伺服电机选型计算实例(114)

伺服电机计算选择应用实例1． 选择电机时的计算条件 本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。

例：工作台和工件的 W ：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf ）=1000 kgf 机械规格 μ ：滑动表面的摩擦系数=0.05π ：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9 fg ：镶条锁紧力（kgf ）=50 kgfFc ：由切削力引起的反推力（kgf ）=100 kgfFcf ：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf ）=30kgfZ1/Z2： 变速比=1/1 例：进给丝杠的（滚珠 Db ：轴径=32 mm 丝杠）的规格 Lb ：轴长=1000 mm P ：节距=8 mm例：电机轴的运行规格 Ta ：加速力矩（kgf.cm ）Vm :快速移动时的电机速度(mm -1)=3000 mm -1 ta :加速时间(s)=0.10 sJm :电机的惯量(kgf.cm.sec 2) Jl :负载惯量(kgf.cm.sec 2)ks :伺服的位置回路增益(sec -1)=30 sec -1 1.1 负载力矩和惯量的计算 计算负载力矩 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出:Tm = + TfTm :加到电机轴上的负载力矩(Nm) F :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf) L :电机转一转机床的移动距离=P ×(Z1/Z2)=8 mmTf:滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F 值取决于工作台的重量，摩擦系数。

若坐标轴是垂直轴，F 值还与平衡锤有关。

对于水平工作台，F 值可按下列公式计算： 不切削时： F = μ（W+fg ） 例如： F=0.05×(1000+50)=52.5 (kgf) Tm = (52.5×0.8) / (2×μ×0.9)+2=9.4(kgf.cm)= 0.9(Nm)切削时:F = Fc+μ(W+fg+Fcf) 例如: F=100+0.05×(1000+50+30)=154(kgf) Tmc=(154×0.8) / (2×μ×0.9)+2=21.8(kgf.cm)=2.1(Nm)为了满足条件1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时应大于0.9（Nm ），最高转速应高于3000（min -1）。

伺服电机计算选择应用实例1． 选择电机时的计算条件 本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。

例：工作台和工件的 W ：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf ）=1000 kgf 机械规格 μ ：滑动表面的摩擦系数=0.05π ：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9 fg ：镶条锁紧力（kgf ）=50 kgfFc ：由切削力引起的反推力（kgf ）=100 kgfFcf ：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf ）=30kgfZ1/Z2： 变速比=1/1例：进给丝杠的（滚珠 Db ：轴径=32 mm 丝杠）的规格 Lb ：轴长=1000 mm P ：节距=8 mm例：电机轴的运行规格 Ta ：加速力矩（kgf.cm ）Vm :快速移动时的电机速度(mm -1)=3000 mm -1ta :加速时间(s)=0.10 sJm :电机的惯量(kgf.cm.sec 2)Jl :负载惯量(kgf.cm.sec 2)ks:伺服的位置回路增益(sec -1)=30 sec-11.1 负载力矩和惯量的计算 计算负载力矩 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出:Tm = + Tf Tm :加到电机轴上的负载力矩(Nm) F :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf) L:电机转一转机床的移动距离=P ×(Z1/Z2)=8 mmTf :滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2NmF ×L 2πη无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量，摩擦系数。

若坐标轴是垂直轴，F值还与平衡锤有关。

对于水平工作台，F值可按下列公式计算：不切削时：F = μ（W+fg）例如：F=0.05×(1000+50)=52.5 (kgf)Tm = (52.5×0.8) / (2×μ×0.9)+2=9.4(kgf.cm)= 0.9(Nm)切削时:F = Fc+μ(W+fg+Fcf)例如:F=100+0.05×(1000+50+30)=154(kgf)Tmc=(154×0.8) / (2×μ×0.9)+2=21.8(kgf.cm)=2.1(Nm)为了满足条件1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时应大于0.9（Nm），最高转速应高于3000（min-1）。

伺服电机计算选择应用实例1．选择电机时的计算条件本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。

例：工作台和工件的W ：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf）=1000 kgf 机械规格μ：滑动表面的摩擦系数=0.05π：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9fg ：镶条锁紧力（kgf）=50 kgfFc ：由切削力引起的反推力（kgf）=100 kgfFcf ：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf）=30kgfZ1/Z2：变速比=1/1例：进给丝杠的（滚珠Db ：轴径=32 mm丝杠）的规格Lb ：轴长=1000 mmP ：节距=8 mm例：电机轴的运行规格Ta ：加速力矩（kgf.cm）Vm :快速移动时的电机速度(mm-1)=3000 mm-1ta :加速时间(s)=0.10 sJm :电机的惯量(kgf.cm.sec2)Jl :负载惯量(kgf.cm.sec2)ks :伺服的位置回路增益(sec-1)=30 sec-11.1 负载力矩和惯量的计算计算负载力矩加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出:Tm = + TfTm :加到电机轴上的负载力矩(Nm)F :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf)L :电机转一转机床的移动距离=P×(Z1/Z2)=8 mmTf :滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2NmF×L2πη无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量，摩擦系数。

