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1、第一章 电动执行器基础 SMC（中国）有限公司 营业技术 乐磊 第一节 电动执行器 1.什么是执行器执行器？ 气动执行器（气缸） 电动执行器（电缸） 将“能量”转化为“运动量” 输入能量为“压缩空气（势能）” 输入能量为“电源（电能）” 第一节 电动执行器 2.什么是电动执行器电动执行器？定义？ 传统定义： 电动机带动螺杆旋转，通过螺母 来驱动滑台作往复直线运动的元件，称 为电动执行器，也称为电缸。 导轨：承担负载导轨：承担负载 丝杠，螺母：传动部分丝杠，螺母：传动部分 滑台：安装工件滑台：安装工件 联轴器：传动部分联轴器：传动部分 电机：电机： 驱动部分驱动部分 电动机电动机（通过（通过联轴
2、器联轴器）带动）带动螺杆（丝杠）螺杆（丝杠）旋转，通过旋转，通过螺母螺母来驱动来驱动滑台滑台作往复直线运动的作往复直线运动的 元件。元件。 3.电动执行器的结构电动执行器的结构 旋转连接旋转连接 消除电机主轴和丝杠之间的消除电机主轴和丝杠之间的 各种误差各种误差 平行平行 角度角度 补偿距离补偿距离 3.1 联轴器 传动部件传动部件将旋转运动转换成直线运动将旋转运动转换成直线运动. . 重复精度重复精度通常通常是是由传动部件由传动部件种类决定的种类决定的. . 丝杠丝杠 同步带同步带 丝杠：精度高（丝杠：精度高（0.02，0.05，0.1mm）、负载能力强）、负载能力强 同步带：行程长，速度快
3、（导程大），维护频次高同步带：行程长，速度快（导程大），维护频次高 3.2 传动部分 气缸的寿命取决于活塞杆的密封气缸的寿命取决于活塞杆的密封, ,但是电动执行器取决于进给丝杠但是电动执行器取决于进给丝杠/ /同步带的同步带的 寿命。寿命。 影响寿命的主要因素：影响寿命的主要因素：1 1）滚珠丝杠）滚珠丝杠内滚珠的脱落内滚珠的脱落； ；2 2）丝杠、导轨的）丝杠、导轨的磨损。磨损。 /2n)(tF = = 丝杠效率丝杠效率（ （滚珠丝杠滚珠丝杠0 0、滑动丝杠滑动丝杠） t = t = 电机扭矩电机扭矩（）（） l = l = 螺距螺距（ （mmmm） ） = = 推力推力 LJ1H20 最大
4、速度（最大速度（mm/s） 额定扭矩（额定扭矩（Nm） 导程导程5 250 360 导程导程10 500 180 导程导程20 1000 90 导程定义：导程定义： 圆柱面上的一条螺旋线与该圆柱面的一条直母线的两个相邻交点之间的距离。圆柱面上的一条螺旋线与该圆柱面的一条直母线的两个相邻交点之间的距离。 丝杠（丝杠（导程导程）是执行器运行速度的是执行器运行速度的决定决定因素之一因素之一。 。 电机转速相同时，导程越大，滑台移动速度越快。扭矩相同时，导程小输出推力大。电机转速相同时，导程越大，滑台移动速度越快。扭矩相同时，导程小输出推力大。 3.2.1 传动部分:丝杠导程导程 丝杠：精度高、负载能
5、力强丝杠：精度高、负载能力强 类型类型 价格价格 精度（精度（mm） 噪音（噪音（dB） 寿命（寿命（km） 滚珠丝杠滚珠丝杠 低低 0.05 59 8000以上以上 研磨滚珠丝杠研磨滚珠丝杠 高高 0.02 58 8000以上以上 滑动丝杠滑动丝杠 低低 0.1 6 4000以上以上 研磨加工后可提高精度研磨加工后可提高精度 丝杠螺母之间有润滑剂，通过滑动配合丝杠螺母之间有润滑剂，通过滑动配合 3.2.1 传动部分:丝杠 同步带：行程长，速度快（导程大），维护频次高同步带：行程长，速度快（导程大），维护频次高 同步带的检查：每同步带的检查：每6个月个月/500km/100万次（以先达到为标准
