伺服电机步进电机丝杠导轨的计算选择.docx

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伺服电机步进电机丝杠导轨的计算选择

伺服电机的选择

伺服电机：

伺服主要靠来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移；可以将信号转化为和转速以驱动控制对象。

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

闭环半闭环：

格兰达的设备用伺服电机都是半闭环，只是编码器发出多少个脉冲，无法进行反馈值和目标值的比较；如是闭环则使用光栅尺进行反馈。

开环步进电机：

则没有记忆发出多少个脉冲。

伺服：

速度控制、位置控制、力矩控制

增量式伺服电机：

是没有记忆功能，下次开始是从零开始；

绝对值伺服电机：

具有记忆功能，下次开始是从上次停止位置开始。

伺服电机额定速度3000rpm，最大速度5000rpm；加速度一般设0.05~~0.5s

计算内容：

1.负载（有效）转矩T<伺服电机T的额定转矩

2.负载惯量J/伺服电机惯量J<10（5倍以下为好）

3.加、减速期间伺服电机要求的转矩<伺服电机的最大转矩

4.最大转速<电机额定转速

伺服电机：

编码器分辨率2500puls/圈；则控制器发出2500个脉冲，电机转一圈。

1.确定机构部。

另确定各种机构零件（丝杠的长度、导程和带轮直径等）细节。

典型机构：

滚珠丝杠机构、皮带传动机构、齿轮齿条机构等

2.确定运转模式。

（加减速时间、匀速时间、停止时间、循环时间、移动距离）

运转模式对电机的容量选择影响很大，加减速时间、停止时间尽量取大，就可以选择小容量电机

3.计算负载惯量J和惯量比（xkg.）。

根据结构形式计算惯量比。

负载惯量J/伺服电机惯量J<10单位（xkg.）

计算负载惯量后预选电机，计算惯量比

4.计算转速N【r/min】。

根据移动距离、加速时间ta、减速时间td、匀速时间tb计算电机转速。

计算最高速度VmaxxtaxVmax+tbxVmax+xtdxVmax=移动距离则得Vmax=0.334m/s（假设）

则最高转速：

要转换成N【r/min】，

1）丝杆转1圈的导程为Ph=0.02m（假设）最高转速Vmax=0.334m/s（假设

N=Vmax/Ph=0.334/0.02=16.7（r/s）

=16.7x60=1002（r/min）<3000（电机额定转速）

2）带轮转1全周长=0.157m（假设）最高转速Vmax=1.111（m/s）

N=Vmax/Ph=1.111/0.157=7.08（r/s）

=7.08x60=428.8（r/min）<3000（电机额定转速）

5.计算转矩T【N.m】。

根据负载惯量、加减速时间、匀速时间计算电机转矩。

计算移动转矩、加速转矩、减速转矩

确认最大转矩：

加减速时转矩最大<电机最大转矩

确认有效转矩：

有效（负载）转矩<电机额定转矩

6.选择电机。

选择能满足3~5项条件的电机。

1.转矩[N.m]：

1）峰值转矩：

运转过程中（主要是加减速）电机所需要的最大转矩；为电机最大转矩的80%以下。

2）移动转矩、停止时的保持转矩：

电机长时间运行所需转矩；为电机额定转矩的80%以下。

3）有效转矩：

运转、停止全过程所需转矩的平方平均值的单位时间数值；为电机额定转矩的80%以下。

Ta：

加速转矩ta:

加速时间Tf：

移动转矩tb：

匀速时间Td：

减速转矩td：

减速时间tc：

循环时间

2.转速：

最高转速运转时电机的最高转速：

大致为额定转速以下；（最高转速时需要注意转矩和温度的上升）

3.惯量：

保持某种状态所需要的力

步进电机

步进：

是将电信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的；同时可以通过控制来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

