(1) 机械系统的种类
用可变速电机驱动的机械系统，一般有以下几类。
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机构
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特点
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滚珠丝杠(直接连接)
用于距离较短的高精度定位。
电机和滚珠丝杠只用联轴节连接，没有间隙。
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滚珠丝杠(减速)
选择减速比，可加大向机械系统传递的转矩。
由于产生齿轮侧隙，需要采取补偿措施。
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齿条和小齿轮
用于距离较长的(台车驱动等)定位。
小齿轮转动一圈包含了π值，因此需要修正。
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同步皮带(传送带)
与链条比较，形态上的自由度变大。
主要用于轻载。
皮带轮转动一圈的移动量中包含π值，因此需要修正。
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将伺服系统用于机械系统中时，请注意以下各点。
①减速比
为了有效利用伺服电机的功率，应在接近电机的额定速度(最高旋转速度)数值的范围使用。在最高旋转速度下连续输出转矩，还是比额定转矩小。
②预压转矩
对丝杠加预压力，刚性增强，负载转矩值增大。
由预压产生的摩擦转矩，请参照滚珠丝杠规格书。
③保持转矩
升降机械在停止时，伺服电机继续输出保持力。
在时间充裕的场合，建议使用保持制动。
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特点
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链条驱动
多用于输送线上。必须考虑链条本身的伸长并采取相应的措施。在减速比比较大的状态下使用，机械系统的移动速度小。
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进料辊
将板带上的材料夹入辊间送出。
由于未严密确定辊子直径，在尺寸长的物件上将产生误差，需进行π补偿。
如果急剧加速，将产生打滑，送出量不足。
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转盘分度
转盘的惯性矩大，需要设定足够的减速比。
转盘的转速低，多使用蜗轮蜗杆。
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主轴驱动
在卷绕线材时，由于惯性矩大，需要设定够的减速比。
在等圆周速度控制中，必须把周边机械考虑进来研究。
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＜参考＞
摩擦系数μ的目标值
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机构
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摩擦系数
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轨道和铁车轮
(台车，吊车)
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0.05
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直线导轨
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0.05~0.2
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滚珠花键轴
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滚柱工作台
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滚柱系统
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材质
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密度: kg/m3
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铜
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8.96×103
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黄铜
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8.54×103
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不锈钢
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7.91×103
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铁
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7.85×103
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铝
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2.7×103
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聚缩醛
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1.43×103
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机械效率η的目标值
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机构
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机械效率
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台式丝杠
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0.5~0.8
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滚珠丝杠
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0.9
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齿条和小齿轮
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0.8
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齿轮减速器
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0.8~0.95
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蜗轮减速器(起动)
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0.5~0.7
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蜗轮减速器
(运行中)
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0.6~0.8
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皮带传动
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0.95
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链条传动
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0.9
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模数
(模数)＝ ———————————————
0.5 0.75 0.8 1 1.5 2 2.5 3 4 5 6 7
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链条尺寸
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编号
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刻度
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编号
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刻度
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15
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4.762
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80
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25.4
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25
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6.35
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100
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31.75
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35
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9.525
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120
