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第3章-动力体系设想
点击数: 2019-07-06

  西安科技大学机械工程学院 第3章 动力系统设想 ? 3.1 动力元件的品种和次要特征 ? 3.2 动力元件的选择取计较 西安科技大学机械工程学院 ?讲授方针 ? 1.控制常用的动力元件及特征 ? 2.控制动力元件的选择取计较方式 西安科技大学机械工程学院 3.1 动力元件的品种和次要特征 ? 动力元件:处于机械施行机构取微电子节制安拆的 接点(连接)部位的能量转换元件。 ? 正在微电子安拆节制下,将输入的各类能量转换为机械能, 如:电动机、电磁铁、继电器、油(气)缸、内燃机别离把 输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。 西安科技大学机械工程学院 3.1.1 动力元件的品种及特点 电动机 交换(AC)伺服电动机 曲流(DC)伺服电动机 步进电动机 其它电动机 液压马达 双金属片 外形回忆合金 压电元件 电气式 动 力 元 件 液压式 气压式 其它 电磁铁及其它 油缸 气缸 气动马达 取材料相关 西安科技大学机械工程学院 (1)电气式动力元件 ? 电气式元件: 节制电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、 超声波电动机、电磁铁 ? 机能特点: 1.稳速运转机能; 2.具有优良的加、减速机能; 3.伺服机能等动态机能; 4.屡次利用时的顺应机能; 5.便于维修机能。 西安科技大学机械工程学院 (2)液压式动力元件 ? 液压式元件 ? 液压式:来去活动油缸、反转展转油缸、液压马达 ? 新型数字式液压元件:电-液伺服马达、电-液步进马达 ? 最大长处: ? 1.比电动机转矩大,可间接驱动运转机构; ? 2.转矩/惯量比大,过载能力强,适合沉载加减速驱动; ? 3.电-液式马达正在强力驱动和高精度定位机能好,利用便利。 西安科技大学机械工程学院 (3)气压式动力元件 ? 气压式元件: ? 除用压缩空气做做工做介质外,取液压式元件无区别。 ? 具有代表性气压元件有:气缸、气压马达。 ? 错误谬误: 因为空气粘性差,具有可压缩性,不克不及正在定位精度较高的 场所利用。 西安科技大学机械工程学院 西安科技大学机械工程学院 3.1.2 对动力元件的根基要求 (1)惯量小,动力大,体积小,分量轻。 ? 惯量目标:m(曲线活动)、J(反转展转活动) ? 输出动力目标:推力F、转矩T、功率P ? 加减速目标:加快度a、角加快度ε 对曲线活动:a=F/m;对反转展转活动:P=ωT,ε=T/J。 ? 动力分析目标(含功率/加快/转速三要素):功率密度、比功率 功率密度(低频启停)、比功率(高频启停) 功率密度=P/G;比功率密度=(T2/J)/G,G为施行元件分量。 西安科技大学机械工程学院 3.1.2 对动力元件的根基要求 (2)安拆便利、便于维修。 最好不维修,无刷DC及AC伺服电机→无维修。 (3)易于实现从动化节制。 支流是电气式。 其次是液压式和气压式(正在驱动接口中需添加电-液或电-气变 换环节)。 内燃机定位活动的微机节制较难,常仅用于交通运输机械。 西安科技大学机械工程学院 3.1.3 机电系统常用的节制电动机 ? 节制用电动机:力矩电动机、脉冲(步进)电动机、变频 调速电动机、开关磁阻电动机、各类AC/DC电动机。 ? 节制用电动机:反转展转、曲线电动机 ? 通过电压、电流、频次(包罗指令脉冲)节制,实现定速、 变速驱动或频频起动、遏制的增量驱动以及复杂的驱动, 驱动精度随驱动对象分歧而分歧。 ? 机电一体化系统中常用的节制用电动机是指能供给准确运 动或较复杂动做的伺服电动机。 西安科技大学机械工程学院 西安科技大学机械工程学院 一、伺服系统 (一)概念 ●伺服系统定义:从动节制系统的一类——以挪动部件的 和速度做为节制量的从动节制系统。 底子使命:实现施行机构对给定指令的精确,即实现输出 变量的某种形态能从动、持续、切确地复现输入指令信号的变 化纪律。 ●伺服系统感化 接管机电安拆发来的进给脉冲指令信号,颠末信号变换和电 压、功率放大由施行元件(伺服电机)将其转换成角位移或曲 线位移,驱动活动部件实现加工所需要的活动。 西安科技大学机械工程学院 1、开环伺服系统 (1)构成:?步进电机; ?驱动节制电(节制器). 