1.步进电机的最大速度600~~~1200rpm加速度一般设0.1s~~~1s

1.确定驱动机械结构2.确定运动曲线3.计算负荷转矩4.计算负荷惯量5.计算启动转矩6.计算必须转矩7.电机选型8.选型电机验算9.选型完成

选定电机：

1.负载惯量J/伺服电机惯量J<10（5倍以下为好）

2.在起动脉冲速度f1时，起动转矩>负载转矩T

3.在最大脉冲速度f0时，离开转矩（是不是必须转矩）>负载转矩T

步进选型计算见（KINCO步进选型中12页的例题）

伺服选型计算见（松下伺服选型计算伺服电机选型方法）

1千克·米（kg·m）＝9.8牛顿·米（N·m）。

脉冲当量（即运动精度）&=<0.05

（0.05为重复定位精度）200为两相步进电机的脉冲数m为细分数200=360/1.8i减速比1/x

C电机转一圈的周长

无减速比电机转一圈丝杠走一个导程

电机转速（r/s）V=P为脉冲频率

例:

已知齿轮减速器的传动比为1/16，步进电机步距角为1.5°，细分数为4细分，滚珠丝杠的基本导程为4mm。

问：

脉冲当量是多少？

脉冲当量是每一个脉冲滚珠丝杠移动的距离

滚珠丝杠导程为4mm，滚珠丝杠每转360°滚珠丝杠移动一个导程也就是4mm

那么每一度移动（4/360）mm

电机4细分，步距角为1.5°，则每一个脉冲，步进电动机转1.5/4

那么一个脉冲，通过减速比，则丝杠转动（1.5/4）*（1/16）度

那么每个脉冲滚珠丝杠移动距离（及脉冲当量）&：

&=（1.5/4）*（1/16）*（4/360）=0.0003mm或者&=<0.05

例:

必要脉冲数和驱动脉冲数速度计算的示例

下面给出的是一个3相步进电机必要脉冲数和驱动脉冲速度的计算示例。

这是一个实际应用例子，可以更好的理解电机选型的计算方法。

1.1?

驱动滚轴丝杆

如下图，2相步进电机（1.8°/步）驱动物体运动1秒钟，则必要脉冲数和驱动脉冲速度的计算方法如下：

必要脉冲数＝

100

10

×

360°

1.8°

×细分数m＝[脉冲]

例:

精度要求0.01mm的雕刻机，导程5mm，步进电机驱动器一般用多少细分好呢？

如果确认是“精度”而不是“分辨率”的话，要考虑误差问题。

一，1）、你选择丝杠本身精度要高于0.01mm,

2）、其次电机细分只表示了分辨率，并不等同于电机精度。

假设你丝杠精度0.005mm，那么剩给电机的允许误差也就只有0.005mm了（暂不考虑其他误差因素）

0.005//5*360=0.36，表示你的电机精度要高于0.36度，所以你要选择绝对精度高于0.36度的电机。

二，至于细分，就简单了。

0.01/5*360=0.72；表示步进角0.72度时可达到0.01mm的分辨率

360/0.72=500;表示0.01mm分辨率时，电机一圈500步即可。

在实际使用时，你要尽可能选择细分高些，一方面提高运动平稳性，一方面也提供更高的步进分辨率。

滚珠丝杠的选型

一.已知条件：

UPH、工作台质量m1、行程长度ls、最高速度Vmax、加减速时间t1和t3、

定位精度+-0.3mm/1000mm、往复运动周期、游隙0.15mm

二.选择项目：

丝杠直径、导程、螺母型号、精度、轴向间隙、丝杠支撑方式、马达

三.计算：

1.精度和类型。

（游隙、轴向间隙）0.15mm，选择游隙在0.15以下的丝杠，查表选择直径32mm以下的丝杠。

32mm游隙为0.14mm。

为了满足+-0.3mm/1000mm则，+-0.3mm/1000=x/300则x=+-0.09mm.必须选择±0.090mm／300mm以上的导程精度。

参照丝杠精度等级，选择C7级丝杠。

丝杠类型：

根据机构确定丝杠类型是：

轧制或研磨、定位或传动

2.导程。

（以直线速度和旋转速度确定滚珠丝杠导程）导程和马达的最高转速Ph>=60*1000*v/（N/A）1.Ph:

