交流伺服电机在包装机械上的应用及选择

发布时间：2009-03-13 作者：陈文革，林国祥

　　包装机械是集机、电、气、光、生、磁为一体的机电设备，在包装生产中起着举足轻重的作用，是保证包装产品高质量、高效率生产的基础而交流伺服电机作为一种执行电动机，由于具有高精度、高效率、高可靠性等优点使其在包装机械领域的应用越来越受到人们的重视因此．正确了解、认识和选用交流伺服电机，是我国包装机械制造业紧跟并赶超国际先进水平的必然选。
　　1 交流伺服电机的优良性能
　　1．1 控制精度高
　　步进电机的步距角一般为1．8。(两相)或0．72。(五相)，而交流伺服电机的精度取决于电机编码器的精度。以日本富士系列伺服电机为例，其编码器为l6位，驱动器每接收2 =65 536个脉冲，电机转一圈，其脉冲当量为360‘／65 536=0，0055 ；并实现了位置的闭环控制．从根本上克服了步进电机的失步问题。
　　1 2 矩频特性好
　　步进电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。而交流伺服电机在其额定转速(一般为2000r／min或3000r／rain)以内为恒转矩输出，在额定转速以E为恒功率输出。
　　1．3 具有过载能力
　　以松下交流伺服电机为例，电机的最大转矩是其额定转矩的3倍．对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用。
　　1 4 加速性能好
　　步进电机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要200—400ms：交流伺服电机的加速性能较好．以松下MSMA400W 交流何服电机为例，电机空载时从静止加速到其额定转速300(0仅需要几毫秒，可用于要求快速起停的控制场合。
　　2 交流伺服电机在包装机械上的应用
　　2．1 在物料计量方面的应用
　　粉状物料的计量，常用螺杆计量的方式．通过螺杆旋转的圈数的多少来达到计量的目的。为了提高计量的精度，要求螺杆的转速可调、位置定位准确，如果用交流伺服电机来驱动螺杆，利用交流伺服电机控制精度高、矩频特性好的优点可以达到快速精确计量同样．对粘稠体物料的计量，可以采用交流伺服电机来驱动齿轮泵，通过齿轮泵的一对齿轮的啮台来进行计量。
　　2_2 在横封装置和定长裁切机柯上的应用
　　在制袋式自动包装机械中，横封装置是一个重要的机构，它不仅要求定位准确，还要求横向封台时横封轮的线速度与薄膜供送的速度相等，而且在横封轮对滚后，横封轮的转速应增大，即以较快的速度相分离。
　　传统的方法是通过偏心轮或曲柄导杆机构等机械的方式来实现的，这样不仅机构复杂、可靠性低，且调整十分麻烦。如果用交流伺服电机来驱动横封轮，可以利用交流伺服电机优良的运动性能，通过交流伺服电机的非恒速运动来满足横向封口的要求，提高工作质量和效率。
　　同样的原理， 流伺服电机可以用在定长裁切方面。比如在包装纸箱的生产流水线上，将瓦楞纸按一定的长度切断是一道关键工序，通常垂直于纸坯运动方向的切刀为长条型，平行安装在圆柱型的刀架表面，如果用交流伺服电机通过减速机构来带动刀架，可以通过控制交流伺服电机的运动，从而控制刀架的旋转周期，达到定长裁切的目的。
　　2．3 在供送物料方面的应用
　　包装机械供送物料的工作方式有间歇式和连续式两类。
　　在间歇式供送物料方式中，如在间歇式制袋包装机上，以前，包装膜的供送多采用曲柄连杆机构间歇拉带的方式，不仅结构复杂，调整也困难。如果用交流伺服电机驱动拉带轮，可以在控制器中事先设定交流伺服电机每次运行的距离、运行的时间和停顿的时间，利用交流伺服电机的优良加速和定位性能，达到准确控制供送薄膜的长度的目的。尤其是在具有色标纠偏装置的控制系统中，通过色标检测开关检测到的偏差信号，经控制器输送到交流伺服电机，交流伺服电机优良的加速性能和控制精度，可以使偏差得到快速准确的纠正。
　　在连续式供送物料方式中，交流伺服电机的优良加速性能及其过载能力，可以保证连续匀速的供送物料。
　　3 交流伺服电机的选用
　　在包装机械的设计中，选用交流伺服电机时，常常需要进行以下几个方面的计算。
　　3_1 负载转动惯量的折算
　　交流伺服电机在包装机械上作为一个执行元件，
　　并不是普通意义上的动力源，而在运动控制系统的设计中，负载通过机械传动系统对电机轴的折算惯量，是必须要考虑的因素，这是因为：
　　(1)为了提高系统的动态响应性能，负载折算到电机轴上的折算惯量与电机轴本身的转动惯量之间必须匹配(匹配的条件是：负载的折算惯量应小于电机惯量的2．5倍。参照的是数控机床的设计标准)；
　　(2)在电机选型的过程中，特别是在加速／减速时间很短(快速启停)的应用场合，常需要计算加速扭矩，这时也需要用到负载对电机轴的折算惯量。惯量折算的原则是保持折算前后两个系统储存的动能相同。下面是两种折算惯量的计算方法：
3．1．1 齿轮(或皮带轮传动)
　　
　　式中 ——折算到电机轴上的负载惯量(kg·m )：
　　 ——负载和与负载同轴连接的齿轮(或皮带轮)及轴的转动惯量(kg·m )；
　　——与电机同轴连接的齿轮(或皮带轮)的转动惯量(kg·m )；
　　——系统传动比。
　　3．1．2 丝杠螺母传动
　　
　　式中m——直线运动件的质量(kg)，在下面，也指重物的质量；s— — 丝杠螺距(m)。
        3．2 负载扭矩的折算
　　在电机选型时，必须计算出负载通过机械系统对电机轴的折算扭矩，折算的原则是保持折算前后两个系统传递的功率不变；以下是在几种常见的机械传动方式下扭矩的折算。
　　3．2．1 重物提升

