機(jī)電裝備設(shè)計(jì)第五章

機(jī)電裝備設(shè)計(jì)第五章1第一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

功率器件的開(kāi)關(guān)頻率決定了調(diào)制角波的頻率。普通晶閘管的換流能力較差，其開(kāi)關(guān)頻率一般不超過(guò)300～500Hz，電力晶體管GTR開(kāi)關(guān)頻率為1～5kHz；可關(guān)斷晶閘管GTO開(kāi)關(guān)頻率為1～2kHz；功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET開(kāi)關(guān)頻率在20kHz；絕緣柵式雙極晶體管IGBT有很好的高速開(kāi)關(guān)特性(斷開(kāi)時(shí)間減少到0.15μs)和低飽和電壓特性(飽和電壓2.2v)，是當(dāng)今最引人注目的功率驅(qū)動(dòng)電力電子器件。如今耐壓達(dá)3000v，電流達(dá)1500A的大功率IGBT已經(jīng)商品化。2第二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

70年代以來(lái)，大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，在機(jī)床進(jìn)給伺服中廣泛應(yīng)用；

現(xiàn)代控制理論適應(yīng)于---多變量時(shí)變系統(tǒng)，為計(jì)算機(jī)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)；用計(jì)算機(jī)完成系統(tǒng)的校正、改變伺服系統(tǒng)的增益、帶寬，完成系統(tǒng)管理---系統(tǒng)向智能化發(fā)展；采用SPWM控制交流永磁式伺服電機(jī)，得到高的位置精度，是其它控制所不能比擬的；微電子突飛猛進(jìn)，新元件、新器件、新理論、新技術(shù)使伺服系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。

3第三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六仿形銑床隨動(dòng)系統(tǒng)示意圖4第四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六仿形銑床方框圖數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)5第五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六伺服系統(tǒng)定義：

伺服系統(tǒng)(servosystem)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，是指以機(jī)械參數(shù)(位移、速度、力和力矩等)作為被控量的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能自動(dòng)地、迅速地、連續(xù)地、精確地響應(yīng)輸入指令的變化規(guī)律。應(yīng)用：1、數(shù)控機(jī)床刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制；2、跟蹤雷達(dá)天線俯仰角、方位角的自動(dòng)控制等。上述盡管對(duì)象的機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)形式不同，對(duì)伺服系統(tǒng)的要求也有差別，但共同的一點(diǎn)是帶動(dòng)對(duì)象按需要的規(guī)律作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。6第六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.1.1基本要求

(1)、穩(wěn)定性系統(tǒng)在其工作范圍內(nèi)是穩(wěn)定、可靠的；

(2)、精度比較經(jīng)濟(jì)地達(dá)到給定精度的要求；

(3)、快速響應(yīng)性系統(tǒng)響應(yīng)輸入指令的速度要快；

(4)、可承受頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，振動(dòng)和噪聲小，可靠性高，壽命長(zhǎng)；

(5)、靈敏度系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的靈敏度要小，即系統(tǒng)性能不因參數(shù)變化而受到太大的影響；

(6)、抗干擾性系統(tǒng)應(yīng)具有良好的抵抗外部負(fù)載干擾和高頻噪聲的能力等；

(7)、方便性調(diào)整、維護(hù)方便。7第七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.1.2伺服系統(tǒng)分類按其控制原理分：開(kāi)環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)控制三種形式；按其被控量的性質(zhì)分：速度、位置、同步、扭矩控制等形式；按其驅(qū)動(dòng)方式分：電氣伺服、氣壓伺服、液壓伺服等形式；按執(zhí)行元件分：步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服等形式。

開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)大多采用步進(jìn)電機(jī)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)大多采用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。8第八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

對(duì)不同的機(jī)電一體化設(shè)備，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部件時(shí)所需功率的差異很大。在確定驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，一般從輸出功率與響應(yīng)頻率兩個(gè)方面綜合選擇。

液壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)輸出功率大、響應(yīng)頻率高；

氣壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)響應(yīng)頻率低但輸出功率大；

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)，對(duì)不同的伺服電機(jī)具有不同的要求，因此具有所選擇的輸出功率范圍大、響應(yīng)頻率寬的特點(diǎn)。

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，常采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)。9第九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1、氣壓伺服2、步進(jìn)電機(jī)和兩相交流感應(yīng)電機(jī)3、微小驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)和螺線管傳動(dòng)4、移動(dòng)線圈直線電機(jī)5、AC電機(jī)(無(wú)刷DC電機(jī))6、DC電機(jī)7、液壓伺服伺服系統(tǒng)適用范圍10第十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.2典型伺服系統(tǒng)5.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。11第十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由環(huán)形脈沖分配器、功率放大器組成，如圖所示。

環(huán)形脈沖分配器將脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到脈沖放大器上，進(jìn)行功率放大，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

12第十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1.主要靜態(tài)特性1）靜態(tài)矩角特性

定義：靜態(tài)時(shí)（步進(jìn)電機(jī)某相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)狀態(tài)），電磁轉(zhuǎn)矩T（靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）與失調(diào)角θ之間的關(guān)系，即T＝f（θ）。2）最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tmax

即靜態(tài)矩角特性的電磁轉(zhuǎn)矩

最大值。3）最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq

即靜態(tài)矩角特性的交點(diǎn)電磁轉(zhuǎn)矩。使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩。表示步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載的能力。Tmax越大，帶載能力越強(qiáng)，運(yùn)行的快速和穩(wěn)定性越好13第十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六4）啟動(dòng)頻率（又叫最大啟動(dòng)頻率或空載啟動(dòng)頻率）

定義：步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠不失步地突然啟動(dòng)的最大輸入脈沖頻率fst。是步進(jìn)電機(jī)快速性能的重要指標(biāo)。一般空載啟動(dòng)頻率比帶載時(shí)頻率高。