6、）万次（以先达到为标准） 3.2.2 传动部分:同步带 丝杠丝杠 同步带同步带 3.2 传动部分 电动执行器上安装了导轨用以克服电动执行器上安装了导轨用以克服 作用于丝杠上的负载、扭矩作用于丝杠上的负载、扭矩. . 根据负载的重量、安装方式等选择根据负载的重量、安装方式等选择 导轨类型导轨类型. . 高刚性直动导轨 滑动导轨 3.3 导轨 直流电机 直流电机结构：定子为永磁铁，转子为线圈；直流电机结构：定子为永磁铁，转子为线圈； 电流通过时，由电磁感应产生力矩，驱动转子电流通过时，由电磁感应产生力矩，驱动转子 转动；转动； 换向器（电刷）保证线圈转动方向一定换向器（电刷）保证线圈转动方向一定。
7、 。 左手法则确定导线受力方向 （製） 3.4 电机 转子和定子呈齿状，控制信号为脉冲信号，每个脉冲转动的角度一定。转子和定子呈齿状，控制信号为脉冲信号，每个脉冲转动的角度一定。 普通的步进电机不带编码器，属于开环控制，外部蛮力干扰或者其他因素可普通的步进电机不带编码器，属于开环控制，外部蛮力干扰或者其他因素可 能导致失步，作动不到位，可外带安装编码器。能导致失步，作动不到位，可外带安装编码器。 * *SMCSMC的步进电机都追加了编码器。的步进电机都追加了编码器。 3.4.1 步进电机 極（上歯50歯） A 励磁 極 励磁 極 極（下歯50歯） B A B 励磁 極 励磁 極 各1.8360
8、200 （50歯歯）2 B A A B 转子部分：电枢绕组 定子部分：主磁极 進 （回転） 转子展开状态 3.4.1 步进电机动作原理 2相 5相 扭矩 大 小 振动 大 小 速度 相同 3.4.1 步进电机相 步进角：每接受一个脉冲，电机轴转动的角度步进角：每接受一个脉冲，电机轴转动的角度 例：步进角1.8度（SMC-2相步进电机电动执行器） 每接受一个脉冲，电机输出端转动1.8度。 若：电机输出端配合丝杠导程为12mm 每接受一个脉冲滑台移动距离为? 最大脉冲输入频率：驱动脉冲最高频率最大脉冲输入频率：驱动脉冲最高频率 例：10KHz 若：步进角1.8度，丝杠导程12mm。 最高速度为？
9、额定电源电压、额定电源电压、功率（功率（电流电流）。）。 导程：丝杠每转动一圈滑台移动的距离。导程：丝杠每转动一圈滑台移动的距离。 12*1.8/360=0.06mm 0.06mm*10K=600mm/s 3.4.1 步进电机规格参数 正脉冲正转，负脉冲反转。正脉冲正转，负脉冲反转。 脉冲发得快，电机转得快；脉冲发得慢，电机转得慢。脉冲发得快，电机转得快；脉冲发得慢，电机转得慢。 无内置编码器无内置编码器, , 旋转的角度无反馈。旋转的角度无反馈。 SMCSMC步进电机型电缸已追加编码器。步进电机型电缸已追加编码器。 步进电机的输出力矩随转速升高而降低步进电机的输出力矩随转速升高而降低 如果断
10、电如果断电/ /过负载等异常，会导致失步过负载等异常，会导致失步. . 3.4.1 步进电机特点 转子为永磁铁。定子为电磁线圈，自带编码器，可随时检出回转状态及位转子为永磁铁。定子为电磁线圈，自带编码器，可随时检出回转状态及位 置反馈置反馈。 。 特点：特点： 高速高速稳定性好。稳定性好。 低噪音低噪音。 。 3.4.2 AC伺服电机结构 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在 此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈 值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。 3.4.2 AC伺服电机工作原理 如果在特定的位置上有使电动执行器
