【文章內(nèi)容簡介】 轉(zhuǎn)子部分組成，其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成 90 度電角度的兩相繞組（其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組）。交流伺服電動機控制精度高，矩頻特性好，具有過載能力，多應(yīng)用于物料計量，橫封裝置和定長裁切機上。 工作臺草圖如上圖 21。 伺服電機設(shè)計 伺服電機概述 交流伺 服電動機 的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成 90 度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機一種兩相的交流電動機。 交流伺服電動機使用時，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓 Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉(zhuǎn)動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉(zhuǎn)磁場的方向就發(fā)生改變， 電機的方向也發(fā)生改變。 表 21 交流伺服電動機的分類、特點及使用范圍 類型 代號 結(jié)構(gòu)特點 性能特點 使用范圍 籠型交流伺服電動機 SL 轉(zhuǎn)子與定子結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動機相似 ,但轉(zhuǎn)子一般為兩相 ,且細而長 ,籠可用鋁、紫銅、黃銅制成 勵磁電流較小，體積較小，機械強度較高，低速運轉(zhuǎn)時不夠平滑，有抖動現(xiàn)象 廣泛運用于小功率自動控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和計算裝置中 非磁性杯型交流伺服電動機 SK ADP 用非磁性金屬鋁、黃銅等制成杯形轉(zhuǎn)子，杯的內(nèi)外由內(nèi)外定子構(gòu)成磁路 轉(zhuǎn)動慣量小，運轉(zhuǎn)平滑、無抖動現(xiàn)象 ，勵磁電流和體積較大 用于要求運行平滑的系統(tǒng)，如自動裝置和計算裝置等 FANUC 交流伺服電動機 FANUC 轉(zhuǎn)矩大 ,轉(zhuǎn)速低 ,機械特性線性度好 ,低速性能良好，可直接與絲杠連接 用于數(shù)控機床驅(qū)動或其他驅(qū)動系統(tǒng) 低速交流伺服電動機 SD SA ND 轉(zhuǎn)子、定子結(jié)構(gòu)與籠型交流伺服電動機相同 ,另外機殼中裝有齒輪減速裝置 體積小 ,重量輕 ,力能指標高 ,性能好，輸出轉(zhuǎn)速低 ,轉(zhuǎn)矩大 廣泛應(yīng)用于自動裝置和計算技術(shù)裝置中作驅(qū)動、執(zhí)行或控制元件 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代 數(shù)字控制技術(shù) 有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式 交流伺服系統(tǒng) 的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢， 運動控制系統(tǒng) 中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較 。 1)在整個調(diào)速范圍內(nèi)，其負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)該在電動機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩的范圍以內(nèi)； 2)工作負載與過載時間應(yīng)該在規(guī)定的范圍以內(nèi)； 3)應(yīng)使加速度與希望的時間常數(shù)一樣； 下表 22 為交流伺服電動機的特性實例： 表 22 交流伺服電動機特性舉例 電動機 特性 SM 型伺服電機 IM 型伺 服電機 輸出功率 /W 1100 1100 峰值電流（ A/相 ) 峰值電壓（ V/相） 功率因素 /% 功率 /% 電阻 /? 感應(yīng)電壓常數(shù)/ )]min([ 1??? rmV 100 100 轉(zhuǎn)動慣量 / ）（ 2mkg? ?? ?? 功率變化率 / )sk 1??W（ 12 16 伺服電機選擇 伺服電機選擇原則 步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代 數(shù)字控制技術(shù) 有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式 交流伺服系統(tǒng) 的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢， 運動控制系統(tǒng) 中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。 一般電機要承受兩種形式的力矩：恒定 的負載力矩和切削力矩（包徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 括摩擦力矩）；加 /減速力矩。 步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。 交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（ FFT），可檢測出機 械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流 伺服驅(qū)動系統(tǒng) 為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 下面是選擇電機時應(yīng)滿足的條件： （ 1）機床無負載 時，加在電動機上的力矩應(yīng)小于電動機的連續(xù)額定力矩的 50%一下。否則，在切削或加速 /減速時電動機就可能過熱。 （ 2）加 /減速時間要短，須在電動機的允許范圍內(nèi)。通常，負載力矩幫助電動機的減速，因此如果加速在允許時間內(nèi)完成的話，減速也可在相同時間內(nèi)完成。這樣我們只需計算加速力矩，并在允許時間內(nèi)核算力矩在電動機的機械特性的斷續(xù)區(qū)內(nèi)。 （ 3）頻繁地定位和加 /減速會使電動機發(fā)熱，此時需要計算出電動機承受的力矩的均方根值 Trms，使其小于電動機的額定力矩 Tc。 （ 4）電動機以最大切削力矩運行的時間應(yīng)在允許范圍內(nèi)。 （ 5） 負載的慣量要小于電動機本身慣量的 3 倍。 這里我們依據(jù)負載來選擇電動機。 伺服電機設(shè)計計算 步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。 加到電機軸上的負載力矩通常由下式算出 見式 (): f2m TLFT ??? ?? 