伺服电机选型计算
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电机的选择:(1)电机扭矩的计算 负载扭矩是由于驱动系统的摩擦力和切削力所引起的可用下式表达: FL M =π2式中 M-----电动机轴转距;F------使机械部件沿直线方向移动所需的力;L------电动机转一圈(2πrad )时,机械移动的距离2πM 是电动机以扭矩M 转一圈时电动机所作的功,而FL 是以F 力机械移动L 距离时所需的机械功。
实际机床上,由于存在传动效率和摩擦系数因素,滚珠丝杠克服外部载荷P 做等速运动所需力矩,应按下式计算:z z M h h F M B spSPao P K 211122⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=ηππ M 1-----等速运动时的驱动力矩(N.mm)π2hF spao K---双螺母滚珠丝杠的预紧力矩(N.mm) Fao------预紧力(N),通常预紧力取最大轴向工作载荷Fm ax的1/3,即F ao =31F m ax当F m ax 难于计算时,可采用F ao =(0.1~0.12))(N C a ; C a -----滚珠丝杠副的额定载荷,产品样本中可查:hsp-----丝杠导程(mm);K--------滚珠丝杠预紧力矩系数,取0.1~0.2;P---------加在丝杠轴向的外部载荷(N),W F P μ+=; F---------作用于丝杠轴向的切削力(N); W--------法向载荷(N),P W W 11+=;W 1-----移动部件重力(N),包括最大承载重力;P 1-------有夹板夹持时(如主轴箱)的夹板夹持力;μ --------导轨摩擦系数,粘贴聚四氟乙烯板的滑动导轨副09.0=μ,有润滑条件时,05.0~03.0=μ,直线滚动导轨004.0~003.0=μ;η1-------滚珠丝杠的效率,取0.90~0.95;MB----支撑轴承的摩擦力矩,即叫启动力矩(N.m),可以从滚珠丝杠专用轴承样本中得到,见表2-6(这里注意,双支撑轴承有M B 之和的问题)z 1--------齿轮1的齿数 z2--------齿轮2的齿数最后按满足下式的条件选择伺服电机M M s ≤1Ms-----伺服电机的额定转距(2)惯量匹配计算 为使伺服进给系统的进给执行部件具有快速相应能力,必须选用加速能力大的电动机,亦即能够快速响应的电机(如采用大惯量伺服电机),但又不能盲目追求大惯量,否则由于不能从分发挥其加速能力,会不经济的。
伺服电机和丝杆选型计算1.伺服电机选型计算:伺服电机是一种将电能转化为机械能的装置,它通过电机驱动系统的精确控制,实现对机械位置、转速和力矩的精确控制。
在选型时,需要考虑以下几个方面:1.1额定输出功率:根据机械系统的工作要求和负载要求,确定伺服电机的额定输出功率。
通常,额定输出功率应略大于所需的最大功率。
1.2额定转速:根据工作要求和负载要求,确定伺服电机的额定转速。
通常,额定转速应略大于所需的最大转速。
1.3额定转矩:根据负载的特性和工作要求,确定伺服电机的额定转矩。
通常,额定转矩应略大于所需的最大转矩。
1.4动态响应速度:根据控制系统的要求,确定伺服电机的动态响应速度。
通常,要求动态响应速度能够满足系统的响应时间要求。
1.5额定电压:根据工作环境和电源供应的要求,确定伺服电机的额定电压。
通常,额定电压应与电源供应的电压相匹配。