西安科技大学机械工程学院 1、开环伺服系统 (2)开环伺服系统特点 ① 没有和速度反馈回; ② 设备投资低,调试维修便利; ③ 精度差; ④ 高速扭矩小. (3)开环伺服系统使用场所 ①中、低档数控机床; ②通俗机床数控. 西安科技大学机械工程学院 2、闭环取半闭环伺服系统 (1)闭环伺服系统构成示企图 ?构成: ?节制器; ?功率驱动电; ?检测反馈安拆; ?伺服电机. 西安科技大学机械工程学院 (2)闭环伺服系统的特点 ①精度高 丈量没有两头环节,可通过闭环节制消弭整个环内传 动链的全数累积误差 闭环伺服系统的检测安拆安拆正在机床的工做台上,检 测安拆测呈现实位移量或者现实所处,并将丈量值反馈给 CNC安拆,取指令进行比力,求得差值,依此形成闭环控 制,曲赴任值为零. ②布局复杂、调整坚苦 因为闭环系统环内包含的机械传动部件比力多,因而 闭环系统布局复杂、调整坚苦. 西安科技大学机械工程学院 (3)半闭环取闭环伺服系统区别 ①半闭环检测安拆安拆 : 留意:半闭环检测 安拆安拆正在滚珠 丝杠或电机轴上,而不 是工做台上。 半开环系统 西安科技大学机械工程学院 (3)半闭环取闭环伺服系统区别 ②精度较低 传动链有一部门正在闭环以外,其传动误差没有得 到系统的弥补,因此半闭环伺服系统的精度低于闭环系统. ③调整比力容易 (4)半闭环和闭环伺服系统使用场所 留意: 半闭环系统使用较多,闭环系同一般只用正在精度要求较 高的大型数控机床上. 西安科技大学机械工程学院 伺服电动机节制体例的根基形式 指令输入 运算处置电 驱动电 1 234 5 步进 电动机 施行机构 滚珠丝杠 半 闭 指令输入 环 1 234 5 开环 运算处置电 反馈 驱动电 速度反馈 伺服 电动机 速度传感器 检测传感器 滑尺 闭 指令输入 环 1 234 5 运算处置电 驱动电 伺服 电动机 速度传感器 反馈 速度 西安科技大学机械工程学院 伺服电动机优错误谬误比力 西安科技大学机械工程学院 西安科技大学机械工程学院 西安科技大学机械工程学院 3.1.4 步进电动机及其驱动 一、步进电动机的特点取品种 1. 步进电动机 ? 寄义:又称脉冲电动机,将电脉冲信号转换成机械角位移。 ? 工做道理:输入一个电脉冲就动弹一步,即每当电动机绕组 接管一个电脉冲,转子就转过一个响应的步距角。 ? 特点:转子角位移大小、转速别离取输入电脉冲数、频次成 反比,并正在时间上取输入脉冲同步。 ? 节制体例:只需节制输入电脉冲数量、频次、电动机绕组通 电相序,即可获得所需转角、转速、转向,易微机数字节制。 西安科技大学机械工程学院 一、步进电动机的特点取品种 ?2.步进电动机具有以下特点: ①步进电动机的工做形态不易受各类干扰要素的影响(如电源电 压的波动、电流的大小取波形的变化、温度等)的影响,只需干 扰未惹起“丢步”现象,就不影响一般工做; ②步进电动机的步距角有误差,转子转过必然步数后也会呈现 累积误差,但转子转过一转当前,累积误差变为 “ 零 ” ,不会 持久堆集; ③节制机能好,正在起动、遏制、反转时不易“丢步”。 ④不需传感器进行反馈,可进行开环节制; ⑤错误谬误是能量效率较低。 因而,步进电动机被普遍用于开环节制的机电一体化系统, 使系统简化,并靠得住地获得较高精度。 西安科技大学机械工程学院 3.步进电动机的品种 (1)按转矩发生道理 ? 可变磁阻(VR-Variable Reluctance), 反映式步进电动机 ? 永磁(PM-Permanent Magnet)型 ? 夹杂(HB-Hybrid)型 (2)按输出力矩大小分 ①伺服式:输出力矩小于1(N·m),只能驱动较小负载,取液压 扭矩放大器共同驱动较大负载。 ②功率式:输出力矩5~50N·m以上,可间接驱动机床工做台等 较大负载。 西安科技大学机械工程学院 3. 步进电动机的品种 (3)按定子数分 ①单定子式; ②双定子式; ③三定子式; ④多定子式. (4)按各相绕组分布分 ①径向分相式:电机各相按圆周顺次陈列; ②轴向分相式:电机各相按轴向顺次陈列. (5) 按相数分 ①三相; ②四相; ③五相; ④六相. 西安科技大学机械工程学院 二、反映式步进电动机的工做道理 常见步进电机构制 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 径向三相反映式步进电机布局: 次要有2部门: ?定子: 铁心-蓝色 绕组-红、粉、绿色 ?转子 转轴-红色剖面 硅钢片-绿色 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 定子: ?定子上有6个平均分布 的磁极 ?