若坐标轴是垂直轴，F值还与平衡锤有关。

对于水平工作台，F值可按下列公式计算：不切削时：F = μ（W+fg）例如：F=0.05×(1000+50)=52.5 (kgf)Tm = (52.5×0.8) / (2×μ×0.9)+2=9.4(kgf.cm)= 0.9(Nm)切削时:F = Fc+μ(W+fg+Fcf)例如:F=100+0.05×(1000+50+30)=154(kgf)Tmc=(154×0.8) / (2×μ×0.9)+2=21.8(kgf.cm)=2.1(Nm)为了满足条件1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时应大于0.9（Nm），最高转速应高于3000（min-1）。

滚珠丝杆机构变化量变化量值单位工件部分的质量WA200Kg
铁的密度P17900Kg/m3铝的密度P22800Kg/m3黄铜的密度P38500Kg/m3滚珠丝杆的长度BL0.55M
滚珠丝杆的直径BD0.02M
滚珠丝杆的螺距BP0.01M
滚珠丝杆的效率BN0.9
联轴器的惯量JC0.00001Kg.m2摩擦系数U0.3
外力F150N
重力加速度g9.8m/s2运行模式
移动距离L0.4M
加速时间ta0.1S
匀速时间tb60S
减速时间td0.1S
循环时间tc5S
计算量
滚珠丝杆的质量BW 1.36Kg
负载部分的惯量JL0.000585Kg.m2预选电机的惯量JM0.000014Kg.m2
惯量比JL/JM41.80975倍定位快的要求惯量比在3-5倍之间，定位慢的要求惯量比在5-8倍之间
最高速度Vmax0.007m/s 转速N0.7r/s 电机转速N39.93r/min 移动转矩Tf 1.306N.M 加速时转矩Ta 1.331N.M 减速时转矩Td-1.281N.M
确认最大转矩Tmax N.M 加速时转矩=Ta
确认有效转矩Trms 4.531N.M。

伺服电机选型案例伺服电机功率计算选型例子伺服电机功率计算选型例子（新手必看，经典案例分析）伺服电机选型也有相应的规律和公式可循的。

最常见的机械传动结构有同步带，齿轮齿条，丝杆等。

以同步带为例，需要计算的参数有电机转速，电机力矩，转动惯量。

第一，电机额定转速N=（v/2πr）*i，启动瞬间需要的拉力F=（M+m1-m2）a+δ（M+m1-m2）g(水平)，F=（M+m1-m2）a+δ（M+m1-m2）g+（M+m1-m2）g(垂直)，T扭矩=F*R。

T电机=T扭矩/机械减速比n，电机功率=N*T 电机/10，启动惯量J=1/2mR2，电机惯量J电机=J/减速比的平方n2/惯量比i。

第二，同步带轮直径D=100mm、提升机载货台总重M=30kg、货物总重m1=10kg，配重m2=25kg，提升滚动摩擦系数取δ=0.03、加速度a=2m/S2、提升速度v=3m/s。

减速机减速比i=5，电机额定转速n=（v/2πr）*i=3/(2*3.14*0.05)*5*60=2866r/min，启动瞬间需要的拉力F=（M+m1-m2）a+&delta，（M+m1-m2）g+（M+m1-m2）g=（30+10-25）*2+0.03（30+10-25）*10+（30+10-25）*10=184.5N。

T扭矩=F*R=184.5*0.05=9.225Nm，折算电机需要扭矩T1=9.225Nm/5=1.85Nm，折算电机功率P1=2866*1.85/10=0.5KW。

启动惯量J=1/2mR2=0.5*（10+30+25）*0.0025=0.08125kgm2，折算电机需要惯量J1=0.08125/25=0.00325kgm2，根据经验值取惯量比=10，则实际J电=J1/10=0.000325kgm2。

