1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计人造肌肉与人的臂膀比较人造肌肉与人的臂膀比较“强悍强悍”的的17岁女中学生岁女中学生现年现年17岁的美国女中学生潘娜岁的美国女中学生潘娜 菲尔森，菲尔森，3月月8日在美国航日在美国航天局喷气推进实验室举行的一场国际竞赛中，连续与天局喷气推进实验室举行的一场国际竞赛中，连续与3个个具有人造肌肉臂膀的机器人比赛掰腕子，都取得胜利。由具有人造肌肉臂膀的机器人比赛掰腕子，都取得胜利。由于具有人造肌肉的机器人还处于初步研制阶段，最有力的于具有人造肌肉的机器人还处于初步研制阶段，最有力的机器人也不过坚持了机器人也不过坚持了30秒钟就败下阵来。秒钟就败下阵来。电机应用于移
2、动型工作台、绘图机、打印机、电机应用于移动型工作台、绘图机、打印机、复印机、扫描仪等设备和计算机外设的驱动。复印机、扫描仪等设备和计算机外设的驱动。打印机同步带驱动机构打印机同步带驱动机构 伺服系统基本概念伺服系统基本概念伺服驱动技术概述伺服驱动技术概述控制装置控制装置执行机构执行机构功率放大器功率放大器检测装置检测装置伺服系统的组成伺服系统的组成 执行装置及其分类执行装置及其分类伺服驱动技术概述伺服驱动技术概述电机电机同步性同步性电气伺服驱动装置电气伺服驱动装置 电气驱动装置是将电气驱动装置是将电能电能变成电磁力，变成电磁力，并用该电磁力驱动运动机构运动。并用该电磁力驱动运动机构运动。优点优
3、点电源容易得到电源容易得到电机容易控制电机容易控制可靠性、稳定性和环可靠性、稳定性和环 境适应性好境适应性好与计算机等控制装置与计算机等控制装置的接口简单的接口简单电气伺服驱动装置电气伺服驱动装置缺点缺点容易受载荷的影响容易受载荷的影响获得大功率比较困难获得大功率比较困难在多数情况下，为了实在多数情况下，为了实 现一定的旋转运动或直现一定的旋转运动或直线运动，需要使用齿轮线运动，需要使用齿轮等运动传递和变换机构等运动传递和变换机构液压伺服驱动装置液压伺服驱动装置 液压驱动装置是采用液压驱动装置是采用高压液体高压液体为动为动力的驱动装置。力的驱动装置。优点优点容易获得大功率容易获得大功率功率功率
4、/重量比大重量比大刚度高，能够实现高刚度高，能够实现高 速、高精度的位置控制速、高精度的位置控制通过流量控制可以实通过流量控制可以实现无极变速现无极变速液压伺服驱动装置液压伺服驱动装置缺点缺点必须对油的温度和污染必须对油的温度和污染进行控制、稳定性较差进行控制、稳定性较差有因漏油而发生火灾的有因漏油而发生火灾的危险危险液压油源和进油、回液压油源和进油、回油管路等附属设备占油管路等附属设备占空间较大空间较大气压伺服驱动装置气压伺服驱动装置 气压驱动装置是采用压缩空气作为气压驱动装置是采用压缩空气作为动力的驱动装置，价格低廉。动力的驱动装置，价格低廉。优点优点利用汽缸可以实利用汽缸可以实现高速直线
5、运动现高速直线运动利用空气的可压缩性容易利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制实现力控制和缓冲控制无火灾危险和环境污染无火灾危险和环境污染系统结构简单，价格低系统结构简单，价格低气压伺服驱动装置气压伺服驱动装置缺点缺点任意位置上停止任意位置上停止的动作速度很慢的动作速度很慢由于空气的可压缩，高精由于空气的可压缩，高精度的位置控制和速度控制度的位置控制和速度控制都比较困难都比较困难能量效率较低能量效率较低各执行装置的性能比较各执行装置的性能比较便宜便宜贵贵一般一般价格价格良好良好一般一般差差防暴性能防暴性能一般一般差差良好良好可靠性可靠性良好良好差差良好良好使用环境使用环境大大大大小小占用空
6、间占用空间不需要不需要不需要不需要需要需要减速机构减速机构差差一般一般良好良好控制特性控制特性快快一般一般慢慢简单动作速度简单动作速度小小10Hz大大100Hz中中20Hz快速响应特性快速响应特性中中大大小小输出功率输出功率/重量比重量比气动式气动式液压式液压式电气式电气式比较项目比较项目伺服系统的分类伺服系统的分类按其调节原理类：按其调节原理类：开环伺服系统开环伺服系统驱动电路驱动电路步进电动机步进电动机指令脉冲指令脉冲工工 作作 台台开环伺服系统是最简单的伺服系统，无位置反馈环节。开环伺服系统是最简单的伺服系统，无位置反馈环节。由数控系统发出的指令脉冲，经功率放大器后，使由数控系统发出的指