每个磁极上绕有励磁 绕组 ?2个相对的磁极上的绕 组正在一路,形成1 相节制绕组,共构成3 对磁极 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ?可形成A、B、C三 相节制绕组 ? 定子每个磁极正对 的转子的圆弧面上 都平均分布着5个 小齿,齿取槽的宽 度相等 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ? 转子: 转子上无绕组,只 有平均分布的40个 小齿,大小、间距 取定子不异,齿间 夹角为9° 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ?三相定子磁极上的小齿正在空间上取转子顺次错 开1/3个齿距,如上图 ?当A相磁极上的小齿取转子上的小齿对齐时, B相磁极上的小齿刚好超前(或畅后)1/3齿,即3° C相磁极上的小齿超前(或畅后)2/3个齿,即6° 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 (1)步进电机的通电体例 ? 通电方式: 各相轮番通电。当某一相通电时,其它相必需断电。 ? 3种通电体例: ●单相轮番通电 ●双相轮番通电 ●单、双相轮番通电 ? 单相轮番通电(三相单三拍) ●顺时针:A→B→C→A… ●逆时针:A→C→B→A… 完成一次通电形态轮回,转子走3步,称三拍。故对 三相步进电机来说,称此通电体例为三相单三拍. 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ? 双相轮番通电(三相双三拍) ●顺时针:AB→BC→CA→AB… ●逆时针:BA→AC→CB→BA… 完成一次通电形态轮回,转子仍走3步,也称三拍, 但此时有两相通电,故对三相步进电机来说,称此 通电体例为三相双三拍. ? 单、双相轮番通电(三相六拍) ●顺时针:A→AB→B→BC→C→CA→A… ●逆时针:A→AC→C→CB→B→BA→A… 完成一次通电形态轮回,转子走6步,称六拍, 故对三相步进电机来说,称此通电体例为三相六拍. 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 步进电机的工做道理实 际上是电磁铁感化道理。 起首,看一个最简单的步 进电机——转子上只要4个齿 的步进电机。 西安科技大学机械工程学院 二、步进电机的工做道理 ①三相单三拍 ●顺时针转: A B 4 1 2 3 按挨次A→B→C→A… 通 电,正在感化下 , 转子总 是力求扭转到磁阻最小的 【磁阻最小道理】, 故 A 相通电时 ,A 相磁极被充 分磁化, B/C 相根基没有磁 通,转子转到图示 , 即 1、3齿取A、A′极对齐。 C B C A 红色虚线是磁通量分布 西安科技大学机械工程学院 同理,B相通电时,转子会转过30°角,2、4齿取 B’、B磁极对齐; C相通电时,转子再转过30°角,1、3齿和C?、C 磁极对齐。 西安科技大学机械工程学院 ? 这种工做体例下, 三个绕组轮番通电一次为一个轮回周期, 一 个轮回周期包罗三个脉冲,故称为三相单三拍工做体例。 按 A → B→ C→ A→ … 顺 序 给三相绕组轮番通电,转子 便一步一步按顺时针动弹。 每 一 拍 转 过 30°( 步 距 角 ) ,每个通电轮回周期 (3 拍)转过90°(齿距角)。 步距角和齿距角都是对 转子而言。 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ●逆时针转: B A 1 4 2 3 C B 阐发取顺时针雷同,不 再注释! C A 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 结论(三相单三拍): ●三相反映式步进电动机运转时,每个(定子通电的)循 环周期分为3拍(转子走3步)。 ●每拍转子转过的角度是 30° (步距角) , 一个定子通 电轮回周期( 3 拍)转子转过的角度是 90° ( 齿距角 ) 。 留意问题: ●运转不不变,易失步(通电相正在切换霎时,所有相都 断电而没有自锁转矩,可能会过冲或倒回) ●精度低(单三拍取六拍驱动体例比拟步进角大) 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ②三相六拍 按A→AB→B→BC→C→CA…的挨次 给三相绕组轮番通电,这种体例 能够获得更切确的节制特征。 ●A相通电,转子1、3齿取A、A’对齐. ●A、B不异时通电,A、A‘ 磁极拉住1、 3齿,B、B’ 磁极拉住2、4齿,转 子转过15°,达到左图所示. 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ●B 相通电,转子2、4齿 取B、B? 对齐,又转过15°. ●B、C不异时通电,C 、 C 磁极拉住1、3齿,B、B 磁极拉住2、4齿,转子再 转过15°. 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 结论(三相六拍): ●三相反映式步进电动机以三相六拍运转时,每个 轮回周期分为六拍. ●每拍转子转过15°(步距角),一个通电轮回周期 (6拍)转子转过90° (齿距角). 劣势: ●精度高。六拍驱动体例的步进角更小,更合用于 需要切确定位的节制系统。 ●运转不变,不易失步(切换时,总有一相连结通电), 如:由A相通电向AB相通电切换的时候,A一曲通电。 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ③三相双三拍 按AB→BC→CA…的挨次给三相绕组轮番通电,每 拍有两相绕组同时通电,道理不正在赘述。 结论: 取单三拍体例类似,双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30° (步距角), 一个通电轮回周期(3拍)转子转过90°(齿距角)。 长处: ●两不异时通电,强,力矩大; ●两不异时通电,运转平稳,不易失步。 思虑题:步进电机三种工做模式的区别! 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ④现实步进电机的工做道理 前面一起头的时候介 绍了转子上有 40 个齿的步 进电机的布局。因为其结 构比力复杂 , 为阐发便利 , 将转子和定子沿圆周标的目的 展开,可获得下图。 ? 当A相绕组通电时,转子的齿取定子A上的齿对齐; ? 当A相断电,B相绕组通电时,转子的齿取定子B上的 齿对齐,电机转过3°。 47 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ? 正向:当定子绕组按A→B→C→A…挨次轮番通电时, 三对 磁极就顺次发生,步进电机就不断的动弹. ? 反向:若通电挨次改为A→C→B→A…步进电机将沿相反方 向动弹. 结论: 对于转子上有40个小齿的三相步进电机: 1.三相单/双三拍:定子通电形态改变一次转子转过3°。 2.三相六拍:定子通电形态改变一次转子转过1.5°。 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 (3)小结 ①步进电机每步转过一个确定的角度,即步距角α α = 360 /(mzk ) 0 式中: ①m为相数, z为转子齿数, k为通电体例系数。 m相m拍时,如单或双相励磁时,k=1; m相2m拍时,如单双相励磁时,k=2。 ②转向:改变通电挨次,改变扭转标的目的; ③调速:通电频次越高,转速越高。 西安科技大学机械工程学院 二、步进电动机的工做道理 ? 步进电机次要特征:P29-30 1. 步距角误差:理论值取空载时现实值之差,一般10分摆布 步距角误差正在整转间不堆集,只存正在一转内 2.最高启动频次:从静止形态不丢步地俄然启动并进入一般运 行最高频次;随负载惯量增大而下降 3.最高持续工做频次:正在额定形态下逐步升速达到不丢步的连 续工做频次;弘远于最高启动频次 4.静态矩-角特征:静态下,如转子承受必然负载,则定转子 间就有一个角位移,电机就发生一个抗衡 负载转矩的电磁转矩以连结均衡,该电磁 转矩称为静态转矩、该角度称为失调角, 二者之间的关系称为矩-角特征。 5.动态矩-频特征:输出转矩取输入脉冲频次间的关系[反关系]。 西安科技大学机械工程学院 3.1.5 曲流(DC)取交换(AC)伺服电动机及驱动 ? 曲流电动机:具有优良的起、制动机能, 宜正在大范畴内滑润调速,正在很多需要调速 和快速正反向的电力拖动中获得普遍使用。 (一)曲流伺服电动机道理、特点 ? 1、工做道理 ? 永磁体定子、线圈转子(电枢)、电刷、换向器构成。 ? 永中的线圈通入电流时,线圈也发生电,两个 之间彼此感化即发生磁力,驱动转子动弹。 ? 为获得持续扭转活动,随转子转角要不竭改变电流标的目的【正 负相间才能沿一个标的目的】,因而必需有电刷和换向器。 ? 线圈断电时,即失磁【会有畅后】,遏制动弹。 