扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

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摘要扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)在學(xué)校，工廠廣泛用于測量金屬及其非金屬材料的機(jī)械性能的，是學(xué)校和工廠不可或缺的試驗(yàn)設(shè)備?，F(xiàn)在的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)均是以微機(jī)控制、記錄為主要特點(diǎn)的電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。學(xué)校的舊式試驗(yàn)設(shè)備存在故障率高，工作性能不可靠，有時達(dá)不到試驗(yàn)所要求的精度，所以本設(shè)計(jì)就原扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的傳動部分，控制部分加以改造，配以計(jì)算機(jī)為主的測量控制系統(tǒng)，從新構(gòu)建一個與現(xiàn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)相一致的電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。本設(shè)計(jì)說明書包括：概論、總體設(shè)計(jì)和結(jié)論三大部分。通過對我校教學(xué)實(shí)習(xí)基地的一臺扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能的研究，從可轉(zhuǎn)換扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的傳動部分，控制與調(diào)速部分以及檢測部分加以設(shè)計(jì)，本說明書介紹了伺服電動機(jī)和擺線針輪減速器的計(jì)算和選型設(shè)計(jì)，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)改造方案、改造部位。在傳感技術(shù)與測控技術(shù)的普遍應(yīng)用的條件下，本設(shè)計(jì)采用扭矩傳感器和光電編碼器用于測量扭矩和扭角的數(shù)值。在控制系統(tǒng)上將單片機(jī)應(yīng)用到扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上，其控制也采用了扭矩專用測控軟件。改造后的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，采用了電子自動平衡測力裝置，可控伺服電機(jī)，擺線針輪減速，傳感記錄，電腦手動兩控轉(zhuǎn)換并增設(shè)了記錄裝置。 關(guān)鍵詞：伺服電機(jī)；擺線針輪減速器；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。IAbstractTorsion test machine in the research departments universities and mining materials laboratory used to determine various metallic and non-metallic materials to reverse the admission test of mechanical properties , has been widely used. Now the most advanced materials torsion test machine is the computer measurement, control at the core of electronic materials torsion test machine. But the old materials torsion test of the machine most stringent design, manufacture exquisite. This is designed to test the original old part of the machine, based on eliminating its outdated measurement control, with a new computer-core measurement control system to replace the relevant parts, Construction of a new computer can operate control and automatic measurement, with the existing product line of electronic torsion test machine. Design Manual: An Introduction, the overall design and conclusions of the three most. I passed the school teaching practice base of a testing machine to reverse the structure and properties of, for-cycloid reducer and the characteristics of existing conditions, determined to reverse the programme of testing machine, introduced a servo motor and cycloid Reducer-round selection of calculation and design and reverse the test machine transformation programme, the transformation of location, design and computer control system of reversing the testing machine they should pay attention to the problem. After the reverse of the testing machine, using an