1、11 步進電機的計算和選用步進電機的計算和選用 步進電機使用范圍相當廣泛，很難建立統一的選擇程序。步進電機使用范圍相當廣泛，很難建立統一的選擇程序。設計人員通常根據實際的要求，用類比法或憑自己的經驗用逐設計人員通常根據實際的要求，用類比法或憑自己的經驗用逐次逼近法來選擇電動機型式、尺寸及齒輪傳動裝置。次逼近法來選擇電動機型式、尺寸及齒輪傳動裝置。 選用步進選用步進電動機時，必須首先根據機械結構草圖計算機械傳動裝置及負電動機時，必須首先根據機械結構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電動機軸上的等效轉動慣量，分別計算各種工況下所載折算到電動機軸上的等效轉動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩，再根

2、據步進電動機最大靜轉矩和起動、運行矩需的等效力矩，再根據步進電動機最大靜轉矩和起動、運行矩頻特性選擇合適的步進電動機。頻特性選擇合適的步進電動機。 根據步進電機的應用特點大致可分為三種主要類型：根據步進電機的應用特點大致可分為三種主要類型： 第第1類是作為位置伺服系統類是作為位置伺服系統，如開環控制數控機床伺服，如開環控制數控機床伺服元件，在這類系統中，步進電機要能應答偶發指令，并具有一元件，在這類系統中，步進電機要能應答偶發指令，并具有一定的運行精度和定位精度。定的運行精度和定位精度。2切削負載特點是：低速時，進行切削進給需要較大的輸出轉矩；切削負載特點是：低速時，進行切削進給需要較大的輸出

3、轉矩；高速時，一般只移動力架或工作臺而高速時，一般只移動力架或工作臺而不進行切削，較小的輸出轉不進行切削，較小的輸出轉矩就夠了矩就夠了(如圖虛線所示如圖虛線所示)。因而，步進電機很適合這類伺服機構。因而，步進電機很適合這類伺服機構大轉矩大轉矩(低速低速)、高速度、高速度(空行程空行程)和高精度的要求。和高精度的要求。 第第I類負載轉矩圖類負載轉矩圖3第第類是作為各種材料的固定尺寸進給驅動類是作為各種材料的固定尺寸進給驅動。如沖壓床的自動送。如沖壓床的自動送料；鋼材、紙張、塑料薄膜的固定尺寸傳送控制等。它要求電動料；鋼材、紙張、塑料薄膜的固定尺寸傳送控制等。它要求電動機按照一定的節拍將負載傳送一

4、定距離，如圖所示。為了提高生機按照一定的節拍將負載傳送一定距離，如圖所示。為了提高生產率，必須高速度，如何選擇開環控制脈沖頻串分布圖產率，必須高速度，如何選擇開環控制脈沖頻串分布圖(即速度即速度圖圖)是一關鍵問題。是一關鍵問題。 第第類負載速度圖類負載速度圖4 第第類用于少數步增量運動中作驅動元件類用于少數步增量運動中作驅動元件，在這類應用中，重要的特性是起始加速度和穩在這類應用中，重要的特性是起始加速度和穩定時間。要求電動機起動快，停穩時間短。定時間。要求電動機起動快，停穩時間短。 下面對第一類負載的步進電機選擇作一分析下面對第一類負載的步進電機選擇作一分析說明，其它二類負載的步進電機的選擇

5、可參考說明，其它二類負載的步進電機的選擇可參考有關資料。有關資料。5 (1)第第1類負載的步進電機選擇步驟類負載的步進電機選擇步驟 下面以數控機床進給伺服機構為例，介紹選擇步進電機的步下面以數控機床進給伺服機構為例，介紹選擇步進電機的步驟。驟。 1) 根據加工精度要求確定脈沖當量選擇步距角根據加工精度要求確定脈沖當量選擇步距角 脈沖當量脈沖當量直接影響加工零件的精度、表面粗糙度及進給速度。直接影響加工零件的精度、表面粗糙度及進給速度。 對精度要求較高數控機床如線切割機床、坐標鏜床，脈沖當量對精度要求較高數控機床如線切割機床、坐標鏜床，脈沖當量 可取可取0.001-0.0025mmp，以保證，以

6、保證0.01-0.005mm的加工精度的加工精度; 加工精度在加工精度在0.010.02mm范圍的數控銑床、鉆床、車床的脈沖范圍的數控銑床、鉆床、車床的脈沖 當量當量可取可取0.0050.01mmp; 對于簡易數控沖床等不太精密的機床或設備，脈沖當量可取對于簡易數控沖床等不太精密的機床或設備，脈沖當量可取0.1- 0.15mmp; 對于同步驅動系統，脈沖當量對于同步驅動系統，脈沖當量還可選擇更大些。還可選擇更大些。6脈沖當量確定以后，步距角可以按照式脈沖當量確定以后，步距角可以按照式算出算出: 式中式中-步距角步距角(。)； t-絲桿螺距絲桿螺距(m)； i-傳動比；傳動比； -脈沖當量脈沖當