11、停止的原因如果在特定的位置上有使电动执行器停止的原因( (不同步产生不同步产生 丢码丢码) ), , 其数值作为反馈和偏差被送到驱动记数器里其数值作为反馈和偏差被送到驱动记数器里. . 译码器有相对增量和绝对增量两种译码器有相对增量和绝对增量两种. . 相对增量相对增量 绝对增量绝对增量 如果发生紧急制动或停电现象，如果发生紧急制动或停电现象， 需返回原点需返回原点 便宜便宜 即使停电，不需要重新设定即使停电，不需要重新设定 的重新运动是可能的的重新运动是可能的. . 昂贵昂贵 光偶合二极管 光偶合二极管 轴 轴 旋转板 发光二极管 发光二极管 旋转板 零信号缝隙 缝隙 零信B缝隙 零信A缝隙
12、 3.4.2 AC伺服电机编码器（Encoder） 直流伺服和交流伺服直流伺服和交流伺服 交流伺服功率大，驱动能力强。交流伺服功率大，驱动能力强。 交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。 直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 编码器分辨率编码器分辨率 例：例：20002000脉冲脉冲/ /转转 电机输出端每转电机输出端每转360360度，编码器可读取度，编码器可读取20002000个脉冲。个脉冲。 若：丝杠导程为若：丝杠导程为12mm12mm 每个脉冲对应的滑台移动距离为每个脉冲对应的
13、滑台移动距离为12/2000=0.006mm12/2000=0.006mm 3.4.2 AC伺服电机特点、参数 整流部整流部 将电源从交流变成直流。将电源从交流变成直流。 平滑回路部平滑回路部 将整流后的脉动除去使直流变得平整。将整流后的脉动除去使直流变得平整。 变频部变频部 将直流变换成频率可变的交流，带力学抱闸。将直流变换成频率可变的交流，带力学抱闸。 控制回路部控制回路部 主要控制变频部，同时有反馈、控制模式切换（位置、速主要控制变频部，同时有反馈、控制模式切换（位置、速 度、力矩）功能。度、力矩）功能。 3.4.2 伺服电机控制回路 参参 数数 步进电机系统步进电机系统 伺服电机系统伺
14、服电机系统 力矩范围力矩范围 中小力矩（一般在中小力矩（一般在20Nm20Nm以下）以下） 小中大，全范围小中大，全范围 速度范围速度范围 低（一般在低（一般在2000RPM2000RPM以下，大力矩电机以下，大力矩电机 小于小于1000RPM1000RPM） 高（可达高（可达5000RPM5000RPM）, ,直流伺服电机更直流伺服电机更 可达可达1212万转万转/ /分分 控制方式控制方式 主要是位置控制主要是位置控制 位置位置/ /转速转速/ /转矩方式转矩方式 平滑性平滑性 低速时有振动低速时有振动 好，运行平滑好，运行平滑 精精 度度 一般较低，细分型驱动时较高一般较低，细分型驱动时
15、较高 高（具体要看反馈装置的分辨率）高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性矩频特性 高速时，力矩下降快高速时，力矩下降快 力矩特性好，特性较硬力矩特性好，特性较硬 过载特性过载特性 过载时会失步过载时会失步 可可310310倍过载（短时）倍过载（短时） 反馈方式反馈方式 大多数为开环控制，也可接编码器大多数为开环控制，也可接编码器 防止失步防止失步 闭环方式，编码器反馈闭环方式，编码器反馈 编码器类型编码器类型 光电型旋转编码器光电型旋转编码器 （增量型（增量型/ /绝对值型），旋转变压器型绝对值型），旋转变压器型 响应速度响应速度 一般一般 快快 温温 升升 运行温度高运行温度高 一般一般 维护性维护性 基本可以免维护基本可以免维护 较好较好 价价 格格 低低 高高 3.5电机区别 3.5 电机区别电机区别 AC Servo motor Step motor Servo motor Speed Workload 电动执行器的关键参数电动执行器的关键参数
