机电装备设计分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.3.4 电伺服传动系统设计 2.3.5 齿轮传动间隙的消除 2.4 微量进给装置设计
本节课 内容
机电装备设计分析
2.3.4 电伺服传动系统设计
电伺服传动系统中，执行部 件运动是靠脉冲信号来控制。
要求：传动系统动作灵敏，低惯 量，定位精度好，运动平稳， 高可靠性，低噪声，具有适宜 的阻尼比及传动机构无反向间 隙。
机电装备设计分析
按最小等效转动惯量原则分 配小功率传动系统的总速比时， 可采用列线图确定各级传动比。
按“等效转动惯量最小原则”确定级数和各级传动 速比时，由高速级到低速级，各级传动速比是逐级增加的， 即传动速比的分配次序是“前小后大”原则。而且级数越 多，总等效惯量越小。
机电装备设计分析
2）重量最轻原则（小功率传动系统）
机电装备设计分析
2）最佳总速比
定义：使传动系统等效负载力矩最小或负载加速度最大的
总速比。（i＞1)
包括：负载加速度最大的总速比 等效峰值综合负载转矩最小的总速比 等效方均根综合负载转矩最小的总速比
机电装备设计分析
◆负载加速度最大的总速比
TL和Tf 换算到电动机轴上分别为TL/i和Tf/i，JL换算到 电动机轴上为JL/i。
计量。
12Jzωm 2 12Jmωm 2 12Jgωg2 12JLωL2 Jz JmJg Ji2L
机电装备设计分析
1）传动系统负载的综合
● 峰值力矩特性折算到电动机的负载峰值力矩
TLmP
TLP
i
T fP
i
(Jm
Jg
JL
i 2
) m
i m L
m LP
, m
i LP
TLmP
TLP
i
T fP
i
(Jm
Jg
JL
i 2
)i LP
折算到电动机轴上的负载峰值力矩是总速比i的函数。
机电装备设计分析
式中
i 电动机到执行件的速比 TLP 作用在负载轴上的峰值 力矩 TfP 作用在负载轴上的摩擦 峰值力矩 J m 电机转子转动惯量 J g 传动轴各转动件折算到 电机轴上的转动惯量 J L 负载轴上的转动惯量
Jg
J 1 (1 i12
1 i12
i2 i14
),
令
J
g
/ i1
0,得
i2
i14
2
1，当
i14＞＞
1时，
i2
i14 i12 22
1
1
i1 ( 2i2 ) 2 (2i 2 ) 6
机电装备设计分析
对于n级齿轮系作同类分析可得
例：有i＝80、n=4的小功率传动系统，按等效转动惯量最 小原则分配传动比。
动力学方程为
Tm
(TL Tf
i
)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(Jm
Jg
iJ2L )m
(Jm Jg iJ2L )L i
L (TJmmiJg(T)iL2TfJ)L
机电装备设计分析
令L/i0，得负载加速度 总最 速大 i比 a 的
若令齿轮系的传动效率η＝1，忽略负载转矩TL和摩擦转矩Tf， 同时令Jg＝0，则
ia
JL Jm
上式说明，负载加速度最大的总速比与负载转动惯量有关。
式中 nmax 电机的最大转速r（/min) vmax 工作台最大移动速度m（m/min)
设计机电装备伺服传动系统时，通过选用最佳传动速比i实 现负载特性的更好匹配或降低转动惯量。
机电装备设计分析
2、最佳总传动速比
伺服动力驱动要克服的负载力矩有两种典型情况。 □ 峰值力矩：电动机最严重的工作情况； □ 方均根力矩：电动机长期连续地在变载荷下工况的统
最佳总速比实现了功率的最佳传递。
机电装备设计分析
3、总速比的分配
伺服系统的总速比较大时，可采用 谐波齿轮实现同轴传动；也可采用多 级齿轮传动。圆柱齿轮机构具有一系 列优点，应用普遍，针对这种机构组 成的多级传动链，介绍各级传动速比 确定的原则和方法。
1）最小等效转动惯量原则（小功率传动系统） 齿轮系中各转算 动到 惯电 量动 折机轴转 上动 的惯 等量 效
机电装备设计分析
◆等效方均根综合负载转矩最小的总速比
T L mr(T iη L)2(T iη f)2[J (mJgiJ 2L η)iεL]2
令T m / i 0，得等效方均根 Lr
综合负载转矩最小的速总比i