经计算电机至少满足以下条件下面看下1.2千瓦3000RPM，4牛米的电机的惯量是2.98*10-4kgm2。

所以可以选择80ST-M04030的电机。

伺服电机选型计算实例在进行伺服电机选型时，需要考虑到多个因素，包括载荷特性、运动要求、控制要求以及环境要求等。

下面我们将通过一个实际案例来详细介绍伺服电机选型的计算方法。

案例描述：公司需要选购一台适合于自动化生产线上使用的伺服电机，用于驱动一台输送带，具体要求如下：1.输送带长度为2米，宽度为0.5米，预计最大负载为100千克。

2.需要实现起动、停止、加速和减速、定位等功能。

3.运动速度为1米/秒。

4.工作温度范围为-10℃~40℃。

根据以上要求，我们可以按照以下步骤进行伺服电机选型计算：步骤1：计算所需输出功率首先，我们需要计算伺服电机的输出功率。

根据输送带的长度、宽度和预计最大负载，可以计算得到输送带的质量：质量=长度×宽度×质量体积，质量体积可以通过相应材料的密度来获得。

假设输送带材料的密度为1克/立方厘米，则质量=2×0.5×1=1千克。

根据牛顿第二定律，质量乘以加速度等于力，所以我们可以得到加速度=质量/时间^2=100/1=100米/秒^2、再根据功率=力×速度，可以计算得到所需输出功率=力×速度=100×1=100瓦特。

步骤2：根据负载惯性计算电机惯性比为了实现加速和减速的控制要求，需要考虑负载的惯性。

负载的惯性通常用负载惯量来表示，通常使用kg*m^2作为单位。

对于输送带系统，我们假设负载的半径为0.25米（输送带宽度的一半），负载的惯量=负载质量×半径^2=100×0.25^2=6.25kg*m^2、然后，我们需要计算电机的惯性比，电机的惯量通常使用kg*m^2作为单位。

假设选用的伺服电机的惯量为0.01kg*m^2，则电机的惯性比=负载的惯量/电机的惯量=6.25/0.01=625步骤3：根据运动要求计算加速度和最大速度根据运动要求中的加速度和速度，我们可以计算得到实际需要的加速时间和加速距离。

伺服电机的选型计算方法止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。

交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以京伺服（KINGSERVO)400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。

所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

?1.负载惯量的计算。

由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。

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。

1)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: J=(πγ/32)*D4L(kg cm2)如机构为钢材，则可按下面公式计算: J=*10-6)*D4L(kg cm2) 式中: γ材料的密度(kg/cm2)D圆柱体的直经(cm) L圆柱体的长度(cm)2)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: J=W*(L/2π)2 (kg cm2)式中: W直线移动物体的重量(kg) L 电机每转在直线方向移动的距离(cm)3)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: J=Jo+W*R2(kg cm2)式中:Jo为圆柱体围绕其中心线旋转时的惯量(kgcm2) W圆柱体的重量(kg) R旋转半径(cm)4)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: J=(N1/N2)2Jo 式中:N1 N2为齿轮的齿数?2.53.电机加速或减速时的转矩电机加速或减速时的转矩1)按线性加减速时加速转矩计算如下: Ta =(2πVm/60*104) *1/ta(Jm+JL)(1-e-ks。

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。

伺服传动的选型计算案例1：丝杠直线传动已知条件（负载质量m=5KG，丝杠传动导程p=10mm，工位移载行程s=1000mm，移载所需时间2.2s）据上述要求旋转一款合适的伺服电机。

解析：1. 首先一般伺服电机的额定转速为n=3000转，运动过程可视为恒扭矩传动∴丝杠传动的最快直线速度ν=3000x0.01=0.5 m/s加减速过程的速度变化图为了方便计算，可设定减速与减速时间相等均为t，最终匀速为0.5m/s∴s=1at2x2+0.5(2.2−2t)=1m2∴可得：1.1−0.5t=1得t=0.2s，则a=2.5 m/s22.根据需要的加速度可推算所需要的丝杠的轴向推力，从而推算出所需的扭矩已知负载质量：M=5kg，且经上推算的加速度a=4 m/s2(暂定)根据 F=m.a=5x2.5=12.5N（F为丝杠轴向推力）还可以根据丝杠传动电机扭矩与轴向力之间转换关系：T∗2∗π∗η=F∗p（T为电机扭矩，η为效率可取0.9）T=FP2πη=12.5x0.015.652= 0.0221 Nm3.根据需要出的扭矩再反推出所需电机的功率：∴根据功率扭矩之间的转换公式：T=9550∗pn反推得出P=T∗n9550=0.0221x30009550=0.00695 kw=6.95w从扭矩的角度100W以下的伺服电机都能满足要求4.伺服电机是精确定位的马达，不能只满足驱动扭矩，还需从惯量上去校核够不够, (丝杠φ15，长度1100)：丝杠传动系的惯量：J=J1负载+J2丝杠（可得其惯量0.426 x10−4 kg m2)J1=m∗r2=5x(p2π)2=5x(0.159）210−4 kg m2=0.1267x10−4 kg m2∴ J=（0.426+0.1267）x10−4 kg m2=0.5527 x10−4 kg m2所以可得总负载的惯量为0.5527 x10−4 kg m25.电机所需承受的总惯量已得知，则需要查询所选电机的惯量参数，这里以三菱电机为例由三菱电机属性的惯量匹配比为15~25，则可得：J电机=0.552720=0.0276∴可得100W的电机惯量太小，尽管扭矩够了，但是不能很精准地控制负载的定位所以应该选用HF-MP23G1(K9020)案例2：同步带直线传动已知条件（负载质量m=5KG，同步带轮直径d=50mm，工位移载行程s=1000mm，移载所需时间2s）据上述要求旋转一款合适的伺服电机。