7、令脉冲，经功率放大器后，使伺服电机转动，通过齿轮副、丝杠螺母副驱动执行部件。伺服电机转动，通过齿轮副、丝杠螺母副驱动执行部件。控制脉冲的数量、频率等，便可控制执行件控制脉冲的数量、频率等，便可控制执行件运动的位移、速度和运动方向。运动的位移、速度和运动方向。系统精度主要取决于系统精度主要取决于步进电机的角位移步进电机的角位移精度；齿轮、丝杠等传动元件的精度以及系精度；齿轮、丝杠等传动元件的精度以及系统的摩擦、阻尼等特性。统的摩擦、阻尼等特性。特点：结构简单，调试、维修方便，成本低特点：结构简单，调试、维修方便，成本低廉，但精度较差，一般用于经济型数控设备。廉，但精度较差，一般用于经济型数控设备
8、。闭环伺服系统闭环伺服系统其驱动装置主要是直流、交流伺服电机以及电其驱动装置主要是直流、交流伺服电机以及电液伺服阀、液压伺服马达等。液伺服阀、液压伺服马达等。与开环系统最主要的区别是：与开环系统最主要的区别是：在执行部件上安装有检测装置，检测执在执行部件上安装有检测装置，检测执行部件的实际位移，反馈到输入端，并与输行部件的实际位移，反馈到输入端，并与输入指令进行比较，求得误差，依此构成闭环入指令进行比较，求得误差，依此构成闭环控制。控制。闭环系统的精度主要取决于检测装置的精度。闭环系统的精度主要取决于检测装置的精度。半闭环伺服系统半闭环伺服系统 是将检测元件安装在是将检测元件安装在中间传动件中
9、间传动件上，间接测量执行部上，间接测量执行部件的位置。件的位置。理论上，闭环系统可消除传动机构的全部误差，而半理论上，闭环系统可消除传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿环路内的部分误差。闭环系统只能补偿环路内的部分误差。控制器控制器功率放大器功率放大器执行机构执行机构机械执行装置机械执行装置检测装置检测装置电机电机结构结构三种电机驱动的特点：三种电机驱动的特点：转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制；转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制；可构成廉价的开环系统；可构成廉价的开环系统；控制系统控制较简单。控制系统控制较简单。响应速度快、功率密度大；响应速度快、功率密度大；可实现高精度的数
10、字控制；可实现高精度的数字控制；需用需用换向器件，且应及时维护更换。换向器件，且应及时维护更换。具有直流伺服电机的全部优点具有直流伺服电机的全部优点输出转矩高，转速受负载的变化影响较小输出转矩高，转速受负载的变化影响较小无接触换向器件，维护方便无接触换向器件，维护方便常见步进电机外形构造常见步进电机外形构造 反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩 激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行 步进电机伺服驱动步进电机伺服驱动一、步进电机的工作原理一、步进电机的工作原理 一种能将电脉冲信号变换成相应的一种能将电脉冲信号变换成相应的角位移角位移或或直线位移直
11、线位移的变换器。的变换器。特点：特点：(1)(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)(3)改变脉冲顺序，就可改变电机转向。改变脉冲顺序，就可改变电机转向。应用：应用：由于其调速性、灵活性和准确性好，常应用在运由于其调速性、灵活性和准确性好，常应用在运动轨迹复杂、精度要求高的中小型机电设备中。动轨迹复杂、精度要求高的中小型机电设备中。结构组成结构组成1)1)定子定子：由：由硅钢片硅钢片叠成叠成的凸极结构的凸极结构，装上一定，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来电脉冲，对相数的控制绕组，由环形分配器
12、送来电脉冲，对多相定子绕组轮流励磁。多相定子绕组轮流励磁。2)2)转子转子：用：用硅钢片硅钢片叠成或软叠成或软磁性材料做成的凸极结构。磁性材料做成的凸极结构。相数相数：定子上的磁极对数：定子上的磁极对数拍数拍数：步进电机走过一个：步进电机走过一个齿矩角（转子相邻两齿的齿矩角（转子相邻两齿的夹角）所需要的步数或经夹角）所需要的步数或经过几次切换控制绕组的电过几次切换控制绕组的电脉冲为一个循环。脉冲为一个循环。AABBCC ABCABCNS AA12AA1243电机电机1 1电机电机2 2 AA12ABB12AAC1260BCC12 b=60 ACC12AA12BBC1260AAB1260 b=6
