维线型结构，通过控制直线型“定子”的磁场驱动直线型“转子”平移，从而达到直线运动的效果。

图6 直线电机

还有一种类似扬声器动圈结构（图7）的直线电机，被称为“音圈”电机，结构如图8所示，其原理和扬声器完全一样，通过控制线圈内电流大小来控制线圈受力大小和方向，从而输出往复直线运动。

图7 扬声器原理

图8 音圈电机的结构

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