某伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計*

楊振龍　張　偉　李明忠　劉永超

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

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某伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計*

楊振龍張偉李明忠劉永超

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

摘要以某一皮帶輸送系統(tǒng)為例，簡要介紹了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本設(shè)計過程，涉及伺服驅(qū)動系統(tǒng)中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、系統(tǒng)功率、扭矩與慣量、減速器與減速比等參數(shù)的計算方法，并根據(jù)計算結(jié)果對伺服電機(jī)進(jìn)行了選型，著重討論了伺服電機(jī)參數(shù)的計算方法。該伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)尤其是伺服電機(jī)參數(shù)的設(shè)計，可使整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的資源利用率，減少了資源浪費(fèi)，提高了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的緊湊性。

關(guān)鍵詞伺服電機(jī)驅(qū)動設(shè)計方法

驅(qū)動系統(tǒng)作為皮帶輸送系統(tǒng)的一個重要組成部分，相比傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)，可滿足頻繁啟停、完成較為復(fù)雜的時序控制邏輯及數(shù)字通信功能的要求，一般選擇伺服電機(jī)代替普通調(diào)速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計[1-3]。目前，伺服驅(qū)動系統(tǒng)因其良好的可控制性能逐步取代了傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計主要涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計以及伺服電機(jī)的參數(shù)選擇等。伺服電機(jī)作為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其型號及參數(shù)的選擇相比傳統(tǒng)電機(jī)更為復(fù)雜。以一個實(shí)際伺服驅(qū)動系統(tǒng)為例，介紹了通用的參數(shù)計算方法及電機(jī)選型。

1驅(qū)動系統(tǒng)簡介

該皮帶輸送系統(tǒng)驅(qū)動部分構(gòu)成見圖1[4-5]。

圖1　皮帶輸送系統(tǒng)驅(qū)動部分構(gòu)成

與驅(qū)動系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)為：①加速度，要求物料在皮帶上從0加速到0.1 m/s所需時間不長于1 s；②負(fù)載不大于200 kg；③最高速度不大于0.1 m/s。

2驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)計算

2.1傳動系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)主、從動輪規(guī)格一致，均為φ400 mm×600 mm圓柱輥?zhàn)樱|(zhì)量不大于50 kg。

(2)傳送帶規(guī)格為400 mm×6 000 mm，質(zhì)量不大于100 kg。

(3)減速器規(guī)格。考慮系統(tǒng)對自鎖功能的要求，為降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和電機(jī)額定扭矩，減速器選擇蝸輪蝸桿減速器，減速比待定。

2.2系統(tǒng)扭矩

(1)凈扭矩。凈扭矩是在不考慮傳動效率的前提下，主動輪軸上的最小扭矩，等于將系統(tǒng)在指定的時間內(nèi)，皮帶從0加速到最大速度時所需要的驅(qū)動力大小與主動輪半徑的乘積。由加速度和總負(fù)載計算驅(qū)動力為40 N，根據(jù)輪半徑可得出凈扭矩為8 N·m。

(2)計算扭矩。計算扭矩是考慮系統(tǒng)傳動效率后，電機(jī)軸所需輸出的最小扭矩。不考慮減速器的減速比，只考慮其傳動效率，確定計算扭矩后可選擇合適的減速比以降低電機(jī)額定扭矩。

由于具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速器效率較低，取保守值0.3；皮帶輸送系統(tǒng)與支架間的摩擦力較大，傳動效率較低，取保守值0.5；聯(lián)軸器、密封、潤滑等部分傳動效率和電機(jī)效率分別0.9，0.8。計算得整個系統(tǒng)的傳動效率約為0.1，系統(tǒng)計算扭矩為80 N·m。

2.3系統(tǒng)功率

(1)凈功率是在不考慮傳動效率時，系統(tǒng)所需的最小功率，等于皮帶從0加速到最大速度過程中的峰值功率，即達(dá)到最大速度時的瞬時功率。計算得凈功率為4 W，計算功率為40 W。

2.4減速比的確定

系統(tǒng)扭矩和功率計算結(jié)果表明，系統(tǒng)所需的電機(jī)功率并不大，但扭矩較大。使用減速器可大大降低電機(jī)的額定功率，選擇蝸輪蝸桿減速器的減速比為40。

2.5系統(tǒng)慣量

系統(tǒng)慣量用于對電機(jī)進(jìn)行慣量匹配。系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪質(zhì)量主要集中在輪外表面，轉(zhuǎn)動慣量100 kg·cm2；減速器及聯(lián)軸器部分轉(zhuǎn)動慣量相對較小，可不予考慮。

2.6電機(jī)額定參數(shù)

(1)額定扭矩。根據(jù)計算扭矩可計算額定扭矩為2 N·m，因此電機(jī)的額定扭矩不得小于2 N·m。

(2)額定功率。由計算功率可知電機(jī)的額定功率不得小于40 W。

(3)額定慣量。系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量較大，伺服電機(jī)最大允許負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的5～10倍。為確保電機(jī)啟停靈敏，取5倍，則電機(jī)額定慣量為20 kg·cm2

2.7電機(jī)選型

根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的計算，伺服電機(jī)選擇中、高慣量，額定功率在2 kW以上，可滿足該驅(qū)動系統(tǒng)的要求。

3結(jié)論

伺服電機(jī)具有優(yōu)良的控制性能，啟停靈敏、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、調(diào)速方便，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。伺服電機(jī)選型是伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵部分，對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的工作產(chǎn)生直接影響。采用通用的參數(shù)計算法對某伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服電機(jī)進(jìn)行選型，可在滿足系統(tǒng)整體性能要求的前提下，合理選擇電機(jī)功率，避免出現(xiàn)電機(jī)選型過程中的負(fù)載和電機(jī)功率不匹配造成功率過小或浪費(fèi)等不合理現(xiàn)象，降低整個伺服系統(tǒng)的能源消耗，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對大多數(shù)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計特別是電機(jī)選型具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李光友，王建民，孫雨萍.控制電機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2]寇寶泉，程樹康.交流伺服電機(jī)及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]龔仲華.交流伺服與變頻器應(yīng)用技術(shù)(安川篇)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]張策.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊-單行本-減速器和變速器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

(收稿日期2016-02-19)

*國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(編號：2012YQ240121)。

楊振龍(1976— )，男，工程師，118000 遼寧省丹東市濱江中路136號。