13、0 AABB12ABBCC1260AABBC1260AABCC1260 b=60 AABCC1260AABB12ABBCC1260AABBC1260b=60 AA12AABB1230ABB1230AABCC1230BCC1230ABBCC12 b=30 ACC1230AABCC12AA12ABBCC12BBC1230 b=30 AABBC1230 AA1243ABB4231AAC423130BCC423130b=30 bbbb360=m*Z*CAA12AA1243b360360=3(1.5)m*Z*C3*40*1(2)b360360=1.5(0.75)m*Z*C5*48*1(2)实际步进电机转
14、动的模拟实际步进电机转动的模拟电机电机3 3 b=N b36060 f60 f 60fmZCn=360360mZC电机转动的工作原理电机转动的工作原理电机电机运转运转34013360360Zkm34013360360Zkm5.14023360360Zkm二、步进电机的性能参数二、步进电机的性能参数 最大启动转矩最大启动转矩 步进电机在启动时，能带动的最大负载，如步进电步进电机在启动时，能带动的最大负载，如步进电机的负载转矩超过此值，则电机不能启动。机的负载转矩超过此值，则电机不能启动。其值越大，其值越大，则承载能力越强。则承载能力越强。Zkm360 M f三、步进控制系统的组成三、步进控制系统
15、的组成典型的步进电机控制系统的组成典型的步进电机控制系统的组成返返 回回直流伺服电机直流伺服电机旋转方向旋转方向线圈中电流流动方向线圈中电流流动方向换换 相相 器器线圈线圈磁极磁极一、直流电机控制原理图一、直流电机控制原理图原理原理应用应用 电磁式直流电动机由定子磁极、转子（电枢电磁式直流电动机由定子磁极、转子（电枢）、换向器、电刷、机壳、轴承等构成。）、换向器、电刷、机壳、轴承等构成。电动机电枢回路的电电动机电枢回路的电压平衡方程式为：压平衡方程式为：aaaRIdtdILEU E：电枢回路的反电动势：电枢回路的反电动势R：电枢回路总电阻：电枢回路总电阻La：电动机电枢绕组电感：电动机电枢绕组
16、电感Ia：电动机电枢电流：电动机电枢电流二、直流伺服电机的特性二、直流伺服电机的特性 稳态运行时，稳态运行时，Ia等于常数，等于常数，dIa/dt=0，则：，则：aaaRIdtdILEU aRIEU ：电动机主磁极的磁通：电动机主磁极的磁通Ce：电动机的结构常数，称为电动势常数：电动机的结构常数，称为电动势常数n：电动机转速：电动机转速 电枢回路的反电动势为：电枢回路的反电动势为：nCEe 电动机的转矩为电动机的转矩为：aeeaeICRCUnRInCU aTICT CT：电动机的结构常数，称为转矩常数：电动机的结构常数，称为转矩常数 直流电动机的机械特性方程：直流电动机的机械特性方程：TCCR
17、CUnTee2 当电源电压当电源电压U U、励磁磁通、励磁磁通、电枢回路总电阻、电枢回路总电阻等于常数时，电动机的机械特性是一根向下倾斜等于常数时，电动机的机械特性是一根向下倾斜的直线，其斜率是：的直线，其斜率是：eCUn0kTnn 0电动机输出转矩为电动机输出转矩为0 0时的转速时的转速n0为为 直流电动机的机械特性方程：直流电动机的机械特性方程：kCCRdTdnTe 2kTnn 0 他励直流电动机的固有机械特性：他励直流电动机的固有机械特性：调压调速机械特性族：调压调速机械特性族：电源电压、励磁磁通额定值分别为电源电压、励磁磁通额定值分别为Un、n，当当U从从Un向减少的方向变化，所得到的
18、机械特性向减少的方向变化，所得到的机械特性族叫调压调速机械特性族。族叫调压调速机械特性族。调压调速机械特性：调压调速机械特性：采用调压调速法时，采用调压调速法时，=常数，只要输入同样常数，只要输入同样的电枢电流的电枢电流Ia，电动机产生的转矩，电动机产生的转矩T T就相等，则调就相等，则调压调速法是恒转矩调速。压调速法是恒转矩调速。最大转矩：最大转矩：Tmax=CTnIanCT：转矩常数：转矩常数n：励磁磁通额定值：励磁磁通额定值Ian：额定电流：额定电流PWMPWM调速调速 调磁调速机械特性族：调磁调速机械特性族：电源电压为电源电压为Un，当调节励磁电阻或者调节励，当调节励磁电阻或者调节励磁
19、电压磁电压Uf，都可以改变磁通，都可以改变磁通，采用减小励磁的，采用减小励磁的方法来改变磁通方法来改变磁通，n所得到的机械特性族所得到的机械特性族叫弱磁调速机械特性族。叫弱磁调速机械特性族。0n 0n0n n 调磁调速机械特性：调磁调速机械特性：弱磁调速时，要使电动机的输出转矩弱磁调速时，要使电动机的输出转矩T不变不变，电枢电流，电枢电流Ia应当成比例加大。电动机输出功率应当成比例加大。电动机输出功率：2602602602aaneTaeenaTRIIUCCICRCUICnTTP 由上式可知电动机的输出功率与磁通无关，由上式可知电动机的输出功率与磁通无关，因此弱磁调速是恒功率调速法。因此弱磁调速
