【文章內(nèi)容簡介】 轉子部分組成，其中定子的結構與旋轉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。 伺服電機設計 伺服電機概述 交流伺 服電動機 的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉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。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發(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 結構特點 性能特點 使用范圍 籠型交流伺服電動機 SL 轉子與定子結構與一般籠型異步電動機相似 ,但轉子一般為兩相 ,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、黃銅等制成杯形轉子，杯的內(nèi)外由內(nèi)外定子構成磁路 轉動慣量小，運轉平滑、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 轉矩大 ,轉速低 ,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)控機床驅動或其他驅動系統(tǒng) 低速交流伺服電動機 SD SA ND 轉子、定子結構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，輸出轉速低 ,轉矩大 廣泛應用于自動裝置和計算技術裝置中作驅動、執(zhí)行或控制元件 徐州工程學院畢業(yè)設計 (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 有著本質的聯(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用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應數(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)，其負載轉矩應該在電動機連續(xù)額定轉矩的范圍以內(nèi)； 2)工作負載與過載時間應該在規(guī)定的范圍以內(nèi)； 3)應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 /? 感應電壓常數(shù)/ )]min([ 1??? rmV 100 100 轉動慣量 / ）（ 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 有著本質的聯(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用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應數(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（包徐州工程學院畢業(yè)設計 (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動器性能有關，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非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。 交流伺服電機運轉非常平穩(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)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流 伺服驅動系統(tǒng) 為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構成位置環(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滿足的條件： （ 1）機床無負載 時，加在電動機上的力矩應小于電動機的連續(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矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，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矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，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） 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 L —— 電機轉一轉機床的移動距離 = ? ?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速（一般為 每分鐘幾百轉）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。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 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，應根據(jù)數(shù)據(jù)選擇電動機，其負載力矩在不切削時應大于 ? m，最高轉速應小于 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?shù)目刂齐姍C。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (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，轉子為永久磁鐵 。其結構、性能特點是轉矩大、轉速低，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，這種結構使電動機溫升能減到最低； 3）具有高的轉矩 /慣量比，能承受高的加減速； 4）由于采用了集中磁力線機構，在保證高輸出轉矩的情況下，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 的技術數(shù)據(jù) 型號） 輸出功率（ KW） 額定轉矩（ Nm） 最大轉矩(Nm) 最高轉速(r/min) 轉動慣量(kg/ 2m ) 機械時間常數(shù) (ms) 熱時間常數(shù)(min) 質量(kg) 40 3000 ? 11 15 滾珠絲杠副介紹 滾珠絲杠副概述 滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，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 ，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。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運動轉換成線性運動，或將 扭矩 轉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。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (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。 絲杠螺母機構有滑動摩擦和滾動摩擦之分?；瑒咏z杠螺母機構結構簡單，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。滾動絲杠螺母機構雖然結構復雜制造成本高。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。 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，結構比較簡單，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，故需導向裝置。其特點是結構緊湊、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，由于結構較復雜且占用軸向空間較大，故應用較少。 （ 4）絲桿固定、螺母傳動并 移動。該傳動方式結構簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應用。 根據(jù)工作臺運動情況，應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動，故需導向裝置。其特點是結構緊湊，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，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件 — 滾珠。滾珠絲杠螺母機構由絲杠，螺母，滾珠，和反向器等四部分組成。當絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為