简单滚珠丝杆伺服选型与计算

伺服的选型伺服系统由伺服驱动器和伺服电机组成，其中最关键的又是伺服电机的确定，伺服电机型号的确定可以通过下列方法：1.电机最大转速＞系统所需之最高移动转速。2.电机的转子惯量与负载惯量相匹配。3.连续负载工作扭力≦电机额定扭力4.电机最大输出扭力＞系统所需最大扭力（加速时扭力）总结：扭矩、速度达到系统要求，转子惯量与负载惯量相匹配。选型计算1.扭矩计算连续负载工作扭矩(TL)；加速时扭矩(TS)；2.速度计算负载端转速；电机端转速；3.惯量匹配计算（JL/JM）扭矩和速度计算电机扭矩计算包括负载扭矩TL和启动扭矩TS，T=(TL+TS)*S，S:安全系数。TL:克服外力所需要的力矩，跟机械结构有关，如果是水平运动时主要是克服摩擦力，垂直运动时还要克服重力等的影响。TS:启动需要的扭矩，也就是产生加速度所需要的扭矩，根据公式Ts=JβJ=电机转子惯量和负载惯量折算到电机轴的惯量的和β=电机轴角加速度。计算TS的关键为惯量的计算。惯量的计算转动惯量的定义：各质点的质量与该质点到转轴距离平方乘积之和，为描述转动惯性大小的物理量。定义公式：J=∑mipi2，单位：kgm2圆柱体惯量计算：实心圆柱体：JK=(/32)ρLD4=0.5MR2空心圆柱体：JK=(/32)ρL(D04-D14)=0.5M(R02-R12)各种传动机构下负载的惯量计算下面是几种常见传动方式下负载的惯量计算。一.直接驱动JT：负载折算到电机转子的总惯量JL：负载惯量；JM：电机转子惯量JT=JL+JM二.皮带输送传动JT：负载折算到电机转子的总惯量JL：负载惯量；JM：电机转子惯量M：负载和皮带的质量和；R：皮带轮半径；JP：皮带轮惯量JL=M*R2；JT=JL+JP+JM三.丝杆传动P:螺距，M:负载的质量，JB是丝杆惯量JL=M（P/2)2；JT=JL+JM+JB四.齿轮传动JL：负载的惯量，n：齿轮传动比，JM：电机转子惯量JT=JL/n2+JM下面结合例子讲解如何计算扭据。例子1•滚珠丝杆传动物体运动速度要求V=5.0m/min;滑动部分质量：M=50Kg丝杆长度LB=1.4m;丝杆直径DB=0.012m;丝杆导程PB=0.01m;联轴器质量Mc=0.2Kg联轴器外径DC=0.04m;磨擦系数：u=0.3加速时间t0=0.1s;机械效率n=0.9则计算过程如下：(1)电机转速：N=V/PB=5.0/0.01=500(rpm)(2)克服磨擦力需要的扭矩：fPB＝TL2η,f－摩擦力f＝µMgTL=MgµPB/(2η)=50x9.8x0.3x0.01/(2x0.9)=0.26N.m(3)根据前面的计算公式得出负载惯量为水平直线运动负载JLM=M（PB/2)2=50x(0.01/2)2=1.26x10-4(Kg.m2)滚珠丝杆JB=0.224x10-4(Kg.m2)按圆柱体的方式计算联轴器JC=0.4x10-4(Kg.m2)负荷惯量JL=JLM+JB+JC=1.88x10-4(Kg.m2)(4)根据惯量计算启动所需要的扭矩：Ts=(JL+JM)ββ=2*N/60t0=523.6rad/s2Ts=0.0984+523.6JM(N.m)(5)最终计算的电机扭矩负载扭矩：TL=0.26(N.m)产生加速度所需扭力：Ts=0.0984+523.6JM(N.m)必须扭矩T=（TL+TS)xS,S为安全系数，一般为2～3TM=(0.26+0.0984+523.6JM)x2=(0.36+523.6JM)x2=(0.36+0.575)x2=1.87(N.m)按最大惯量电机JM计算，JM=1.1x10-3kg.m2例子2直接驱动当电机直接驱动一个圆盘，要求转速在300RPM，启动时间为1s，圆盘的质量为10Kg，半径100mm。根据圆柱体惯量的计算公式JL=0.5MR2=0.5x10x0.12=0.05kg.m2计算角加速度β:β=(2)x300/(60x1)=31.4rad/s2Ts=(JL+JM)xβ=(0.05+JM)x31.4=1.57+31.4JMTs－启动扭矩必须扭矩：T=S*Ts(在这里把克服空气阻力略去）S＝2，得出：T=3.14+62.8JM3.14N.m取最大惯量电机，惯量JM＝1.1x10-3kg.m2,JL/JM=46考虑到惯量比远大于3－5的理想范围，所以，该系统不适合直接驱动，可以考虑通过减速提高惯量比，选型时也需要注意这点。测试：1.滚珠丝杆传动物体运动速度要求V=3.6m/min;滑动部分质量：M=200Kg丝杆长度LB=1.4m;丝杆直径DB=0.025m;丝杆导程PB=0.010m;联轴器质量Mc=0.2Kg联轴器外径DC=0.04m;磨擦系数：u=0.1加速时间t0=0.2s;机械效率n=0.9请计算需要电机扭矩和转速？2.直接传动，圆盘当电机直接驱动一个圆盘，要求转速在200RPM，启动时间为0.5s，圆盘的质量为10Kg，半径100mm。请计算需要电机的扭矩和转速度？《力矩计算的另外一种简化算法》以上的计算也可以从能量守恒的角度出发。（力）x（力运动方向的位移）＝电机扭力x（轴旋转角度）简单计算方法：电机转动一圈（2角位移），物体移动距离P,得出FxP=Tx2计算。其中F是作用在负载上的合力在以上的计算中F=Ma+f，a=Vl/t0.惯量匹配计算惯量比：负载惯量JL与电机转子惯量JM之比1．影响：传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响，惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。2.确定：衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。理论：JL≤3JM案例分析•冲床项目分析•四色平板印刷机项目分析•贴标机项目分析•步进电机在高温场合下的使用注意事项