20、是恒功率调速法。电枢电路串电阻调速机械特性族：电枢电路串电阻调速机械特性族：电源电压、励磁磁通额定值分别为电源电压、励磁磁通额定值分别为Un、n。TCCRCUnnTenen2 此种调速方法转此种调速方法转速调得越低，转化为速调得越低，转化为热能而消耗的电能也热能而消耗的电能也就越大，一般生产机就越大，一般生产机械不采用，属恒转矩械不采用，属恒转矩调速。调速。电阻电阻调速调速三、直流伺服电机的调速三、直流伺服电机的调速TCCRCUnTee2 自制自制电机电机四、电动机与负载的匹配四、电动机与负载的匹配 机床的各种运动可分为主运动，进给运动与机床的各种运动可分为主运动，进给运动与辅助运动，主运动要
21、求恒功率调速，进给运动要辅助运动，主运动要求恒功率调速，进给运动要求恒转矩调速。求恒转矩调速。四、电动机与负载的匹配四、电动机与负载的匹配 设一工件毛坯切削时设一工件毛坯切削时,车床主轴转速车床主轴转速120r/min,切削力矩是切削力矩是200Nm;精加工时精加工时,主轴转速主轴转速1200r/min,切削力矩是切削力矩是20Nm;选用直流电机直接驱动主轴选用直流电机直接驱动主轴,电电动机动机Un=220v,nn=1500r/min,求电动机额定功率。求电动机额定功率。P粗粗=P精精=(2/60)2/60)n粗粗T粗粗=(22/60)n精精T精精2.5kwi粗粗=1500/120=12.5
22、粗加工调压粗加工调压U粗粗=220/i粗粗=17.6v电动机额定电流：电动机额定电流：I额额(2.5/17.6)103=142A电动机额定功率：电动机额定功率：P额额14222010-3=31.2kw解：切削功率为：解：切削功率为：四、电动机与负载的匹配四、电动机与负载的匹配 从上述例子可得，在电动机直接带动机床主从上述例子可得，在电动机直接带动机床主轴的情况下，机床要求的调速比越大，电动机的轴的情况下，机床要求的调速比越大，电动机的功率也必须成正比的加大，浪费越严重。功率也必须成正比的加大，浪费越严重。解决的方法：解决的方法：1 1、在电动机主轴之间加一个减速机，若电动机的、在电动机主轴之间
23、加一个减速机，若电动机的调速比是调速比是5 5，减速机的减速比是，减速机的减速比是6 6，则机床主轴的，则机床主轴的调速范围是调速范围是3030。2 2、使用稀土永磁低速大转矩电动机，但这种电动、使用稀土永磁低速大转矩电动机，但这种电动机用在机床主运动系统中尚有困难。机用在机床主运动系统中尚有困难。交流伺服电机驱动交流伺服电机驱动异步异步原理原理1 11)1)交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理 电机定子上有两相绕组。电机定子上有两相绕组。一相叫一相叫励磁绕组励磁绕组，接到交流励磁，接到交流励磁交流电网交流电网上；另一上；另一相为相为控制绕组控制绕组，接入控制电压。，接入控制电压。
24、两绕组在空间上互差两绕组在空间上互差9090的电角度，励磁电压的电角度，励磁电压 U Uf f 和控制电压和控制电压 Uc Uc 频率相同。频率相同。控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组转子转子异步异步原理原理 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相的相位差位差90，产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来，转速转子转动起来，转速fIcI)1()1(600snpsfn 式中，式中，ff交流电源频率交流电源频率(Hz)(Hz)；pp磁极对数；磁极对数；n n0 0旋转磁场的转速旋转磁场的转速(r/min)(r/min)；ss转差率转差
25、率 。2)2)伺服电机的控制伺服电机的控制:幅值控制原理图幅值控制原理图 不同控制电压下的不同控制电压下的 机械特性曲线机械特性曲线 由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为这种维持与相位差为9090，利用改变控制电压幅值大小来改，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为变转速的方法，称为幅值控制法幅值控制法。直线（线性）传动是什么？直线（线性）传动是什么？在传统的机械电气系统中，需要直在传统的机
