SMT设备原理与应用-第二章-SMT设备基础知识-电机PPT课件

.,1,SMT设备基础知识,SMTequipmentfundation,.,2,Content,Motors电机pneumatictransmission气压传动,.,3,Motors电机,Steppermotorservomotorlinearsteppermotor,.,4,Steppermotor,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。,.,5,分类,现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,.,6,步进电机的一些基本参数,电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENTTORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。,.,7,步进电机优点,电机旋转的角度正比于脉冲数；电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；优秀的起停和反转响应；由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围误差不累计,.,8,缺点,如果控制不当容易产生共振；难以运转到较高的转速；必须提供专门的控制电源,.,9,步进电机的选用,选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。,.,10,步进电机的选用,选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。,.,11,步进电机的选用,（1）计算齿轮的减速比根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:i=(S)/(360)(1-1)式中-步进电机的步距角（/脉冲）S-丝杆螺距（mm)-(mm/脉冲）,.,12,（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。Jt=J1+（1/i)(J2+Js）+W/g（S/2)(1-2)式中Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s)J1、J2-齿轮惯量(Kg.cm.s)Js-丝杆惯量(Kg.cm.s)W-工作台重量（N）S-丝杆螺距（cm）,.,13,（3）计算电机输出的总力矩MM=Ma+Mf+Mt（1-3）Ma=（Jm+Jt).n/T1.0210（1-4）式中Ma-电机启动加速力矩（N.m)Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s)n-电机所需达到的转速（r/min）T-电机升速时间（s）Mf=(u.W.s)/(2i)10（1-5）Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)u-摩擦系数-传递效率Mt=(Pt.s)/(2i)10（1-6）Mt-切削力折算至电机力矩（N.m)Pt-最大切削力（N）,.,14,4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm)1/2（1-7）式中fq-带载起动频率（Hz）fq0-空载起动频率Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.,.,15,（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.20.4)Mmax.,.,16,servomotor伺服电机,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。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降,.,17,伺服电机工作原理,伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。,.,18,交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电机内部的转子（rotor）是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。,.,19,交流伺服电机和无刷直流伺服电机，交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。,.,20,伺服电机和步进电机的区别,一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。可见，伺服电机的精度可以做得更高,.,21,伺服电机和步进电机的区别,低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。,.,22,伺服电机和步进电机的区别,矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。,.,23,伺服电机和步进电机的区别,过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。交流伺服电机具有较强的过载能力。,.,24,伺服电机和步进电机的区别,运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。,.,25,伺服电机和步进电机的区别,速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。,.,26,伺服电机的选型,转速和编码器分辨率的确认。电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。计算负载惯量，惯量的匹配，安川伺服电机为例，部分产品惯量匹配可达50倍，但实际越小越好，这样对精度和响应速度好。再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。电缆选择，编码器电缆双绞屏蔽的，对于安川伺服等日系产品绝对值编码器是6芯，增量式是4芯。转数根据客户实际要求，对于同等功率的电机可以选配不同转数的电机，一般来说，转数越低，价格越便宜。扭矩必须满足实际需要，但是不需要像步进电机那样留有过多的余量。惯量根据现场要求选用不同惯量的电机，如机床行业一般选用系列大惯量的伺服电机。,.,27,伺服电机选型计算,（1）计算齿轮的减速比根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:i=(.S)/(360.)(1-1)式中-步进电机的步距角（o/脉冲）S-丝杆螺距（mm)-(mm/脉冲）（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。Jt=J1+（1/i2)【(J2+Js）+W/g（S/2)2】（1-2）式中Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)J1、J2-齿轮惯量(Kg.cm.s2)Js丝杆惯量(Kg.cm.s2)W-工作台重量（N）S-丝杆螺距（cm）,.,28,（3）计算电机输出的总力矩MM=Ma+Mf+Mt（1-3）Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102（1-4）式中Ma-电机启动加速力矩（N.m)Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)n-电机所需达到的转速（r/min）T-电机升速时间（s）Mf=(u.W.s)/(2i)102（1-5）Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)u-摩擦系数-传递效率Mt=(Pt.s)/(2i)102（1-6）Mt-切削力折算至电机力矩（N.m)Pt-最大切削力（N）,.,29,（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm)1/2（1-7）式中fq带载起动频率（Hz）fq0空载起动频率Ml起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。,.,30,（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.20.4)Mmax.,.,31,直线步进电机linearsteppermotor,直线步进电机，或称线性步进电机，是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动，直线步进电机在电机内部把旋转运动转化为线性运动。,.,32,直线步进电机的基本原理：,采用一根螺杆和螺母相啮合，采取某种方法防止螺杆螺母相对转动，从而使螺杆轴向移动。一般而言，目前有两种实现这种转化的方式，第一种是在电机内置一个带内螺纹的转子，以转子的内螺纹和螺杆相啮合而实现线性运动，第二种是以螺杆作为电机出轴，在电机外部通过一个外部驱动螺母和螺杆相啮合从而实现直线运动。这样做的结果是大大简化了设计，使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线步进电机进行精密的线性运动。,.,33,pneuma