丝杆导程mm2.V：

预定的最高进给速度m/s3.N：

马达使用转速rpm4.A：

减速比

3.直径。

（负载确定直径）动载荷、静载荷；计算推力，一般只看动载荷

轴向负荷的计算：

u摩擦系数；a=Vmax/t加速度；t加减速时间；

水平时：

加速时承受最大轴向载荷，减速时承受最小载荷；垂直时：

上升时承受最大轴向载荷，下降时承受最小载荷；

1.加速时（上升）N：

Fmax=u*m*g+f-m*a2.减速时（下降）N：

Fmin=u*m*g+f-m*a3.匀速时N：

F匀=u*m*g+fu因螺杆轴直径越细，螺杆轴的容许轴向负荷越小

4.长度。

（总长=工作行程+螺母长度+安全余量+安装长度+连接长度+余量）。

如果增加了防护，比如护套，需要把护套的伸缩比值（一般是1：

8，即护套的最大伸长量除以8）考虑进去。

5.支撑方式。

固定-固定固定-支撑支撑-支撑固定-自由

6.螺母的选择：

7.许用转速计算：

螺杆轴直径20mm、导程Ph=20mm最高速度Vmax＝1m/s

则：

最高转速Nmax=Vmax*60*/Ph许用转速（临界转速）N1=r*（d1/）*

r安装方式决定的系数；d1=丝杠轴沟槽谷径；l=安装间距所以有：

最高转速<许用转速

8.刚度的选择9.选择马达

*验证：

刚度验证、精度等级的验证、寿命选择、驱动转矩的选择

*滚珠丝杠副预紧：

1.方式：

双螺母垫片预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母增大滚珠直径预紧；

2.目的：

消除滚珠丝杠副的轴向间隙、增大滚珠丝杠副的刚性、

*DN值：

D：

滚珠丝杠副的公称直径，也为滚珠中心处的直径（mm）;N：

滚珠丝杠副的极限转速（rpm）

*导程精度、定位精度、重复定位精度

导程精度：

1.有效行程Lu内的平均行程偏差e（um），ep=2*（Lu/300）*V300<=C；

2.任意300mm行程内行程变动量V300（um），V300<=

定位精度：

1）.导程精度2）.轴向间隙3）传动系统的轴向刚性4）热变形5）丝杠的运动姿势

重复定位精度：

预紧到负间隙的丝杠，重复定位精度趋于零；

直线导轨的选择

1.直线导轨的运动精度：

1）运动精度：

a：

滑块顶面中心对导轨基准底面的平行度；b:

与导轨基准侧面同侧的滑块侧面对导轨基准侧面的平行度。

2）综合精度：

a：

滑块上顶面与导轨基准底面高度H的极限偏差；b：

同一平面上多个滑块顶面高度H的变动量；c：

与导轨基准侧面同侧的滑块侧面对导轨基准侧面间距离W1的极限偏差；d:

：

同一导轨上多个滑块侧面对导轨基准侧面W1的变动量。

3）导轨上有超过两个以上的导轨，只检验首尾两个滑块，中间的不做W1检验，但中间的W1应小于首尾的W1。

2.选择：

1---确定轨宽。

轨宽指滑轨的宽度。

轨宽是决定其负载大小的关键因素之一

2---确定轨长。

这个长度是轨的总长，不是行程。

全长=有效行程+滑块间距（2个以上滑块）+滑块长度×滑块数量+两端的安全行程，如果增加了防护罩，需要加上两端防护罩的压缩长度。

3---确定滑块类型和数量。

常用的滑块是两种：

法兰型，方形。

前者高度低一点，但是宽一点，安装孔是贯穿螺纹孔，后者高一点，窄一点，安装孔是螺纹盲孔。

两者均有短型、标准型和加长型之分（有的品牌也称为中负荷、重负荷和超重负荷），主要的区别是滑块本体（金属部分）长度不同，当然安装孔的孔间距也可能不同，多数短型滑块只有2个安装孔。

