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摘要：为了解决喷墨定位系统伺服电机的选型问题，本文以喷墨定位系统为载体，通过计算伺服电机转动惯量、伺服电机总扭矩和喷墨定位平台的实际工作要求，根据伺服电机选型原则来选择合适的伺服电机。如果电机的选型出现问题，会造成喷墨定位系统出现严重故障，对厂家和设备带来严重影响。因此，喷墨定位系统选择合适的伺服电机是非常重要的。
关键词：喷墨定位系统；伺服电机；选型原则
中图分类号：TM383.4；TS803 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 09-0043-03
基金项目：北京市教委科研计划一般项目（喷码印刷动态定位关键技术的研究KM2019100150005）；北京市教委面上项目（高速印刷机凸轮系统冲击问题建模及参数识别方法研究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
在信息快速發展的今天，二维码和条形码已经广泛应用到人们的日常生活中，应用二维码或者条形码可以区别真假物品，所以二维码和条形码在印刷包装领域占据十分重要的地位。但是许多商家为了追逐利益不断造假，在包装时使用假二维码和条形码，为了解决这一问题，只有不断提高喷墨定位系统的精度，才能改变这一现状。喷墨定位系统的核心原件之一包括伺服电机，伺服电机的选择合适与否，直接决定喷墨定位系统的精度[1]。因此选择合适的伺服电机是制造一款高精度喷墨定位系统的前提。
伺服电机在工业生产中占有举足轻重的地位，只有选择符合要求的电机是提高设备精密度、安全性、可靠性和稳定性的前提[2]。伺服电机在众多电机类型中方便控制，响应迅速，在工业领域中应用非常广泛，例如应用在航空航天、精密机械、农业机械和印刷包装工程中。但是对伺服电机来说，选择合适的型号是核心问题。如果选择电机型号的额定参数远远大于实际参数，将会出现浪费资源的问题，甚至会损坏设备。如果选择型号的额定参数远远小于实际参数，将会出现动力不足的现象。因此，针对本文的喷墨定位系统来说，选择合适型号的伺服电机是提高其准确性和安全性的必要前提。
伺服电机选择主要过程如下：1）首先确定驱动机构，常见的驱动机构有滚珠丝杠，带传动，链传动和齿轮齿条传动。然后确定负载，计算所需要的尺寸、质量、系数，以及滑动零部件的摩擦系数等等。2）确定伺服电机要求规格，例如喷墨定位系统运动速度和时间、分辨率、保持位置、定位距离等参数。3）计算负载，即计算伺服电机的负载转矩和负载的转动惯量。4）按照规格选择电机，然后根据选择的电机从强度、刚度、转矩等各方面计算是否符合要求。
1 喷墨定位系统介绍
喷墨定位系统结构比较复杂且精密度比较高，喷墨头安装在控制装置的一侧，装置的整体高度比较低，因此喷墨定位系统的稳定性比较好，此装置中选用的伺服电机本身移动速度快，加速度高，精度控制比较高[3]。在了解喷墨定位系统的主要特性以后，还需要分析喷墨定位系统的主要组成部分，包括伺服电机、力矩电机、电机固定底板、喷墨头、挡板、地脚、侧支撑板、旋转轴套筒、磁栅尺读数头等部件。喷墨定位系统的Solidworks三维简化模型如图1所示。
2 确定驱动机构
由于在选伺服电机型号之前，需要确定驱动机构。根据平台的设计指标，由图1可得，力矩电机和喷墨单元在Z轴上通过伺服电机进行驱动，通过计算分析，其负载的总质量为30Kg。由于伺服电机与滚珠丝杠直接连接，所以其传动比为1：1，选取伺服电机的一般转速为3000r/min。由实际工作情况可得，Z轴最大运动速度12000mm/min。
其中P代表行程，i代表传动比，n代表转速。
通过公式（1）计算[4]可得丝杠的最大行程为4.333mm。依据滚珠丝杠手册可得丝杠的选择行程为5mm。参照滚珠丝杠规格选型表，选择丝杠型号为FFZD2504-3，精度等级C1。
3 伺服电机选型分析
外部负载转动惯量计算
式中V为电动机的最高转速，vm为X轴设计电动机的最高转动速度200mm/s，p为丝杠的导程。带入公式（5）可得Z轴电机的最高速度为v=2400.58r/ min。ECMA-C10605ES型交流伺服电机额定转速为3000r/min，Z轴电机最高转速小于预选电机的额定转速，所以从电机的转速方面来看，可以满足电机选型要求[6]。
