工业机器人伺服电机选型技术指南.docx

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1、工业机器人伺服电机选型技术指南1、机电领域中伺服电机的选择原则现代机电行业中常常会遇到一些简洁的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱 动装置是很多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给 定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。（1） 传统的选择方法各种电机的 T-w 曲线这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度 v(t)，加速度 a(t)和所需外力 F(t)表示，对于旋转运动用角速度w (t)，角加速度a (t)和所需扭矩 T(t)表示，它们均可以表示为时间的函数，与其他因素无关。很明显。电机的最大功率P应大于工作

2、负载所需的峰值功率电机，最大P，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两局部，但在实际的传动机峰值构中它们是受限制的。用w，T峰值表示最大值或者峰值。电机的最大速度打算了减速器减峰值速比的上限，n=w/ w上限峰值，最大，同样，电机的最大扭矩打算了减速比的下限，n=T峰值下限峰值/T，假设 n大于n，选择的电机是不适宜的。反之，则可以通过对每种电机的广电机，最大下限上限泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分1的，而且传动比的准确计算格外繁琐。（2） 的选择方法一种的选择原则是将电机特性与负载特性分别开，并用图解的形式表示，这种表示方 法使得驱

3、动装置的可行性检查和不同系统间的比较更便利，另外，还供给了传动比的一个可 能范围。这种方法的优点：适用于各种负载状况；将负载和电机的特性分别开；有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。因此，不再需要用大量的类比来检查 电机是否能够驱动某个特定的负载。在电机和负载之间的传动比会转变电机供给的动力荷载参数。比方，一个大的传动比会 减小外部扭矩对电机运转的影响，而且，为输出同样的运动，电机就得以较高的速度旋转， 产生较大的加速度，因此电机需要较大的惯量扭矩。选择一个适宜的传动比就能平衡这相反 的两个方面。通常，应用有如下两种方法可以找到这个传动比n，它会把电机与工作任务很 好地协调

4、起来。一是，从电机得到的最大速度小于电机自身的最大速度 电机，最大；二是，电机任意时刻的标准扭矩小于电机额定扭矩M 额定。22、一般伺服电机选择考虑的问题（1） 电机的最高转速电机选择首先依据机床快速行程速度。快速行程的电机转速应严格把握在电机的额定转速之内。Vn =max u Ph103 nnom式中， nnom为电机的额定转速rpm；n 为快速行程时电机的转速rpm； Vmax为直线运行速度m/min；u 为系统传动比，u=n 电机/n 丝杠； Ph丝杠导程mm。（2） 惯量匹配问题及计算负载惯量L为了保证足够的角加速度使系统反响灵敏和满足系统的稳定性要求, 负载惯量 J 应限制在 2.5

5、 倍电机惯量J之内，即J 2.5J。wMLM= Mw2NV2JJ (Ljwj )+m (j )jj=1j=1式中， J 为各转动件的转动惯量，kg.m2；w 为各转动件角速度，rad/min； m 为各移jjj动件的质量，kg； V 为各移动件的速度，m/min； w 为伺服电机的角速度，rad/min。j（3） 空载加速转矩空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的 80% 以内。LT= 2p n(J+ J)TM T 80%max60tacFA max式中，T为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩N.m；T为空载时加速Amaxmax转矩N

6、.m； T为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩 N.m； t为快速行程时加减Fac速时间常数ms。（4） 切削负载转矩MS在正常工作状态下，切削负载转矩T不超过电机额定转矩T的 80%。ms1T= T D 2msc T 80%MS式中， Tc为最大切削转矩N.m；D 为最大负载比。（5） 连续过载时间连续过载时间tlon 应限制在电机规定过载时间tMon 之内。3、依据负载转矩选择伺服电机依据伺服电机的工作曲线，负载转矩应满足：当机床作空载运行时，在整个速度范围内， 加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内，即在工作曲线的连续工作 区；最大负载转矩，加载周期及过载时间应在特性曲线