electronic self-balancing force measurement devices, servo motor-cycloid speed control system and the addition of a recorded device, it can exert both positive and negative aspects of IItorque to reverse the trial. Key words: servo motor; cycloid reducer; the computer control system; reversing the test machine.III目錄摘要 IAbstractII第一章 緒論 11.1 設(shè)計(jì)目的 .21.2 設(shè)計(jì)任務(wù) .21.3 構(gòu)造及工作原理 .31.4 主要的組成構(gòu)件 .3第二章 伺服電動機(jī) 52.1 交流伺服電機(jī)及其調(diào)速分類和特點(diǎn) .52.2 直流伺服電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng) .72.3 交流伺服電機(jī)速度控制原理 .82.4 變頻與伺服的關(guān)系及應(yīng)用 .92.5 交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速原理 .112.6 變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類 .122.7 電動機(jī)的選型計(jì)算 .16第三章 擺線針輪減速器 183.1 擺線針輪行星齒輪傳動的特點(diǎn) .203.2 傳動比計(jì)算 233.3 擺線針輪減速器設(shè)計(jì) .25第四章 傳感器的選用 314.1 傳感器選用的一般原則： .314.2 數(shù)字式扭矩傳感器技術(shù)性能及應(yīng)用 33第五章 光電編碼器原理及應(yīng)用電路 415.1 光電編碼器原理 415.2 LEC 型光電編碼器主要技術(shù)指標(biāo) .43第六章 操控系統(tǒng) 446.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計(jì) 446.2 永磁伺服電動機(jī)的控制電路 .45IV6.3 監(jiān)測及報警電路 .466.4 時鐘及復(fù)位電路 .476.5 軟件設(shè)計(jì) 476.6 結(jié) 論 .48參考文獻(xiàn) 52致謝辭 53附錄一 54附錄二 6101第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)目的畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生在校學(xué)習(xí)階段的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生完成工程師基本訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)。其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)和基礎(chǔ)理論知識，獨(dú)立解決本專業(yè)一般工程技術(shù)問題的能力，樹立正確的設(shè)計(jì)思想和工作作風(fēng)。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書不只反映了設(shè)計(jì)的思想內(nèi)容，方法和步驟，而且還反映了學(xué)生的文理修養(yǎng)和作風(fēng)。本說明書分為概述、設(shè)計(jì)內(nèi)容、總結(jié)三大部分，分別介紹了此次扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)改造的設(shè)計(jì)任務(wù)；有關(guān)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)改造總體方案確定及框圖、擺線針輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算及校核、光電編碼器的選型；主要是對本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的心得。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)題目：兩用扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)的改造設(shè)計(jì)（10~400 ）mN?將機(jī)械式扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)改造成可轉(zhuǎn)換扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)，要求微機(jī)控制全自動實(shí)驗(yàn)機(jī)和機(jī)械式扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)易于切換，本機(jī)加荷系統(tǒng)采用伺服電機(jī)和擺線針輪減速器傳動。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1、扭矩測量范圍（N.m）：10-400 2、扭轉(zhuǎn)測量精度（%）：1級 1%；3、扭矩角測量范圍（度）：0-9999；4、扭矩角測量相對誤差（%）： 1%；?5、夾頭間最大間距（mm）:600 或 650；26、加載速度（/min）：0.005-1000度/min，無級調(diào)速；7、夾持實(shí)驗(yàn)尺寸（mm）: φ6-φ20 或φ8-φ30；8、電源：單相220/50 10%或三相380/50 10%；??9、功率（KW）： 0.75；10、主機(jī)尺寸： 1700×500×85011、主機(jī)重量（Kg）： 550 1.3 構(gòu)造及工作原理本機(jī)（圖表 1）加載由計(jì)算機(jī)控制交流伺服控制系統(tǒng)，通過交流伺服電動機(jī)，擺線針輪減速機(jī)帶動主動夾頭旋轉(zhuǎn)加載，扭轉(zhuǎn)和扭角檢測采用高精度扭矩傳感器和光電編碼器，計(jì)算動態(tài)顯示試驗(yàn)扭角扭矩曲線，加載速率，試驗(yàn)力峰值等。