式（ ） 其中： mT —— 加到電機軸上的負載力矩（ Nm） F —— 沿坐標軸移動一個部件所需的力（ kgf） 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 L —— 電機轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機床的移動距離 = ? ?21 /ZZP? fT —— 滾珠絲杠螺母或軸承加到電機軸上的摩擦力矩 步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為 每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要 200～ 400 毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下 MSMA 400W 交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM 僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 無論是否在切削，是垂直軸還是水平軸， F 值取決于工作臺的重量，摩擦系數(shù)， F 值還與平衡錘有關(guān)。對于水平工作臺， F 值可按下式計算 : W—— 工作臺與工件重量 =60kg ? —— 滑動表面摩擦系數(shù) = ? —— 驅(qū)動系統(tǒng)的效率 = Fg—— 鑲條鎖緊力 =5kgf CF —— 反切削力 =50kgf cfF —— 由切削力矩引起的滑動表面上工作臺上收到的力 =30kgf （設(shè) fT =2kgf? cm=? m） 不切削時 見式 ()： ）fg( ?? WF ? 式（ ） )5060( ????F kgf ）（（ ) ???? ?T m0 . 1 Ncmk g ???? 切削時 見式 ()： ）（ cfC fg FWFF ???? ? 式（ ） )305060( ?????F kgf57? 2)( ????? ?）（T m1mk g f10 ???? N 為滿足運行條件，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)選擇電動機，其負載力矩在不切削時應(yīng)大于 ? m，最高轉(zhuǎn)速應(yīng)小于 2022r? 1min 。 交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 伺服電機選擇 綜上所述，選擇 FANUC 系列交流伺服電動機，電動機的型號為 FANUC40 該類型伺服電動機是由日本法納克公司為滿足 CNC 機床和工業(yè)機器人的需要開發(fā)的，這種伺服交流電動機都是永磁式同步型伺服電動機，其特點都是定子為三相繞組，轉(zhuǎn)子為永久磁鐵 。其結(jié)構(gòu)、性能特點是轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低，機械特性線性度好低速性能良好，可直接與絲杠連接。我們選用的 FANUC40，其數(shù)據(jù)見表 23。其特點如下： 1）具有獨特的磁極形狀，使轉(zhuǎn)矩波動最小； 2）外面沒有機殼，定于鐵心直接在空氣中冷卻，這種結(jié)構(gòu)使電動機溫升能減到最低； 3）具有高的轉(zhuǎn)矩 /慣量比，能承受高的加減速； 4）由于采用了集中磁力線機構(gòu)，在保證高輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，電動機體積小而且重量輕； 5）由于采用高頻脈寬調(diào)制控制，電動機只有很低的噪聲和振動。 表 23FANUC40 的技術(shù)數(shù)據(jù) 型號） 輸出功率（ KW） 額定轉(zhuǎn)矩（ Nm） 最大轉(zhuǎn)矩(Nm) 最高轉(zhuǎn)速(r/min) 轉(zhuǎn)動慣量(kg/ 2m ) 機械時間常數(shù) (ms) 熱時間常數(shù)(min) 質(zhì)量(kg) 40 3000 ? 11 15 滾珠絲杠副介紹 滾珠絲杠副概述 滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將 軸承 從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的 摩擦阻力 ，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)?扭矩 轉(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點 常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個循環(huán)閉路稱為列，每個滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有 2 列、 3 列、 4 列、 5 列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有 圈、 圈和 圈等幾種。 （ 1） 外循環(huán)外循環(huán)是滾 珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 （ 2） 內(nèi)循環(huán)內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。 絲杠螺母機構(gòu)有滑動摩擦和滾動摩擦之分?；瑒咏z杠螺母機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能。但其摩擦阻力大，傳動效率低。滾動絲杠螺母機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造成本高。但其最大優(yōu)點是摩擦阻力小，傳動效率高，因此選用滾動絲杠螺母機構(gòu)。 根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況，其基本傳動 形式一共可分為四種類型，其類型如下： （ 1）螺母固定、絲桿傳動并移動。該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動，結(jié)構(gòu)比較簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不已太長，剛性較差。因此只適合用于行程較小的場合。 （ 2）絲桿傳動、螺母移動。該傳動形式需要限制螺母的傳動，故需導(dǎo)向裝置。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較好。適用于工作行程較大的場合。 （ 3）螺母傳動、絲桿移動。該傳動形式需要限制螺母移動和絲桿的傳動，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。 （ 4）絲桿固定、螺母傳動并 移動。該傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應(yīng)用。 根據(jù)工作臺運動情況，應(yīng)選擇絲杠傳動螺母移動的形式，該傳動形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，絲杠剛性較好，適用于工作行程較大的場合。 滾珠絲杠副特點 滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構(gòu)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件 — 滾珠。滾珠絲杠螺母機構(gòu)由絲杠，螺母，滾珠，和反向器等四部分組成。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為