7、的允许范围内。加在电机轴上的负载 转矩可以折算出加到电机轴上的负载转矩。F LT=+ TL2phC式中，TL为折算到电机轴上的负载转矩N.m；F 为轴向移开工作台时所需的力N；L 为电机每转的机械位移量m； TC为滚珠丝杠轴承等摩擦转矩折算到电机轴上的负载转矩N.m；h 为驱动系统的效率。F = Fc+ m (W + fg+ F)cf式中， Fc为切削反作用力N； fg为齿轮作用力N；W 为工作台工件等滑动局部总重量N； Fcf为由于切削力使工作台压向导轨的正压力 N； m 为摩擦系数。无切削时， F = m (W + f ) 。g计算转矩时以下几点应特别留意。（a） 由于镶条产生的摩擦转矩必

8、需充分地考虑。通常，仅仅从滑块的重量和摩擦系数来计算的转矩很小的。请特别留意由于镶条加紧以及滑块外表的精度误差所产生的力矩。（b） 由于轴承，螺母的预加载，以及丝杠的预紧力滚珠接触面的摩擦等所产生的转矩 均不能无视。尤其是小型轻重量的设备。这样的转矩回应影响整个转矩。所以要特别留意。（c） 切削力的反作用力会使工作台的摩擦增加，以此承受切削反作用力的点与承受驱动力的点通常是分别的。如以以下图，在承受大的切削反作用力的瞬间，滑块外表的负载也增加。当计算切削期间的转矩时，由于这一载荷而引起的摩擦转矩的增加应赐予考虑。（d） 摩擦转矩受进给速率的影响很大，必需争论测量因速度工作台支撑物(滑块，滚珠

9、，压力)，滑块外表材料及润滑条件的转变而引起的摩擦的变化。已得出正确的数值。（e） 通常，即使在同一台的机械上，随调整条件，四周温度，或润滑条件等因素而变化。当计算负载转矩时，请尽量借助测量同种机械上而积存的参数，来得到正确的数据。 4、依据负载惯量选择伺服电机为了保证轮廓切削外形精度和低的外表加工粗糙度，要求数控机床具有良好的快速响应特性。随着把握信号的变化，电机应在较短的时间内完成必需的动作。负载惯量与电机的响应和快速移动 ACC/DEC 时间息息相关。带大惯量负载时，当速度指令变化时，电机需较长的时间才能到达这一速度，当二轴同步插补进展圆弧高速切削时大惯量的负载产生的误差会比小惯量的大一

10、些。因此，加在电机轴上的负载惯量的大小，将直接影响电机的灵敏度以及整个伺服系统的精度。当负载惯量5 倍以上时，会使转子的灵敏度受影响，电机惯量J和M负载惯量 JL必需满足：J1 J L 5M由电机驱动的全部运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的部件的惯量，并按确定的规律将其相加得到。（a） 圆柱体惯量如滚珠丝杠，齿轮等围绕其中心轴旋转时的惯量可按下面公式计算：pgJ = D 4 L kg cm232式中， 为材料的密度(kg/cm3)；D 为圆柱体的直经(cm)；L 为圆柱体的长度(cm)。（b） 轴向移动物体的惯量

11、工件，工作台等轴向移动物体的惯量，可由下面公式得出：LJ = W (2p)2 kg cm2式中，W 为直线移动物体的重量(kg)；L 为电机每转在直线方向移动的距离(cm)。（c） 圆柱体围绕中心运动时的惯量如以以下图：圆柱体围绕中心运动时的惯量属于这种状况的例子：如大直经的齿轮，为了削减惯量，往往在圆盘上挖出分布均匀的孔这时的惯量可以这样计算：J = J0+ WR 2 kg cm2式中，J为圆柱体围绕其中心线旋转时的惯量(kgcm2)；W 为圆柱体的重量(kg)；R 为旋0转半径(cm)。（d） 相对电机轴机械变速的惯量计算将上图所示的负载惯量Jo 折算到电机轴上的计算方法如下：式中， N

12、、 N12J =为齿轮的齿数。NN 1 J 0 kg cm225、电机加减速时的转矩（1） 按线性加减速时加速转矩5电机加速或减速时的转矩按线性加减速时加速转矩计算如下：mT=2p n1 (J+ J)(1 - e - Ksta ) N.ma60 104 tMLaa式中，n为电机的稳定速度；t为加速时间； J为电机转子惯量kg 2； J为mML折算到电机轴上的负载惯量kg 2； Ks加速转矩开头减小时的转速如下：为位置伺服开环增益。1（2） 按指数曲线加速n= n 1 -rmt Kas(1 - e - Ksta )电机按指数曲线加速时的加速转矩曲线此时，速度为零的转矩 To 可由下面公式给出：m