檢測方法符合 GB10128-88 金屬室溫扭轉(zhuǎn)方法的要求。本試驗(yàn)機(jī)主要用于對金屬材料或非金屬材料進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，也可以對零部件或構(gòu)件進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，是航空航天，建材行業(yè)，交通運(yùn)輸，科研部門，各類大專院校和工礦企業(yè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室用來測定材料扭轉(zhuǎn)性能必備的檢測儀器。加載方法采用交流伺服電機(jī)及驅(qū)動器，扭矩和扭轉(zhuǎn)角的檢測：采用高精度對稱扭矩傳感器；扭轉(zhuǎn)角的檢測采用高精度 LEC 型光電編碼器。操作特點(diǎn)具有手動操作（有正反向手動操作按鈕）和計(jì)算機(jī)操作兩種方式?；?WINDOWS 平臺下的專用測控軟件，采用人機(jī)交互方式分析計(jì)算被測材料的機(jī)械性能指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動處理，動態(tài)顯示試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)結(jié)果儲存，打印。也可人工干預(yù)分析過程，提高分析的準(zhǔn)確度。1.4 主要的組成構(gòu)件31）伺服電機(jī)2）擺線針輪減速器3）傳感器4) 編碼器及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖表 1 改裝后的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)的想象圖傳動簡圖4第二章 伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)也稱為執(zhí)行電動機(jī)。在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動控制對象。伺服電動機(jī)有交流和直流兩種。他們的最大特點(diǎn)之可控。再有控制信號輸入時，伺服電動機(jī)就轉(zhuǎn)動；沒有控制信號輸入則停止轉(zhuǎn)動；改變控制電壓的大小和相位（或極性）就可以改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。因此，它與普通電機(jī)相比具有如下特點(diǎn)：1、調(diào)速范圍寬廣，四伏電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；2、轉(zhuǎn)子的慣性小，即能實(shí)現(xiàn)迅速的啟動、停轉(zhuǎn)；3、控制功率小，過載能力力強(qiáng)，可靠性性好。2.1 交流伺服電機(jī)及其調(diào)速分類和特點(diǎn)交流伺服電機(jī)在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件。它的任務(wù)是將電信號轉(zhuǎn)換成為軸上的角位移或角速度的變化。交流伺服電動機(jī)應(yīng)具有的基本性能是：良好的可控性，運(yùn)行穩(wěn)定和快速反應(yīng)。良好的可控性是指單向供電時無自傳現(xiàn)象； 運(yùn)行穩(wěn)定是指轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而均勻下降；快速響應(yīng)是指交流伺服電動機(jī)接到控制信號時能快速啟動，失去信號時能自動制動并迅速停止轉(zhuǎn)動。長期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合，一直占據(jù)主導(dǎo)地位的是應(yīng)用直流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。但直流電動機(jī)都存在一些固有的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使電動機(jī)的最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機(jī)，特別是鼠籠式5感應(yīng)電動機(jī)沒有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動機(jī)輸出功率可比直流電動機(jī)提高 10﹪～70﹪，此外，交流電動機(jī)的容量可比直流電動機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向采用交流伺服驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動已有取代直流伺服驅(qū)動之勢。2.1.1 異步型交流伺服電動機(jī) 異步型交流伺服電動機(jī)指的是交流感應(yīng)電動機(jī)。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流電動機(jī)相比，質(zhì)量輕 1/2，價格僅為直流電動機(jī)的 1/3。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。這種鼠籠轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電動機(jī)簡稱為異步型交流伺服電動機(jī)，用IM 表示。 2.1.2 同步型交流伺服電動機(jī) 同步型交流伺服電動機(jī)雖較感應(yīng)電動機(jī)復(fù)雜，但比直流電動機(jī)簡單。它的定子與感應(yīng)電動機(jī)一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動機(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電動機(jī)。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率較高；缺點(diǎn)是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機(jī)采用高剩磁感應(yīng)，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小 1/2，質(zhì)量減輕 60﹪，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動機(jī)的 1/5。