噴墨定位系統(tǒng)伺服電機(jī)選型分析

王富豪 張陽 蔡吉飛

摘要：為了解決噴墨定位系統(tǒng)伺服電機(jī)的選型問題，本文以噴墨定位系統(tǒng)為載體，通過計(jì)算伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、伺服電機(jī)總扭矩和噴墨定位平臺(tái)的實(shí)際工作要求，根據(jù)伺服電機(jī)選型原則來選擇合適的伺服電機(jī)。如果電機(jī)的選型出現(xiàn)問題，會(huì)造成噴墨定位系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，對(duì)廠家和設(shè)備帶來嚴(yán)重影響。因此，噴墨定位系統(tǒng)選擇合適的伺服電機(jī)是非常重要的。

關(guān)鍵詞：噴墨定位系統(tǒng)；伺服電機(jī)；選型原則

中圖分類號(hào)：TM383.4；TS803 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2021） 09-0043-03

基金項(xiàng)目：北京市教委科研計(jì)劃一般項(xiàng)目（噴碼印刷動(dòng)態(tài)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究KM2019100150005）；北京市教委面上項(xiàng)目（高速印刷機(jī)凸輪系統(tǒng)沖擊問題建模及參數(shù)識(shí)別方法研究KM201810015007）

Selection and Analysis of Servo Motor for Inkjet Positioning System

WANG Fu-hao， ZHANG Yang， CAI Ji-fei（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： In order to solve the problem of the selection of the servo motor for the inkjet positioning system， this paper takes the inkjet positioning system as the carrier， calculates the moment of inertia of the servo motor， the total torque of the servo motor and the actual working requirements of the inkjet positioning platform， and selects the appropriate servo motor according to the selection principle of the servo motor. If there is a problem in the selection of motor， it will cause a serious failure of the ink-jet positioning system， which will have a serious impact on manufacturers and equipment. Therefore， it is very important to select the appropriate servo motor for the ink-jet positioning system.

Key words： inkjet positioning system； servo motor； selection principle

在信息快速發(fā)展的今天，二維碼和條形碼已經(jīng)廣泛應(yīng)用到人們的日常生活中，應(yīng)用二維碼或者條形碼可以區(qū)別真假物品，所以二維碼和條形碼在印刷包裝領(lǐng)域占據(jù)十分重要的地位。但是許多商家為了追逐利益不斷造假，在包裝時(shí)使用假二維碼和條形碼，為了解決這一問題，只有不斷提高噴墨定位系統(tǒng)的精度，才能改變這一現(xiàn)狀。噴墨定位系統(tǒng)的核心原件之一包括伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的選擇合適與否，直接決定噴墨定位系統(tǒng)的精度[1]。因此選擇合適的伺服電機(jī)是制造一款高精度噴墨定位系統(tǒng)的前提。

伺服電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，只有選擇符合要求的電機(jī)是提高設(shè)備精密度、安全性、可靠性和穩(wěn)定性的前提[2]。伺服電機(jī)在眾多電機(jī)類型中方便控制，響應(yīng)迅速，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，例如應(yīng)用在航空航天、精密機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和印刷包裝工程中。但是對(duì)伺服電機(jī)來說，選擇合適的型號(hào)是核心問題。如果選擇電機(jī)型號(hào)的額定參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際參數(shù)，將會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)資源的問題，甚至?xí)p壞設(shè)備。如果選擇型號(hào)的額定參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際參數(shù)，將會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足的現(xiàn)象。因此，針對(duì)本文的噴墨定位系統(tǒng)來說，選擇合適型號(hào)的伺服電機(jī)是提高其準(zhǔn)確性和安全性的必要前提。

伺服電機(jī)選擇主要過程如下：1）首先確定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，常見的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有滾珠絲杠，帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)。然后確定負(fù)載，計(jì)算所需要的尺寸、質(zhì)量、系數(shù)，以及滑動(dòng)零部件的摩擦系數(shù)等等。2）確定伺服電機(jī)要求規(guī)格，例如噴墨定位系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間、分辨率、保持位置、定位距離等參數(shù)。3）計(jì)算負(fù)載，即計(jì)算伺服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。4）按照規(guī)格選擇電機(jī)，然后根據(jù)選擇的電機(jī)從強(qiáng)度、剛度、轉(zhuǎn)矩等各方面計(jì)算是否符合要求。

