[发明专利]一种用于滚珠丝杠进给系统的伺服电机选型方法

说明书

本发明属于机电一体化技术领域，特别涉及一种用于滚珠丝杠进给系统的伺服电机选型方法。该方法首先推导空载快速启动与最大切削载荷条件下的驱动力矩表达式；进一步确定系统增益范围与伺服电机惯量范围；最后根据转速‑力矩曲线完成伺服电机选型。本方法充分考虑了各种典型工况，保证滚珠丝杠进给系统具有足够的驱动能力，同时还关注了电机‑负载惯量比，使伺服电机获得了较好的动态性能。本方法实现了对滚珠丝杠进给系统伺服电机的快速、精准选型，克服了传统方法依赖经验、效率低下、不准确的问题，为滚珠丝杠进给系统快速、精准选择伺服电机，同时为现场工程技术人员提供了一种准确、便捷的伺服电机选型方法。

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，特别涉及一种用于滚珠丝杠进给系统的伺服电机选型方法。

背景技术

滚珠丝杠进给系统具有高刚度、高可靠性、结构简单、对干扰不敏感等突出优点，用于实现各类直线进给运动，在工业领域获得了广泛应用。伺服电机作为滚珠丝杠进给系统的驱动部件，直接影响滚珠丝杠进给系统的性能。在滚珠丝杠进给系统的研制过程中，选择合适的伺服电机是保障系统性能的核心步骤，而如何快速、准确地完成伺服电机选型成为亟待解决的关键问题。

传统伺服电机选型工作主要由工程师依据经验完成，过程反复、效率低下，同时为保障驱动能力，往往选择较大的伺服电机，容易造成伺服电机的性能浪费，也提高了滚珠丝杠进给系统的研制成本，而经验法也不能进行有效推广。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于滚珠丝杠进给系统的伺服电机选型方法，针对已有技术中存在的问题，充分考虑各种典型工况，保证系统具有足够的驱动能力，同时还关注电机-负载惯量比，以获得较好的动态性能。

本发明提出的用于滚珠丝杠进给系统的伺服电机选型方法，包括如下步骤：

(1)建立空载快速启动条件下的伺服电机的驱动力矩τ_A的表达式如下：

式中，τ_A为空载快速启动条件下的伺服电机的驱动力矩，n_max为伺服电机最大转速，t_a为加速时间，J_m和J_L分别为伺服电机惯量和负载惯量，e为自然底数，K_s为滚珠丝杠进给系统的增益，η为机械传递效率，η的取值范围为0.85-0.95，τ_f为摩擦力矩；

建立最大切削载荷条件下的伺服电机的驱动力矩τ_B的表达式如下：

式中，τ_B为最大切削载荷条件下的伺服电机的驱动力矩，n_c为切削时的伺服电机转速，F_a为最大轴向载荷，S为滚珠丝杠导程；

(2)确定系统增益K_s的范围为：

P₁ζω_n≤K_s≤P₂ζω_n

式中，ζ为系统阻尼比，ω_n为系统角频率，P₁为增益下限系数，P₁的取值范围为0.6-0.7，P₂为增益上限系数，P₂的取值范围为1.1-1.2；

确定伺服电机惯量J_m与负载惯量J_L之间的关系为：

λ₁J_L≤J_m≤λ₂J_L