机电装备设计分析
☆ 当伺服电机与负载通过“折算峰值力矩最小”的总 速比进行匹配时，电动机克服负载峰值力矩所消耗的 能量就最少； ☆ 当伺服电机与负载通过“折算方均根力矩最小”的 总速比进行匹配时，电动机克服负载方均根力矩所消 耗的能量就最少； ☆ 当通过“角加速度最大”的总速比进行匹配时，电 动机的输出转矩有一半用于加速负载，一半用于加速 电机转子。
传动装置的效率 LP 负载轴上的峰值角加速 度
机电装备设计分析
● 方均根力矩特性折算到电动机轴上的方均根力矩
T L mr(T iη L)2(T iη f)2[J (mJgiJ 2L η)iεL]2
式中 TL 负载轴上的方均根力矩 Tf 静摩擦力矩 εL 负载轴上的方均根角速加度
折算到电动机轴上的负载方均根力矩是总速比i的函数。
机电装备设计分析
◆ 等效峰值综合负载转矩最小的总速比 T L m P T iL ηP T iη f P (JmJgiJ 2L η)iεLP 令TLmP/i0，得等效峰值 转综 矩合 最负 小载 的 ip
代入等效峰值转， 矩经 原整 式理得 12Tm (JmJg)ipεLP
上式说明，在最佳总速比上，电动机的输出转矩Tm有 一半用于克服负载TL，一半用于电动机的转子和传动装置。
Jg J1(ZZ12)2[(J1J2)(ZZ43)2(J3JL)]
J1J1i12J2
J3JL i12i22
机电装备设计分析
在小功率伺服系统中，一般负载较小，特别是总传动速比 较大时,负载转化到电动机轴上的转动惯量可忽略不计，则
Jg
J 1
J1 J2 i12
J3 i12 i 22
已知， i i1i2 , J 2 J 1i14 , J 3 J 1i24，代入后得
按重量最轻原则，小功率传动的各级传动速比相等。
机电装备设计分析
3）输出轴转角误差最小原则
1、传动速比 对于开环系统，脉冲当量δ
与步进电机的步距角θs决定机 械传动系统的传动速比i。
机电装备设计分析
速比 1 i θ m
u
θL
θs δ 360
t sp
θ s t sp δ 360
对于闭环系统，由驱动电动机的最高转速或转矩与机电
装备要求的最大进给速度或负载转矩决定传动速i。
i nmax tsp vmax
本节课 内容
机电装备设计分析
2.3.4 电伺服传动系统设计
电伺服传动系统中，执行部 件运动是靠脉冲信号来控制。
要求：传动系统动作灵敏，低惯 量，定位精度好，运动平稳， 高可靠性，低噪声，具有适宜 的阻尼比及传动机构无反向间 隙。
机电装备设计分析
按最小等效转动惯量原则分 配小功率传动系统的总速比时， 可采用列线图确定各级传动比。
按“等效转动惯量最小原则”确定级数和各级传动 速比时，由高速级到低速级，各级传动速比是逐级增加的， 即传动速比的分配次序是“前小后大”原则。而且级数越 多，总等效惯量越小。
机电装备设计分析
2）重量最轻原则（小功率传动系统）
机电装备设计分析
2）最佳总速比
定义：使传动系统等效负载力矩最小或负载加速度最大的
总速比。（i＞1)
包括：负载加速度最大的总速比 等效峰值综合负载转矩最小的总速比 等效方均根综合负载转矩最小的总速比
机电装备设计分析
◆负载加速度最大的总速比
TL和Tf 换算到电动机轴上分别为TL/i和Tf/i，JL换算到 电动机轴上为JL/i。
计量。
12Jzωm 2 12Jmωm 2 12Jgωg2 12JLωL2 Jz JmJg Ji2L
机电装备设计分析
1）传动系统负载的综合
● 峰值力矩特性折算到电动机的负载峰值力矩
TLmP
TLP
i
T fP
i
(Jm
Jg
JL
i 2
) m
i m L
m LP
, m
i LP
TLmP
TLP
i
T fP
i
(Jm
Jg
JL
i 2
)i LP
折算到电动机轴上的负载峰值力矩是总速比i的函数。
机电装备设计分析
式中
i 电动机到执行件的速比 TLP 作用在负载轴上的峰值 力矩 TfP 作用在负载轴上的摩擦 峰值力矩 J m 电机转子转动惯量 J g 传动轴各转动件折算到 电机轴上的转动惯量 J L 负载轴上的转动惯量
Jg
J 1 (1 i12
1 i12
i2 i14
),
令
J
g
/ i1
0,得
i2
i14