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38.1
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40
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12.7
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140
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44.45
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50
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15.875
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160
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50.8
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60
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19.05
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180
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57.15
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(2) 容量选择计算
容量选择计算，是由机械规格(构成)计算出必要的伺服电机容量的计算。
容量选择计算所需要的项目如下。
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・负载转矩(驱动机械所需的转矩)
・加速/减速时间
・运行模式
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一般地说，由于不能测定系统惯性矩和负载转矩。因此，由机械的构成计算出近似值。
容量选择计算的次序如下。
容量选择流程图
①由机械构成计算负载惯性矩。
②由机械构成计算负载转矩。
③临时选定电机容量。
④确认最短加速/减速时间。指定时间时，计算必要的加速/减速转矩。
⑤由运行模式绘制转矩特性曲线。
⑥由转矩特性曲线计算出实际转矩。
⑦如果实际转矩(Trms)比额定转矩(TR)小，则可按指定的运行模式运转。
⑧计算再生电力，必要时选择再生电阻器。
⑨在可能范围内，重新审定机械规格。
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＜惯性矩计算＞
・形状
・换算
＜负载转矩(TL)计算＞
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μ: 摩擦系数 BP: 丝杠螺矩[mm]
W，W1: 可动部分重量[kg]
W2: 配重重量[kg]
GL: 减速比(无单位) F: 推力[kg]
・上升时(垂直)
・下降时(垂直)
・停止时(垂直)
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μ: 摩擦系数 D: 直径[mm]
W，W1: 可动部分重量[kg]
W2 : 配重重量[kg]
GL: 减速比(无单位)
・上升时(垂直)
・下降时(垂直)
・停止时(垂直)
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①计算负载惯性矩(JL)
计算对于电机轴换算的机械系统负载惯性矩(GD2)。
计算电机旋转时随转动(移动)部分的惯性矩，并求出总和。
②计算负载转矩(TL)
计算对于电机轴换算的负载转矩。
③临时选定电机容量
选定满足以下两个条件的电机容量。
■允许用负载惯性矩
JL≦ JM × 100(30)································ 在速度控制中缓慢移动时
JL ≦ JM ×30(10)··································· 在位置控制中定位时
JL ≦ JM ×10(-)······································ 进行高频度定位时
(参考值: 在0.5秒内，运转/停止一次以上)
※( )内的数值、是使用GYG电机时的值。
■负载转矩
TL ≦ TR ×0.9········································· 0.9是安全系数(例子)
④计算最短的加速/减速时间(计算加速/减速转矩)
确认考虑负载条件的最短加速/减速时间。指定加速/减速时间时，计算加速/减速转矩。
・最短加速/减速时间
・加速/减速转矩
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JM: 伺服电机惯性矩[kg·m2]
JL: 对电机轴换算的负载惯性矩[kg·m2]
TL : 对电机轴换算的负载转矩[Nm]
TAC: 加速/减速转矩[Nm]
Ｎ１：変速後の回転速度[r/min]
Ｎ０：変速前の回転速度[r/min]
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⑤绘制转矩特性曲线
⑥计算实际转矩(Trms)
计算运行模式1个循环的实际转矩。
(TAC2×tAC)＋(TL2×tL)＋(TDC2×tDC)
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将各输出转矩的平方与输出时间之积相加，再将所得之和除以1个循环的时间，然后开平方，所得平方根值为实际转矩值。
⑦Trms ≦ TR
如果实际转矩小于额定转矩，则可以按指定的运行模式连续运行。
⑧计算再生电力
一般在下述状态下进行再生运行。
水平方向进给: 减速时
垂直方向进给: 下降时以一定速度进给以及在减速时。
减速时的再生电力(P1)
P1[W] ＝ (2π/60)×TDC[Nm]×N1 [r/min]×(1/2)
下降时以一定速度进给(P2)
P2[W] ＝ (2π/60)×TDC[Nm]×N1 [r/min]
计算运行模式1时，循环时的平均再生电力(P)，确认再生电阻容量下降。如果升高，则应适当选用外部再生电阻。
(P1 [w]×t1[s]＋P2 [w]×t2 [s] )
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⑨运行模式/机械构成的重新审查
当Trms大于TR时，重新审查以下项目。
・在允许范围内，将加速/减速时间加长一些。
・延长运转频率(1循环时间)。
・当旋转速度有余量时，加大减速比。
・加大电机容量。
・当升降机械停止时间长时，加机械制动。
・在高频率运行时，尽量加大减速比，减小惯性矩。
(3)容量选择计算实例
■机械构成
减速比1/1(直接连接)
丝杠螺距10mm、输送重量20kg、推力0kg(无)
①最大移动速度(v)
减速比1/1、电机轴旋转速度3000[r/min]时:
V＝ (3000/60)×10×(1/1)＝500 [mm/s]
②对电机轴换算的负载惯性矩(JL)
・假定丝杠(J1) φ20、长度为500mm。
・假定可动部分(J2) 输送重量20kg。
③对电机换算的负载转矩(TL)
假定输送重量20kg、摩擦系数(μ)0.1、机械效率(η)0.9。
④容量选择条件
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JL ≦ JM × 5 (高频率进给)
TL＝ 0.03 [Nm]
JL ＝ 1.1 × 10-4 [kg·m2]
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⑤临时选择
从容量选择条件，得到GYS201DC2-T2A(0.2kW)。
(JM＝0.135×10-4[kg·m2]，TR＝0.637[Nm]，TAC＝1.91[Nm])
⑥最短加速/减速时间(tAC)
(0.135×10-4+1.1×10-4)×2π×3000
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加速/减速时间为0.05秒时的加速/减速转矩:
(0.135×10-4+1.1×10-4)×2π×3000
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⑦运行模式
※这是容量选择上的模式。假设1个运行周期为0.5秒。
⑧实效转矩(Trms)
为输出转矩的时间平均值。
(0.782×0.05)×2+(0.032×0.05)×1
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由于GYS201DC2-T2A型号的额定转矩在0.637[Nm]以下，可以用指定的运行模式连续运行 。
⑨选择结果
伺服电机:GYS201DC2-T2A (0.2kW)
⑩再生电力
在减速时，再生电力返回。
P1[W] ＝ (2π/60)×T [Nm]×N[r/min]×(1/2)
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＝ (2π/60)×0.78×3000×(1/2)
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１循环运行时的平均再生电力、
P ＝ (123×0.05)/0.5
≒ 12.3 [W]
RYC201D3型伺服放大器，没有安装再生电阻器。
考虑是否需要再生电阻器。
步骤1)求减速时机械系统保持的能量(EG)。
步骤2)根据负载转矩，计算消耗的能量(EL)。
EL＝(2π/60)×TL×N×tDC×(1/2)
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＝ (2π/60)×0.03×3000×0.05×(1/2)
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步骤3)计算由伺服电机绕组线所消耗的能量(EM)。
＝3×2.3×((0.78/0.637×1.5)2)×0.05
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※相电阻值
步骤4)计算伺服放大器可能吸收的能量(ES)。
(660×10-6)× (3852-(200×21/2)2)
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※直流中间电容器(RYC201)660μF、电源电压200V(有效值)
※0.2kW以下伺服放大器的电容器为660μF。
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由机械系统、伺服放大器和伺服电机能够处理的能量:
EL＋ EM＋ ES ＝ 0.24 ＋ 1.2 ＋ 22.5 ≒ 24[J]
由于EG ＝6.1[J]，因此不需要外部再生电阻器。