7、量(mp) 2) 根據快速進給速度，確定步進電機最高工作頻率根據快速進給速度，確定步進電機最高工作頻率 數控機床進給速度與電動機運行頻率有著嚴格對應關系，機數控機床進給速度與電動機運行頻率有著嚴格對應關系，機床的極限進給速度，床的極限進給速度，v(m/min)受電動機最高運行頻率約束。受電動機最高運行頻率約束。its3607100060maxmaxfv 式中，式中，vmax機床運行最高速度機床運行最高速度(m/min) fmax步進電機最高運行頻率步進電機最高運行頻率(Hz) 脈沖當量脈沖當量(mm/p) 步進電機的最高運行頻率步進電機的最高運行頻率fmax與電機結構形式、驅動電源種類與電機結

8、構形式、驅動電源種類及控制方式有關。樣本雖已給出及控制方式有關。樣本雖已給出，但驅動電源和控制方式改，但驅動電源和控制方式改變，變，fmax也改變。有些廠家為適應用戶需要，同一規格步進電機也改變。有些廠家為適應用戶需要，同一規格步進電機產品往往有高速和低速之分，兩者外型尺寸完全相同，僅繞組電產品往往有高速和低速之分，兩者外型尺寸完全相同，僅繞組電感不同。所以應根據機床要求的極限速度確定電機型式和最高運感不同。所以應根據機床要求的極限速度確定電機型式和最高運行頻率。行頻率。 3)根據負載轉矩或阻力，選擇步進電機轉矩根據負載轉矩或阻力，選擇步進電機轉矩 若進給速度要求的頻率大于起動頻率，電動機包含

9、加速運行。若進給速度要求的頻率大于起動頻率，電動機包含加速運行。電動機除了必須克服數控機床施加給它的負載轉矩外，還要電動機除了必須克服數控機床施加給它的負載轉矩外，還要提供提供由于速度變化引起的慣性加速轉矩。由于速度變化引起的慣性加速轉矩。8可分為兩種不同情況：可分為兩種不同情況： 快速進退刀時所需轉矩。快速進退刀時所需轉矩。 Tel=Ta1+T12 式中式中 Te1-快速退刀時電動機的轉矩；快速退刀時電動機的轉矩； Ta1-慣性加速轉矩；慣性加速轉矩； T12-移動刀架或工作臺的摩擦轉矩。移動刀架或工作臺的摩擦轉矩。 切削進給所需轉矩。切削進給所需轉矩。 Te2=Ta2+T12+Te 式中式

10、中 Te2切削加工時電動機的轉矩；切削加工時電動機的轉矩； Ta2切削加工時加速轉矩；切削加工時加速轉矩； Te 克服切削抗力所需的轉矩；克服切削抗力所需的轉矩； 9上述兩種運行狀態，對于數控機床來講始終是交替出現。步進電上述兩種運行狀態，對于數控機床來講始終是交替出現。步進電機應同時滿足上述兩種狀態下的轉矩要求，因此需要分別計算各機應同時滿足上述兩種狀態下的轉矩要求，因此需要分別計算各種轉矩，取二者中較大者作為選擇電動機轉矩的依據。種轉矩，取二者中較大者作為選擇電動機轉矩的依據。 產生加速度產生加速度a所需慣性轉矩所需慣性轉矩Ta(Nm)可按下式計算可按下式計算式中式中 f0、fn加速開始及

11、終止時的脈沖頻率加速開始及終止時的脈沖頻率(Hz)； t 加速過程時間加速過程時間(，)； J - 步進電機轉子和負載慣量步進電機轉子和負載慣量(kgm2)。克服切削抗力，加到電機軸上的負載轉矩克服切削抗力，加到電機軸上的負載轉矩Te(Nm)按下式計算按下式計算210236sSeFT)(3 .570tffJTnsa10式中式中 Fs在運動方向產生的走刀抗力在運動方向產生的走刀抗力(N)； 驅動系統機械效率。與軸承、齒輪絲杠螺母等傳動副驅動系統機械效率。與軸承、齒輪絲杠螺母等傳動副的數量和質量有關，按機床設計有關資料選取；的數量和質量有關，按機床設計有關資料選取； 及及s脈沖當量脈沖當量(mm/