式中T1为外部总负载产生的扭矩，T2为滚珠丝杠预紧力产生的摩擦扭矩，T3为加速度产生的负荷扭矩。
4 总结
1）喷墨定位系统在包装商品中应用非常广泛，可以在商品包装外盒上制作二维码和条形码，对检验商品的真伪具有十分重要的作用。但是如果喷墨定位的设计不合理或者误差比较大，则条形码或二维码达不到要求的精度。其中影响精度的原因包括标准件的选型误差和非标件的设计，本文主要从伺服电机的选型来提高喷墨定位的精度。
2）伺服电机选型需要计算的主要数据应包括：明确负载机构的运动状态，例如加速度、运动速度、运动方式等。根据工作要求，选择合适的负荷转动惯量计算公式，计算出其负荷惯量，然后选择合适的伺服电机规格。将初选的伺服电机转动惯量和负载惯量相结合，计算出加速转矩和减速转矩。根据负荷量、配置方式、摩擦系数、运行效率计算出负载力矩。初选伺服电机的最大输出转矩必须大于加速转矩和负载转矩之和。如果不满足这个要求，则必须选择其它型号，直至达到符合要求为止。依据负载力矩、加速力矩、减速力矩和保持力矩计算出系统的瞬时力矩，最后选择合适的伺服电机转矩。
参考文献：
[1] 卢彦林，苏锦智.数控铣床进给驱动电动机的选择方法[J].湖南 农机，2011，38（11）.
[2] 安川电机手册[Z].KACP S8000000.2017-05.
[3] 李光辉，郭伟博.运动控制中伺服電机选型需求研究[J].山东工业技术，2017（15）：258.
[4] 段宝利，徐晓东.运动控制中伺服电机选型需求分析[J].自动化与仪器仪表，2017（02）：70-73.
[5] 王军锋，唐宏.伺服电机选型的原则和注意事项[J].装备制造技术，2009（11）：129-131.
[6] 肖剑，马自勤.机床伺服电机的选型方法分析[J].机械研究与应用，2011，04.
[7] 肖潇，杨金堂.伺服电机的选型原则与计算[J].机床与液压，2014，06.
[8] 舒志兵等.交流伺服运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2006.
[9] Baldor（葆德） 伺服电机.用户手册.
关键词：喷墨定位系统；伺服电机；选型原则
中图分类号：TM383.4；TS803 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 09-0043-03
基金项目：北京市教委科研计划一般项目（喷码印刷动态定位关键技术的研究KM2019100150005）；北京市教委面上项目（高速印刷机凸轮系统冲击问题建模及参数识别方法研究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
在信息快速發展的今天，二维码和条形码已经广泛应用到人们的日常生活中，应用二维码或者条形码可以区别真假物品，所以二维码和条形码在印刷包装领域占据十分重要的地位。但是许多商家为了追逐利益不断造假，在包装时使用假二维码和条形码，为了解决这一问题，只有不断提高喷墨定位系统的精度，才能改变这一现状。喷墨定位系统的核心原件之一包括伺服电机，伺服电机的选择合适与否，直接决定喷墨定位系统的精度[1]。因此选择合适的伺服电机是制造一款高精度喷墨定位系统的前提。
伺服电机在工业生产中占有举足轻重的地位，只有选择符合要求的电机是提高设备精密度、安全性、可靠性和稳定性的前提[2]。伺服电机在众多电机类型中方便控制，响应迅速，在工业领域中应用非常广泛，例如应用在航空航天、精密机械、农业机械和印刷包装工程中。但是对伺服电机来说，选择合适的型号是核心问题。如果选择电机型号的额定参数远远大于实际参数，将会出现浪费资源的问题，甚至会损坏设备。如果选择型号的额定参数远远小于实际参数，将会出现动力不足的现象。因此，针对本文的喷墨定位系统来说，选择合适型号的伺服电机是提高其准确性和安全性的必要前提。