它與異步電動機(jī)相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關(guān)的雜散損耗，所以效率高。又因?yàn)闆]有電磁式同步電動機(jī)所需的集電環(huán)和電刷等，其機(jī)械可靠性與感應(yīng)（異步）電動機(jī)相同，6而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機(jī)，從而使永磁同步電動機(jī)的體積比異步電動機(jī)小些。這是因?yàn)樵诘退贂r，感應(yīng)（異步）電動機(jī)由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機(jī)主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。交流伺服電機(jī)的控制方法有三種：1、幅值控制 2、相位控制 3、幅值---相位控制。 2.2 直流伺服電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機(jī)在自動控制系統(tǒng)中和交流伺服電動機(jī)一樣，用作執(zhí)行元件。對它的主要要求是要有下垂的機(jī)械特性，線性的調(diào)節(jié)特性和對控制信號能做出快速的響應(yīng)。直流伺服電動機(jī)通常用于功率稍大的系統(tǒng)中，其輸出功率一般為 1W—600W。但也有數(shù)千瓦的，它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流他勵電動機(jī)相同，不同點(diǎn)只是它做得比較細(xì)長一些以便滿足快速響應(yīng)的要求。直流伺服電機(jī)的調(diào)速由公式：直流電機(jī)調(diào)速有三種方法：（1）改變電區(qū)電壓 U：由額定電壓向下調(diào)低，轉(zhuǎn)速也由額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)低，調(diào)速范圍大。（2）改變磁通量 Φ（即改變 ke）：改變激磁回路的電阻可改變 Φ。由于激磁回路電感大，電氣時間常數(shù)大，調(diào)速快速性差，轉(zhuǎn)速只能由額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)高。（3）在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻。轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，銅耗大，不經(jīng)濟(jì)。直流伺服電機(jī)通常采用調(diào)壓調(diào)速。7直流伺服電機(jī)與交流伺服電機(jī)的機(jī)械特性比較，前者堵轉(zhuǎn)矩大，特性曲線線性度好，機(jī)械特性較硬。缺點(diǎn)是有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要經(jīng)常維護(hù)，產(chǎn)生無線電干擾。在確定系統(tǒng)中采用何種電動機(jī)時許綜合考慮其電機(jī)特點(diǎn)所以在本次扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)改造畢業(yè)設(shè)計(jì)中所用的電機(jī)選用交流伺服電機(jī)。2.3 交流伺服電機(jī)速度控制原理一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。 速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。就伺服驅(qū)動器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)最快；位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)最慢。 對運(yùn)動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實(shí)時對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢（比如 PLC，或低端運(yùn)動控制器） ，就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動器移到控制器上，減少驅(qū)動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運(yùn)動控制器） ；如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時完全不需要使用伺服電機(jī)。 換一種說法是： 1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如 10V 對應(yīng) 5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為 5V 時電機(jī)軸輸出為 2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于 2.5Nm 時電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于 2.5Nm 時電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于 2.5Nm 時電8機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生） 。可以通過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。 2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。 3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán) PID 控制時速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。