西安科技大学机械工程学院 3.1.5 曲流取交换伺服电动机及驱动 2、 特点: ? 有较高的响应速度、精度和频次,优秀的节制特征; ? 因为利用电刷和换向器,寿命较低,需要按期维修; ? 正在和速度节制时,须利用角度传感器实现闭环。 停电之后转到哪里了需要记住! 西安科技大学机械工程学院 (二)曲流伺服电动机品种取选用 1. 品种 (1)小惯量曲流伺服电动机:60年代研制,其电枢无槽,绕 组间接粘接固定正在电抠铁心上,因此动弹惯量小、反映活络、 动态特征好,合用于高速且负载惯量较小的场所,不然需根 据其具体的惯量比设置细密齿轮副才能取负载惯量婚配,增 加了成本。 (2)曲流有刷电枢电动机:是一种盘形伺服电动机,电抠由 导电板的暗语成形,裸导体的线圈端部起整流子感化,这种 空心式高机能伺服电动机大多用于工业机械人、小型NC机床 及线)大惯量宽调速曲流伺服电动机:70年代研制成功。它正在 布局上采纳了一些办法,尽量提高转矩改善动态特征,既具 有一般曲流电动机的各项长处,又具有小惯量曲流电动机的 快速响应机能,易取较大的惯性负载婚配,能较好地满脚伺 服驱动的要求,因而正在数控机床、工业机械人等机电一体化 产物中获得了普遍使用。 西安科技大学机械工程学院 (二)、曲流伺服电动机品种取选用 2.选用 ? 宽调速曲流伺服电动机应按照负载前提来选择。加正在电动 机轴上的有两种负载,即负载转矩和惯性负载。 按照负载环境,所选电机必需能满脚下列前提: (1)正在整个调速范畴内,其负载转矩应正在电动机持续额定 转矩范畴以内; (2)工做负载取过载时间应正在的范畴以内; (3)应使加快度取但愿的时间分歧; (4)等效惯性负载取电机的转子惯量相婚配。 西安科技大学机械工程学院 (三)、曲流伺服电动机的驱动 ? 曲流伺服电动机为曲流供电,为调理电动机转速和标的目的,需 要对其曲流电压的大小和标的目的进行节制。 ? 常用晶体管脉宽调速驱动和晶闸管曲流调速驱动两种体例。 ? 节制体例见第7章。 西安科技大学机械工程学院 二、 交换(AC)伺服电动机及其驱动 ? 因为曲流伺服电动机具有优秀的调速机能,因而持久以来, 正在要求调速机能较高的场所,曲流电动机调速系同一曲占领 从导地位。 ? 但曲流伺服电动机布局上存正在机械整流子、电刷坚苦、 制价高、寿命短、使用遭到的错误谬误。 ? 近年来交换驱脱手艺有了飞速的成长,它具有坚忍耐用、经 济靠得住、动态响应好等长处。因而,交换伺服系统已正在很大 程度上代替了曲流伺服系统。 ? 交换伺服电动机包罗同步型、型两种。 西安科技大学机械工程学院 二、 交换(AC)伺服电动机及其驱动 ? 正在小功率伺服系统中,一般利用永磁式同步电动机,由于它 有优秀的动态机能,过载能力大等长处。 ? 型交换伺服电动机布局简单,质量轻,价钱低,可用做 从轴电机。 ? 目前的交换伺服驱动安拆一般采用DSP的全数字化节制。 ? 对交换伺服电动机的节制以矢量节制为根本。 西安科技大学机械工程学院 3.2 动力元件的选择取计较 ? 3. 2.1 概述 ? 设想机电系统时,选用何种形式的动力元件次要从以下三个 方面进行阐发比力: 阐发系统负载特征和要求,包罗系统的载荷特征、工做制 度、布局安插和工做等; 阐发动力元件本身机械特征,包罗动力元件的功率、转 矩、转速等特征,以及动力元件所能顺应的工做,应 使动力元件的机械特征取系统的负载特征相婚配; 经济性比力,当同时可用多品种型的动力元件进行驱动, 经济性的阐发是必不成少的,包罗能源的供应和耗损,动 力元件的制制、运转和维修成本的对比等。 西安科技大学机械工程学院 ? 按照各类动力元件特点,选择时可进行各类方案比力。 ? 起首,确定动力元件类型,然后按照系统负载特征计较动 力元件容量。有时,也可先预选动力元件,正在产物设想出 来后再进行校核。 ? 动力元件容量凡是指功率大小。功率P、转矩T、转速n间 关系为 ? 动力元件容量一般是由负载所需功率或转矩确定,而转速则取 动力元件至施行机构之间的传动方案相关。如有变速安拆,动 力元件的转速设想得可高于或低于系统转速【高了减速、低了 增速】。 西安科技大学机械工程学院 3.2.2机电系统的负载特征 ? 3. 2. 2. 1负载特征 ? 系统负载特征:指系统正在运转过程中,其活动参数 (位移、速 度等) 和力能参数 (转矩、功率等) 的变化纪律。 ? 动力侧需求:选择动力元件容量时,次要考虑系统正在输入动力 端需要的转矩 Tz 、 功率 Pz 、 转速 n 之间的关系,即 Tz=f(n) 、 Pz=f(n) ,所选动力元件应取这些特征相顺应。 ? 由施行侧换算:若系统施行机构端部转矩为 T′z 和功率 P′z ,中 间传动系统的传动比为i,机电系统总效率为η,那么Tz和Pz 为 西安科技大学机械工程学院 大大都机电系统的负载特征能够归纳为以下几品种型: ? (1) 恒转矩负载特征 定义:指负载转矩Tz 取其转速无关的特征,即当转速变化 时, Tz 连结。 分类:又分为性和位能性两种。 ? A.性恒转矩负载:感化标的目的随动弹标的目的而改变。 类型:摩擦负载转矩就具有如许的特征,负载转矩的标的目的总 是取活动标的目的相反。 实例:具有这类负载特征的系统有:物料移送机、运输 机、鼓风机等。 ? B.位能性恒转矩负载:感化标的目的不随动弹标的目的而变。 实例:响应的机电系统有:起沉机提拔机构、高炉料车卷扬 机构、矿井提拔机等。 图3-21(a)和图3-21(b)给出了这两种负载特征曲线。 西安科技大学机械工程学院 ? (2)恒功率负载特征 ? 定义:负载功率Pz根基连结不变的特征,如图3 -21(c)所示。 ? 实例:很多加工机床均属于这种负载特征,粗加工时切削量 较大,采用低速运转;精加工时切削量小,采用高速运转。 ? 特点:工做负载大时转速低,工做负载小时转速增高,负载 转矩Tz取转速n成反比。 ? (3)负载转矩是转速函数的负载特征【纯旋起色械】 ? 定义:负载转矩Tz取转速n之间存正在必然的函数关系。 ? 实例:离心式鼓风机、水泵等按离心力道理工做的系统,其 负载转矩随转速的增大而增大。【F=mw2/r】 ? 图3-21(d)中曲线为负载转矩取转速呈二次方关系,曲线为 线性关系。 西安科技大学机械工程学院 ? ? ? ? ? ? ? ? (4) 负载转矩是行程或转角函数的负载特征【来去/摆动类】 定义:负载转矩Tz取行程或转角中之间存正在必然的函数关系。 类型:带有连杆机构的系统大多具有这种特征。 实例:轧钢厂的剪切机、起落摆动台、翻钢机,活塞式空气压 缩机、曲柄压力机等,它们负载转矩都随转角Φ变化而变化。 图3-21(e)所示。 (5) 负载转矩变化无纪律的负载特征 定义:负载转矩随时间做无纪律随机变化。 实例:冶金矿山常用的破裂机、球磨机等。 ? 要可以或许按照图分辩负载类型,并举例! 西安科技大学机械工程学院 西安科技大学机械工程学院 3.2.2.2动力元件驱动系统的活动方程式 ? 利用动力元件驱动机电系统时,动力元件输出的转矩T除了克 服系统的负载转矩Tz外,还要使整个机电系统沿动力元件转矩 的感化标的目的发生角加快度dω/dt,这种关系可用活动方程暗示: 式中:J—折算到动力元件轴上机电系统的总动弹惯量,kg·m2 西安科技大学机械工程学院 3. 2.3 电动机的选择和计较 ? 3.2.3.1 节制电动机的负载力矩计较 ? 通过度析负载特征和要求,确定电动机类型后,要计较电动机 容量,使电动机的机械特征取系统负载特征相婚配。 ? 电动机容量一般由负载所需功率或转矩确定。 ? 切削机床为例,引见电动机选择和计较。 ? 节制电动机负载力矩按下面方式计较: 西安科技大学机械工程学院 快速空载启动【无负载,降服摩擦、加快】时,所需力矩T1 最大切削负载【有负载、降服摩擦、加快】时,所需力矩T2 式中: Tamax—空载启动时折算到电动机轴上的加快转矩 Tf —— 空载时折算到电动机轴上的导轨摩擦转矩 To —— 丝杠预紧折算到电动机轴上的附加摩擦转矩【留意】 Tat——工做时折算到电动机轴上的加快转矩 Tft——工做时折算到电动机轴上的导轨摩擦转矩 Tt ——工做时折算到电动机轴上的负载转矩 西安科技大学机械工程学院 ? 考虑传动系统总效率 η(一般η=0. 6 ~0.8),则空载启动时 所需力矩TΣ1和最大切削负载时所需力矩TΣ2为: 各转矩计较公式:P40【加快转矩】、P184【其他转矩】 留意:正在转矩计较之前,起首要折算动弹惯量【转矩公式 里有动弹惯量】,P184. 西安科技大学机械工程学院 3.2.3.2 曲流(交换)伺服电动机的选择和计较 根本:算好了折算到电机轴的总等效动弹惯量和总等效负载转矩 ? (1) 动弹惯量婚配验算 ? 机床伺服进给系统设想中,最终折算到电动机轴上的负载惯 量JL取电动机本身动弹惯量Jm之比,应节制正在必然范畴内。 既不克不及太大,也不克不及太小。 ? 为使系统负载惯量达到合理婚配,一般将该比值节制鄙人式 所范畴内,即 西安科技大学机械工程学院 ? 现实中若何考虑? 负载惯量对电动机活络度和快速挪动时间有很大影响。 对大负载惯量,当指令速度变化时,电机达到指令速度时间要 长些。