伺服电机选择主要过程如下：1）首先确定驱动机构，常见的驱动机构有滚珠丝杠，带传动，链传动和齿轮齿条传动。然后确定负载，计算所需要的尺寸、质量、系数，以及滑动零部件的摩擦系数等等。2）确定伺服电机要求规格，例如喷墨定位系统运动速度和时间、分辨率、保持位置、定位距离等参数。3）计算负载，即计算伺服电机的负载转矩和负载的转动惯量。4）按照规格选择电机，然后根据选择的电机从强度、刚度、转矩等各方面计算是否符合要求。
1 喷墨定位系统介绍
喷墨定位系统结构比较复杂且精密度比较高，喷墨头安装在控制装置的一侧，装置的整体高度比较低，因此喷墨定位系统的稳定性比较好，此装置中选用的伺服电机本身移动速度快，加速度高，精度控制比较高[3]。在了解喷墨定位系统的主要特性以后，还需要分析喷墨定位系统的主要组成部分，包括伺服电机、力矩电机、电机固定底板、喷墨头、挡板、地脚、侧支撑板、旋转轴套筒、磁栅尺读数头等部件。喷墨定位系统的Solidworks三维简化模型如图1所示。
2 确定驱动机构
由于在选伺服电机型号之前，需要确定驱动机构。根据平台的设计指标，由图1可得，力矩电机和喷墨单元在Z轴上通过伺服电机进行驱动，通过计算分析，其负载的总质量为30Kg。由于伺服电机与滚珠丝杠直接连接，所以其传动比为1：1，选取伺服电机的一般转速为3000r/min。由实际工作情况可得，Z轴最大运动速度12000mm/min。
其中P代表行程，i代表传动比，n代表转速。
通过公式（1）计算[4]可得丝杠的最大行程为4.333mm。依据滚珠丝杠手册可得丝杠的选择行程为5mm。参照滚珠丝杠规格选型表，选择丝杠型号为FFZD2504-3，精度等级C1。
3 伺服电机选型分析
外部负载转动惯量计算
式中V为电动机的最高转速，vm为X轴设计电动机的最高转动速度200mm/s，p为丝杠的导程。带入公式（5）可得Z轴电机的最高速度为v=2400.58r/ min。ECMA-C10605ES型交流伺服电机额定转速为3000r/min，Z轴电机最高转速小于预选电机的额定转速，所以从电机的转速方面来看，可以满足电机选型要求[6]。
式中T1为外部总负载产生的扭矩，T2为滚珠丝杠预紧力产生的摩擦扭矩，T3为加速度产生的负荷扭矩。
4 总结
1）喷墨定位系统在包装商品中应用非常广泛，可以在商品包装外盒上制作二维码和条形码，对检验商品的真伪具有十分重要的作用。但是如果喷墨定位的设计不合理或者误差比较大，则条形码或二维码达不到要求的精度。其中影响精度的原因包括标准件的选型误差和非标件的设计，本文主要从伺服电机的选型来提高喷墨定位的精度。
2）伺服电机选型需要计算的主要数据应包括：明确负载机构的运动状态，例如加速度、运动速度、运动方式等。根据工作要求，选择合适的负荷转动惯量计算公式，计算出其负荷惯量，然后选择合适的伺服电机规格。将初选的伺服电机转动惯量和负载惯量相结合，计算出加速转矩和减速转矩。根据负荷量、配置方式、摩擦系数、运行效率计算出负载力矩。初选伺服电机的最大输出转矩必须大于加速转矩和负载转矩之和。如果不满足这个要求，则必须选择其它型号，直至达到符合要求为止。依据负载力矩、加速力矩、减速力矩和保持力矩计算出系统的瞬时力矩，最后选择合适的伺服电机转矩。
参考文献：
[1] 卢彦林，苏锦智.数控铣床进给驱动电动机的选择方法[J].湖南 农机，2011，38（11）.
[2] 安川电机手册[Z].KACP S8000000.2017-05.
[3] 李光辉，郭伟博.运动控制中伺服電机选型需求研究[J].山东工业技术，2017（15）：258.
[4] 段宝利，徐晓东.运动控制中伺服电机选型需求分析[J].自动化与仪器仪表，2017（02）：70-73.
[5] 王军锋，唐宏.伺服电机选型的原则和注意事项[J].装备制造技术，2009（11）：129-131.
[6] 肖剑，马自勤.机床伺服电机的选型方法分析[J].机械研究与应用，2011，04.
[7] 肖潇，杨金堂.伺服电机的选型原则与计算[J].机床与液压，2014，06.
[8] 舒志兵等.交流伺服运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2006.
[9] Baldor（葆德） 伺服电机.用户手册.