　　式中——负载折算到电机轴上的折算扭矩(N·m)；
　　D——与电机同轴连接的轮子的直径(m)，在下面，也指同步带轮和齿轮的直径；
　　g——是重力加速度(m／s2)。
　　3．2．2 丝杠螺母传动

　　式中F——物体在驱动方向上所受的总外力(N)；
　　——传动效率；
　　—一丝杠的摩擦扭矩(N·m)。
　　3．2．3 同步带或齿轮齿条传动
　
         3．3 电机工作扭矩的计算
        在最后选取电机时，除了要计算负载的折算扭矩外，还要考虑电机在加速或减速时的惯性扭矩，假设电机在时间电机惯量为，则根据旋转运动方程，可得惯性扭矩为：

        则电机的工作扭矩为：
        加速时：；
        减速时： 。
        在选用电机时，应以加速时电机的工作扭矩为依据，并根据实际情况，选取合适的安全系数。
        3．4 电机工作转速及脉冲当量的计算
       在运动控制系统的设计中，还需根据被控物体的工作速度或转速计算电机的转速n (r／min)，同时要根据系统控制精度的要求，选取脉冲当量或。这里脉冲当量的含义是：每一个脉冲，电机转过一定的角度，相对应的工作台的位移量或工作机构转过的角度。
        3．4．1 重物提升

        式中V——物体或工作台运动的速度(m／min)；
        P——需的脉冲数(p／r)。
　　3．4．2 丝杠螺母传动

　　3．4．3 同步带或齿轮齿条传动
　　

　　3．4．4 齿轮或带轮传动
　　

　　式中，——齿轮或带轮的转速。
　　4 结束语
　　在包装机械上，同样作为执行电机的还有步进电机，其应用比交流伺服电机更普遍，究其原因，主要有以下两个方面：
　　(1)使用步进电机，控制器的设计相对比较容易，易于实现；
　　(2)选用交流伺服电机来设计控制系统，其成本比选用步进电机高。
　　但是，由交流伺服电机组成的控制系统，其高效率、高精度、高稳定性等优良性能，远可以抵消它在价格方面的弱势，并且随着交流伺服电机的广泛应用，其性价比将越来越高。专家们预言：21世纪机械制造业的竞争，其实质就是数控技术的竞争；可以说，在包装机械上，针对交流伺服电机开发的数控系统的“匮乏”，已成为制约我国包装机械上档次的一个重要方面。
　　[参考文献】
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　　[3]林奕鸿等编．机床数控技术及应用[M]．机械工业出版社，