滑块的数量应由用户通过计算确定，在此只推荐一条：

少到可以承载，多到可以安装。

滑块类型和数量与滑轨宽度构成负载大小的三要素。

4---确定精度等级。

任何厂家的产品都会标注精度等级，有些厂家的标注比较科学，一般采用该等级名称的第一个字母，如普通级标N，精密级标P。

5---确定其他参数

除上述4个主要参数外，还有一些参数需要确定，例如组合高度类型、预压等级等。

预压等级高的表示滑块和滑轨之间的间隙小或为负间隙，预压等级低的反之。

感官区别就是等级高的滑块滑动阻力大，等级低的阻力小。

表示方法得看厂家选型样本，等级数有3级的，也有5级的。

等级的选择要看用户的实际使用场合，大致的原则是滑轨规格大、负载大、有冲击、精度高的场合可以选预压等级高一点的，反之选低一点。

提示：

1--预压等级与质量无关，2—预压等级与滑轨使用精度成正比，与使用寿命成反比。

尺寸链的基本术语

1.尺寸链——在机器装配或零件加工过程中，由相互连接的尺寸形成封闭的尺寸组，称为尺寸链。

间隙A0与其它尺寸连接成的封闭尺寸组，形成尺寸链。

2.环——列入尺寸链中的每一个尺寸称为环,A0、A1、A2、A3…都是环。

长度环用大写斜体拉丁字母A，B，C……表示；角度环用小写斜体希腊字母α，β等表示。

3.封闭环——尺寸链中在装配过程或加工过程后自然形成的一环称为封闭环。

封闭环的下角标“0”表示。

4.组成环——尺寸链中对封闭环有影响的全部环，称为组成环。

组成环的下角标用阿拉伯数字表示。

5.增环——尺寸链中某一类组成环，当其他组成环的大小不变，若封闭环随着某组成环的增大而增大，则该组成环为增环。

6.减环——尺寸链中某一类组成环，当其他组成环的大小不变，若封闭环随着某组成环的减小而减小，则该组成环为减环。

7.补偿环——尺寸链中预先选定某一组成环，可以通过改变其大小或位置，使封闭环达到规定的要求，该组成环为补偿环。

封闭环：

基本尺寸：

A0=Ap1+Ap2-Aq3上偏差：

ES0=ESp1+ESp2-EIq3下偏差：

EI0=EIp1+EIp2-ESq3

A0:

封闭环Ap1、Ap2：

增环Aq3：

减环

封闭环基本尺寸＝所有增环基本尺寸－所有减环基本尺寸；

封闭环的上偏差＝所有增环的上偏差－所有减环的下偏差；

封闭环的下偏差＝所有增环的下偏差－所有减环的上偏差。

1．退火：

指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺（随炉冷却）。

常见的退火工艺有：

再结晶退火、去应力退火、球化退火、完全退火等。

退火的目的：

主要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。

2．正火：

指将钢材或钢件加热到或（钢的上临界点温度）以上，30～50℃保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。

正火的目的：

主要是提高的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织，为后道热处理作好组织准备等。

3．淬火：

指将钢件加热到Ac3或Ac1（钢的下临界点温度）以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体（或）组织的热处理工艺。

常见的淬火工艺有淬火，马氏体分级淬火，，表面淬火和等。

淬火的目的：

使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。

4．回火：

指钢件经淬硬后，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

常见的回火工艺有：

低温回火，，高温回火和等。

　　回火的目的：

主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。

5．调质：

指将钢材或钢件进行淬火及高温回火的复合热处理工艺。

使用于调质处理的钢称。

它一般是指中碳结构钢和中碳。

6．渗碳：

渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。

也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

　　“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。

为了获得一定的强度和韧性，把淬火和结合起来的工艺，称为。

某些合金淬火形成后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。

这样的热处理工艺称为。

7.渗氮：

正火：

850淬火：

840回火：

600