2.4 變頻與伺服的關(guān)系及應(yīng)用隨著工業(yè)水平的發(fā)展，自動化水平的提高，變頻技術(shù)和伺服在工業(yè)自動化控制上有著廣泛的應(yīng)用，變頻技術(shù)： 簡單的變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機(jī)的速度，這時可以開環(huán)也可以閉環(huán)要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統(tǒng)意義上的 V/F 控制方式?，F(xiàn)在很多的變頻已經(jīng)通過數(shù)學(xué)模型的建立，將交流電機(jī)的定子磁場 UVW3 相轉(zhuǎn)化為可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的兩個電流的分量，現(xiàn)在大多數(shù)能進(jìn)行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣9方式控制力矩，UVW 每相的輸出要加摩爾效應(yīng)的電流檢測裝置，采樣反饋后構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋的電流環(huán)的 PID 調(diào)節(jié)；這樣可以既控制電機(jī)的速度也可控制電機(jī)的力矩，而且速度的控制精度優(yōu)于 v/f 控制，編碼器反饋也可加可不加，加的時候控制精度和響應(yīng)特性要好很多。伺服系統(tǒng)：1、伺服驅(qū)動器 在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下，在驅(qū)動器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)（變頻器沒有該環(huán)）都進(jìn)行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運(yùn)算，在功能上也比傳統(tǒng)的伺服強(qiáng)大很多，主要的一點(diǎn)可以進(jìn)行精確的位置控制。通過上位控制器發(fā)送的脈沖序列來控制速度和位置（當(dāng)然也有些伺服內(nèi)部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數(shù)設(shè)定在驅(qū)動器里） ，驅(qū)動器內(nèi)部的算法和更快更精確的計(jì)算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)越于變頻器。2、電機(jī)方面 伺服電機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動的交流電機(jī)（一般交流電機(jī)或恒力矩、恒功率等各類變頻電機(jī)） ，也就是說當(dāng)驅(qū)動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機(jī)就能根據(jù)電源變化產(chǎn)生響應(yīng)的動作變化，響應(yīng)特性和抗過載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動的交流電機(jī)，電機(jī)方面的嚴(yán)重差異也是兩者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機(jī)本身就反應(yīng)不了，所以在變頻的內(nèi)部算法設(shè)定時為了保護(hù)電機(jī)做了相應(yīng)的過載設(shè)定。當(dāng)然即使不設(shè)定變頻器的輸出能力還是有限的，有些性能優(yōu)良的變頻器就可以直接驅(qū)動伺服電機(jī)。兩者的共同點(diǎn)：交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機(jī)的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的 PWM 方式模仿直流電機(jī)的控制方式來實(shí)現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機(jī)必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的 50、60HZ 的交流電先整流成直流電，然后通過可控制門極的各類晶體管（IGBT，IGCT 等）通過載波頻率和 PWM 調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波10形類似于正余弦的脈動電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機(jī)的速度就可調(diào)了（n=60f/2p ，n 轉(zhuǎn)速，f 頻率， p 極對數(shù)） 。由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應(yīng)用也不大相同：1、在速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器，也有在上位加位置反饋信號構(gòu)成閉環(huán)用變頻進(jìn)行位置控制的，精度和響應(yīng)都不高?，F(xiàn)有些變頻也接受脈沖序列信號控制速度的，但好象不能直接控制位置。2、 在有嚴(yán)格位置控制要求的場合中只能用伺服來實(shí)現(xiàn)，還有就是伺服的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變頻，有些對速度的精度和響應(yīng)要求高的場合也用伺服控制，能用變頻控制的運(yùn)動的場合幾乎都能用伺服取代，關(guān)鍵是兩點(diǎn)：一是價格伺服遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻，二是功率的原因：變頻最大的能做到幾百KW，甚至更高，伺服最大就幾十 KW。伺服的基本概念是準(zhǔn)確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動器中同樣存在變頻（要進(jìn)行無級調(diào)速） 。但伺服將電流環(huán)速度環(huán)或者位置環(huán)都閉合進(jìn)行控制，這是很大的區(qū)別。