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1、伺服传动系统设计主要过程伺服传动系统设计主要过程一、系统方案确定一、系统方案确定典型的开环控制位置伺服系统是数控机床的伺服进给系统、数控x、y工作台、机器人的关节移动等。其结构原理如图所示：包括开环伺服传动系统设计和闭环伺服传动系统设计，重点介绍前者PC机驱动器执行元件传动机构执行机构方案确定实质是对上述各构成环节的选择设计 执行元件的选择执行元件的选择 传动机构方案的选择传动机构方案的选择 开环伺服系统中可以采用步进电机、液压伺服阀控制的液压马达和液压缸、气压伺服阀控制的气压马达和气压缸等作为执行元件，其中步进电机应用最广泛，当负载能力不够时，考虑后者。总之，要考虑负载能力、调速范围、体积、
2、成本等因素。执行机构方案的选择执行机构方案的选择 传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为直线运动或旋转运动，将旋转运动转换为直线运动的传动机构有：丝杠螺母传动同步齿型带传动齿轮齿条传动直线电机传动最常用步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式：采用同步齿型带传动丝杠：中心距较大通过减速器传动丝杠：减速器作用是配凑脉冲当量、转矩放大、惯量匹配等通过联轴器直接相连：结构简单，可获得高速，对电机负载能 力要求较高 执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操作的机构，执行机构中一般含有导向机构，执
3、行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即二、开环伺服机械系统设计计算二、开环伺服机械系统设计计算 确定脉冲当量，初选步进电机确定脉冲当量，初选步进电机确定脉冲当量，初选步进电机确定脉冲当量，初选步进电机 控制系统方案的选择控制系统方案的选择控制系统方案的选择控制系统方案的选择导轨的选择：导轨的选择：滚动导轨滚动导轨气浮导轨、液体导轨气浮导轨、液体导轨塑料贴面滑动导轨塑料贴面滑动导轨包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电路等的选择和设计包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电路等的选择和设计根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取
4、=0.005-0.01mm/pulse=0.005-0.01mm/pulse 初选步进电机指：选择步进电机的类型和步矩角初选步进电机指：选择步进电机的类型和步矩角混合式：兼以上二者优点，但价格高混合式：兼以上二者优点，但价格高反应式：反应式：小、小、f f 高、价格低，功耗大高、价格低，功耗大永磁式：永磁式：大、大、f f 低，功耗小，断电后仍有制动力矩低，功耗小，断电后仍有制动力矩 计算系统转动惯量计算系统转动惯量 确定减速传动比确定减速传动比按产品样本中给出的主要技术参数选用传动比公式：计算出的传动比较小时，采用一级齿轮传动或同步带传动传动比较大时，采用多级齿轮传动齿轮传动级数增加时，使齿
5、隙和静摩擦增加，传动效率降低，故传动级数一般不超过3级。传动级数的分配原则：传动比逐级增加（或前小后大原则），使输出轴转角误差最小。计算时，按P104，级数选择曲线和传动比分配曲线目的：目的：为选择步进电机动力参数及进行系统动态分析做基础圆柱体转动惯量计算公式：确定步进电机动力参数确定步进电机动力参数确定步进电机动力参数确定步进电机动力参数折算到电机轴的等效转动惯量折算到电机轴的等效转动惯量折算到电机轴的等效转动惯量折算到电机轴的等效转动惯量J J J Jd d d d计算公式为：计算公式为：计算公式为：计算公式为：步进电机负载转矩计算：步进电机负载转矩计算：步进电机负载转矩计算：步进电机负载