26、械电气系统中，需要直线运动时，一般是用旋转电动机通过曲线运动时，一般是用旋转电动机通过曲柄连杆、齿轮齿条、丝杠等传动机构获柄连杆、齿轮齿条、丝杠等传动机构获得，但是采用这些传动形式往往会带来得，但是采用这些传动形式往往会带来结构复杂、质量重、体积大、啮合精度结构复杂、质量重、体积大、啮合精度差且工作不可靠等缺点。为了改变这种差且工作不可靠等缺点。为了改变这种状况，需要采用直线传动或线性传动。状况，需要采用直线传动或线性传动。直线电动机直线电动机 直线电动机是一种新型电机之一，直线电动机是一种新型电机之一，不需要中间转换装置而能直接作直线不需要中间转换装置而能直接作直线运动的电动机械。运动的电动
27、机械。基本基本概念概念 直线电机具有以下特点：直线电机具有以下特点：结构简单，使系统得到了简化，提高了可结构简单，使系统得到了简化，提高了可靠性，易于维护。靠性，易于维护。由于没有离心力的影响，其直线速度不受由于没有离心力的影响，其直线速度不受限制，则具有高的直线移动速度。限制，则具有高的直线移动速度。具有较高的精度，步距精度可达具有较高的精度，步距精度可达1微米。微米。推力大，反应速度快，加速性能好。推力大，反应速度快，加速性能好。适应性强，可工作于恶劣环境。适应性强，可工作于恶劣环境。存在端部效应，可导致损耗增加。存在端部效应，可导致损耗增加。1 1、确定脉冲当量、确定脉冲当量 根据系统精
28、度要求，确定脉冲当量，初选步进电机根据系统精度要求，确定脉冲当量，初选步进电机的步距角。的步距角。2 2、确定总传动比、确定总传动比 为使转速、扭矩得到匹配，并使电机步距角脉冲当为使转速、扭矩得到匹配，并使电机步距角脉冲当量得到匹配，常选取降速装置。量得到匹配，常选取降速装置。开环伺服机械传动系统的设计计算步骤开环伺服机械传动系统的设计计算步骤360Li3 3、计算转动惯量、计算转动惯量 绘制结构草图，计算机械传动装置及负载折算到电绘制结构草图，计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，如二级齿轮减速丝杠系统：机轴上的等效转动惯量，如二级齿轮减速丝杠系统：4 4、电机力矩计算、电机力
29、矩计算 伺服系统必须在速度变化的情况下，能提供足够的伺服系统必须在速度变化的情况下，能提供足够的力矩和功率，保证工作台快速跟踪指令。力矩和功率，保证工作台快速跟踪指令。ytfaMMMMM 222124213212iiLmJJiJJJJse Ma与与Mt一般不同时出现，因为许多设备是空载启动。一般不同时出现，因为许多设备是空载启动。折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的加速度力矩TnJJTJJJJMememema602maxmaxmax 式中：式中：Jm为电机转动惯量为电机转动惯量 Je为负载折算到电机轴上的等效转动惯量为负载折算到电机轴上的等效转动惯量 nmax为工作台最大移动速度下的电机
30、转速为工作台最大移动速度下的电机转速 T为电机加速时间为电机加速时间折算到电机轴上的摩擦力矩折算到电机轴上的摩擦力矩iLfWvfWMvfWMMssfMf 2 式中：式中：W 为工作台总重量为工作台总重量 f 为导轨摩擦系数为导轨摩擦系数 L为丝杠螺距为丝杠螺距 i为总传动比为总传动比 为系统传动效率为系统传动效率折算到电机轴上的切削力矩折算到电机轴上的切削力矩iLFvFMvFMtMsstttMt2 式中：式中：Ft为进给方向最大工作载荷为进给方向最大工作载荷 L为丝杠螺距为丝杠螺距 i为总传动比为总传动比 为系统传动效率为系统传动效率折算到电机轴上的预紧附加力矩折算到电机轴上的预紧附加力矩20
31、max20max16231 iLFiLFvkFMvkFMMssyyyMy 式中：式中：k为预紧后的当量摩擦系数，取为预紧后的当量摩擦系数，取0.10.30.10.3或或1-1-0 02 2 Fmaxmax为丝杠轴向最大负载为丝杠轴向最大负载 L为丝杠螺距为丝杠螺距 i为总传动比为总传动比 为系统传动效率为系统传动效率 0 0为丝杠未预紧时的传动效率为丝杠未预紧时的传动效率,一般取一般取0.90.95 5、计算传动系统的综合拉压刚度、计算传动系统的综合拉压刚度 若传动系统为二级齿轮减速的丝杠螺母机构，则折若传动系统为二级齿轮减速的丝杠螺母机构，则折算到电机轴的总刚度为：算到电机轴的总刚度为：开环