除此外，伺服電機(jī)的構(gòu)造與普通電機(jī)是有區(qū)別的，要滿足快速響應(yīng)和準(zhǔn)確定位。現(xiàn)在市面上流通的交流伺服電機(jī)多為永磁同步交流伺服，但這種電機(jī)受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾 KW 以上的同步伺服價格及其昂貴，這樣在現(xiàn)場應(yīng)用允許的情況下多采用交流異步伺服，這時很多驅(qū)動器就是高端變頻器，帶編碼器反饋閉環(huán)控制。2.5 交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速原理由 可知，改變定子s)-(1}{nr/mi0r/i? r/minr/in0hz }{-s)/p-(160{f}???電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。又有異步電動機(jī)的電勢公式可知外加電壓近似于頻率和磁通的乘積成正比，即 ，由???CfEUx11于 C 為常數(shù)，則 ，因此，若外加電壓不變，則磁通f/Uxf/E???隨頻率改變而改變，亦即頻率降低，則磁通增加；、頻率增加，磁通降低。顯而易見，前者有可能造成電動機(jī)的磁路過飽和，從而導(dǎo)致電流的增加而引起鐵心過熱。為了解決這一問題，這要求在變頻調(diào)速系統(tǒng)中降頻的同時最好降壓，即頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制，亦即 Ux 必須與 f 成比例的變化。一般來說，在恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)中，如果能保持 定值，則可?/UX保證調(diào)速過程中電動機(jī)的過載能力保持不變。同時，可滿足磁通 基本不?變的要求。而在恒功率調(diào)速時，如能滿足 定值的條件，則調(diào)速過fx/程中電動機(jī)的過載能力也保持不變，但此時磁通將發(fā)生變化，如果此時亦按恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速滿足 定值的條件，則磁通將基本保持不變，但電動機(jī)?/fUX的過載能力將在調(diào)速過程中改變。從而根據(jù) 協(xié)調(diào)控制的方法不同，可/fUX以有不同的調(diào)速特性。2.6 變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為交-直-交變頻調(diào)速與交-交變頻調(diào)速兩大類。前者常稱為帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻調(diào)速，后者則常稱為直接變頻調(diào)速。在專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中可知：交-交變頻調(diào)速與交-直-交變頻調(diào)速相比，其優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)省了換流環(huán)節(jié)，提高了效率；在低頻時波形較好，電動機(jī)諧損耗及轉(zhuǎn)矩的脈動大大減小。其缺點(diǎn)是：最高頻率受電網(wǎng)頻率的限制，且主回路元件數(shù)量多。故一般適用于低速、大容量的場合，如球磨機(jī)、礦井提升機(jī)、電力機(jī)車及軋機(jī)的轉(zhuǎn)動。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的改造選用交-直-交變頻調(diào)速。在交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，首先將電網(wǎng)中交流電整流成直流電，再通過逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。前者目前主要采用晶閘管整流器來完成；逆變器的作用與整流器的作用相反，一般包括逆變電路及換流電路兩部分。逆變電路又有單相與多相、零式與僑式之分。換流電路是12保證當(dāng)前導(dǎo)通的一只晶閘管換為后一只晶閘管導(dǎo)通時，確保前者能可靠關(guān)斷的裝置。就整個變頻裝置而言，又根據(jù)從直流變到交流的中間環(huán)節(jié)濾波方法的不同而派生出兩種不同的線路，即所謂電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)和電路型變頻調(diào)速系統(tǒng)。圖示為電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖BR速度給定 － ～頻率發(fā)生器環(huán)形計(jì)數(shù)器脈沖放大器F/V變 換 器直流放 大 器移相電路變頻 M－～變頻器系統(tǒng)中，晶閘管整流、移相觸發(fā)電路、脈沖放大器、電壓及速度負(fù)反饋環(huán)節(jié)的電路及原理與交流調(diào)速系統(tǒng)沒有多大差別，其中，速度給定與頻率發(fā)生器電路是用來將給定電壓變換為一定頻率脈沖信號的電路，通常采用單結(jié)晶體管振蕩器，也有采用晶體管多諧振蕩器、間歇振蕩器等組成。該輸出脈沖分別送至環(huán)形計(jì)數(shù)器及頻率/電壓變換器中。環(huán)形計(jì)數(shù)器實(shí)質(zhì)是一個分頻器，它把來自頻率發(fā)生器的脈沖 6 個一組依次分配，經(jīng)過脈沖放大后，順序觸發(fā)逆變器的 6 只晶閘管來實(shí)現(xiàn)逆變。頻率/電壓變換器是為了實(shí)現(xiàn)電壓與頻率的協(xié)調(diào)控制的。因?yàn)樵谧冾l的同時，必須相應(yīng)的改變13直流電壓，以滿足調(diào)速系統(tǒng)的要求。頻率/電壓變換器把脈沖信號變換為寬度與頻率成線性關(guān)系的矩形波。即當(dāng)脈沖信號的頻率增高時，其輸出電壓也增高，控制晶閘管整流器的控制角 a 前移，使晶閘管整流器的輸出電壓也增高。目前通用型變頻器主要是交-直-交變頻器，其主要電路為下圖。同時變頻器的核心電路，有整流回路（交-直變換）直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直-交變換）組成，當(dāng)然還包括限流電路，制動電路，控制電路等組成。