6、转矩计算：步进电机最大静转矩确定：步进电机最大静转矩确定：步进电机最大静转矩确定：步进电机最大静转矩确定：验算惯量匹配验算惯量匹配验算惯量匹配验算惯量匹配 步进电机最大启动频率确定：步进电机最大启动频率确定：步进电机最大启动频率确定：步进电机最大启动频率确定：步进电机最大运行频率确定：步进电机最大运行频率确定：步进电机最大运行频率确定：步进电机最大运行频率确定：根据启动频率特性曲线：根据启动频率特性曲线：T Tq q 对应的对应的 f fqmaxqmax ，实际运行的，实际运行的f fq q f fqmaxqmax根据运行频率特性曲线：根据运行频率特性曲线：T TL L 对应的对应的 f fm
7、axmax ，实际运行的，实际运行的f f f fmaxmax电机轴上的总等效转动惯量与电机轴自身的转动惯量应控制在：电机轴上的总等效转动惯量与电机轴自身的转动惯量应控制在：小惯量电机（小惯量电机（J Jm m=0.00005kgm=0.00005kgm2 2）大惯量电机（大惯量电机（J Jm m=0.1-0.6kgm=0.1-0.6kgm2 2）比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车。比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车。通过减速传动比通过减速传动比i i和丝杠导程和丝杠导程p p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。的合理搭配，使惯量匹配趋于
8、合理。计算死区误差计算死区误差计算死区误差计算死区误差 计算定位误差计算定位误差计算定位误差计算定位误差死区误差又称之为失动量，指启动或反向时，系统的输入与输出死区误差又称之为失动量，指启动或反向时，系统的输入与输出运动间的差值运动间的差值产生死区误差的原因产生死区误差的原因电气系统和执行元件的启动死区（不灵敏区）电气系统和执行元件的启动死区（不灵敏区）传动机构中的间隙传动机构中的间隙导轨副间的摩擦力导轨副间的摩擦力由综合拉压刚度而产生的死区误差：由综合拉压刚度而产生的死区误差：F F为轴向负载力为轴向负载力由于传动刚度变化引起定位误差为：由于传动刚度变化引起定位误差为：对于开环系统对于开环系
9、统为系统允许的定位精度为系统允许的定位精度 验算固有频率验算固有频率固有频率的计算公式为：固有频率的计算公式为：m m 是工作台质量或工作台丝杠三、开环伺服机械系统误差分析三、开环伺服机械系统误差分析 误差来源误差来源 误差校正误差校正 步进电机：步进电机：步进电机：步进电机：步进电机的步距误差，一般在步进电机的步距误差，一般在 左右，突然启动时有滞后，左右，突然启动时有滞后，停止时有超前，从整个系统的误差看，这一误差较小，通常忽略不计；停止时有超前，从整个系统的误差看，这一误差较小，通常忽略不计；齿轮传动：齿轮传动：齿轮传动：齿轮传动：齿轮副的传动误差和间隙会对系统造成误差；齿轮副的传动误差
10、和间隙会对系统造成误差；滚珠丝杠副传动：滚珠丝杠副传动：滚珠丝杠副传动：滚珠丝杠副传动：滚珠丝杠副的轴向间隙产生误差，而且由于综合拉压滚珠丝杠副的轴向间隙产生误差，而且由于综合拉压 刚度不足，会产生传动误差；刚度不足，会产生传动误差；其它传动装置：其它传动装置：其它传动装置：其它传动装置：联轴器、齿型带传动和谐波齿轮传动等都会对系统造成联轴器、齿型带传动和谐波齿轮传动等都会对系统造成 传动误差。传动误差。1、机械校正：、机械校正：提高机械装置自身的精度，减少误差，如消隙、减少等效转提高机械装置自身的精度，减少误差，如消隙、减少等效转动惯量、提高传动刚度、提高固有频率等；动惯量、提高传动刚度、提
