伺服电机3D模型参数化设计的可行性探讨

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伺服电机3D模型参数化设计的可行性探讨

南京东岱软件有限公司

一、概述

伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。伺服电机分为：直流伺服电机和交流伺服电机，其中交流伺服电机又分为同步型和异步型，而同步型交流伺服电动机按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类，非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电动机。

永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高结构简单，是很好的节能电机。永磁同步伺服电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)，是交流永磁伺服电动机的一种。在中小容量高精度传动领域，广泛采用永磁同步伺服电机，以在转子上加永磁体的方法来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它不再需要外加能量就能在其周围空间建立很强的永久磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。

二、SOLIDWORKS参数化设计

Solidworks的参数化和特征造型技术，能够方便、快捷的创建几乎任何复杂形状的实体，可以满足绝大部分的工程设计需要，可以将设计参数直接转化为伺服电机零件和装配体的三维模型，达到“立优即现”的动态效果，在零件中定义装配约束关系并自动求解，避免了装配干涉等问题，提高了产品的设计效率和正确率。

南京东岱参数化设计(DDSoft)模型的形成过程如图1所示：首先，对实际要解决的问题进行分析，根据实际问题确定关键的约束条件，这些约束条件必须能够确定并且唯一确定一个造型；然后输入约束参数，并进行参数有效性判定，即参数间不能有不相容条件存在，并据此判定是否需要修改参数；最后，观察绘制的模型是否符合要求，如果符合则保存设计好的产品造型，否则进行参数的修改重新进行绘制和判定。这样就是南京东岱参数化设计(DDSoft)的整个过程。

                              

图1   绘制参数化模型流程表

在伺服电机的南京东岱参数化设计(DDSoft)中，存在两点主要的设计要求，一是伺服电机的选型计算，一是伺服电机的安装尺寸参数。因此，针对伺服电机的南京东岱参数化设计(DDSoft)，需要将选型计算嵌入到电机的变形设计中，实现通过选型计算的相关要求和尺寸参数设置驱动模型的主要结构变化，而安装尺寸将直接驱动模型安装结构变化。

三、伺服电机选型计算

电动机要承受两种形式的力矩：恒定的负载转矩和切削力矩（包括摩擦力矩）；加/减速力矩。在选择电动机时应满足的条件：

条件1：机床无负载运行时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的50%以下。否则，在切削或加减/速时电动机就可能过热。

条件2：加（/减）速时间要短，须在电动机的允许范围内。通常，负载力矩帮助电动机的减速，因此，如果加速能在允许时间内完成的话，减速也可在相同的时间内完成。这样我们只需计算加速力矩，并在允许时间内核算该力矩在电动机的机械特性的断续区内。

条件3：频繁地定位和加/减速会使电动机发热，此时需要计算出电动机承受的力矩的均方根值Trms，使其小于电动机的额定力矩Tc。

条件4：负载波动频繁时，要计算一个工作周期的负载力矩的均方根值Tmrs，使其小于电动机的额定力矩。

条件5：电动机以最大切削力矩运行的时间应在允许的范围内（核算Ton）。

条件6：负载的惯量要小于电动机本身惯量的3倍。

（一）、选型流程图

（二）选型说明及参考

1、决定机械系统是决定所有由伺服电机的旋转带动的部分的尺寸、质量、摩擦系数及外力等。

2、决定动作模式是决定控制对象部分的动作模式（时间与速度的关系），并将控制对象的动作模式换算为电机轴上的动作形式。需要参考动作模式的计算公式。

3、计算负载惯量是对于所有由伺服电机的旋转带动的部分，为了能够进行惯量的计算，要将机械系统按要素进行分解。并对各要素进行惯量计算、计算换算到电机轴的全负载惯量。需要参考惯量的计算公式。

4、计算负载转矩是将所有负载转矩相加，其中摩擦转矩的计算对于各要素，如有必要，可计算摩擦力、并换算为电机轴上的摩擦转矩。外力转矩的计算对于各要素，如有必要，可计算外力、并换算为电机轴上的外力转矩。最终计算换算到电机轴的全负载转矩。需要参考负载转矩的计算公式。

5、初步选定电机是根据换算到电机轴的负载惯量、摩擦转矩、外力转矩及旋转数进行电机的初步选定。

6、计算加减速转矩是根据负载惯量及动作模式来计算加减速转矩。需要参考加减速转矩的计算公式。

7、确认瞬时最大转矩并计算有效转矩是根据摩擦转矩、外力转矩及加减速转矩来计算动作模式的各区间的必要转矩。之后确认每个动作区间的转矩最大值（瞬时最大转矩）在电机的瞬时最大转矩以下。并根据动作区间的转矩计算有效转矩，并确认其在电机的额定转矩以下。需要参考瞬时最大转矩、有效转矩的计算公式。

8、计算再生能量是根据每个动作区间的转矩计算再生能量。

9、确认编码器的脉冲数是否满足系统要求规格的分辨率。

10、确认计算结果和初步选定的电机的规格是否相符。与规格不相符时，变更临时选定的电机后，再次计算。最后确定选型结果。

（三）选型计算举例

         

四、伺服电机安装尺寸选择

伺服电机的安装尺寸在电机设计中也占据着主要的地位，主要根据客户装配要求进行设置，下面以某公司60系列伺服电机为例进行南京东岱参数化设计(DDSoft)说明。

这些安装尺寸是主要驱动模型变形的尺寸值，即需要在南京东岱参数化设计(DDSoft)界面中此变量。

五、伺服电机参数化结果形式

下面主要引用日本某公司的电机南京东岱参数化设计(DDSoft)界面作为参考，这也直接说明了伺服电机可以实现南京东岱参数化设计(DDSoft)。

  

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