設(shè)計(jì)中啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq≥TL。14第十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5）慣頻特性

一般說(shuō)來(lái)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，啟動(dòng)頻率下降。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)純慣性負(fù)載時(shí)，啟動(dòng)頻率和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系，稱為啟動(dòng)慣頻特性。15第十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

當(dāng)在啟動(dòng)慣頻特性曲線上查不到帶慣性負(fù)載的最大啟動(dòng)頻率時(shí)，用下式近似計(jì)算：16第十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2動(dòng)態(tài)特性

步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性影響動(dòng)作快速及可靠性。與負(fù)載特性、電源的驅(qū)動(dòng)方式有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩稱動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。一般，脈沖頻率f↑，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩T↓。矩頻特性表征了步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)行時(shí)承受負(fù)載的能力。17第十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)最大負(fù)載力矩，最大啟動(dòng)力矩，最大速度，最大加速度等，根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性，綜合考慮進(jìn)行選擇，工作中要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能?chē)?yán)格跟隨指令脈沖，不發(fā)生失頻、振蕩，能快速起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)和高效運(yùn)轉(zhuǎn)。滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)且具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

選用時(shí)：1）保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩；2）要求計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)負(fù)載慣量和產(chǎn)品所要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)相匹配，并有一定余量；3）使其步距角與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，以得到所需的脈沖當(dāng)量。

18第十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六3參數(shù)確定19第十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六當(dāng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)±(0.01～0.03)mm，速度受電動(dòng)機(jī)最高運(yùn)行頻率的限制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的脈沖當(dāng)量，傳動(dòng)元件應(yīng)具有足夠的剛度和制造精度，使傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量、間隙和摩擦因數(shù)要小。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、成本低，沒(méi)有穩(wěn)定性問(wèn)題，工作比較可靠，廣泛用于精度與速度要求不高的場(chǎng)合。20第二十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.2.2交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)系統(tǒng)（1）交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率比直流電動(dòng)機(jī)提高10%～70％；（2）交流伺服電動(dòng)機(jī)與同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，重量約輕一半；（3）轉(zhuǎn)子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩／慣量比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，運(yùn)行平穩(wěn)；（4）沒(méi)者電刷和換向器，可靠性好；（5）同軸裝有高精度的脈沖編碼器作檢測(cè)元件。

交流伺服電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電一體進(jìn)給伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件和實(shí)現(xiàn)精密位置控制，已得到十分廣泛的應(yīng)用。21第二十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六脈沖編碼器速度位置半閉環(huán)系統(tǒng)22第二十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六上圖中，CMR---指令脈沖倍率

DMR---檢測(cè)脈沖倍率

CMR----1個(gè)指令脈沖變換為CMR個(gè)脈沖

DMR----將脈沖編碼器的角位移反饋信號(hào)增加DMR倍，相當(dāng)于倍頻器。

CMR和DMR的數(shù)值是通過(guò)軟件來(lái)設(shè)定，是為了在比較器進(jìn)行比較的指令輸入脈沖與反饋脈沖的當(dāng)量相符而設(shè)置的。

23第二十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

δ----指令脈沖當(dāng)量(mm/p)f----指令脈沖數(shù)(p／s)指令位移當(dāng)量為δ×f(mm/s)乘以CMR后，輸入到位置偏差比較器的脈沖數(shù)為

f×CMR，此時(shí)的脈沖當(dāng)量為δ’，則輸入位移當(dāng)量為δ’×f×CMR，因?yàn)?，?jīng)指令脈沖倍率變換后不應(yīng)改變指令位移當(dāng)量，因此上式說(shuō)明，實(shí)際的脈沖當(dāng)量減小了CMR倍。這兩個(gè)脈沖倍率，可改變脈沖當(dāng)量--最小設(shè)定單位值；24第二十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六則反饋脈沖當(dāng)量為反饋脈沖當(dāng)量δ”與輸入脈沖當(dāng)量δ’相等，則

編碼盤(pán)裝在電機(jī)軸上，電機(jī)與絲杠直接相連，絲杠每轉(zhuǎn)時(shí)執(zhí)行部件位移tmm，設(shè)編碼盤(pán)每轉(zhuǎn)發(fā)出n個(gè)脈沖（分辨率），乘檢測(cè)脈沖倍率DMR后，反饋到比較器的脈沖數(shù)為n·DMR25第二十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六在CNC系統(tǒng)中，CMR可選值為：0.5、1、2、5、10共5種DMR可選值為：0.5、1、1.5、2、3、4六種在硬件脈沖編碼其分辨率n和絲杠導(dǎo)程t不變的條件下，可設(shè)計(jì)多種脈沖當(dāng)量的伺服系統(tǒng)，擴(kuò)展了CNC的適應(yīng)多種加工的能力。26第二十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.3動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)分類：伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方法和控制理論方法。動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法：在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其目的是確定伺服電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、電動(dòng)機(jī)與機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)相互匹配，一般不計(jì)算控制電路參數(shù)和動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)。屬于靜態(tài)設(shè)計(jì)。應(yīng)用：用于開(kāi)環(huán)及精度不太高的半閉環(huán)系統(tǒng)?？刂评碚撛O(shè)計(jì)方法：分為靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，其目的是根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，確定伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)與控制電路的參數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)電參數(shù)得到合理的匹配，保證伺服系統(tǒng)具有良好的性能。問(wèn)題：這種設(shè)計(jì)方法涉及到機(jī)電元部件的全部技術(shù)數(shù)據(jù)，若制造廠所提供的數(shù)據(jù)不全，需要自行測(cè)試，妨礙了控制理論設(shè)計(jì)方法在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用。應(yīng)用：適合于精度高的半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。27第二十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.3.1基本公式先打開(kāi)書(shū)P239看表6-2，回顧一下動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。如下圖,根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律,電動(dòng)機(jī)軸上加速轉(zhuǎn)矩Ma為28第二十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六式中當(dāng)運(yùn)動(dòng)為等加減速時(shí)，其加速轉(zhuǎn)矩和加速時(shí)間分別為等減速時(shí)，Ma取“－”傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)上的總等效慣量t=0時(shí)電動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速29第二十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為用上述動(dòng)力學(xué)公式，可進(jìn)行1、確定電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩、時(shí)間、位移和轉(zhuǎn)角；2、檢查機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)合理性；目的：保證機(jī)械運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和能量的有效利用；為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的控制創(chuàng)造條件。注意：