32、伺服机械传动系统的设计计算步骤开环伺服机械传动系统的设计计算步骤NRNLBRBskkkkkk111111gSkLkkiikkikk12111111242221322115 5、计算传动系统的综合拉压刚度、计算传动系统的综合拉压刚度开环伺服机械传动系统的设计计算步骤开环伺服机械传动系统的设计计算步骤NRNLBRBskkkkkk111111kLAEFAELFBRBRBRLAEkNRNRNRLAEk5 5、计算传动系统的综合拉压刚度、计算传动系统的综合拉压刚度开环伺服机械传动系统的设计计算步骤开环伺服机械传动系统的设计计算步骤一端轴向支撑的丝杠，其拉压刚度为：一端轴向支撑的丝杠，其拉压刚度为：lEd
33、KL42式中：式中：d丝杠的中径，丝杠的中径，m E材料的拉压弹性模量，材料的拉压弹性模量，N/m2 l受力点到支撑端的距离，受力点到支撑端的距离，mLEdKL42min5 5、计算传动系统的综合拉压刚度、计算传动系统的综合拉压刚度开环伺服机械传动系统的设计计算步骤开环伺服机械传动系统的设计计算步骤两端轴向支撑的丝杠，其拉压刚度为：两端轴向支撑的丝杠，其拉压刚度为：式中：式中：d丝杠的中径，丝杠的中径，m E材料的拉压弹性模量，材料的拉压弹性模量，N/m2 l受力点到支撑端的距离，受力点到支撑端的距离，m L丝杠的全部工作长度，丝杠的全部工作长度，mlLlEdKL11422min=Ld EKL
34、6 6、计算失动量、计算失动量式中：式中：F F轴向负载力，轴向负载力，K Kminmin综合拉压刚度最小值综合拉压刚度最小值minKFr 7 7、计算由于传动刚度变化引起的定位误差、计算由于传动刚度变化引起的定位误差maxmin11KKFk5131k式中：式中：Kmin综合拉压刚度最小值综合拉压刚度最小值、Kmax综合拉综合拉 压刚度最大值、压刚度最大值、设备的定位精度设备的定位精度8 8、固有频率的计算、固有频率的计算 滚珠丝杠传动系统的固有频率计算为：滚珠丝杠传动系统的固有频率计算为：mKnmin式中：式中：m为工作台的质量为工作台的质量sradn/300 步进电机的选型步进电机的选型M
35、Je 步进电机的选型步进电机的选型 步进电机的选型步进电机的选型 初选电机初选电机 转子转动惯量不小于负载惯量转子转动惯量不小于负载惯量Je的的1/10；在启动脉冲速度在启动脉冲速度f1时，启动力矩不小于负时，启动力矩不小于负载力矩载力矩M；在最大脉冲速度在最大脉冲速度f0时，离开力矩不小于负时，离开力矩不小于负载力矩载力矩M。步进电机的选型步进电机的选型（1）计算齿轮的减速比）计算齿轮的减速比 根据脉冲当量，减速比根据脉冲当量，减速比 i 计算如下计算如下:i=(L)/(360。)（1）-步进电机的步距角（度步进电机的步距角（度/脉冲）脉冲）L-丝杆螺距（丝杆螺距（mm)当量脉冲（当量脉冲（
36、mm/脉冲）脉冲）2422132211211 LmJJiiJJiJJSe（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量电机轴上的惯量(以二级齿轮减速丝杠以二级齿轮减速丝杠工作台系统为例工作台系统为例)。（2）（3 3）计算电机输出的总力矩）计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt+My （3）Ma-电机启动加速力矩电机启动加速力矩(N m)Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩导轨摩擦折算至电机的转矩(N m)Mt-切削力折算至电机的力矩切削力折算至电机的力矩(N m)My-丝杠预紧力产生的附加力矩丝杠预紧力产生的附加力矩(N m)Ma=(Jm+Je)n/T 1
37、.0210-3 (4)Jm、Je-电机自身惯量与负载惯量电机自身惯量与负载惯量(Kgm2)n-电机所需达到的转速（电机所需达到的转速（r/min）T-电机升速时间（电机升速时间（s）导轨摩擦折算至电机的转矩导轨摩擦折算至电机的转矩 Mf=(fWL)/(2i)10-3 （5）Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩导轨摩擦折算至电机的转矩(N m)f-摩擦系数摩擦系数 W-工作台重量工作台重量(N)L-丝杠螺距丝杠螺距(mm)-传递效率传递效率 i-传动比传动比切削力折算至电机的力矩切削力折算至电机的力矩 Mt=(Ft L)/(2 i)10-3 （6）Mt-切削力折算至电机的力矩切削力折算至电机的力矩(N