12、Hz)及步距角及步距角(。)。 移動工作臺加到步進電機軸上的摩擦負載轉矩移動工作臺加到步進電機軸上的摩擦負載轉矩Tl2(Nm)按下式計算，按下式計算，式中式中 m-工作臺質量工作臺質量(包括工件、夾具質量在內包括工件、夾具質量在內)(kg) 摩擦系數，按機床設計手冊選取，如滑動導軌摩擦系數，按機床設計手冊選取，如滑動導軌 =0.05-0.16，滾動導軌，滾動導軌= 0.0050.03，靜壓導軌，靜壓導軌 =0.0005； 2210236FmgTsSl）（11 Fs垂直方向的切削分力垂直方向的切削分力(空行程時空行程時Fz=0)(N) -驅動系統的效率驅動系統的效率 4) 根據選定電動機慣頻特性

13、校核系統的起動性能根據選定電動機慣頻特性校核系統的起動性能 負載轉動慣量直接影響電動機的快速性，要求折負載轉動慣量直接影響電動機的快速性，要求折合到電動機軸上的慣量和電動機本身的慣量相匹配。合到電動機軸上的慣量和電動機本身的慣量相匹配。 為了使步進電動機具有良好的起動能力及較快的為了使步進電動機具有良好的起動能力及較快的響應速度，取響應速度，取JeJm4。 否則機床動態特性將主要取決于負載特性，不同否則機床動態特性將主要取決于負載特性，不同重量和行程的各坐標的特性將有很大區別，并很容易重量和行程的各坐標的特性將有很大區別，并很容易受切削力、摩擦力等干擾的影響。但是受切削力、摩擦力等干擾的影響。

14、但是JeJm比值比值太小，也不經濟。太小，也不經濟。12 5) 根據步進電機的矩頻特性計算加減速時間校核根據步進電機的矩頻特性計算加減速時間校核 系統的快速性系統的快速性 步進電機帶動摩擦及慣性負載后的起動頻率較低。例如步進電機帶動摩擦及慣性負載后的起動頻率較低。例如一般功率步進電機，當步矩角為一般功率步進電機，當步矩角為1.5時，起動頻率不超過時，起動頻率不超過1000Hz，這樣低的頻率無疑滿足不了伺服系統快速性的要求，這樣低的頻率無疑滿足不了伺服系統快速性的要求，需要采用加、減電路，加、減速時間對系統快速性影響極大。需要采用加、減電路，加、減速時間對系統快速性影響極大。一般在選擇步進電機階

15、段，根據矩頻特性分段線性化按下式一般在選擇步進電機階段，根據矩頻特性分段線性化按下式粗略計算加、減速時間就夠了。粗略計算加、減速時間就夠了。13 如果算出的時間大于系統允許的加、減速時間或整個行程如果算出的時間大于系統允許的加、減速時間或整個行程的平均速度低于系統的要求，則應重新選擇電機或傳動比。的平均速度低于系統的要求，則應重新選擇電機或傳動比。 6) 根據選定步進電機精度和矩角特性校核系統的靜態定位誤差根據選定步進電機精度和矩角特性校核系統的靜態定位誤差 對于上述已初步選定的步進電機傳動系統，按下式可以算對于上述已初步選定的步進電機傳動系統，按下式可以算出系統的靜態定位誤差出系統的靜態定位

16、誤差t。)()(3 .57)(0ffTTJJtnlcpslr142 2 伺服電機的計算與選用伺服電機的計算與選用 交流伺服電動機及其控制技術有逐步替代直流伺服電動機及交流伺服電動機及其控制技術有逐步替代直流伺服電動機及其控制技術的趨勢，且交流數控技術已達到直流數控技術水平。其控制技術的趨勢，且交流數控技術已達到直流數控技術水平。例如，例如，日本東榮的數字化軟件交流伺服系統日本東榮的數字化軟件交流伺服系統具有以下特點：具有以下特點：1）用軟件用軟件(代碼代碼)設定設定48種參數；種參數；2）有每轉反饋量的設定，可與檢測傳感器匹配，其反饋脈沖有每轉反饋量的設定，可與檢測傳感器匹配，其反饋脈沖設定范

17、圍為每轉設定范圍為每轉l327673276732767327671(即分即分數或整數均可數或整數均可)；3）在位置控制方式下，具有調速功能，滿足對反饋量精度的在位置控制方式下，具有調速功能，滿足對反饋量精度的要求，該功能稱為柔性齒數比或電子齒輪功能，擴大了傳統的要求，該功能稱為柔性齒數比或電子齒輪功能，擴大了傳統的檢測脈沖倍串檢測脈沖倍串(DMR)的設定范圍；的設定范圍；4）有工作方式選擇，配用電動機型號，是否用正有工作方式選擇，配用電動機型號，是否用正/反轉脈沖的反轉脈沖的傳感器，原點位置移動，輸入輸出脈沖類型，輸入指令電壓的傳感器，原點位置移動，輸入輸出脈沖類型，輸入指令電壓的比率，加減速