在動(dòng)力學(xué)計(jì)算前，要根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度或剛度或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定有關(guān)的機(jī)械尺寸，才能利用動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算。P和n在電動(dòng)機(jī)銘牌上可以直接查到30第三十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.3.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩根據(jù)其特征又可分為：工作負(fù)載、摩擦轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩根據(jù)與速度(或轉(zhuǎn)速)的關(guān)系，有下列四種：

◆恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度無(wú)關(guān)，如摩擦副中靜摩擦轉(zhuǎn)矩或力；

◆

與速度成正比的負(fù)載轉(zhuǎn)矩如潤(rùn)滑摩擦副在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的粘性摩擦轉(zhuǎn)矩或力；

◆

與速度平方成正比的負(fù)載轉(zhuǎn)矩如高速物體的空氣阻力、液體的攪拌阻力；

◆與速度成反比的負(fù)載轉(zhuǎn)矩如在恒功率傳動(dòng)中，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般表現(xiàn)為阻抗特性，但在重力方向相同的機(jī)械裝置(如起重機(jī)、電梯）稱為勢(shì)能特性。

機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)分為：負(fù)載轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩（又稱慣性轉(zhuǎn)矩，也即加速轉(zhuǎn)矩），慣性轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下：31第三十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六典型機(jī)械系統(tǒng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算1旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)

如下圖所示→32第三十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六典型機(jī)械系統(tǒng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算2直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)工作臺(tái)的負(fù)載為F，工作臺(tái)重量W,靜摩擦系數(shù)μ，機(jī)械效率η為負(fù)載換算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩33第三十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.3.3典型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算1

旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)

根據(jù)剛體力學(xué)中的動(dòng)能守恒定律換算到電動(dòng)機(jī)軸上等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用Je

表示時(shí)，由于總動(dòng)能不變代表各軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量代表各軸上的角速度34第三十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2直線運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)慣量換算到驅(qū)動(dòng)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量螺旋進(jìn)給機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床中，如X-Y工作平臺(tái)應(yīng)用根據(jù)剛體力學(xué)中的動(dòng)能守恒定律35第三十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

對(duì)于由k對(duì)齒輪、L個(gè)直線移動(dòng)件的螺旋進(jìn)給系統(tǒng)，各運(yùn)動(dòng)件折算到電動(dòng)機(jī)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為36第三十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.3.4電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選擇

伺服電機(jī)的選擇與普通電機(jī)不同。伺服電機(jī)調(diào)速特性與電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)、性能及其控制電路有關(guān)。電動(dòng)機(jī)一般是步進(jìn)電機(jī)、DC伺服電機(jī)、無(wú)刷DC伺服電機(jī)，機(jī)電裝備對(duì)伺服電機(jī)性能的基本要求如下：性能密度大，即功率密度和比功率大

電機(jī)功率密度：為單位重量W的輸出功率P，即

P=P/W

電機(jī)比功率(單位為W/s)的定義為：37第三十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六在不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)伺服電機(jī)的性能密度要求不同。①啟停頻率低(如幾十次／min)，要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械；如NC工作機(jī)械的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標(biāo)；②

啟停頻率高(如數(shù)百次／min)，但不特別要求低速平穩(wěn)性能的機(jī)械設(shè)備，如高性能打印機(jī)、繪圖機(jī)、打孔機(jī)、集成電路焊接裝置等，高的比功率是主要的性能指標(biāo)。

在額定輸出功率相同的條件下，無(wú)刷伺服電機(jī)的比功率最高，依次為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。

38第三十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1)快速性好，即加減速扭矩大，頻率特性好；2)位置控制精度高，包括調(diào)速范圍寬(速比1∶10000）以上，低速運(yùn)行平穩(wěn)、分辨率高；3)適應(yīng)啟停頻繁的工作要求；4)振動(dòng)和噪聲小；5)可靠性高，壽命長(zhǎng)。

除了上述的基本要求外，伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的控制電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件(含負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣性負(fù)載)和電動(dòng)機(jī)的工作特性曲線，通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算來(lái)選擇和確定，同時(shí)滿足電動(dòng)機(jī)的用途及其伺服特性的要求。伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求39第三十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用步進(jìn)電機(jī)使用范圍相當(dāng)廣泛，很難建立統(tǒng)一的選擇程序。設(shè)計(jì)人員通常根據(jù)實(shí)際的要求，用類比法或憑自己的經(jīng)驗(yàn)用逐次逼近法來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)型式、尺寸及齒輪傳動(dòng)裝置。

選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分別計(jì)算各種工況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)、運(yùn)行矩頻特性選擇合適的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)大致可分為三種主要類型：

第1類是作為位置伺服系統(tǒng)，如開(kāi)環(huán)控制數(shù)控機(jī)床伺服元件，在這類系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)要能應(yīng)答指令，并具有一定的運(yùn)行精度和定位精度。40第四十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六切削負(fù)載特點(diǎn)：低速時(shí)，進(jìn)行切削，進(jìn)給需要較大的輸出轉(zhuǎn)矩；高速時(shí)，一般只移動(dòng)刀架或工作臺(tái)而不進(jìn)行切削，需要較小的輸出轉(zhuǎn)矩(如圖)。因而，步進(jìn)電機(jī)很適合這類伺服機(jī)構(gòu)大轉(zhuǎn)矩(低速)、高速度(空行程)和高精度的要求。