38、 m)Ft-最大切削力最大切削力(N)L-丝杠螺距丝杠螺距(mm)-传递效率传递效率 i-传动比传动比丝杠预紧力产生的附加力矩丝杠预紧力产生的附加力矩My=(Fy L)/(2 i)(1-02)10-3 (7)My-丝杠预紧力产生的附加力矩丝杠预紧力产生的附加力矩(N m)Fy-预紧力，等于最大轴向力的预紧力，等于最大轴向力的1/31/3(N)L-丝杠螺距丝杠螺距(mm)-传递效率传递效率 i-传动比传动比0-滚珠丝杠的传动效率滚珠丝杠的传动效率（4 4）运行的最高频率的计算）运行的最高频率的计算 由于电机的输出力矩随着频率的升高由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率而下降，因此
39、在最高频率fmax时，由矩频时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。够的余量。fmax(50Vmax)/(3)（8）fmax最高运行频率最高运行频率(脉冲脉冲/秒秒)Vmax工作台所需要的最高运行速度工作台所需要的最高运行速度(m/min)脉冲当量脉冲当量(mm/脉冲脉冲)（5 5）负载起动频率估算。数控系统控制电机）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为其估算公式为:fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml)/(1+Je/Jm)/2(9)(9)式中式中fq-负
40、载起动频率负载起动频率（Hz）fq0-空载起动频率空载起动频率（Hz）Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机起动频率下由矩频特性决定的电机 输出力矩（输出力矩（N m)若负载参数无法精确确定若负载参数无法精确确定,则按下式进行估算则按下式进行估算 fq=fq0/2/2（6 6）负载力矩）负载力矩ML和最大静力矩和最大静力矩Mmax 负载力矩可按式（负载力矩可按式（5 5）和式（）和式（6 6）计算，）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于的电机输出力矩要大于Mf与与Mt之和，并留之和，并留有余量。一般来说满足一下式子有余量。一般来说满足
41、一下式子:ML=Mf+Mt (10)ML(0.5(0.5 0.8)0.8)Mmax (11)拍数多的可选拍数多的可选0.8，拍数少的选，拍数少的选0.5。例例:某车床进行数控改造某车床进行数控改造,已知横向进给系已知横向进给系统行程为统行程为200mm,快速移动速度为快速移动速度为1200mm/min,最大切削进给速度为最大切削进给速度为250mm/min,溜溜板和刀架的质量为板和刀架的质量为62.0kg。脉冲当量。脉冲当量 为为0.005mm,滚珠丝杠的导程滚珠丝杠的导程L=6mm,主电机主电机功率为功率为7.5kW,机床回转直径机床回转直径400mm,主轴主轴计算转速为计算转速为85r/m
42、in,试选择该进给方向拟试选择该进给方向拟采用的步进电机采用的步进电机,最大轴向切削力最大轴向切削力2370N。导轨摩擦系数导轨摩擦系数0.15,齿轮传递效率齿轮传递效率0.85，丝杠，丝杠传动效率传动效率0.94,电机升速时间电机升速时间0.31s。初选电机初选电机选择国产选择国产130BF001型反应式步进电机型反应式步进电机主要技术参数主要技术参数:相数相数5,步距角步距角075/15最大静转矩最大静转矩931Nm,转动惯量转动惯量46kgcm2分配方式五相十拍分配方式五相十拍计算齿轮的减速比计算齿轮的减速比 初选电机，根据脉冲当量，减速比初选电机，根据脉冲当量，减速比 i 计算如下计算
43、如下:i=(L)/(360。)i=(1.5。6)/(360。0.005)i=5 计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量。轴上的惯量。224232212422132211.4.026625.22121211cmkgJJJJJLmJJiiJJiJJSSe 切削力折算至电机的力矩切削力折算至电机的力矩Mt (N m)Mt=(Ft L)/(2 i)10-3 Mt=(23706)/(20.855)10-3 Mt=0.53 N m 导轨摩擦折算至电机的转矩导轨摩擦折算至电机的转矩(N m)Mf=(fWL)/(2i)10-3 Mf=(0.15629.86)/(20.8