11、高固有频率等；2、电子校正：、电子校正：反向死区补偿：反向死区补偿：利用反向死区补偿电路调整拨码开关进行补偿，补偿电路利用反向死区补偿电路调整拨码开关进行补偿，补偿电路电路具有自动判断方向的改变，并在反向时发出补偿命令的功能，补偿脉电路具有自动判断方向的改变，并在反向时发出补偿命令的功能，补偿脉冲可以达到几百个。冲可以达到几百个。例例:测量得到的反向死区误差为测量得到的反向死区误差为0.016mm0.016mm，系统的脉冲当量为，系统的脉冲当量为0.005mm/pulse,0.005mm/pulse,试问拨码开关应预置到哪一档才能实现死区的补偿？试问拨码开关应预置到哪一档才能实现死区的补偿？数
12、字仿真误差校正：数字仿真误差校正：预先将误差的数学模型输入计算机，计算机一边输出预先将误差的数学模型输入计算机，计算机一边输出工作指令，一方面计算误差，输出校正指令，形成附加运动，用以校正位工作指令，一方面计算误差，输出校正指令，形成附加运动，用以校正位移误差。移误差。反馈补偿误差校正：反馈补偿误差校正：采用反馈补偿型的开环控制系统减小系统的误差，提采用反馈补偿型的开环控制系统减小系统的误差，提高精度。高精度。拨码开关应预置到拨码开关应预置到3 3档，消除误差为档，消除误差为 3*0.005=0.015mm3*0.005=0.015mm反馈补偿型的开环控制系统原理如下：反馈补偿型的开环控制系统
13、原理如下：步进电机M驱动器驱动器指令指令脉冲脉冲混合器混合器脉冲脉冲补偿补偿感应同步器感应同步器测试器测试器e=se=s机机-s-s电电补偿脉冲补偿脉冲四、闭环伺服机械系统设计计算四、闭环伺服机械系统设计计算采用步进细分电路校正误差：采用步进细分电路校正误差：实质上是减小了步进电机的步距角即角脉实质上是减小了步进电机的步距角即角脉冲当量，使转子达到新稳定点时的动能减小，振动减小，精度提高，特别冲当量，使转子达到新稳定点时的动能减小，振动减小，精度提高，特别是提高了低速时的平滑性。是提高了低速时的平滑性。选择伺服电机类型选择伺服电机类型选择伺服电机类型选择伺服电机类型交流伺服电机和直流伺服电机各
14、有其有特点，根据系统要求确定，对于伺服交流伺服电机和直流伺服电机各有其有特点，根据系统要求确定，对于伺服进给系统而言，要求伺服电机具有：进给系统而言，要求伺服电机具有：v调速范围宽且稳定，速比大，低速（调速范围宽且稳定，速比大，低速（0.1r/min0.1r/min）时）时,速度稳定性仍好；速度稳定性仍好；v负载特性硬（受负载冲击，速度稳定性好），过载能力强；负载特性硬（受负载冲击，速度稳定性好），过载能力强；v响应速度快，从零转速到响应速度快，从零转速到1500r/min1500r/min，时间在，时间在0.2s0.2s内，角加速度达内，角加速度达400rad/s400rad/s2 2v能够
15、频繁启动、制动、反转、加减速等。能够频繁启动、制动、反转、加减速等。国外伺服电机品牌：国外伺服电机品牌：国外伺服电机品牌：国外伺服电机品牌：德国：德国：SIEMENSSIEMENS公司、公司、FANUCFANUC公司等公司等 美国：美国：ABAB公司、公司、PARKERPARKER公司公司 法国：法国：ALSTHOMALSTHOM公司公司 国内伺服电机生产厂家较多，集中在华东和华南地区国内伺服电机生产厂家较多，集中在华东和华南地区国内伺服电机生产厂家较多，集中在华东和华南地区国内伺服电机生产厂家较多，集中在华东和华南地区 选择导轨种类，确定阻尼比选择导轨种类，确定阻尼比选择导轨种类，确定阻尼比
16、选择导轨种类，确定阻尼比由实验可得到各种导轨的等价阻尼比，同时考虑系统的速度、稳定性、由实验可得到各种导轨的等价阻尼比，同时考虑系统的速度、稳定性、润滑、材料等。润滑、材料等。静压导轨：静压导轨：0.020.02滑动导轨：滑动导轨：0.02-0.30.02-0.3滚动导轨：滚动导轨：0.02-0.050.02-0.05 确定系统增益确定系统增益确定系统增益确定系统增益 k k k k 和机械传动链的固有频率和机械传动链的固有频率和机械传动链的固有频率和机械传动链的固有频率根据控制精度及系统稳定性的要求，一般取根据控制精度及系统稳定性的要求，一般取 k=k=8 815/s15/s由系统增益和导轨