第I類負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖41第四十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六第Ⅱ類是作為各種材料的固定尺寸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。如沖壓床的自動(dòng)送料；鋼材、紙張、塑料薄膜的固定尺寸傳送控制等。要求電動(dòng)機(jī)按照一定的節(jié)拍將負(fù)載傳送一定距離，如圖所示。為了提高生產(chǎn)率，必須高速度，如何選擇開(kāi)環(huán)控制脈沖頻率分布圖(即速度圖)是關(guān)鍵問(wèn)題。

第Ⅱ類負(fù)載速度圖42第四十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

第Ⅲ類用于少數(shù)增量運(yùn)動(dòng)中作驅(qū)動(dòng)元件，在這類應(yīng)用中，重要的特性是起始加速度和穩(wěn)定時(shí)間。要求電動(dòng)機(jī)起動(dòng)快，停穩(wěn)時(shí)間短。

下面對(duì)第一類負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)選擇作分析說(shuō)明，其它兩類負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)的選擇可參考有關(guān)資料。43第四十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

(1)第1類負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)選擇步驟下面以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)為例，介紹選擇步進(jìn)電機(jī)的步驟。

1)根據(jù)加工精度要求確定脈沖當(dāng)量選擇步距角

脈沖當(dāng)量δ直接影響加工零件的精度、表面粗糙度及進(jìn)給速度。①對(duì)精度要求較高數(shù)控機(jī)床如線切割機(jī)床、坐標(biāo)鏜床，脈沖當(dāng)量δ可取0.001～0.0025mm／p，以保證0.01～0.005mm的加工精度;②加工精度在0.01～0.02mm范圍的數(shù)控銑床、鉆床、車(chē)床的脈沖當(dāng)量δ可取0.005～0.01mm／p;③對(duì)于簡(jiǎn)易數(shù)控沖床等不太精密的機(jī)床或設(shè)備，脈沖當(dāng)量可取0.1～0.15mm／p;④對(duì)于同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，脈沖當(dāng)量δ還可選擇更大些。44第四十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六脈沖當(dāng)量確定以后，步距角可以按照式算出:

式中θs--步距角(.)；

t--絲桿螺距(mm)；

i--傳動(dòng)比；

δ--脈沖當(dāng)量(mm／p)

2)根據(jù)快速進(jìn)給速度，確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率有著嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，機(jī)床的極限進(jìn)給速度，v(m/min)受電動(dòng)機(jī)最高運(yùn)行頻率約束。45第四十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

式中，vmax——機(jī)床運(yùn)行最高速度（m/min）

fmax——步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率(Hz)δ——脈沖當(dāng)量(mm/p)

步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率fmax與電機(jī)結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)電源種類及控制方式有關(guān)。樣本雖已給出fmax，但驅(qū)動(dòng)電源和控制方式改變，fmax也改變。有些廠家為適應(yīng)用戶需要，同一規(guī)格步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品往往有高速和低速之分，兩者外型尺寸完全相同，僅繞組電感不同。所以應(yīng)根據(jù)機(jī)床要求的極限速度確定電機(jī)型式和最高運(yùn)行頻率。

3)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩或阻力，選擇步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩若進(jìn)給速度要求的頻率大于起動(dòng)頻率，電動(dòng)機(jī)包含加速行。電動(dòng)機(jī)除了要克服數(shù)控機(jī)床施加給它的負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要提供由于速度變化引起的慣性加速轉(zhuǎn)矩。46第四十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六可分為兩種不同情況：

①

快速進(jìn)退刀時(shí)所需轉(zhuǎn)矩

Tel=Ta1+Tl2

式中Te1---快速進(jìn)退刀時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；

Ta1—-慣性加速轉(zhuǎn)矩；

Tl2—-移動(dòng)刀架或工作臺(tái)的摩擦轉(zhuǎn)矩。

②

切削進(jìn)給所需轉(zhuǎn)矩

Te2=Ta2+Tl2+Te

式中Te2——切削加工時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；

Ta2——切削加工時(shí)加速轉(zhuǎn)矩；

Te——克服切削抗力所需的轉(zhuǎn)矩；

47第四十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六上述兩種運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床始終是交替出現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)應(yīng)同時(shí)滿足上述兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩要求，因此需要分別計(jì)算各種轉(zhuǎn)矩，取二者中較大者作為選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。產(chǎn)生加速度a所需慣性轉(zhuǎn)矩Ta(N．m)可按下式計(jì)算式中f0、fn——加速開(kāi)始及終止時(shí)的脈沖頻率(Hz)；

t——加速過(guò)程時(shí)間(s)；

J------步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載慣量(kg·m2)?？朔邢骺沽Γ拥诫姍C(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Te(N·m)按下式計(jì)算48第四十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六式中Fs——在運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生的走刀抗力(N)；

η——驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率。與軸承、齒輪絲杠螺母等傳動(dòng)副的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān)，按機(jī)床設(shè)計(jì)有關(guān)資料選?。?/p>

δ及θs——脈沖當(dāng)量(mm/p)及步距角(。)。③移動(dòng)工作臺(tái)加到步進(jìn)電機(jī)軸上的摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl2(N．m)按下式計(jì)算，式中m--工作臺(tái)質(zhì)量(包括工件、夾具質(zhì)量在內(nèi))(kg)μ——摩擦系數(shù)，按機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選取，如滑動(dòng)導(dǎo)軌