18、時間，制動方式，速度限制值和電流限制值等功比率，加減速時間，制動方式，速度限制值和電流限制值等功能。能。15交流伺服電動機應用特點交流伺服電動機應用特點1）交流伺服電動機適應型很強，）交流伺服電動機適應型很強，廣泛應用于各種機電一體化裝備；廣泛應用于各種機電一體化裝備；2）交流伺服電動機具有沒有換向）交流伺服電動機具有沒有換向部件，過載能力強、體積小、重部件，過載能力強、體積小、重量量輕等優點；輕等優點；3）適宜于高速，高精度，頻繁起）適宜于高速，高精度，頻繁起動與停止、快速定位等場合；動與停止、快速定位等場合；4）電動機不需維護，以在惡劣環）電動機不需維護，以在惡劣環境下可靠使用。境下可靠使

19、用。在伺服系統中常用永磁式變頻調速同步電動機。在伺服系統中常用永磁式變頻調速同步電動機。161）交流伺服電動機的初選擇）交流伺服電動機的初選擇(1) 初選交流伺服電動機初選交流伺服電動機 按如下步驟：按如下步驟： 電動機能夠提供負載所需要的轉矩和轉速，電動機能夠提供負載所需要的轉矩和轉速，從安全意義上來講，即能夠提供克服峰值負從安全意義上來講，即能夠提供克服峰值負載所需要的功率；載所需要的功率； 當電動機的工作周期可以與其發熱時間常當電動機的工作周期可以與其發熱時間常數相比較時，必須考慮電動機的熱額定問題，數相比較時，必須考慮電動機的熱額定問題，通常用通常用負載的均方根功率負載的均方根功率作為

20、確定電動機發作為確定電動機發熱功率的基礎。熱功率的基礎。17 若電動機在峰值負載轉矩下以峰值轉速不斷的驅若電動機在峰值負載轉矩下以峰值轉速不斷的驅動負載，則電動機功率為動負載，則電動機功率為159)5 . 25 . 1 (LPLPmnTP 當電動機長期連續的工作在變負載下時，較合理的是按負載當電動機長期連續的工作在變負載下時，較合理的是按負載方均根功率來估算電動機功率，即方均根功率來估算電動機功率，即)/)N,159)5 . 25 . 1 (srnmTnTPLrLrLrLrm負載方均根轉速（負載方均根力矩（式中18初選電動機時，應使電機的額定功率初選電動機時，應使電機的額定功率PNPm(2)

21、發熱校核發熱校核 連續工作連續工作負載不變負載不變場合的電動機，要求在整個轉速范圍內，場合的電動機，要求在整個轉速范圍內，負載轉矩在額定轉矩范圍內負載轉矩在額定轉矩范圍內。 長期連續的、周期性的工作在變負載長期連續的、周期性的工作在變負載條件下的電動機，根條件下的電動機，根據據電動機發熱條件的等效原則電動機發熱條件的等效原則，計算在一個負載工作周期內，計算在一個負載工作周期內，所需電動機轉矩的方均根值，即等效轉矩，并使此值小于連續所需電動機轉矩的方均根值，即等效轉矩，并使此值小于連續額定轉矩，就可確定電動機的型號和規格。額定轉矩，就可確定電動機的型號和規格。 因為在一定轉速下，因為在一定轉速下

22、，電動機的轉矩與電流成正比電動機的轉矩與電流成正比或接近成或接近成正比，正比，負載的方均根轉矩是與電動機處于連續工作時的熱額負載的方均根轉矩是與電動機處于連續工作時的熱額定相一致的。定相一致的。 初選電動機后，一系列技術數據，如初選電動機后，一系列技術數據，如額定轉矩、額定轉額定轉矩、額定轉速、額定電壓、額定電流和轉子轉動慣量速、額定電壓、額定電流和轉子轉動慣量等，均可由產品目等，均可由產品目錄直接查得或經過計算求得。錄直接查得或經過計算求得。19 伺服系統在頻繁起動、制動時，電動機處伺服系統在頻繁起動、制動時，電動機處于短時工作狀態，散熱條件又差，故起動繞組于短時工作狀態，散熱條件又差，故起

