伺服电机、步进电机、丝杠、导轨的计算选择

伺服电机的选择伺服电机：伺服主要靠脉冲来定位，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；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）。闭环半闭环：格兰达的设备用伺服电机都是半闭环，只是编码器发出多少个脉冲，无法进行反馈值和目标值的比较；如是闭环则使用光栅尺进行反馈。 开环步进电机：则没有记忆发出多少个脉冲。伺服：速度控制、位置控制、力矩控制增量式伺服电机：是没有记忆功能，下次开始是从零开始；绝对值伺服电机：具有记忆功能，下次开始是从上次停止位置开始。伺服电机额定速度3000rpm，最大速度5000 rpm； 加速度一般设0.05 0.5s计算内容：1.负载(有效)转矩T<伺服电机T的额定转矩 2.负载惯量J/伺服电机惯量J< 10 (5倍以下为好)3.加、减速期间伺服电机要求的转矩 < 伺服电机的最大转矩4.最大转速<电机额定转速伺服电机：编码器分辨率2500puls/圈；则控制器发出2500个脉冲，电机转一圈。1.确定机构部。 另确定各种机构零件（丝杠的长度、导程和带轮直径等）细节。 典型机构：滚珠丝杠机构、皮带传动机构、齿轮齿条机构等2.确定运转模式。 （加减速时间、匀速时间、停止时间、循环时间、移动距离） 运转模式对电机的容量选择影响很大，加减速时间、停止时间尽量取大，就可以选择小容量电机3.计算负载惯量J和惯量比（x10-4kg.m2）。 根据结构形式计算惯量比。 负载惯量J/伺服电机惯量J< 10 单位（x10-4kg.m2） 计算负载惯量后预选电机，计算惯量比4.计算转速N【r/min】。 根据移动距离、加速时间ta、减速时间td、匀速时间tb计算电机转速。 计算最高速度Vmax 12 x ta x Vmax + tb x Vmax + 12 x td x Vmax = 移动距离 则得Vmax=0.334m/s（假设） 则最高转速：要转换成N【r/min】， 1）丝杆转1圈的导程为Ph=0.02m（假设） 最高转速Vmax=0.334m/s（假设 N = Vmax/Ph = 0.334/0.02=16.7（r/s） = 16.7 x 60 = 1002（r/min）< 3000(电机额定转速) 2）带轮转1全周长=0.157m（假设） 最高转速Vmax=1.111（m/s） N = Vmax/Ph = 1.111/0.157 = 7.08（r/s） = 7.08 x 60 = 428.8 （r/min）< 3000(电机额定转速)5.计算转矩T【N . m】。 根据负载惯量、加减速时间、匀速时间计算电机转矩。 计算移动转矩、加速转矩、减速转矩 确认最大转矩：加减速时转矩最大 < 电机最大转矩 确认有效转矩：有效（负载）转矩Trms < 电机额定转矩6.选择电机。 选择能满足35项条件的电机。1.转矩N.m：1）峰值转矩：运转过程中（主要是加减速）电机所需要的最大转矩；为电机最大转矩的80%以下。 2）移动转矩、停止时的保持转矩：电机长时间运行所需转矩；为电机额定转矩的80%以下。 3）有效转矩：运转、停止全过程所需转矩的平方平均值的单位时间数值；为电机额定转矩的80%以下。 Trms=Ta2 x ta+Tf2 x tb+Td2 x tdtc Ta：加速转矩 ta:加速时间 Tf：移动转矩 tb：匀速时间 Td：减速转矩 td：减速时间 tc：循环时间2.转速：最高转速 运转时电机的最高转速：大致为额定转速以下；（最高转速时需要注意转矩和温度的上升）3.惯量：保持某种状态所需要的力步进电机步进电机：是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1.步进电机的最大速度6001200rpm 加速度一般设0.1s1s1.确定驱动机械结构 2.确定运动曲线 3.计算负荷转矩 4.计算负荷惯量 5.计算启动转矩 6.计算必须转矩 7.电机选型 8.选型电机验算 9.选型完成选定电机：1.负载惯量J/伺服电机惯量J< 10 (5倍以下为好) 2.在起动脉冲速度f1时，起动转矩>负载转矩T 3.在最大脉冲速度f0时，离开转矩（是不是必须转矩）>负载转矩T 步进选型计算见（KINCO 步进选型中12页的例题）伺服选型计算见（松下伺服选型计算伺服电机选型方法）1千克·米(kg·m)9.8牛顿·米(N·m)。脉冲当量（即运动精度）&= Cxi200xm<0.05 (0.05为重复定位精度) 200为两相步进电机的脉冲数 m为细分数 200=360/1.8 i减速比1/xC电机转一圈的周长无减速比电机转一圈丝杠走一个导程电机转速（r/s） V=P(360/1.8)xm P为脉冲频率例: 已知齿轮减速器的传动比为1/16，步进电机步距角为1.5°，细分数为4细分，滚珠丝杠的基本导程为4mm。问：脉冲当量是多少？