伺服电机如何进行选型docWord文档格式.docx
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之,则可以通过对每
种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范
围。
只用峰值功率作为选择电机的原则
是不充分的,而且传动比的准确计算非常繁
琐。
(2)新的选择方法
一种新的选择原则是将电机特性与负载特性分离
开,
并用图解的形式表示,
这种表示方
法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方
便,
另外,还提供了传动比的一个可
能范围。
这种方法的优点:
适用于各种负载情
将负载和电机的特性分离开;
有关动力
况;
的
各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电
因此,不再需要用大量的类比来检
机。
查
电机是否能够驱动某个特定的负载。
在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。
比如,一个大的传动比会
减小外部扭矩对电机运转的影响,而且,为输出同样的运动,电机就得以较高的速度旋转,
产生较大的加速度,
因此电机需要较大的惯量扭
矩。
选择一个合适的传动比就能平衡这相反
的两个方面。
通常,应用有如下两种方法可以找到这个传
n,它会把电机与工作任务很
动比
好地协调起来。
一是,从电机得到的最大速度小于电机自身的最大
速度
;
二是,电
机任意时刻的标准扭矩小于电机额定扭
M额
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矩定。
2、一般伺服电机选择考虑的问题
(1)电机的最高转速
电机选择首先依据机床快速行程速度。
快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。
Vmax
u103
nnom
Ph
式中,nnom为电机的额定转速(rpm
);
n
为快速行程时电机的转
为直线
速(
rpm);
Vxma
运
行速度(m/min
u
为系统传动比,u=n
电机/n
丝杠;
Ph丝杠导程
(mm)。
(2)惯量匹配问题及计算负载惯量
负载惯JL
应
为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求
量
限
制在2.5倍电机惯量
JM之内,即
JL
2.5JM
。
2
M
N
J
j
mj(Vj)
(
j)
j1
1
式中,J
j为各转动件的转动惯
j为各转动件角速
rad/min
mj
为
量,
kg.m2
度,
各移
动件的质量,
kg;
V
j为各移动件的速
m/min;
为伺服电机的角速度,
(3)空载加速转矩
空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。
一般应限定在变频驱
动系统最大输出转矩的
80%以内。
Tmax
2n(JLJM)
TF
TAmax
80%
60t
ac
(N.m);
Txma
为空载时加
式中,TAmax为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩
速
转矩(N.m);
TF为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩
N.m);
tac
为快速行程时加
减
速时间常数(
ms)。
(4)切削负载转矩
在正常工作状态下,切削负载转
Tms不超过电机额定转矩
TMS的80%。
矩
TmsTcD2TMS80%
式中,Tc为最大切削转矩
D为最大负载比。
(5)连续过载时间
连续过载时间tlon应限制在电机规定过载
时间tMon之内。
3、根据负载转矩选择伺服电机
根据伺服电机的工作曲线,
负载转矩应满足:
当机床作空载运行时,
在整个速度范围
内,加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内,即在工作曲线的连续工作
区;
最大负载转矩,
加载周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。
加在电机轴上的负
载转矩可以折算出加到电机轴上的负载转矩。
FL
TL
TC
式中,TL为折算到电机轴上的负载转
(N.m);
F为轴向移动工作台时所需的
(N)
力
L为电机每转的机械位移量(m);
TC为滚珠丝杠轴承等摩擦转矩折算到电机轴上的负载转
矩(N.m);
为驱动系统的效率。
FFc(WfgFcf)
式中,Fc为切削反作用力
N);
f
g为齿轮作用
W为工作台工件等滑动部
力(
分
总重量(N);
Fcf为由于切削力使工作台压向导轨的正压
为摩擦系数。
无切
削
时,(f)。
FWg
计算转矩时下列几点应特别注意。
(a)由于镶条产生的摩擦转矩必须充分地考虑。
通常,仅仅从滑块的重量和摩擦系数来计算的转矩很小的。
请特别注意由于镶条加紧以及滑块表面的精度误差所产生的力矩。
(b)由于轴承,螺母的预加载,以及丝杠的预紧力滚珠接触面的摩擦等所产生的转矩均不能忽略。
尤其是小型轻重量的设备。
这样的转矩回应影响整个转矩。
所以要特别注意。
(c)切削力的反作用力会使工作台的摩擦增加,以此承受切削反作用力的点与承受驱
动力的点通常是分离的。
如图所示,在承受大的切削反作用力的瞬间,滑块表面的负载也
增加。
当计算切削期间的转矩时,由于这一载荷而引起的摩擦转矩的增加应给予考虑。
(d)摩擦转矩受进给速率的影响很大,必须研究测量因速度工作台支撑物(滑块,滚珠,
压力),滑块表面材料及润滑条件的改变而引起的摩擦的变化。
已得出正确的数值。
(e)通常,即使在同一台的机械上,随调整条件,周围温度,或润滑条件等因素而变化。