17、阻尼比，初步确定满足系统稳定性要求所需的机械传由系统增益和导轨阻尼比，初步确定满足系统稳定性要求所需的机械传动链固有频率动链固有频率 为：为：阻尼比阻尼比阻尼比阻尼比五、丝杠工作台的简化模型五、丝杠工作台的简化模型 设计伺服机械传动系统并校验设计伺服机械传动系统并校验设计伺服机械传动系统并校验设计伺服机械传动系统并校验这一环节的计算与开环系统类似，主要包括：这一环节的计算与开环系统类似，主要包括：v机械传动方案选择；机械传动方案选择；v初选丝杠直径；初选丝杠直径；v计算总传动比；计算总传动比；v计算等效转动惯量，并验算惯量匹配；计算等效转动惯量，并验算惯量匹配；v计算传动系统综合拉压刚度，并计
18、算固有频率，校验是否满足系统对计算传动系统综合拉压刚度，并计算固有频率，校验是否满足系统对 固有频率的要求。固有频率的要求。计算出某项不符合要求时，重新设计计算。计算出某项不符合要求时，重新设计计算。丝杠工作台纵振（水平方向）系统可以简化为下图所示的动力学模型，即丝杠工作台纵振（水平方向）系统可以简化为下图所示的动力学模型，即丝杠工作台纵振（水平方向）系统可以简化为下图所示的动力学模型，即丝杠工作台纵振（水平方向）系统可以简化为下图所示的动力学模型，即弹簧质量阻尼系统。弹簧质量阻尼系统。弹簧质量阻尼系统。弹簧质量阻尼系统。图示图示 丝杠工作台系统的动力学模型丝杠工作台系统的动力学模型mKxcy
19、动力学平衡方程为:式中:m 是丝杠工作台的等效集中质量c 是丝杠工作台导轨的粘性阻尼系数k 是丝杠螺母机构的综合拉压刚度y 是工作台的实际位移x 是电机转角折算到工作台的等效位移，即指令位移对上式拉氏变换,得系统传递函数:化简成二阶系统的标准形式为:令为丝杠工作台系统的固有频率为丝杠工作台系统的固有频率为系统纵向振动阻尼比为系统纵向振动阻尼比(即粘性阻尼系数与临界阻尼系数之比即粘性阻尼系数与临界阻尼系数之比)影响系统动特性的主要参数是影响系统动特性的主要参数是 和和 ，由，由 k、m、c 决定。决定。设计举例设计举例n设计一步进电机开环控制的系统，已知系统的脉冲当量为设计一步进电机开环控制的系
20、统，已知系统的脉冲当量为0.01MM,0.01MM,采用步进电机直接联丝杠的驱动方式采用步进电机直接联丝杠的驱动方式.丝杠的螺距为丝杠的螺距为6MM,6MM,试问试问:（1010分）分）（1 1）步进电机的步距角选多大为佳）步进电机的步距角选多大为佳?（2 2）当采用五相十拍的混合步进电机时）当采用五相十拍的混合步进电机时,如果要使工作台的移动如果要使工作台的移动速度达到速度达到2 2米米/分分,步进电机的运行频率是多少步进电机的运行频率是多少?（3 3）如果选定的步进电机矩）如果选定的步进电机矩-频特性见下表频特性见下表,当系统等效到电机轴当系统等效到电机轴的负载转矩为的负载转矩为3.5N.
21、M3.5N.M时时,该电机能否以该电机能否以(2)(2)所求得的运行频率所求得的运行频率顺利启动顺利启动?如果不可以在不改动所选择的电机情况下可以采取如果不可以在不改动所选择的电机情况下可以采取哪些措施来满足要求哪些措施来满足要求?F（HZ）0-1000150020002500300035004000T（N.M)65.54.543.532.5n解：（1）n步距角选小于0.60为好.n(2)n(3)根据所给表格数据,当电机以3333HZ频率运行时,所对应输出力矩在3-3.5NM之间,改值小于负载转矩(3.5NM),所以电机不能顺利启动.n可以采取的有效措施有:n(A)采取降频启动,根据上表,当启动频率小于2500HZ时,启动力矩大于3.5NM,此时可以保证顺利启动,然后再加速至3333HZ,此时由于加速度减小,等效负载力矩会降低.n(B)在电机和丝杠轴之间增加一对减速齿轮,传动比可以取为1/2,这样等效负载转矩会相应减为原来1/2,从而可以顺利启动.