μ=0.05-0.16，滾動(dòng)導(dǎo)軌μ=0.005~0.03，靜壓導(dǎo)軌

μ=0.0005；

49第四十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

Fz——垂直方向的切削分力(空行程時(shí)Fz=0)(N)η---—驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率

4)根據(jù)選定電動(dòng)機(jī)慣頻特性校核系統(tǒng)的起動(dòng)性能負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量直接影響電動(dòng)機(jī)的快速性，要求折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量和電動(dòng)機(jī)本身的慣量相匹配。

為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度，取Je／Jm≤4。否則機(jī)床動(dòng)態(tài)特性將主要取決于負(fù)載特性，不同重量和行程的各坐標(biāo)的特性將有很大區(qū)別，并很容易受切削力、摩擦力等干擾的影響。但是Je／Jm比值太小，也不經(jīng)濟(jì)。50第五十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

5)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性計(jì)算加減速時(shí)間校核系統(tǒng)的快速性步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)摩擦及慣性負(fù)載后的起動(dòng)頻率較低。例如一般功率步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)步矩角為1.5。時(shí)，起動(dòng)頻率不超過(guò)1000Hz，這樣低的頻率滿足不了伺服系統(tǒng)快速性的要求，需要采用加、減速電路，加、減速時(shí)間對(duì)系統(tǒng)快速性影響極大。一般在選擇步進(jìn)電機(jī)階段，根據(jù)矩頻特性分段線性化按下式粗略計(jì)算加、減速時(shí)間就夠了。51第五十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

如果算出的時(shí)間大于系統(tǒng)允許的加、減速時(shí)間或整個(gè)行程的平均速度低于系統(tǒng)的要求，則應(yīng)重新選擇電機(jī)或傳動(dòng)比。52第五十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2伺服電機(jī)的計(jì)算與選用

交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)有逐步替代直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)的趨勢(shì)，且交流數(shù)控技術(shù)已達(dá)到直流數(shù)控技術(shù)水平。例如，日本東榮的數(shù)字化軟件交流伺服系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）用軟件(代碼)設(shè)定48種參數(shù)；2）有每轉(zhuǎn)反饋量的設(shè)定，可與檢測(cè)傳感器匹配，其反饋脈沖設(shè)定范圍為每轉(zhuǎn)1／32767～32767／32767～32767／1(即分?jǐn)?shù)或整數(shù)均可)；3）在位置控制方式下，具有調(diào)速功能，滿足對(duì)反饋量精度的要求，該功能稱為柔性齒數(shù)比或電子齒輪功能，擴(kuò)大了傳統(tǒng)的檢測(cè)脈沖倍率(DMR)的設(shè)定范圍；4）有工作方式選擇，配用電動(dòng)機(jī)型號(hào)，是否用正/反轉(zhuǎn)脈沖的傳感器，原點(diǎn)位置移動(dòng)，輸入輸出脈沖類型，輸入指令電壓的比率，加減速時(shí)間，制動(dòng)方式，速度限制值和電流限制值等功能。53第五十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)1）交流伺服電動(dòng)機(jī)適應(yīng)型很強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電一體化裝備；2）交流伺服電動(dòng)機(jī)具有沒(méi)有換向部件，過(guò)載能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)；3）適宜于高速，高精度，頻繁的起動(dòng)與停止、快速定位等場(chǎng)合；4）電動(dòng)機(jī)不需維護(hù)，以在惡劣環(huán)境下可靠使用。在伺服系統(tǒng)中常用永磁式變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)。54第五十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1）交流伺服電動(dòng)機(jī)的初選擇(1)初選交流伺服電動(dòng)機(jī)

按如下步驟：①電動(dòng)機(jī)能夠提供負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從安全意義上來(lái)講，即能夠提供克服峰值負(fù)載所需要的功率；②當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作周期可以與其發(fā)熱時(shí)間常數(shù)相比較時(shí)，必須考慮電動(dòng)機(jī)的熱額定問(wèn)題，通常用負(fù)載的均方根功率作為確定電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。55第五十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

若電動(dòng)機(jī)在峰值負(fù)載轉(zhuǎn)矩下以峰值轉(zhuǎn)速不斷的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則電動(dòng)機(jī)功率為

當(dāng)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)的工作在變負(fù)載下時(shí)，較合理的是按負(fù)載方均根功率來(lái)估算電動(dòng)機(jī)功率，即56第五十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

伺服動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要克服的負(fù)載力矩有兩種典型情況?！?/p>

峰值力矩：電動(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的工作情況；□方均根力矩：電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)地在變載荷下工況的統(tǒng)計(jì)量。1）傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載●

峰值力矩特性折算到電動(dòng)機(jī)的負(fù)載峰值力矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載峰值力矩是總速比i的函數(shù)。57第五十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六●

方均根力矩特性折算到電動(dòng)機(jī)軸上的方均根力矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載方均根力矩是總速比i的函數(shù)。

58第五十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六包括：負(fù)載加速度最大的總速比

等效峰值綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小的總速比等效方均根綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小的總速比2）最佳總速比定義：使傳動(dòng)系統(tǒng)等效負(fù)載力矩最小或負(fù)載加速度最大的

總速比。（i＞1)59第五十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六◆負(fù)載加速度最大的總速比TL和Tf

換算到電動(dòng)機(jī)軸上分別為T(mén)L/i和Tf/i，JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上為JL/i。動(dòng)力學(xué)方程為60第六十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六若令齒輪系的傳動(dòng)效率η＝1，忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和摩擦轉(zhuǎn)矩Tf，同時(shí)令Jg＝0，則上式說(shuō)明，負(fù)載加速度最大的總速比與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)。61第六十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六◆等效峰值綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小的總速比