升降机伺服电机的选型计算实例如下。

首先，我们需要确定升降机的升降速度和负载重量。

假设升降机的升降速度为10米/分钟，负载重量为50公斤。

接下来，我们需要选择合适的伺服电机型号。

在选择伺服电机时，我们需要考虑升降机的效率、转速和转矩等因素。

另外，我们需要选择能够提供足够力量的电机，以确保升降机可以正常运行。

在此过程中，我们可以考虑使用额定功率计算公式，根据升降机的功率需求来选择合适的伺服电机。

具体的计算方法如下：功率(P)＝力(F)×速度(V)÷杠杆臂(G)×95%的效率。

其中，杠杆臂通常可以取定为95%，效率则取决于具体的机构运动部分之间的摩擦等因素。

根据上述公式，我们可以将已知的数据代入其中，即负载重量为50公斤，升降速度为10米/分钟。

为了方便计算，我们可以假设升降机的效率为0.95。

接下来，我们就可以根据公式来计算升降机所需的功率：功率= 负载重量×升降速度÷杠杆臂×0.95 = 50 ×10 ÷95% = 52.6瓦特（W）由于升降机通常需要两台或更多伺服电机来同时工作，以确保升降机的稳定性和安全性，因此我们需要选择功率更大的伺服电机。

在实际应用中，我们通常会选择与所需功率相当或略高的伺服电机型号。

考虑到升降机的安全性和效率，我们建议选择一个较为强劲的伺服电机，如无刷电机或者步进电机等。

其中无刷电机以其稳定的性能和较低的维护成本而被广泛应用在升降机领域。

对于具体型号的选择，需要考虑电机的输出功率、扭矩、转速等参数。

此外，根据实际工况和使用环境，还需要考虑电机的温度、噪音、防水防尘等级等因素。

在实际使用过程中，我们还需要对伺服电机进行定期维护和检查，以确保其正常运行。

如果出现异常情况，需要及时处理，避免造成安全事故。

总之，升降机的伺服电机选型需要考虑升降速度、负载重量、效率和安全等因素。

通过功率计算公式和实际应用选择合适的伺服电机型号，可以提高升降机的效率和安全性。

伺服电机计算选择应用实例1． 选择电机时的计算条件 本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。

例：工作台和工件的W ：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf ）=1000 kgf 机械规格 μ ：滑动表面的摩擦系数=0.05π ：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9 fg ：镶条锁紧力（kgf ）=50 kgfFc ：由切削力引起的反推力（kgf ）=100 kgfFcf：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf ） =30kgfZ1/Z2： 变速比=1/1例：进给丝杠的（滚珠 Db ：轴径=32 mm 丝杠）的规格 Lb ：轴长=1000 mm P ：节距=8 mm例：电机轴的运行规格 Ta ：加速力矩（kgf.cm ）Vm :快速移动时的电机速度(mm -1)=3000 mm -1 ta :加速时间(s)=0.10 sJm :电机的惯量(kgf.cm.sec 2) Jl :负载惯量(kgf.cm.sec 2)ks :伺服的位置回路增益(sec -1)=30 sec -11.1 负载力矩和惯量的计算 计算负载力矩 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出:Tm = + Tf Tm :加到电机轴上的负载力矩(Nm) F :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf) L :电机转一转机床的移动距离=P ×(Z1/Z2)=8 mmTf:滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2NmF ×L2πη无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量，摩擦系数。

若坐标轴是垂直轴，F值还与平衡锤有关。

对于水平工作台，F值可按下列公式计算：不切削时：F = μ（W+fg）例如：F=0.05×(1000+50)=52.5 (kgf)(52.5×0.8) / (2×μ×0.9)+2=9.4(kgf.cm)=Tm= 0.9(Nm)切削时:F = Fc+μ(W+fg+Fcf)例如:F=100+0.05×(1000+50+30)=154(kgf)Tmc=(154×0.8) / (2×μ×0.9)+2=21.8(kgf.cm)=2.1(Nm)为了满足条件1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时应大于0.9（Nm），最高转速应高于3000（min-1）。