2.丝杆选型计算:丝杆是一种将旋转运动转化为直线运动的装置,它通常由丝杆和螺母组成。
在选型时,需要考虑以下几个方面:2.1螺距:根据工作要求,确定丝杆的螺距。
螺距是丝杆每转一周所移动的距离,通常用毫米/转表示。
2.2进给速度:根据机械系统的工作要求,确定丝杆的进给速度。
进给速度是丝杆上点的线速度,通常用毫米/秒表示。
2.3进给力:根据工作负载和系统要求,确定丝杆的进给力。
进给力是丝杆在工作过程中所受的力,通常用牛顿表示。
2.4精度等级:根据工作要求,确定丝杆的精度等级。
精度等级决定了丝杆的运动精度,通常用C级、T级等表示。
2.5长度:根据机械系统的工作空间和要求,确定丝杆的长度。
丝杆的长度应能够满足系统的工作范围要求。
伺服电机选型及负载转矩计算伺服电机选型及负载转矩计算惯量转矩计算机械制造商在选购电机时担心切削力不够,往往选择较大规格的马达,这不但会增加机床的制造成本,而且使之体积增大,结构布局不够紧凑。
本文以实例应用阐明了如何选择最佳规格电机的方法,以控制制造成本。
一、进给驱动伺服电机的选择1.原则上应该根据负载条件来选择伺服电机。
在电机轴上所有的负载有两种,即阻尼转矩和惯量负载。
这两种负载都要正确地计算,其值应满足下列条件: 1)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连续额定转矩范围内,即应在转矩速度特性曲线的连续工作区。
2)最大负载转矩,加载周期以及过载时间都在提供的特性曲线的准许范围以内。
3)电机在加速/减速过程中的转矩应在加减速区(或间断工作区)之内。
4)对要求频繁起,制动以及周期性变化的负载,必须检查它的在一个周期中的转矩均方根值。
并应小于电机的连续额定转矩。
5)加在电机轴上的负载惯量大小对电机的灵敏度和整个伺服系统的精度将产生影响。
通常,当负载小于电机转子惯量时,上述影响不大。
但当负载惯量达到甚至超过转子惯量的5倍时,会使灵敏度和响应时间受到很大的影响。
甚至会使伺服放大器不能在正常调节范围内工作。
所以对这类惯量应避免使用。
推荐对伺服电机惯量Jm和负载惯量Jl之间的关系如下:Jl<5×Jm1、负载转矩的计算负载转矩的计算方法加到伺服电机轴上的负载转矩计算公式,因机械而异。
但不论何种机械,都应计算出折算到电机轴上的负载转矩。
通常,折算到伺服电机轴上的负载转矩可由下列公式计算:Tl=(F*L/2πμ)+T0式中:Tl折算到电机轴上的负载转矩(N.M);F:轴向移动工作台时所需要的力;L:电机轴每转的机械位移量(M);To:滚珠丝杠螺母,轴承部分摩擦转矩折算到伺服电机轴上的值(N.M);Μ:驱动系统的效率F:取决于工作台的重量,摩擦系数,水平或垂直方向的切削力,是否使用了平衡块(用在垂直轴)。
负载质量M(kg5·滚珠丝杠节距P(mm10·滚珠丝杠直径D(mm20·滚珠丝杠质量MB(kg3·滚珠丝杠摩擦系数μ0.1·因无减速器,所以G=1、η=11②动作模式的决定速度(mm/s单一变化·负载移动速度V(mm/s300·行程L(mm360·行程时间tS(s 1.4·加减速时间tA(s0.2·定位精度AP(mm0.01③换算到电机轴负载惯量的计算滚珠丝杠的惯量JB= 1.50E-04kg.m2 负载的惯量JW= 1.63E-04kg.m2换算到电机轴负载惯量JL=JW J=G2x(J W+J2+J1 1.63E-04kg.m2L④负载转矩的计算对摩擦力的转矩Tw7.80E-03N.m换算到电机轴负载转矩TL=Tw7.80E-03N.m⑤旋转数的计算转数N N=60V/P.G1800r/min⑥电机的初步选定[选自OMNUC U系列的初步选定举例] 选定电机的转子·惯量为负载的JM≥J L/30 5.42E-06kg.m2 1/30*以上的电机选定电机的额定转矩×0.8TMx0.8>T L0.5096>比换算到电机轴负载转矩大的电机N.m* 此值因各系列而异,请加以注意。