1 噴墨定位系統(tǒng)介紹

噴墨定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且精密度比較高，噴墨頭安裝在控制裝置的一側(cè)，裝置的整體高度比較低，因此噴墨定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較好，此裝置中選用的伺服電機(jī)本身移動(dòng)速度快，加速度高，精度控制比較高[3]。在了解噴墨定位系統(tǒng)的主要特性以后，還需要分析噴墨定位系統(tǒng)的主要組成部分，包括伺服電機(jī)、力矩電機(jī)、電機(jī)固定底板、噴墨頭、擋板、地腳、側(cè)支撐板、旋轉(zhuǎn)軸套筒、磁柵尺讀數(shù)頭等部件。噴墨定位系統(tǒng)的Solidworks三維簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

2 確定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于在選伺服電機(jī)型號(hào)之前，需要確定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。根據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，由圖1可得，力矩電機(jī)和噴墨單元在Z軸上通過伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過計(jì)算分析，其負(fù)載的總質(zhì)量為30Kg。由于伺服電機(jī)與滾珠絲杠直接連接，所以其傳動(dòng)比為1：1，選取伺服電機(jī)的一般轉(zhuǎn)速為3000r/min。由實(shí)際工作情況可得，Z軸最大運(yùn)動(dòng)速度12000mm/min。

其中P代表行程，i代表傳動(dòng)比，n代表轉(zhuǎn)速。

通過公式（1）計(jì)算[4]可得絲杠的最大行程為4.333mm。依據(jù)滾珠絲杠手冊(cè)可得絲杠的選擇行程為5mm。參照滾珠絲杠規(guī)格選型表，選擇絲杠型號(hào)為FFZD2504-3，精度等級(jí)C1。

3 伺服電機(jī)選型分析

外部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

式中V為電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，vm為X軸設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度200mm/s，p為絲杠的導(dǎo)程。帶入公式（5）可得Z軸電機(jī)的最高速度為v=2400.58r/ min。ECMA-C10605ES型交流伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，Z軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速小于預(yù)選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，所以從電機(jī)的轉(zhuǎn)速方面來看，可以滿足電機(jī)選型要求[6]。

式中T1為外部總負(fù)載產(chǎn)生的扭矩，T2為滾珠絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩，T3為加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩。

4 總結(jié)

1）噴墨定位系統(tǒng)在包裝商品中應(yīng)用非常廣泛，可以在商品包裝外盒上制作二維碼和條形碼，對(duì)檢驗(yàn)商品的真?zhèn)尉哂惺种匾淖饔?。但是如果噴墨定位的設(shè)計(jì)不合理或者誤差比較大，則條形碼或二維碼達(dá)不到要求的精度。其中影響精度的原因包括標(biāo)準(zhǔn)件的選型誤差和非標(biāo)件的設(shè)計(jì)，本文主要從伺服電機(jī)的選型來提高噴墨定位的精度。

2）伺服電機(jī)選型需要計(jì)算的主要數(shù)據(jù)應(yīng)包括：明確負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如加速度、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方式等。根據(jù)工作要求，選擇合適的負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式，計(jì)算出其負(fù)荷慣量，然后選擇合適的伺服電機(jī)規(guī)格。將初選的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載慣量相結(jié)合，計(jì)算出加速轉(zhuǎn)矩和減速轉(zhuǎn)矩。根據(jù)負(fù)荷量、配置方式、摩擦系數(shù)、運(yùn)行效率計(jì)算出負(fù)載力矩。初選伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于加速轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之和。如果不滿足這個(gè)要求，則必須選擇其它型號(hào)，直至達(dá)到符合要求為止。依據(jù)負(fù)載力矩、加速力矩、減速力矩和保持力矩計(jì)算出系統(tǒng)的瞬時(shí)力矩，最后選擇合適的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

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