23、動繞組的溫升常常是一個決定性限制因素，的溫升常常是一個決定性限制因素， 必須檢查必須檢查電動機的溫升是否超過最高的允許值。電動機的溫升是否超過最高的允許值。 電機的實際溫升若超過其所用絕緣結構的電機的實際溫升若超過其所用絕緣結構的溫升限度，將給電機的壽命帶來極大的危害。溫升限度，將給電機的壽命帶來極大的危害。以以E級絕緣構為例，若溫升超出規定限值約級絕緣構為例，若溫升超出規定限值約10，電機的壽命將減為原來的一半。，電機的壽命將減為原來的一半。 20不同絕緣結構耐熱等級及其極限溫度（不同絕緣結構耐熱等級及其極限溫度（）以及電機中部分繞組的溫升限值（以及電機中部分繞組的溫升限值（K）(GB755

24、)耐熱等耐熱等級級極限溫極限溫度度（）交流電機定子繞組溫交流電機定子繞組溫升限度（升限度（K）表面裸露的單層繞組表面裸露的單層繞組溫升限度（溫升限度（K）溫度計法溫度計法電阻法電阻法溫度計法溫度計法電阻法電阻法A10550606565E1206575808015585100110110H18010512513513521212111111,ttttMstMMstsdtTdtPWTssPsTsPP啟動繞組的發熱能量為同步角速度電動機轉矩轉差率，氣隙功率（電磁功率）式中產生的損耗為啟動時，在啟動繞組中比如，交流異步電動機 電動機的額定容量主要決定電動機的額定溫升。電動機的

25、額定容量主要決定電動機的額定溫升。根據電動機發熱條件的等效原則，可計算在一個負載根據電動機發熱條件的等效原則，可計算在一個負載工作周期內，所需電動機的方均根值，即等效轉矩，工作周期內，所需電動機的方均根值，即等效轉矩，并使此值小于額定轉矩，就可確定電動機的型號和規并使此值小于額定轉矩，就可確定電動機的型號和規格。格。22因此，選擇電動機應滿足因此，選擇電動機應滿足發熱校核條件）且滿足(,)(120LrNLFLatLLrTTdtTTTtT23常用的變轉矩常用的變轉矩-加減速計算模型如下加減速計算模型如下矩形波負載時加減速時的方均根轉矩為矩形波負載時加減速時的方均根轉矩為 圖圖a）為一般伺服系統的

26、計算模型。根據電動機發熱件的）為一般伺服系統的計算模型。根據電動機發熱件的等效原則，三角形波負載在加減速時的方均根轉矩為等效原則，三角形波負載在加減速時的方均根轉矩為24 實踐與理論分析表明，實踐與理論分析表明，比值對伺服系統性能比值對伺服系統性能有很大影響，它與交流伺服電動機種類及其應用場合有很大影響，它與交流伺服電動機種類及其應用場合有關，可分兩種情況：有關，可分兩種情況： 采用慣量較小的交流伺服電動機的伺服系統，采用慣量較小的交流伺服電動機的伺服系統，其比值通常推薦為其比值通常推薦為 當當3時，對電動機的靈敏度與響應時間時，對電動機的靈敏度與響應時間有很大的影響，甚至會使伺服放大器不能在

27、正常調節有很大的影響，甚至會使伺服放大器不能在正常調節范圍內工作。范圍內工作。 2）伺服系統慣量匹配原則）伺服系統慣量匹配原則252）伺服系統慣量匹配原則）伺服系統慣量匹配原則小慣量交流伺服電動機的慣量低，一般為小慣量交流伺服電動機的慣量低，一般為 其特點是轉矩慣量比大，時間常數小，加減速其特點是轉矩慣量比大，時間常數小，加減速能力強，動態性能好，響應快。但，使用小慣量電動能力強，動態性能好，響應快。但，使用小慣量電動機時容易發生對電源頻率的響應共振。當存在間隙、機時容易發生對電源頻率的響應共振。當存在間隙、死區時容易造成振蕩或蠕動。死區時容易造成振蕩或蠕動。25105mkgJm“慣量匹配原則

28、慣量匹配原則”體現了在數控機床伺服進體現了在數控機床伺服進給系統采用大慣量電動機的必要性。給系統采用大慣量電動機的必要性。26 采用大慣量交流伺服電動機伺服系統，其比值采用大慣量交流伺服電動機伺服系統，其比值通常推薦為通常推薦為 0.25J eJ m1 2）伺服系統慣量匹配原則）伺服系統慣量匹配原則 大慣量是相對小慣量而言，其數值大慣量是相對小慣量而言，其數值2)6 . 01 . 0(mkgJm 大慣量寬調速伺服電機的特點：大慣量寬調速伺服電機的特點：慣量大、轉矩大，能在慣量大、轉矩大，能在低速下提供額定轉矩，一般可與滾珠絲杠直接相連，受慣性低速下提供額定轉矩，一般可與滾珠絲杠直接相連，受慣性

