伺服电机步进电机丝杠导轨的计算选择.docx

1、伺服电机步进电机丝杠导轨的计算选择伺服电机、步进电机、丝杠、导轨的计算选择滚珠丝杠的选型 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. 必須選擇

2、? 0.090mm , 300mm 以上的導程精度。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mm 2.V:预定的最高进给速度m/s 3.N:马达使用转速rpm 4.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

3、载荷; 1.加速时(上升)N:Fmax=u*m*g+f-m*a 2.减速时(下降)N:Fmin=u*m*g+f-m*a 3.匀速时 N:F匀 =u*m*g+fu 因螺桿軸直徑越細，螺桿軸的容許軸向負荷越小 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。 支撑方式。固定-固定 固定-支撑 支撑-支撑 固定-自由 5.6.螺母的选择: 7.许用转速计算: 螺桿軸直徑20mm 、導程Ph=20mm 最高速度Vmax , 1m/s , 则:最高轉速 Nmax=Vmax * 6

4、0 * ,/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

5、=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; 伺服电机的选择 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。 步进电机:则没有记忆发出多少个脉冲。 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信号给驱动器，驱动器根据反馈值

6、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)。 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:伺服主要靠脉冲来定位，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;可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。 伺服电机额定速度3000rpm，最大速度5000 rpm; 加速度一般设0.05 0.5s 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

7、的转矩 伺服电机的最大转矩 4.最大转速电机额定转速 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(x,kg.,)。 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(x,kg.,) 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

8、计算电机转速。 , 计算最高速度Vmax x ta x Vmax + tb x Vmax + x td x Vmax = 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) = 16.7 x 60 = 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(

9、r/s) = 7.08 x 60 = 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35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

10、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 步进电机:是将电脉冲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目的;同时可以通过控制脉冲频率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6001200rpm 加速度一般设0

11、.1s1s 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负载转矩T 4.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=360/1.8 i减速比1/x C

12、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)*(

13、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: 360? 100 必要脉冲数, 细分数m, 脉冲 1.8? 10 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, 兄弟，如果你确认是“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0.01m

14、m, 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。 直线导轨的选择 1. 直线导轨的运动精度: 1)

15、 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W12. 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

16、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，

17、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

18、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，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

19、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

20、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:主要是提高低碳钢的 力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，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(或贝氏体)

21、组织的热处理工艺。常见的淬 火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等。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，中温回火，高温回火和多次回火等。 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调质钢。它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。 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，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，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时效处理。 正火:850 淬火:840 回火:600