⑦加减速转矩的计算加减速转矩TA0.165N.m⑧瞬时最大转矩、有效转矩的计算必要的瞬时最大转矩为T1T1=TA+TL0.1726N.mT2=TL0.0078N.mT3=TL-TA-0.1570N.m有效转矩Trms为0.095N.m⑨讨论负载惯量JL 1.63E-04kg.m2≦[电机的转子惯量JM有效转矩Trms0.095N.m﹤[电机的额定转矩瞬时最大转矩T10.1726N.m﹤[电机的瞬时最大转矩必要的最大转数N1800r/min≦[电机的额定转数编码器分辨率R=P.G/AP.S1000(脉冲/转U系列的编码器规格为204速度(mm/s3000.210.20.2时间(s初步选择定R88M-U20030(Jm= 1.23E-05 根据R88M-U20030的额定转矩Tm=(N.m≦[电机的转子惯量JM1.23E-05×[适用的惯量比=30]﹤[电机的额定转矩0.5096N.M7.8E-030.637﹤[电机的瞬时最大转矩 1.528 N.M ≦[电机的额定转数 3000 r/min U系列的编码器规格为2048(脉冲/转),经编码器分频比设定至1000(脉冲/转)的情况下使用。
伺服电机的选型和转动惯量的计算引言:伺服电机是一种能够实现精确定位和速度控制的电动机。
在自动化控制系统中,伺服电机广泛应用于机械装置的定位与运动控制,如机床、工业机械手臂、机器人等。
为了确保控制系统的性能和稳定性,正确选型和计算转动惯量是非常重要的。
一、伺服电机选型1.负载特性分析:首先需要对负载特性进行分析,包括负载的质量、摩擦系数、惯性矩等。
这些参数影响到伺服电机的选择,如电机的额定转矩等。
在分析负载特性时需要考虑静态特性和动态特性。
2.运行速度要求:根据系统的运行速度要求,选择电机的额定转速。
如果要求快速响应,需要选择具有较高转速的电机;如果要求大转矩输出,需要选择具有较大额定转矩的电机。
3.控制方式:根据系统的控制方式,选择合适的伺服电机。
常见的控制方式有位置控制、速度控制和力控制。
不同的控制方式对电机的性能要求也不同。
4.转矩和转速曲线:了解电机的转矩和转速曲线,可以帮助选择合适的伺服电机。
转矩曲线决定了电机能够产生的最大转矩,转速曲线决定了电机能够输出的最大转速。
5.电机功率:根据负载特性和运行速度要求,计算出所需的电机功率。
一般情况下,应选择稍大于所需功率的电机,以保证系统的可靠性和安全性。
6.品牌和价格:最后根据伺服电机的品牌和价格进行选择。
国际知名品牌的产品质量较高,但价格也较高。
可以根据实际需求和预算进行选择。
转动惯量是描述物体抗拒改变转动状态的特性。
在伺服电机的选型和控制系统设计中,转动惯量是一个重要的参数。
计算转动惯量的一般公式为:J=m*r^2其中,J是转动惯量,m是物体的质量,r是物体相对转轴的距离。
如果物体是一个均匀的圆盘或圆柱体,根据其几何形状可以通过以下公式计算转动惯量:J=1/2*m*r^2其中,m是物体的质量,r是物体的半径。
如果物体是由多个部分组成,可以通过将各部分的转动惯量相加得到整体的转动惯量。
在实际应用中,还需要考虑其他因素对转动惯量的影响,如内部零件的分布、负载的摩擦系数等。
伺服电机如何选型?怎么计算?