当负载惯量达到转子惯量 3倍,活络度受影响;当负载 惯量大于转子惯量 3倍,响应时间降低良多;当惯量大大跨越 时,伺服放大器不克不及正在一般范畴内调整,须避免这种惯量。 ? (2)转矩婚配验算 ? 为进给伺服系同一般工做,伺服电机启动力矩Tq、额定力 矩Tm应满脚下列关系【电机力矩必定要大于负载力矩】: ? 空载加快启动时: ? 工做(切削)时: Tq≥ TΣ1 Tq≥ TΣ1, Tm≥ TΣ2 西安科技大学机械工程学院 ? (3)过热验算 ? 当负载转矩为变量【负载类型】,用等效法求等效转矩Teq 式中 t1、t2—时间间隔,正在此间隔内负载转矩别离为T1,T2 所选电动机不外热前提: 【不只是转矩,更主要的 是功率要满脚要求!】 式中 nm—电动机额定转速,r/min Peq—由等效转矩换算的电动机功率,kW; Tm—电动机额定转矩,N·m Pm—电动机额定功率,kW 西安科技大学机械工程学院 ? (4)过载验算 ? 应使瞬时最大负载转矩TΣ2取电动机额定转矩Tm比值不大 于某一系数,即 式中: km—电动机过载系数。 西安科技大学机械工程学院 3. 2. 3. 3 步进电动机的选择和计较 ? 考虑三方面问题: ? ①步距角,要满脚传动系统脉冲当量要求; ? ②最大静扭矩,要满脚传动系统空载快速启动力矩要求; ? ③启动矩频特征、工做矩频特征,须满脚传动系统对启动扭 矩取启动频次、工做运转扭矩取运转频次要求。 西安科技大学机械工程学院 ? 选型步调: ? (1)确定施行机构的脉冲当量【施行端】 制定脉冲当量按照传动系统精度要求。 开环一般取脉冲当量为0.005~0. 0l mm。 如取得太大,无法满脚系统精度要求;如太小,机械系统难以 实现,或系统精度和动态特征要求过高、经济性低。 ? 脉冲当量确定后,初选步进电动机次要是选择电动机类型和步距角。 ① 反映式步进电动机:步距角小,运转频次高,价钱低,但功耗大; ② 永磁式步进电动机:功耗小,断电后仍有制动力矩,但步距角大, 启动和运转频次低; ③ 夹杂式步进电动机:具备上述两种电动机长处,但价钱高。 ? 各类步进电机产物样本都给出了通电体例及步距角等次要参数供选。 西安科技大学机械工程学院 ? (2)计较减速器的传动比【电机和施行机构两头】 ? 对步进电机,减速器传动比按下式计较,即 式中 α—步进电机步距角,°/1个脉冲; S—滚珠丝杠根基导程,mm ; δ—施行部件脉冲当量,mm/1个脉冲。 ? 正在步进电动机步距角 α 、滚珠丝杠根基导程 S、施行机构脉 冲当量δ确定后,计较出传动比 i 凡是不等于1,表白采用步 进电动机做为驱动安拆的进给传动系统中,电动机轴取滚珠 丝杠轴不克不及间接毗连,须有一个减速安拆过渡。 ? 当传动比 i 不大时,采用同步带或一级齿轮传动;当传动比i 较大时,采用多级齿轮传动。 西安科技大学机械工程学院 ? (3)电动机最大静扭矩简直定【电机端】 ? 分以下三步: ? 1) 据式(3-8)计较得进给传动系统空载启动力矩TΣ1,,查表3 -2, 得系统空载启动时所需步进电动机最大静力矩Tjmax1 ? 2) 据式(3-9)计较得进给传动系统正在切削形态下负载力矩TΣ2, 用下式计较系统正在切削形态下所需步进电动机最大静力矩Tjmax2 ? 3) 据Tjmax1和Tjmax2中较大者拔取步进电动机最大静扭矩Tjmax, 并要求 西安科技大学机械工程学院 ? (4) 确定最大启动频次【电机端】 ? 对分歧系统空载启动力矩TΣ1 ,步进电动机所答应的启动频次 分歧。 ? 据计较出的系统空载启动力矩TΣ1 ,按步进电机矩频特征曲线 确定最大启动频次fq ,且现实利用的最大启动频次fqmax应低 于这一答应最大启动频次,即 现实值 许用值 ? 前提不满脚就会丢步,此时应耽误启动过程。 西安科技大学机械工程学院 (5) 确定最大运转频次【电机端】 ? 进给系统中步进电动机运转形态有两种:快进、工进。 ? 步进电动机运转时,电机输出扭矩随运转频次增大而下降, 为步进电动机正在快进和工进两种形态下工做时不丢步, 须对快进运转频次和工进运转频次进行校核。 ? 1. 快进运转频次校核,步调: ? 据施行部件最猛进给速度vmax和脉冲当量δ,按下式确定现实 快进运转的最大运转频次fmax(Hz),即 西安科技大学机械工程学院 ? 据式 (3-8) 计较出的系统正在空载时负载力矩 TΣ1 ,按步进电动 机矩频特征曲线确定取之对应的所答应最大运转频次,用fq1 暗示,并要求现实利用最大运转频次低于这一答应最大运转 频次,即 fmax ≤ fq1 现实值 许用值 ? 