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1、伺服传动系统设计主要过程,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,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、成本等因素。,执行机构方案的选择,传动机构实质上
2、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，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即
3、,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,控制系统方案的选择,导轨的选择：,滚动导轨,气浮导轨、液体导轨,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,根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取 =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,混合式：兼以上二者优点，但价格高,反应式： 小、f 高、价格低，功耗大,永磁式： 大、f 低，功耗小，断电后仍有制动力矩,计算系统转动惯量,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
4、较大时，采用多级齿轮传动,齿轮传动级数增加时，使齿隙和静摩擦增加，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：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,折算到电机轴的等效转动惯量Jd计算公式为：,步进电机负载转矩计算：,步进电机最大静转矩确定：,验算惯量匹配,步进电机最大启动频率确定：,步进电机最大运行频率确定：,根据启动频率特性曲线： Tq 对应的 fqmax ，实际运行的fq fqmax,根据运行频率特
5、性曲线： TL 对应的 fmax ，实际运行的f fmax,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（Jm=0.00005kgm2）,大惯量电机（Jm=0.1-0.6kgm2）,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i和丝杠导程p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。,计算死区误差,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 运动间的差值,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）,传动机构中的间隙,导轨副间的摩擦力,由综合拉压刚度而产生的死区误差：,F为轴向负载力,由于传动刚度变化
6、引起定位误差为：,对于开环系统,为系统允许的定位精度,验算固有频率,固有频率的计算公式为：,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,误差来源,误差校正,步进电机：步进电机的步距误差，一般在 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；,齿轮传动：齿轮副的传动误差和间隙会对系统造成误差；,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 刚度不足，会产生传动误差；,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 传动误差。,1、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 动惯量、
7、提高传动刚度、提高固有频率等；,2、电子校正：,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,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。 例: 测量得到的反向死区误差为0.016mm，系统的脉冲当量为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？,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。,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，提高精度。,拨码开关应预置到3档，消除误差为 3*0.
8、005=0.015mm,反馈补偿型的开环控制系统原理如下：,e=s机-s电,补偿脉冲,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： 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，特别是提高了低速时的平滑性。,选择伺服电机类型,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： 调速范围宽且稳定，速比大，低速（0.1r/min）时,速度稳定性仍好； 负载特性硬（受负载冲击，速度稳定性好），过载能力强； 响应速度快，从零转速到1500r/min，时间在0.2s内，角加速度达400rad/
9、s2 能够频繁启动、制动、反转、加减速等。,国外伺服电机品牌：,德国：SIEMENS公司、FANUC公司等,美国：AB公司、PARKER公司,法国：ALSTHOM公司,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,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。,静压导轨：0.02,滑动导轨：0.02-0.3,滚动导轨：0.02-0.05,确定系统增益 k 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 k= 815/s,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 为：,阻尼比,五、丝杠
10、工作台的简化模型,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：,机械传动方案选择； 初选丝杠直径； 计算总传动比； 计算等效转动惯量，并验算惯量匹配； 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。 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 弹簧质量阻尼系统。,图示 丝杠工作台系统的动力学模型,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
11、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),影响系统动特性的主要参数是 和 ，由 k、m、 c 决定。,设计举例 设计一步进电机开环控制的系统，已知系统的脉冲当量为0.01MM,采用步进电机直接联丝杠的驱动方式.丝杠的螺距为6MM,试问:（10分） （1）步进电机的步距角选多大为佳? （2）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速度达到2米/分,步进电机的运行频率是多少? （3）如果选定的步进电机矩-频特性见下表,当系统等效到电机轴的负载转矩为3.5N
12、.M时,该电机能否以(2)所求得的运行频率顺利启动?如果不可以在不改动所选择的电机情况下可以采取哪些措施来满足要求?,解：（1） 步距角选小于0.60为好. (2) (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.,可以采取的有效措施有: (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. (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.,