每种型号电机的规格项内均有额定转矩、最大转矩及电机惯量等参数,各参数与负载转矩及负载惯量间必定有相关联系存在,选用电机的输出转矩应符合负载机构的运动条件要求,如加速度的快慢、机构的重量、机构的运动方式(水平、垂直、旋转)等;运动条件与电机输出功率无直接关系,但是一般电机输出功率越高,相对输出转矩也会越高。
因此,不但机构重量会影响电机的选用,运动条件也会改变电机的选用。
惯量越大时,需要越大的加速及减速转矩,加速及减速时间越短时,也需要越大的电机输出转矩。
选用伺服电机规格时,依下列步骤进行。
(1)明确负载机构的运动条件要求,即加/减速的快慢、运动速度、机构的重量、机构的运动方式等。
(2)依据运行条件要求选用合适的负载惯最计算公式,计算出机构的负载惯量。
(3)依据负载惯量与电机惯量选出适当的假选定电机规格。
(4)结合初选的电机惯量与负载惯量,计算出加速转矩及减速转矩。
(5)依据负载重量、配置方式、摩擦系数、运行效率计算出负载转矩。
(6)初选电机的最大输出转矩必须大于加速转矩加负载转矩;如果不符合条件,必须选用其他型号计算验证直至符合要求。
(7)依据负载转矩、加速转矩、减速转矩及保持转矩,计算出连续瞬时转矩。
(8)初选电机的额定转矩必须大于连续瞬时转矩,如果不符合条件,必须选用其他型号计算验证直至符合要求。
(9)完成选定。
伺服电机选型计算公式下图所示是一种采用功率运算放大器LM675制成的伺服电动机控制电路,电动机采用直流伺服电动机。
从图可见,功率运算放大器LM675由15V 供电,15V电压经RP1加到运算放大器LM675的同相输入端,LM675的输出电压加到伺服电动机的输入端。
电动机上装有测速信号产生器,用于实时检测电动机的转速。
实际上测速信号产生器是一种发电机,它输出的电压与转速成正比。
测速信号产生器G输出的电压经分压电路后作为速度误差信号反馈到运算放大器的反相输入端。
速度指令电位器RP1设定的电压值经R1.R2分压后加到运算放大器的同相输入端,相当于基准电压。
伺服电动机的控制原理图伺服电动机用字母M表示伺服电动机,是驱动系统的动力之源。
运算放大器:用电路名称表示,即LM675,是伺服控制电路中的放大器件,为伺服电动机提供驱动电流。
速度指令电位器RP1:在电路中设定运算放大器的基准电压,即速度设定。
放大器增益调整电位器RP2:在电路中分别用于微调放大器的增益和速度反馈信号的大小。
当电动机的负载发生变动时,反馈到运算放大器反相输入端的电压也会发生变化,即电动机负载加重时,速度会降低,测速信号产生器的输出电压也会降低,使运算放大器反相输入端的电压降低,该电压与基准电压之差增加,运算放大器的输出电压增加。
反之,当负载变小、电动机速度增加时,测速信号产生器的输出电压上升,加到运算放大器反相输入端的反馈电压增加,该电压与基准电压之差减小,运算放大器的输出电压下降,会使电动机的速度随之下降,从而使转速能自动稳定在设定值。
伺服电机优点1、精度:实现了位置,速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;2、转速:高速性能好,一般额定转速能达到2000~3000转;3、适应性:抗过载能力强,能承受三倍于额定转矩的负载,对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用;4、稳定:低速运行平稳,低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。
电机:
电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。
电机在电路中是用字母M表示,它的主要作用是产生驱动转矩,作为用电器或各种机械的动力源,发电机在电路中用字母G表示,它的主要作用是利用机械能转化为电能。
伺服电机:
伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。
工作原理:
1、伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。
伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就
会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护不方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。
因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。
控制复杂,容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。
电机免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。
2、交流伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率。
大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低。
因而适合做低速平稳运行的应用。
3、伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。
交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别:交流伺服要好一些,因为是正弦波控制,转矩脉动小。
直流伺服是梯形波。
但直流伺服比较简单,便宜。