29、負載的影響小，調速范圍大；熱時間常數有的長達負載的影響小，調速范圍大；熱時間常數有的長達l00min，比小慣量電動機的熱時間常數比小慣量電動機的熱時間常數23min長得多，允許長時間長得多，允許長時間的過載，即過載能力強。由于其特殊構造使其轉矩波動系數的過載，即過載能力強。由于其特殊構造使其轉矩波動系數很小很小(2)。 采用這種電動機能獲得優良的低速范圍的速度剛度和動采用這種電動機能獲得優良的低速范圍的速度剛度和動態性能，在現代數控機床中應用較廣。態性能，在現代數控機床中應用較廣。275.4 動力學方法設計計算實例動力學方法設計計算實例 本節通過一個激光加工機應用實例重點介本節通過一個激光加工

30、機應用實例重點介紹動力學方法的設計計算過程。內容如下：紹動力學方法的設計計算過程。內容如下：5.4.1 5.4.1 激光加工機的設計計算激光加工機的設計計算285.4.1 激光加工機的設計計算激光加工機的設計計算筒形體激光切割機示意圖筒形體激光切割機示意圖29 激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件，使激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、氣蝕或達到燃點，同時借助被照射處的材料迅速熔化、氣化、氣蝕或達到燃點，同時借助光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現割開工件的一種光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現割開工件的一種切割方法。切割方法。

31、激光焊接是利用能量密度很高的激光束聚焦到工件表面，激光焊接是利用能量密度很高的激光束聚焦到工件表面，使輻射作用區表面的金屬使輻射作用區表面的金屬“燒熔燒熔”粘合而形成焊接接頭。能粘合而形成焊接接頭。能量密度為：量密度為：275/1010cmw CO2氣體連續激光切割工藝參數包括氣體連續激光切割工藝參數包括 激光功率激光功率 對切割厚度、切割速度和切口寬度影響大；對切割厚度、切割速度和切口寬度影響大； 輔助氣體的種類和壓力輔助氣體的種類和壓力 切割低碳鋼采用切割低碳鋼采用O2輔助氣體；輔助氣體； 切割速度對切割質量有顯著影響；切割速度對切割質量有顯著影響； 焦點位置焦點位置 切割低碳鋼把聚焦的光

32、斑設在工件上表面；切割低碳鋼把聚焦的光斑設在工件上表面； 焦點深度焦點深度 對切割質量和切割速度具有一定的影響。對切割質量和切割速度具有一定的影響。3023/10cmw功率密度：31主要設計技術參數主要設計技術參數: :1) 軸軸(主軸主軸)的周向加工速度的周向加工速度 (100300mm/min可調可調)2) x軸（進給軸）最大速度軸（進給軸）最大速度 （6000mm/min）3） 軸與軸與x軸的加速時間（軸的加速時間（0.5s）4） x向最大移動量（向最大移動量（2000mm）5） 向最大回轉角（向最大回轉角（180 ）6）軸的周向和軸的周向和x軸的最小設定單位（脈沖當量軸的最小設定單位（

33、脈沖當量 0.01mm/p）7）定位精度（）定位精度（ 0.1mm以內）以內）8）傳感器（旋轉編碼器）（）傳感器（旋轉編碼器）（1000p/r）321 軸伺服傳動系統設計軸伺服傳動系統設計1）總傳動速比及其分配）總傳動速比及其分配(1)確定總傳動比確定總傳動比脈沖當量脈沖當量 ，分辨率分辨率 ，工件基準直徑，工件基準直徑 ，總傳動比總傳動比: pmm/01. 0rps/1000mmD29.509160229.509100001. 0222Dsi（2）傳動速比的分配）傳動速比的分配各級傳動速比的分配按重量最輕和輸出軸轉角誤差最小原各級傳動速比的分配按重量最輕和輸出軸轉角誤差最小原則分配三級傳動如

34、下：則分配三級傳動如下： 520100121zzi42080342zzi835353528056673zzzzi33軸軸傳動系統圖傳動系統圖 342）電動機轉速計算）電動機轉速計算工件的圓周速度工件的圓周速度 min/3001001mmv 則工件轉速為：則工件轉速為： min/25.1175. 329.509)300100(606011rDvn電動機轉速電動機轉速 min/18006001rinnm353）等效負載轉矩）等效負載轉矩 計算計算elM回轉體的重量（工件、夾具、主軸及大齒輪）回轉體的重量（工件、夾具、主軸及大齒輪） NW2000主軸承的摩擦系數主軸承的摩擦系數 ，02. 0， 主軸