当计算负载转矩时,请尽量借助测量同种机械上而积累的参数,来得到正确的数据。
4、根据负载惯量选择伺服电机
为了保证轮廓切削形状精度和低的表面加工粗糙度,要求数控机床具有良好的快速响应
特性。
随着控制信号的变化,电机应在较短的时间内完成必须
的动作。
负载惯量与电机的响
应和快速移动ACC/DEC时间息息相关。
带大惯量负载时,当速度指令变化时,电机需较长
的时间才能到达这一速度,当二轴同步插补进行圆弧高速切削时大惯量的负载产生的误差会
比小惯量的大一些。
因此,加在电机轴上的负载惯量的大小,将直接影响电机的灵敏度以及
整个伺服系统的精度。
当负载惯5倍以上时,会使转子的灵敏度受影响,电机JM和
量惯量
负载惯量
JL
必
须
满
足:
15
JM
由电机驱动的所有运动部还是直线运动的部件,都成为电
件,无论旋转运动的部件,机
的负载惯量。
电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的部件的惯
量,并按一定的规
律将其相加得到。
(a)圆柱体惯量
如滚珠丝杠,齿轮等围绕其中心轴旋转时的惯量可按下面公式计算:
D4L
(kgcm
2)
32
3
式中,γ为材料的密
(kg/cm
);
D为圆柱体的直经
(cm);
L为圆柱体的长度
(cm)。
(b)轴向移动物体的惯量工件,工作台等轴向移动物体的惯量,可由下面公式得出:
JW(L)
2(kgcm
式中,W为直线移动物体的重量
(kg);
L
为电机每转在直线方向移动的距离
(c)圆柱体围绕中心运动时的惯量如图所示:
圆柱体围绕中心运动时的惯量
属于这种情况的例子:
如大直经的齿轮,为了减少惯量,往往在圆盘上挖出分布均匀的孔这时的惯量可以这样计算:
(kg
JJ0WR2cm2)
式中,J0
为圆柱体围绕其中心线旋转时的
(kgcm2)
W为圆柱体的重量(kg)
惯量
R为
旋转半径(cm)
(d)相对电机轴机械变速的惯量计算将上图所示的负载惯量Jo折算到电机轴上的计
算方法如下:
JN1J0(kgcm2)
N2
式中,N1、N2为齿轮的齿数。
5、电机加减速时的转矩
(1)按线性加减速时加速转矩
电机加速或减速时的转矩
按线性加减速时加速转矩计算如下:
Ks
2nm
JL)(1
ta
Ta
60104
t(J
Me
)(N.m)
a
式中,nm
为电机的稳定速
为电机转子惯量(
kg.cm2);
JL
度;
ta为加速时间;
JM为
折算到电机轴上的负载惯量
K
s为位置伺服开环增益。
加速转矩开始减小时的转速如
下:
nrnm[11(1eKsta)]
taKs
(2)按指数曲线加速
电机按指数曲线加速时的加速转矩
曲线此时,速度为零的转矩To可由下面公式给出:
MJ
L)
(N.m
TO
(J
)
60
104t
e
式中,te为指数曲线加速时间常
数。
(3)输入阶段性速度指
令
Ta相当于To,可由下面公式求得
这时的加速转矩
(ts=Ks)。
104
T
60ts
6、根据电机转矩均方根值选择电机
工作机械频繁启动,制动时所需转矩,当工作机械作频繁启动,制动时,必须检查电机
是否过热,为此需计算在一个周期内电机转矩的均方根值,并且应使此均方根值小于电机
的连续转矩。
电机的均方根值由下式给出:
(TaTf)2t1Tf2t2(TaTf)2t1To2t3
Trms
T周
式中,T
为加速转矩
(Nm);
T
f
为摩擦转矩
在停止期间的转矩
o
t1,
t2,t3,T周如下图所示。
t1,t2,t3,T周的转矩曲线
负载周期性变化的转矩计算,也需要计算出一个周期中的转矩均方根值,且该值小于额定转矩。
这样电机才不会过热,正常工作。
负载周期性变化的转矩计算图
设计时进给伺服电机的选择原则是:
首先根据转矩-速度特性曲线检查负载转矩,加减
速转矩是否满足要求,然后对负载惯量进行校合,对要求频繁起动、制动的电机还应对其
转矩均方根进行校合,这样选择出来的电机才能既满足要求,又可避免由于电机选择偏大
而引起的问题。
8、伺服电机选择的步骤、方法以及公式
(1)决定运行方式
根据机械系统的控制内容,决定电机运行方式,启动时间ta、减速时间td由实际情况
合机械刚度决定。
典型运行方式
(2)计算负载换算到电机轴上的转动惯量GD
为了计算启动转矩TP,要先求出负载的转动惯量:
l
LD
4
GD
10(kg.m
8
式中,L
为圆柱体的长
cm;
D为圆柱体的直径
cm。
Nl
GDL
)GDl
l2d2
l1d1(kg.m
Nm
R
式中,l
2为负载侧齿轮厚
d2
为负载侧齿轮直径;
l1为电机侧齿轮厚度;
d1为电机
为材料密
GDl2
为负载转动惯量(kg.m
2);
Nl为负载轴转速
rpm;
Nm
侧齿轮直径;
为电机轴转速
1/R
为减速比。
(3)初选电机
计算电机稳定运行时的功率
Po以及转矩TL。
TL为折算到电机轴上的负载转矩:
Tl
式中,为机械系统的效率;
T负载轴转矩。
TlNl
Po
9535.4
(4)核算加减速时间或加减速功率
对初选电机根据机械系统的要求,核算加减速时间,必须小于机械系统要求值。
加速时间:
)Nm
(GDm
GDl
ta
38.3(TpTl)
减速时间:
(GD
GD)N
m
td
38.3(TpTl)
上两式中使用电机的机械数值求出,故求出加入起动信号后的时间,必须加算作为控制
电路滞后的时间
5~10ms。
负载加速转矩
TP可由起动时间求出,若
TP大于初选电机的额定
转矩,但小于电机的瞬时最大转矩(
5~10
倍额定转矩),也可以认为电机初选合适。
(5)考虑工作循环与占空因素的实效转矩计算
在机器人等激烈工作场合,
不能忽略加减速超过额定电流这一影
响,
则需要以占空因素
求实效转矩。
该值在初选电机额定转矩以
则选择电机合适。
以典型运行方式中图a
下,
例:
2tcT
P
Tltd
TPt
w
t
式中,ta为起动时间s;
t
l为正常运行s;
d为减速时间
s;
fw为波形系数。
时间
Trms若
不满足额定转矩式,需要提高电机容量,再次核算。