2
1，当
i14＞＞
1时，
i2
i14 i12 22
1
1
i1 ( 2i2 ) 2 (2i 2 ) 6
机电装备设计分析
对于n级齿轮系作同类分析可得
例：有i＝80、n=4的小功率传动系统，按等效转动惯量最 小原则分配传动比。
动力学方程为
Tm
(TL Tf
i
)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(Jm
Jg
iJ2L )m
(Jm Jg iJ2L )L i
L (TJmmiJg(T)iL2TfJ)L
机电装备设计分析
令L/i0，得负载加速度 总最 速大 i比 a 的
若令齿轮系的传动效率η＝1，忽略负载转矩TL和摩擦转矩Tf， 同时令Jg＝0，则
ia
JL Jm
上式说明，负载加速度最大的总速比与负载转动惯量有关。
式中 nmax 电机的最大转速r（/min) vmax 工作台最大移动速度m（m/min)
设计机电装备伺服传动系统时，通过选用最佳传动速比i实 现负载特性的更好匹配或降低转动惯量。
机电装备设计分析
2、最佳总传动速比
伺服动力驱动要克服的负载力矩有两种典型情况。 □ 峰值力矩：电动机最严重的工作情况； □ 方均根力矩：电动机长期连续地在变载荷下工况的统
最佳总速比实现了功率的最佳传递。
机电装备设计分析
3、总速比的分配
伺服系统的总速比较大时，可采用 谐波齿轮实现同轴传动；也可采用多 级齿轮传动。圆柱齿轮机构具有一系 列优点，应用普遍，针对这种机构组 成的多级传动链，介绍各级传动速比 确定的原则和方法。
1）最小等效转动惯量原则（小功率传动系统） 齿轮系中各转算 动到 惯电 量动 折机轴转 上动 的惯 等量 效
机电装备设计分析
◆等效方均根综合负载转矩最小的总速比
T L mr(T iη L)2(T iη f)2[J (mJgiJ 2L η)iεL]2
令T m / i 0，得等效方均根 Lr
综合负载转矩最小的速总比i
机电装备设计分析
☆ 当伺服电机与负载通过“折算峰值力矩最小”的总 速比进行匹配时，电动机克服负载峰值力矩所消耗的 能量就最少； ☆ 当伺服电机与负载通过“折算方均根力矩最小”的 总速比进行匹配时，电动机克服负载方均根力矩所消 耗的能量就最少； ☆ 当通过“角加速度最大”的总速比进行匹配时，电 动机的输出转矩有一半用于加速负载，一半用于加速 电机转子。
传动装置的效率 LP 负载轴上的峰值角加速 度
机电装备设计分析
● 方均根力矩特性折算到电动机轴上的方均根力矩
T L mr(T iη L)2(T iη f)2[J (mJgiJ 2L η)iεL]2
式中 TL 负载轴上的方均根力矩 Tf 静摩擦力矩 εL 负载轴上的方均根角速加度
折算到电动机轴上的负载方均根力矩是总速比i的函数。
机电装备设计分析
◆ 等效峰值综合负载转矩最小的总速比 T L m P T iL ηP T iη f P (JmJgiJ 2L η)iεLP 令TLmP/i0，得等效峰值 转综 矩合 最负 小载 的 ip
代入等效峰值转， 矩经 原整 式理得 12Tm (JmJg)ipεLP
上式说明，在最佳总速比上，电动机的输出转矩Tm有 一半用于克服负载TL，一半用于电动机的转子和传动装置。
Jg J1(ZZ12)2[(J1J2)(ZZ43)2(J3JL)]
J1J1i12J2
J3JL i12i22
机电装备设计分析
在小功率伺服系统中，一般负载较小，特别是总传动速比 较大时,负载转化到电动机轴上的转动惯量可忽略不计，则
Jg
J 1
J1 J2 i12
J3 i12 i 22
已知， i i1i2 , J 2 J 1i14 , J 3 J 1i24，代入后得
按重量最轻原则，小功率传动的各级传动速比相等。
机电装备设计分析
3）输出轴转角误差最小原则
1、传动速比 对于开环系统，脉冲当量δ
与步进电机的步距角θs决定机 械传动系统的传动速比i。
机电装备设计分析
速比 1 i θ m
u
θL
θs δ 360
t sp
θ s t sp δ 360
对于闭环系统，由驱动电动机的最高转速或转矩与机电
装备要求的最大进给速度或负载转矩决定传动速i。
i nmax tsp vmax