脉冲当量是每一个脉冲滚珠丝杠移动的距离滚珠丝杠导程为4mm，滚珠丝杠每转360°滚珠丝杠移动一个导程也就是4mm那么每一度移动（4/360）mm电机4细分，步距角为1.5°，则每一个脉冲，步进电动机转1.5/4那么一个脉冲，通过减速比，则丝杠转动（1.5/4）*（1/16）度那么每个脉冲滚珠丝杠移动距离（及脉冲当量）&： &=（1.5/4）*（1/16）*（4/360）=0.0003mm或者&= Cxi200xm<0.05 例: 必要脉冲数和驱动脉冲数速度计算的示例下面给出的是一个3相步进电机必要脉冲数和驱动脉冲速度的计算示例。这是一个实际应用例子，可以更好的理解电机选型的计算方法。1.1 驱动滚轴丝杆如下图，2相步进电机（1.8°/步）驱动物体运动1秒钟，则必要脉冲数和驱动脉冲速度的计算方法如下：必要脉冲数10010×360°1.8°×细分数m 脉冲例: 精度要求0.01mm的雕刻机，导程5mm，步进电机驱动器一般用多少细分好呢？如果确认是“精度”而不是“分辨率”的话，要考虑误差问题。一，1)、你选择丝杠本身精度要高于0.01mm,2)、其次电机细分只表示了分辨率，并不等同于电机精度。假设你丝杠精度0.005mm，那么剩给电机的允许误差也就只有0.005mm了（暂不考虑其他误差因素）0.005/5*360=0.36，表示你的电机精度要高于0.36度，所以你要选择绝对精度高于0.36度的电机。二，至于细分，就简单了。0.01/5*360=0.72；表示步进角0.72度时可达到0.01mm的分辨率360/0.72=500;表示0.01mm分辨率时，电机一圈500步即可。在实际使用时，你要尽可能选择细分高些，一方面提高运动平稳性，一方面也提供更高的步进分辨率。滚珠丝杠的选型一. 已知条件：UPH、工作台质量m1、行程长度ls、最高速度Vmax、加减速时间t1和t3、定位精度+-0.3mm/1000mm、往复运动周期、游隙0.15mm二. 选择项目：丝杠直径、导程、螺母型号、精度、轴向间隙、丝杠支撑方式、马达三. 计 算：1.精度和类型。（游隙、轴向间隙）0.15mm，选择游隙在0.15以下的丝杠，查表选择直径32mm以下的丝杠。32mm游隙为0.14mm。 为了满足+-0.3mm/1000mm则，+-0.3mm/1000=x/300 则x=+-0.09mm. 必須選擇± 0.090mm 300mm 以上的導程精度。参照丝杠精度等级，选择C7级丝杠。丝杠类型：根据机构确定丝杠类型是：轧制或研磨、定位或传动2.导程。（以直线速度和旋转速度确定滚珠丝杠导程） 导程和马达的最高转速 Ph>=60*1000*v/(N/A) 1.Ph: 丝杆导程mm 2.V：预定的最高进给速度m/s 3.N：马达使用转速rpm 4.A：减速比3.直径。（负载确定直径） 动载荷、静载荷；计算推力，一般只看动载荷 轴向负荷的计算：u摩擦系数；a=Vmax/t 加速度；t加减速时间；水平时：加速时承受最大轴向载荷，减速时承受最小载荷；垂直时：上升时承受最大轴向载荷，下降时承受最小载荷；1.加速时（上升）N：Fmax=u*m*g+f-m*a 2.减速时（下降）N：Fmin=u*m*g+f-m*a 3.匀速时 N：F匀 =u*m*g+fu 因螺桿軸直徑越細，螺桿軸的容許軸向負荷越小 4.长度。（总长=工作行程+螺母长度+安全余量+安装长度+连接长度+余量）。如果增加了防护，比如护套，需要把护套的伸缩比值（一般是1：8，即护套的最大伸长量除以8）考虑进去。5.支撑方式。固定-固定 固定-支撑 支撑-支撑 固定-自由6.螺母的选择：7.许用转速计算： 螺桿軸直徑20mm 、導程Ph=20mm 最高速度Vmax 1m/s 则：最高轉速 Nmax=Vmax * 60 * 103/Ph 许用转速（临界转速） N1=r * （d1/l2）* 107 r安装方式决定的系数；d1=丝杠轴沟槽谷径；l=安装间距 所以有：最高转速 < 许用转速8.刚度的选择 9.选择马达*验证：刚度验证、精度等级的验证、寿命选择、驱动转矩的选择*滚珠丝杠副预紧：1.方式：双螺母垫片预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母增大滚珠直径预紧；2.目的：消除滚珠丝杠副的轴向间隙、增大滚珠丝杠副的刚性、 *DN值： D：滚珠丝杠副的公称直径，也为滚珠中心处的直径（mm）; N：滚珠丝杠副的极限转速（rpm）*导程精度、定位精度、重复定位精度导程精度：1.有效行程Lu内的平均行程偏差e（um），ep=2*（Lu/300）* V300<=C ；2.任意300mm行程内行程变动量V300(um)，V300<=定位精度：1）. 导程精度 2）.轴向间隙 3）传动系统的轴向刚性 4)热变形 5）丝杠的运动姿势重复定位精度：预紧到负间隙的丝杠，重复定位精度趋于零；直线导轨的选择1. 直线导轨的运动精度：1） 运动精度：a：滑块顶面中心对导轨基准底面的平行度；b:与导轨基准侧面同侧的滑块侧面对导轨基准侧面的平行度。2） 综合精度：a：滑块上顶面与导轨基准底面高度H的极限偏差；b：同一平面上多个滑块顶面高度H的变动量；c：与导轨基准侧面同侧的滑块侧面对导轨基准侧面