1）整流電路（交-直轉(zhuǎn)換）如下圖所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相 380V 時，整流器件的最大反向電壓一般為 1200—1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。142）濾波電路（能耗電路） 逆變器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動機(jī)，無論異步電動機(jī)處于電動或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動機(jī)之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴(yán)重制約變頻器的壽命。3）逆變電路（直交轉(zhuǎn)換）逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。 最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO 等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中15功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動電路。如三菱公司生產(chǎn)的 IPMPM50RSA120，富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門子公司生產(chǎn)的 BSM50GD120 等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT 逆變模塊及各種檢測保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為 20KHz，保護(hù)功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時輸出故障信號燈。逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時，異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個開關(guān)，同時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時，對換流器件進(jìn)行保護(hù)。2.7 電動機(jī)的選型計(jì)算所得設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)加以折算進(jìn)行電動機(jī)的選擇計(jì)算。1） 折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩 式（2.1）lmL*WT*??式（2.2）M1N.5879.04*lLm ???式（2.3） 74w046k.*5Pwl ??——電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩mT——生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩L16——電動機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度mW——電動機(jī)功率Pw2）工作狀態(tài)下的載荷負(fù)載轉(zhuǎn)矩在正常狀態(tài)下，工作狀態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩應(yīng)不超過電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的 80%式（2.4）Trms80%*Ts?——電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 N*Mm——工作狀態(tài)載荷轉(zhuǎn)矩 N*Mrs式（2.5）M5N.80*Tms ??式（2.6）6.7s1、鑒于此選擇的電機(jī)為所以運(yùn)用交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)將電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)至 87 轉(zhuǎn)/分鐘。型號 額定功率 額定轉(zhuǎn)速 最大轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩HC-KFS73 0.75KW 2.4N*M 7.2N*M 3000R/MIN17第三章 擺線針輪減速器擺線針輪行星齒輪傳動的典型結(jié)構(gòu)和各部分名稱如圖所示。兩個相同的擺線行星輪 C，經(jīng)滾子軸承 3 安裝在偏心套 2 上，行星輪采用變態(tài)外擺線的等距曲線作齒廓。雙偏心套 2 又用鍵連接固定在輸入軸 1 上組成轉(zhuǎn)臂H。該偏心套的兩個偏心位置相錯 180 度。固定針輪 P 由針齒殼 6，針齒套 7 和針齒銷 8 組成，針齒工作部分為圓柱形銷套。軸銷式 W 機(jī)構(gòu)由裝在輸出軸端部銷盤上的銷軸 4，銷套 5 和行星輪上的銷孔組成。采用這種 W 機(jī)構(gòu)可將擺線輪的轉(zhuǎn)動等角速地傳給輸出軸 V。18為便于分析其運(yùn)動特點(diǎn)，將這種減速器的結(jié)構(gòu)用下圖簡化但輸入軸 I 和轉(zhuǎn)臂(偏心套)一起繞 Oz 轉(zhuǎn)動時，就帶動擺線輪 B 沿著固定19的針矢以絕對的角速度 W2 滾動，也就是繞軸 O2 作行星傳動，即繞軸 O2公轉(zhuǎn)同時還繞自己的軸線 OB 做反方向的減速轉(zhuǎn)動即自轉(zhuǎn)。顯然，擺線輪B 的運(yùn)動以等角速比傳遞到與輸入軸 I 同軸線的輸出軸 V 上去，必須加一個傳動比等于 1 的等角速度傳動機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)就是輸出機(jī)構(gòu)，通常稱為機(jī)構(gòu)。w擺線針輪行星齒輪傳動的主要符號——擺線輪齒數(shù) ——針輪齒數(shù)BZ PZ——傳動比 ——中心矩 HI a ——基圓半徑 ——滾圓半徑bcr gr——擺線輪節(jié)圓半徑 ——針輪節(jié)圓半徑' p'——擺線短幅系數(shù) ——針輪系數(shù)1K2K——擺線輪齒頂圓半徑 ——針齒中心圓半徑acr pr——擺線輪齒根圓半徑 ——針齒套外圓半徑f——擺線輪柱銷孔半徑 ——針齒銷半徑 wr zpr——柱銷中心半徑 ——柱銷套外圓半徑Zrw——柱銷中心圓半徑 ——柱銷半徑WRs3.1 擺線針輪行星齒輪傳動的特點(diǎn)1）傳動比大和一般減速器相比，這種減速器的減速比可以很大，以及減速可達(dá) 9~87（特殊情況可達(dá) 7~115） ，而及減速可達(dá) 121~5133（最大可達(dá)7969） ，如果采用多級組合型式可達(dá) 或更大。