上式說(shuō)明，在最佳總速比上，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tm有一半用于克服負(fù)載TL，一半用于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和傳動(dòng)裝置。62第六十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六◆等效方均根綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小的總速比☆

當(dāng)伺服電機(jī)與負(fù)載通過(guò)“折算峰值力矩最小”的總速比進(jìn)行匹配時(shí)，電動(dòng)機(jī)克服負(fù)載峰值力矩所消耗的能量就最少；☆當(dāng)伺服電機(jī)與負(fù)載通過(guò)“折算方均根力矩最小”的總速比進(jìn)行匹配時(shí)，電動(dòng)機(jī)克服負(fù)載方均根力矩所消耗的能量就最少；☆當(dāng)通過(guò)“角加速度最大”的總速比進(jìn)行匹配時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有一半用于加速負(fù)載，一半用于加速電機(jī)轉(zhuǎn)子。

最佳總速比實(shí)現(xiàn)了功率的最佳傳遞。63第六十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六3、總速比的分配

伺服系統(tǒng)的總速比較大時(shí)，可采用諧波齒輪實(shí)現(xiàn)同軸傳動(dòng)；也可采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)。圓柱齒輪機(jī)構(gòu)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用普遍，針對(duì)這種機(jī)構(gòu)組成的多級(jí)傳動(dòng)鏈，介紹各級(jí)傳動(dòng)速比確定的原則和方法。1）最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則（小功率傳動(dòng)系統(tǒng)）64第六十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

在小功率伺服系統(tǒng)中，一般負(fù)載較小，特別是總傳動(dòng)速比較大時(shí),負(fù)載轉(zhuǎn)化到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可忽略不計(jì)，則65第六十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六對(duì)于n級(jí)齒輪系作同類分析可得例：有i＝80、n=4的小功率傳動(dòng)系統(tǒng)，按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分配傳動(dòng)速比。66第六十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六按最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則分配小功率傳動(dòng)系統(tǒng)的總速比時(shí)，可采用列線圖確定各級(jí)傳動(dòng)比。

按“等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則”確定級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)速比時(shí)，由高速級(jí)到低速級(jí)，各級(jí)傳動(dòng)速比是逐級(jí)增加的，即傳動(dòng)速比的分配次序是“前小后大”原則。而且級(jí)數(shù)越多，總等效慣量越小。67第六十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2）重量最輕原則（小功率傳動(dòng)系統(tǒng)）按重量最輕原則，小功率傳動(dòng)的各級(jí)傳動(dòng)速比相等。68第六十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六3）輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則69第六十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六▲

為提高齒輪系的傳動(dòng)精度，由輸入端到輸出端的各級(jí)傳動(dòng)速比應(yīng)按“前小后大”次序分配；▲使最末一級(jí)速比盡可能大，同時(shí)提高最末一級(jí)齒輪副的精度；▲即可減小各齒輪副的加工誤差、安裝誤差、回轉(zhuǎn)誤差，提高齒輪系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。

設(shè)計(jì)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，確定總傳動(dòng)速比時(shí)，在滿足系統(tǒng)的工作條件和功能要求的同時(shí)，綜合考慮上述三個(gè)原則及其經(jīng)濟(jì)性，合理分配傳動(dòng)速比。注意！70第七十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六初選電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)使電機(jī)的額定功率PN≥Pm(2)發(fā)熱校核

連續(xù)工作、負(fù)載不變場(chǎng)合的電動(dòng)機(jī)，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。

長(zhǎng)期連續(xù)的、周期性的工作在變負(fù)載條件下的電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱條件的等效原則，計(jì)算在一個(gè)負(fù)載工作周期內(nèi)，所需電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方均根值，即等效轉(zhuǎn)矩，并使此值小于連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩，就可確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和規(guī)格。因?yàn)樵谝欢ㄞD(zhuǎn)速下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流成正比或接近成正比，負(fù)載的方均根轉(zhuǎn)矩是與電動(dòng)機(jī)處于連續(xù)工作時(shí)的熱額定相一致的。

初選電動(dòng)機(jī)后，一系列技術(shù)數(shù)據(jù)，如額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓、額定電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，均可由產(chǎn)品目錄直接查得或經(jīng)過(guò)計(jì)算求得。71第七十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

伺服系統(tǒng)在頻繁起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于短時(shí)工作狀態(tài)，散熱條件又差，故起動(dòng)繞組的溫升常常是一個(gè)決定性限制因素，

必須檢查電動(dòng)機(jī)的溫升是否超過(guò)最高的允許值。電機(jī)的實(shí)際溫升若超過(guò)其所用絕緣結(jié)構(gòu)的溫升限度，將給電機(jī)的壽命帶來(lái)極大的危害。以E級(jí)絕緣構(gòu)為例，若溫升超出規(guī)定限值約10℃，電機(jī)的壽命將減為原來(lái)的一半。72第七十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六不同絕緣結(jié)構(gòu)耐熱等級(jí)及其極限溫度（℃）以及電機(jī)中部分繞組的溫升限值（K）(GB755)耐熱等級(jí)極限溫度（℃）交流電機(jī)定子繞組溫升限度（K）表面裸露的單層繞組溫升限度（K）溫度計(jì)法電阻法溫度計(jì)法電阻法A10550606565E1206575808015585100110110H18010512513513573第七十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

電動(dòng)機(jī)的額定容量主要決定電動(dòng)機(jī)的額定溫升。根據(jù)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱條件的等效原則，可計(jì)算在一個(gè)負(fù)載工作周期內(nèi)，所需電動(dòng)機(jī)的方均根值，即等效轉(zhuǎn)矩，并使此值小于額定轉(zhuǎn)矩，就可確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和規(guī)格。74第七十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六因此，選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足75第七十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六常用的變轉(zhuǎn)矩---加減速計(jì)算模型如下矩形波負(fù)載時(shí)加減速時(shí)的方均根轉(zhuǎn)矩為