35、承直徑主軸承直徑mmD100 主軸承上產生的摩擦負載轉矩主軸承上產生的摩擦負載轉矩mNDWMf221（1）軸承的摩擦轉矩）軸承的摩擦轉矩（2）工件的偏心轉矩）工件的偏心轉矩NW1001mml200mNlWMl201elM工件的不平衡重力工件的不平衡重力，工件重心偏置距離工件重心偏置距離工件不平衡負載轉矩工件不平衡負載轉矩折算到電機軸上的等效負載轉矩折算到電機軸上的等效負載轉矩 mNiMMMlfel165. 012 . 1)(364） 等效轉動慣量等效轉動慣量計算計算（1）傳動系統換算到電機軸的轉動慣量）傳動系統換算到電機軸的轉動慣量21.8 . 8cmkgJ 37（2）工件轉動慣量換算到電機軸

36、上轉動慣量為）工件轉動慣量換算到電機軸上轉動慣量為2JNW45022.36. 1cmkgJ根據工件的尺寸和材料可得其重力根據工件的尺寸和材料可得其重力將其換算到電動機軸上的轉矩為：將其換算到電動機軸上的轉矩為：eJ（3）等效轉動慣量）等效轉動慣量5）初選伺服電動機）初選伺服電動機2321.10016. 1mkgJJJe38mNtttMtMMelellr165. 05 . 05 . 05 . 0165. 05 . 0165. 0)(22212212電動機長期連續在變負載下工作，按方均根負載初選電動機電動機長期連續在變負載下工作，按方均根負載初選電動機計算電動機功率計算電動機功率mPKWnMPlr

37、lrm159)5 . 25 . 1 (min/1800rnnmlr傳動系統的效率傳動系統的效率 95. 0KWnMPlrlrm082. 0049. 0159)5 . 25 . 1 (3940初選初選IFT5042型交流伺服電動機，額定轉矩為型交流伺服電動機，額定轉矩為 mNMN75. 0min/2000rnN24102 . 1mkgJm額定轉速額定轉速，轉子慣量，轉子慣量根據慣量匹配原則有根據慣量匹配原則有35 . 8/meJJ改選北京凱奇拖動控制系統有限公司生產的中慣量交流伺改選北京凱奇拖動控制系統有限公司生產的中慣量交流伺服電動機服電動機SM02型，其功率型，其功率0.3KWmNMN 2m

38、in/2000maxrn24102 . 4mkgJm34 . 2/meJJ額定轉矩為額定轉矩為最高轉速最高轉速轉子慣量轉子慣量慣量匹配慣量匹配416）計算電動機需要的轉矩）計算電動機需要的轉矩mM電動機需要的轉矩電動機需要的轉矩 elamMMM當電機轉速為當電機轉速為 min/600rnmmNMtnJJMMMelmemelam355. 0)(6021當電機轉速為當電機轉速為 min/1800rnmmNMtnJJMMMelmemelam735. 0)(6021427）伺服電動機確定）伺服電動機確定21KKMMlrn均方根轉矩中均方根轉矩中 mMMM21mNMtttMtMMmlr735. 0355

39、. 0)(21222121故有故有26. 17 . 26 . 5735. 02355. 02lrnMM表明電動機的轉矩能滿足要求，不必進行發熱校核。表明電動機的轉矩能滿足要求，不必進行發熱校核。438）定位精度分析）定位精度分析該軸的誤差主要由傳動系統的末級精度確定，因而末級傳動該軸的誤差主要由傳動系統的末級精度確定，因而末級傳動精度要求根據周向定位精度精度要求根據周向定位精度 確定，確定，mm1 . 0則有主軸上的轉角誤差為：則有主軸上的轉角誤差為：)(35. 129.50918021 . 01802D442 軸的伺服傳動系統設計軸的伺服傳動系統設計X X軸系傳動系統軸系傳動系統451）根據

40、脈沖當量確定絲杠導程）根據脈沖當量確定絲杠導程spt或中間齒輪傳動速比或中間齒輪傳動速比ipmm/01. 0rps/1000線位移脈沖當量線位移脈沖當量，分辨率，分辨率脈沖編碼器軸上的步距角脈沖編碼器軸上的步距角 )/(36. 01000360pb折算到電機軸上的步距角為折算到電機軸上的步距角為 )/(45. 025. 1pbmx軸由電動機直接驅動，其中間齒輪傳動速比為軸由電動機直接驅動，其中間齒輪傳動速比為i1。根據。根據線位移脈沖當量的定義可知，線位移脈沖當量的定義可知，mmitmsp845. 0360101. 0360timsp360462）所需電動機轉速計算）所需電動機轉速計算工作臺線