例如某設(shè)備上應(yīng)用的四106級擺線減速機(jī)速比為 1100155，輸入軸轉(zhuǎn)速為 1500 轉(zhuǎn)/分時。輸入軸每天只轉(zhuǎn) 2 轉(zhuǎn)。20一對定軸齒輪速比一般不大于 7，傳動比過大時，大小齒輪的工作情況差別較大，結(jié)構(gòu)尺寸也過大。蝸桿渦輪速比一般也不大于 70。類型 一級傳動 二級傳動圓柱齒輪減速器直齒減速器斜齒減速器5i?730~8i?5max圓錐齒輪減速器直齒減速器斜齒和圓錐齒減速器3i?6渦輪減速器 70~1i?40~5i?2max擺線針齒行星減速器 89i 13i796ax?2）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。與同等功率的其他類型減速器相比，其體積可減小一半，重量了減輕三分之二左右?？晒?jié)省大量鋼材，且小巧輕便。3）效率高由于采用了針齒加套，銷軸加套，嚙合表面沒有相對滑動，而是純滾動，滾動替換了滑動，故其效率較渦輪減速器，漸開線一級查減速器和 PM減速器都高。據(jù)國外實(shí)測，一級減速器效率可達(dá) 90-94%，而渦輪減速器效率只 65-75%。PM 減速器效率大約 85%左右4.）運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無噪音擺線針輪減速器同時嚙合的齒數(shù)很多，兩個擺線輪又位差 180 度的裝載偏心套上，偏心運(yùn)動得到平衡，嚙合部位得到切削加工，因此運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，噪音很小，改善工人勞動條件。215）耐沖擊，超負(fù)荷能力強(qiáng)一般的漸開線齒輪同時嚙合的齒數(shù)少，其重疊系數(shù)小，而擺線減速器傳遞動力大，同時嚙合的齒數(shù)理論上為擺線輪的一半。因有誤差的影響，實(shí)際呢合的齒數(shù)大約為擺線輪齒數(shù)的三分之一，故耐沖擊和超負(fù)荷能力較強(qiáng)。據(jù)天津減速器廠對 i=43 機(jī)型的實(shí)測，沖擊負(fù)荷達(dá)額定負(fù)荷的 3.5 倍時，減速器仍完好無損；日本進(jìn)行靜扭矩試驗(yàn)，加載到額定扭矩的十倍，減速器齒和柱銷等環(huán)節(jié)都很正常。6）壽命長，故障少，轉(zhuǎn)拆方便，維修簡單。擺線減速器的擺線輪和針輪、柱銷均為軸承鋼。硬度達(dá) RC62-64，油井切削加工，耐磨性能好，因此壽命長。據(jù)介紹，擺線減速器在負(fù)荷下可使用 10-15 年，一般負(fù)荷下使用三十年以上。減速器的輸入，輸出軸同在一條直線上，且零件較少，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，因此裝拆方便，維修方便。7）飛輪轉(zhuǎn)矩小，便于啟動、制動，轉(zhuǎn)向。擺線減速器的飛輪矩與電動機(jī)及負(fù)荷的飛輪矩相比，幾乎可以忽略。因此李于啟動、制動、轉(zhuǎn)向。事物都是一分為二的，擺線減速器也有其弱點(diǎn)：這種傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難，加工和裝配精度要求較高同時需要專門的加工設(shè)備，而且擺線輪尚缺乏一套完善的測量工具。此外，轉(zhuǎn)臂軸承受力較大，軸承壽命不易保證。這些問題都限制了擺線行星傳動的應(yīng)用范圍。另外：由于擺線傳動沒有可分性，多齒嚙合，多銷孔嚙合，因此對于加工精度和裝配精度要求較高。擺線磨齒機(jī)的誕生解決了對擺線齒形的加工這一關(guān)鍵。1. 主要零件的熱處理質(zhì)量要求高，大尺寸擺線輪鍛造和熱處理困難，稍22加疏忽易出現(xiàn)裂紋。2. 關(guān)鍵零件需要較好的剛材制造。3. 體積小，散熱條件不好，特別是大功率擺線減速器，散熱和潤滑比較困難。4. 擺線齒輪沒有精確的測量方法和測量工具，相鄰周節(jié)誤差和周節(jié)累積誤差都不能測量。因此擺線齒輪的質(zhì)量不好保證。目前檢驗(yàn)辦法是測量擺線輪齒頂?shù)綄Ψ烬X底的徑向長度。5. 基本理論復(fù)雜，不如漸開線齒輪易掌握（但這種情況將隨著他的逐步推廣有所改變） 。目前，擺線針輪行星傳動多用于高速軸轉(zhuǎn)速 n≤1500r/min 和輸入功率 N≤100KW 的場合，國內(nèi)最大輸入功率達(dá) 75KW。3.2 傳動比計(jì)算針對擺線輪針齒行星傳動，輪 1 即為擺線輪，齒數(shù) 其角速度為 ，輪 BZBW2 即齒數(shù)為 的針齒，其角速度為 ，同樣可寫成：2Z2W23式ZB2WH- 2B-?（3.1）通常針輪固定不動，故：式02?（3.2）等式成為：式ZB2WH0-B-?（3.3）擺線針齒行星傳動中，因針輪固定，轉(zhuǎn)臂 H 和擺線輪的速比：式 ZB2-WBHI zHB ???（3.4）負(fù)號表示轉(zhuǎn)臂 H 與擺線輪的轉(zhuǎn)向相反，因針齒與擺線輪齒數(shù)相差 1，即： 式1Z-B2?（3.5）24故減速比： 式BZI zHB??（3.6）結(jié)論：在擺線針齒傳動中，當(dāng)針齒固定不動時轉(zhuǎn)臂 H 和擺線輪的減速比的絕對值等于擺線輪的齒數(shù)。擺線輪的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)臂 H 相反。為了把擺線輪 B的運(yùn)動以等角速比傳遞到與輸入軸 Z 同軸線的輸出軸 V 上去,必須加一個傳動比等于 1 的等角速傳動機(jī)構(gòu),這種機(jī)構(gòu)就是輸出機(jī)構(gòu),通常稱 W 機(jī)構(gòu)。3.3 擺線針輪減速器設(shè)計(jì)1．預(yù)選 K12參考 3-3，預(yù)選 ，0.65?參考表 3-4，預(yù)選 122．查 的值ymax, , 由 7-1 查得87i?0.65K12?342max3．求針輪半徑 和擺線寬度 B 按式 R2式 Z?yM)][ 03.( maxr2C31??（3.7）取 ??2c/850〈〈??2Hr *5.687394.0*875.970*inN97M 〈???