圖a）為一般伺服系統(tǒng)的計(jì)算模型。根據(jù)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱件的等效原則，三角形波負(fù)載在加減速時(shí)的方均根轉(zhuǎn)矩為76第七十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

實(shí)踐與理論分析表明，Je/Jm比值對(duì)伺服系統(tǒng)性能有很大影響，它與交流伺服電動(dòng)機(jī)種類及其應(yīng)用場(chǎng)合有關(guān)，可分兩種情況：①采用慣量較小的交流伺服電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)，其比值通常推薦為1＜Je／Jm＜3

當(dāng)Je／Jm＞3時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的靈敏度與響應(yīng)時(shí)間有很大的影響，甚至?xí)顾欧糯笃鞑荒茉谡Ｕ{(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作。2）伺服系統(tǒng)慣量匹配原則77第七十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六小慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)的慣量低，一般為

其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩／慣量比大，時(shí)間常數(shù)小，加減速能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)快。但，使用小慣量電動(dòng)機(jī)時(shí)容易發(fā)生對(duì)電源頻率的響應(yīng)共振。當(dāng)存在間隙、死區(qū)時(shí)容易造成振蕩或蠕動(dòng)?！皯T量匹配原則”體現(xiàn)了在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)采用大慣量電動(dòng)機(jī)的必要性。78第七十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六②采用大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，其比值通常推薦為0.25≤Je／Jm≤1

大慣量是相對(duì)小慣量而言，其數(shù)值

大慣量寬調(diào)速伺服電機(jī)的特點(diǎn)：慣量大、轉(zhuǎn)矩大，能在低速下提供額定轉(zhuǎn)矩，一般可與滾珠絲杠直接相連，受慣性負(fù)載的影響小，調(diào)速范圍大；熱時(shí)間常數(shù)有的長(zhǎng)達(dá)100min，比小慣量電動(dòng)機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)2～3min長(zhǎng)得多，允許長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載，即過(guò)載能力強(qiáng)。由于其特殊構(gòu)造使其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)很小(＜2％)。采用這種電動(dòng)機(jī)能獲得優(yōu)良的低速范圍的速度剛度和動(dòng)態(tài)性能，在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較廣。79第七十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.4動(dòng)力學(xué)方法設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

本節(jié)通過(guò)一個(gè)激光加工機(jī)應(yīng)用實(shí)例重點(diǎn)介紹動(dòng)力學(xué)方法的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。內(nèi)容如下：5.4.1激光加工機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算80第八十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.4.1激光加工機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算筒形體激光切割機(jī)示意圖81第八十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、氣蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)割開(kāi)工件的一種切割方法。

激光焊接是利用能量密度很高的激光束聚焦到工件表面，使輻射作用區(qū)表面的金屬“燒熔”粘合而形成焊接接頭。能量密度為：

CO2氣體連續(xù)激光切割工藝參數(shù)包括●

激光功率對(duì)切割厚度、切割速度和切口寬度影響大；●

輔助氣體的種類和壓力切割低碳鋼采用O2輔助氣體；●

切割速度對(duì)切割質(zhì)量有顯著影響；●

焦點(diǎn)位置切割低碳鋼把聚焦的光斑設(shè)在工件上表面；●焦點(diǎn)深度對(duì)切割質(zhì)量和切割速度具有一定的影響。82第八十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六83第八十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1)θ軸(主軸)的周向加工速度

(100~300mm/min可調(diào))2)x軸（進(jìn)給軸）最大速度（6000mm/min）3）θ軸與x軸的加速時(shí)間（0.5s）4）x向最大移動(dòng)量（2000mm）5）θ向最大回轉(zhuǎn)角（180°）6）θ軸的周向和x軸的最小設(shè)定單位（脈沖當(dāng)量

0.01mm/p）7）定位精度（±0.1mm以內(nèi)）8）傳感器（旋轉(zhuǎn)編碼器）（1000p/r）84第八十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1θ軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）確定總傳動(dòng)比脈沖當(dāng)量，分辨率，工件基準(zhǔn)直徑，總傳動(dòng)比:

（2）傳動(dòng)速比的分配各級(jí)傳動(dòng)速比的分配按重量最輕和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則分配三級(jí)傳動(dòng)如下：

85第八十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六←θ軸傳動(dòng)系統(tǒng)圖

86第八十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算工件的圓周速度

則工件轉(zhuǎn)速為：

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

87第八十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六3）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算回轉(zhuǎn)體的重量（工件、夾具、主軸及大齒輪）

主軸承的摩擦系數(shù)，，

主軸承直徑

主軸承上產(chǎn)生的摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩（1）軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩（2）工件的偏心轉(zhuǎn)矩工件的不平衡重力，工件重心偏置距離工件不平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩88第八十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六4）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je計(jì)算（1）傳動(dòng)系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J189第八十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六（2）工件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算到電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為根據(jù)工件的尺寸和材料可得其重力將其換算到電動(dòng)機(jī)軸上為（3）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4）初選伺服電動(dòng)機(jī)90第九十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)在變負(fù)載下工作，按方均根負(fù)載初選電動(dòng)機(jī)計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率傳動(dòng)系統(tǒng)的效率

91第九十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六92第九十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六初選IFT5042型交流伺服電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子慣量根據(jù)慣量匹配原則有改選北京凱奇拖動(dòng)控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的中慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)SM02型，其功率0.3KW額定轉(zhuǎn)矩為最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子慣量慣量匹配93第九十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六6）計(jì)算電動(dòng)機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為94第九十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六7）伺服電動(dòng)機(jī)確定均方根轉(zhuǎn)矩中