当这一前提满脚时,步进电动机正在快进时才不会丢步,否 则,会丢步。此时,通过降低施行部件最猛进给速度vmax 或 沉选扭矩更大步进电动机,曲到满脚运转矩频特征要求。 西安科技大学机械工程学院 ? 2. 工进运转频次校核,步调: ? 据施行部件工进时最大工做进给速度vGmax和脉冲当量δ,按 下式确定工进时步进电动机现实利用的运转频次fGmax (Hz), 即 fGmax=1000 vGmax/60 δ ? 据式(3 -9)计较出的机电系统正在切削形态下的负载力矩TΣ2, 按步进电动机矩频特征曲线确定取之对应的所答应最大运转 频次,用fq2暗示,并要求工进时现实利用的最大运转频次低 于这一答应的最大运转频次,即 fGmax≤ fq2 现实值 许用值 西安科技大学机械工程学院 ? 当前提满脚时,步进电动机正在工进时才不会丢步。不然,会 丢步。此时,降低施行部件工进最大工做进给速度 vGmax 或 沉选扭矩更大步进电动机,曲到满脚运转矩频特征要求。 ? (6)惯量婚配 ? 因为步进电动机惯量Jm较小,保举: 1≤ Jq/Jm≤ 3 西安科技大学机械工程学院 3.2.4 其他类型动力元件的选择和计较 ? 3.2.4.1液压马达的选择和计较 ? 高速小转矩 :外形尺寸和动弹惯量小,换向活络度高,合用 于要求转矩小、转速高、换向屡次及安拆尺寸受必然的 机电设备。 ? 当负载转矩较小,要求转速较高和压力小于 14MPa时,可选 用齿轮式和叶片式液压马达;当压力跨越 14MPa 时,则选择 轴向柱塞式液压马达。 ? 低速大转矩 :排量大、转速低,可间接取施行机构相连,不 需减速安拆,可大大简化传动系统,正在矿山、工程设备中普 遍使用。 西安科技大学机械工程学院 ? 对低速不变性要求不高、外形尺寸不受严酷的场所,可 采用布局简单的单感化径向柱塞式液压马达; ? 对要求转速范畴较宽、径向尺寸较小、轴向尺寸稍大的场 合,可采用双斜盘轴向柱塞式液压马达; ? 对要求传送转矩大,低速不变性好、体积小、分量轻的场 合,常采用内曲线多感化径向柱塞式液压马达。 对负载转矩较大而要求转速较低环境,有间接采用低速大转 矩液压马达和高速液压马达加减速器组合两种驱动方案。 ? 方案阐发:一般环境采用低速液压马达的靠得住性较高,利用 寿命较长,布局比力简单,便于安插和维修,其总效率也比 高速液压马达加减速器的效率高,但低速马达因其输出轴转 矩大,利用的制动器尺寸也较大。正在分量上这两种方案根基 附近,若高速液压马达配用一齿差减速器,则比采用低速液 压马达时的分量要轻些。 ? 西安科技大学机械工程学院 ? 起首,选定液压马达的类型。 ? 之后,按下式计较所需液压马达排量q (ml/r),即 q=2πTmax/(pηm) 式中:Tmax—液压马达的最大负载转矩,N·m; p—拟定的系统工做压力,MPa; ηm—液压马达的机械效率。 ? 然后,按选定的液压马达排量,计较现实流量Qv (l/min),即 Qv=(q nmax/ ηv)×10-3 式中: q—选定的液压马达的排量,ml/r ; nmax—液压马达的最高转速,r/min ; ηv—液压马达的容积效率。 ? Qv值是进行系统设想和选择油泵的主要参数。 西安科技大学机械工程学院 3. 2. 4. 2气动马达的选择 ? 选择气动马达要从负载特征考虑,正在变负载场所利用时,从 要考虑的要素是速度范畴及满脚工做环境所需力矩。 ? 正在平衡负载下利用时,工做速度是一个主要要素。 ? 由表3-4可知,叶片式气动马达比活塞式气动马达转速高、结 构简单,但启动转矩小,正在低速工做时空气耗损量大。因 此,当工做速度低于空载速度25%时,最好选用活塞式。 ? 气动马达的选择计较: 1. 先按照负载所需的转速和最大转矩 计较出所需的功率, 2. 然后选择响应功率的气动马达, 3. 进 而按照马达气压和耗气量设想气系统。 西安科技大学机械工程学院 西安科技大学机械工程学院 小结/功课 ? ? ? ? ? ? ? 1.节制电机的特点及五大体求? 2.步进电机的类型及道理? 3.步距角的概念和计较? 4.交、曲流伺服电机的各自好坏? 5.液压、气动马达的类型? 6.负载特征的寄义及五大类型? 7.步进电机的选择取计较?

  第3章-动力系统设想_刀兵/核科学_工程科技_专业材料。西安科技大学机械工程学院 第3章 动力系统设想 ? 3.1 动力元件的品种和次要特征 ? 3.2 动力元件的选择取计较 西安科技大学机械工程学院 ?讲授方针 ? 1.控制常用的动力元件及特征