41、速度工作臺線速度min/60002mmv mnmin/750860002rtvnspm所需電動機轉速所需電動機轉速由此可得編碼器上的轉速由此可得編碼器上的轉速min/60025. 1rnnmr473）等效負載轉矩）等效負載轉矩 計算計算elM（1）移動體轉換到電機軸上的轉矩）移動體轉換到電機軸上的轉矩NW20000已知移動體的重量（工件、主軸系及工作臺）已知移動體的重量（工件、主軸系及工作臺）065. 09 . 0貼塑導軌的摩擦系數貼塑導軌的摩擦系數，滾珠絲杠副的傳動效率，滾珠絲杠副的傳動效率 移動時的摩擦力移動時的摩擦力NWF13001移動體轉換到電機軸上的負載轉矩移動體轉換到電機軸上的負載

42、轉矩 mNWtMsp839. 19 . 02008. 020000065. 021（2）預緊力產生的摩擦轉矩）預緊力產生的摩擦轉矩NFF33.43331123 . 0m預緊力預緊力，螺母內部的摩擦系數絲杠預緊后的摩擦轉矩絲杠預緊后的摩擦轉矩mNtFMspm1656. 0222電動機軸上的等效負載轉矩為：電動機軸上的等效負載轉矩為： mNMMMel0056. 221484）等效轉動慣量的計算）等效轉動慣量的計算（1）移動體轉動慣量）移動體轉動慣量1J2221.3308. 0)2008. 0(8 . 920000)2(mkgtgWJsp（2）傳動系統折算到電機上的轉動慣量）傳動系統折算到電機上的轉

43、動慣量2J該傳動系統的轉動慣量該傳動系統的轉動慣量2J（含滾珠絲杠、齒輪及編碼器）（含滾珠絲杠、齒輪及編碼器）2221012. 2mkgJ等效轉動慣量等效轉動慣量 2221.1045. 2mkgJJJe495）初選）初選DC伺服電動機的型號伺服電動機的型號根據等效轉動慣量根據等效轉動慣量22.1045. 2mkgJe 等效負載轉矩等效負載轉矩mNMel0056. 2 5051初選電機型號為初選電機型號為CN-800-10 ， 額定轉矩為額定轉矩為mNMN30. 8 221091. 0mkgJm369. 291. 045. 2/meJJ轉子慣量轉子慣量則有慣量匹配則有慣量匹配mMelamMMMs

44、t5 . 016) 計算電動機需要的轉矩計算電動機需要的轉矩電動機需要的轉矩電動機需要的轉矩，加速時間，加速時間 min/750rnm9 . 0當電機轉速為當電機轉速為滾珠絲杠的傳動效率滾珠絲杠的傳動效率 mNMtnJJMMMelmemelam87. 7)(6021527）伺服電機的確定）伺服電機的確定（1）伺服電機安全系數檢查）伺服電機安全系數檢查21KKMMlrnmlrMMlrM與與軸相同，軸相同，方均根轉矩，方均根轉矩故有故有26. 1055. 187. 730. 8lrnMM由于該電機的安全系數較小，必須進行溫升檢查由于該電機的安全系數較小，必須進行溫升檢查 （2）熱時間常數的檢查）熱

45、時間常數的檢查stp1min70tht工作周期工作周期熱穩定常數熱穩定常數thptt4153（3）電機的）電機的n和的檢查的檢查mstm10mste7 . 4，則有則有機械時間常數機械時間常數電氣時間常數電氣時間常數sradsradttemn/80/9 .145107 . 410101133729. 0107 . 41010212133emtt該值接近最佳阻尼比該值接近最佳阻尼比707. 0548）電動機溫升的檢查）電動機溫升的檢查連續工作循環條件下連續工作循環條件下 （1）加速時的電樞電流）加速時的電樞電流aITmaKMITKAcmNKT/92電機轉矩常數電機轉矩常數，AKMITma55.

46、892787（2）溫升的第一次估算）溫升的第一次估算1tatR當溫度為當溫度為時，對應的電樞電阻時，對應的電樞電阻為)20(1093. 31 1320tRRat20RC2078. 020R：時的電樞電阻時的電樞電阻 55 直流電機運轉時產生各種損耗，這些損耗轉變為熱直流電機運轉時產生各種損耗，這些損耗轉變為熱能。一方面使繞組、鐵心等部件的溫度升高，另一能。一方面使繞組、鐵心等部件的溫度升高，另一方面通過電機繞組、鐵心和機座表面散逸到周圍空方面通過電機繞組、鐵心和機座表面散逸到周圍空氣中去。氣中去。 電機發熱部分的溫度與外部的環境溫度之差稱為溫電機發熱部分的溫度與外部的環境溫度之差稱為溫升。升。 溫升有一定的限度。受絕緣材料耐熱性能的限制，溫升有一定的限度。受絕緣材料耐熱性能的限制，如導線的允許溫升由導線絕緣材料的耐熱程度而定；如導線的允許溫升由