44、55)10-3 =0.02 N m滚珠丝杠预紧力产生的附加力矩滚珠丝杠预紧力产生的附加力矩My (N m)My=(Fy L)/(2 i)(1-02)10-3 My=(2370/36)/(20.855)(1-0.942)10-3 My=0.021N m 电机启动加速力矩电机启动加速力矩Ma(N m)Ma=(Jm+Je)n/T 1.0210-3 =(4.6+0.4)1000/0.651.0210-3 =7.85N m计算电机输出的总力矩计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt+My M=7.85+0.02+0.53+0.021=8.421 N m计算电机空载启动力矩计算电机空载启动力矩Mmax
45、 M/Mmax=0.951 Mmax M/0.951=8.8559.31M/Mmax运行的最高频率的计算运行的最高频率的计算 fmax(50Vmax)/(3)=(501.2)/(30.005)=4000Hz10600Hz启动的最高频率的计算启动的最高频率的计算 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml)/(1+Jt/Jm)/2 =2800Hz3000Hz故所选电机符合使用要求故所选电机符合使用要求在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：1）是否采用闭环控制）是否采用闭环控制 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环当系统负载不大，精度要求不高
46、时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可。计时仅考虑满足精度方面的要求即可。伺服系统的设计伺服系统的设计一、系统方案的设计一、系统方案的设计 2）执行元件的选择）执行元件的选择 选择执行元件时，应综合考虑负载能力、调速范选择执行元件时，应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等
47、多围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。方面的要求。一般来讲，对于开环系统，可考虑采用步进电动一般来讲，对于开环系统，可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机。机、交流伺服电动机。对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。控制的液压马达等。3）传动方案的选择）传动方案的选择 传动机构是驱动元件与
48、执行机构之间的连接装置，传动机构是驱动元件与执行机构之间的连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，驱动元件以输出旋转运动和转矩为主，在伺服系统中，驱动元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条齿轮齿条和和丝杠螺母丝杠螺母等。等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动
49、间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。而应用广泛。4）控制系统方案的选择）控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、常用的微型机有单片机、PLCPLC控制系统控制系统、工控机等，其中单片机由于在体积、成本、工控机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。用。伺服系
50、统方案确定后，应进行方案实施伺服系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设计，即各环节设计，通常称为的具体化设计，即各环节设计，通常称为稳态设计。稳态设计。其内容主要包括执行元件规格的确定、其内容主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系统惯量参数的计算以系统结构的设计、系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等环节的设计与及信号检测、转换、放大等环节的设计与计算等。计算等。二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计2.2.执行元件功率的匹配执行元件功率的匹配1)1)执行元件的转矩匹配执行元件的转矩匹配 设工作台伺服电机的额定转速设工作台伺服电机的额定转速n(r/min),n(r/min),