13、T=2p n1 (J+ J) N.mO60 104 tMLe式中， te为指数曲线加速时间常数。（3） 输入阶段性速度指令这时的加速转矩 Ta 相当于 To，可由下面公式求得ts=Ks。mT=2p n1 (J+ J) N.ma60 104 tMLs66、依据电机转矩均方根值选择电机工作机械频繁启动，制动时所需转矩，当工作机械作频繁启动，制动时，必需检查电机是否过热，为此需计算在一个周期内电机转矩的均方根值，并且应使此均方根值小于电机的 连续转矩。电机的均方根值由下式给出：(TT=a+ T )2 tf1+ T 2tf2+ (Ta- T )2 tf1+ T 2to3式中，Tarms为加速转矩Nm；

14、TfT周为摩擦转矩Nm；To在停顿期间的转矩Nm；t ，1t ， t23， T如以以以下图所示。周t ， t12， t ， T3周的转矩曲线负载周期性变化的转矩计算，也需要计算出一个周期中的转矩均方根值，且该值小于额定转矩。这样电机才不会过热，正常工作。负载周期性变化的转矩计算图设计时进给伺服电机的选择原则是：首先依据转矩速度特性曲线检查负载转矩，加减7速转矩是否满足要求，然后对负载惯量进展校合，对要求频繁起动、制动的电机还应对其转矩均方根进展校合，这样选择出来的电机才能既满足要求，又可避开由于电机选择偏大而引起的问题。8、伺服电机选择的步骤、方法以及公式（1） 打算运行方式依据机械系统的把握

15、内容，打算电机运行方式，启动时间 ta、减速时间 td 由实际状况合机械刚度打算。典型运行方式（2） 计算负载换算到电机轴上的转动惯量GD28为了计算启动转矩TP，要先求出负载的转动惯量：pGD2 =lrLD 4 104 (kg.m2 )8式中，L 为圆柱体的长 cm；D 为圆柱体的直径 cm。N1ppGD 2 = (l )2 GD 2 + ()2 rl d 4 +rld 4 (kg.m2 )LNlmR822811式中， l2为负载侧齿轮厚度； d2为负载侧齿轮直径；l1为电机侧齿轮厚度；d1为电机侧齿轮直径； r 为材料密度； GD2 为负载转动惯量kg.m2； Nll为负载轴转速 rpm；

16、 Nm为电机轴转速 rpm；1/ R 为减速比。（3） 初选电机计算电机稳定运行时的功率 Po 以及转矩TL。TL 为折算到电机轴上的负载转矩：T=NlTLNl mh式中，h 为机械系统的效率；Tl负载轴转矩。TP=l Nlo9535.4 h（4） 核算加减速时间或加减速功率对初选电机依据机械系统的要求，核算加减速时间，必需小于机械系统要求值。加速时间：=(GD2tm+ GD2 )Nlm减速时间：a38.3(Tp- T )l=(GD2tm+ GD2 )Nlmd38.3(Tp+ T )l上两式中使用电机的机械数值求出，故求出参与起动信号后的时间，必需加算作为把握电路滞后的时间 510ms。负载加速转矩T 可由起动时间求出，假设T 大于初选电机的额定PP转矩，但小于电机的瞬时最大转矩510 倍额定转矩，也可以认为电机初选适宜。（5） 考虑工作循环与占空因素的实效转矩计算在机器人等猛烈工作场合，不能无视加减速超过额定电流这一影响，则需要以占空因素 求实效转矩。该值在初选电机额定转矩以下，则选择电机适宜。以典型运行方式中图 a 为例：Trms= fT 2t+ T 2t+ TPalct2tPdw式中，ta为起动时间s；tl为正常运行时间s；td为减速时间s； fw为波形系数。T假设rms不满足额定转矩式，需要提高电机容量，再次核算。