故有表明電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩能滿足要求，不必進(jìn)行發(fā)熱校核。95第九十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六8）定位精度分析該軸的誤差主要由傳動(dòng)系統(tǒng)的末級(jí)精度確定，因而末級(jí)傳動(dòng)精度要求根據(jù)周向定位精度確定，則有主軸上的轉(zhuǎn)角誤差為：96第九十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2x軸的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)X軸系傳動(dòng)系統(tǒng)97第九十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1）根據(jù)脈沖當(dāng)量確定絲杠導(dǎo)程或中間齒輪傳動(dòng)速比i線位移脈沖當(dāng)量，分辨率脈沖編碼器軸上的步距角

折算到電機(jī)軸上的步距角為

x軸由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其中間齒輪傳動(dòng)速比為i＝1。根據(jù)線位移脈沖當(dāng)量的定義可知，98第九十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2）所需電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算工作臺(tái)線速度所需電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由此可得編碼器上的轉(zhuǎn)速99第九十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六3）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算（1）移動(dòng)體轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩已知移動(dòng)體的重量（工件、主軸系及工作臺(tái)）貼塑導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率

移動(dòng)時(shí)的摩擦力移動(dòng)體轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（2）預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩預(yù)緊力，螺母內(nèi)部的摩擦系數(shù)絲杠預(yù)緊后的摩擦轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

100第一百頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六4）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算（1）移動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（2）傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量該傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（含滾珠絲杠、齒輪及編碼器）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

101第一百零一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5）初選DC伺服電動(dòng)機(jī)的型號(hào)根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩

102第一百零二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六103第一百零三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六初選電機(jī)型號(hào)為CN-800-10，額定轉(zhuǎn)矩為

轉(zhuǎn)子慣量則有慣量匹配6)計(jì)算電動(dòng)機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩，加速時(shí)間當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為滾珠絲杠的傳動(dòng)效率104第一百零四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六7）伺服電機(jī)的確定（1）伺服電機(jī)安全系數(shù)檢查與θ軸相同，，方均根轉(zhuǎn)矩故有由于該電機(jī)的安全系數(shù)較小，必須進(jìn)行溫升檢查（2）熱時(shí)間常數(shù)的檢查工作周期熱穩(wěn)定常數(shù)105第一百零五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）電機(jī)的的檢查則有機(jī)械時(shí)間常數(shù)電氣時(shí)間常數(shù)該值接近最佳阻尼比106第一百零六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六8）電動(dòng)機(jī)溫升的檢查連續(xù)工作循環(huán)條件下

（1）加速時(shí)的電樞電流電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，（2）溫升的第一次估算當(dāng)溫度為時(shí)，對(duì)應(yīng)的電樞電阻為：時(shí)的電樞電阻107第一百零七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六設(shè)時(shí)，則有在該溫度下的功率損耗為該電機(jī)的熱阻抗電樞溫升

若環(huán)境溫度為25℃，則電樞溫度為64.47℃，以此作為第二次估算的基礎(chǔ)。108第一百零八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）溫升的第二次估算設(shè)，則有在該溫度下的功率損耗為電樞溫升

若環(huán)境溫度為25℃，則電樞溫度為65℃，與假設(shè)溫度一致。109第一百零九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六（4）溫升的第三次估算設(shè)，則有在該溫度下的功率損耗為電樞溫升若環(huán)境穩(wěn)定為40℃，則電樞溫度為83℃，與假設(shè)溫度一致。

CN800-10直流伺服電機(jī)電樞線圈溫度的上限制為130℃,當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時(shí),電樞溫升應(yīng)＜100℃。110第一百一十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六9）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性檢查（1）直線運(yùn)動(dòng)中的加速度計(jì)算等加速運(yùn)動(dòng)的加速度根據(jù)題意可知(2)加速距離s計(jì)算根據(jù)已知條件有111第一百一十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）等加速運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)特性

若加速度a不變，則對(duì)電動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩毫無(wú)影響。對(duì)于不同的線速度要求其加速時(shí)間和距離是不同的，即具有調(diào)節(jié)特性。10）定位精度分析一般按

選擇滾珠絲杠的累積誤差，其次計(jì)算絲杠剛度所產(chǎn)生的位移誤差。

X軸的定位精度主要取決于滾珠絲杠的傳動(dòng)精度和剛度，它與電動(dòng)機(jī)制造精度的關(guān)系不大。已知112第一百一十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六5.4.2經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

已知拖板重W=2000N，拖板與貼塑導(dǎo)軌間摩擦系數(shù)μ＝0.06，車(chē)削時(shí)最大車(chē)削負(fù)載Fs＝2150N（與運(yùn)動(dòng)方向相反），y向切削分力Fy＝2Fs＝4300N（垂直于導(dǎo)軌），要求刀具切削時(shí)的進(jìn)給速度ν1＝10～500mm/min，快速行程速度ν2＝3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑d0＝32mm，導(dǎo)程tsp＝6mm，絲杠總長(zhǎng)L＝1400mm，拖板最大行程為1150mm，定位精度±0.01mm，試選擇合適的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并檢查其起動(dòng)特性和工作速度。

113第一百一十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六114第一百一十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六

初選步三相進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.75°/1.5°,當(dāng)三相六拍運(yùn)動(dòng)時(shí)，步距角

解：

（1）脈沖當(dāng)量的選擇

其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

根據(jù)脈沖當(dāng)量δ的定義，初選δ＝0.01mm/p，由此可得中間齒輪傳動(dòng)速比i為選小齒輪齒數(shù)Z1＝20，Z2＝25，模數(shù)m＝2mm。115第一百一十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js

（2）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

式中的鋼密度2）拖板運(yùn)動(dòng)慣量換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JW

3）大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg2

式中b2＝10mm，為大齒輪寬度116第一百一十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六4）小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg1式中b