機(jī)床的驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括進(jìn)給伺服電機(jī)和主軸伺服電機(jī)兩類(lèi).機(jī)械制造商在選購(gòu)電機(jī)時(shí)但心切削力不夠,往往選擇較大規(guī)格的馬達(dá),這不但會(huì)增加機(jī)床的制造成本,而且使之體積增大,其結(jié)構(gòu)布局不緊湊.因此,一定要通過(guò)具體的分析計(jì)算,選擇最佳規(guī)格的電機(jī).
一,進(jìn)給驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的選擇
1,原則上應(yīng)該根據(jù)負(fù)載條件來(lái)選擇伺服電機(jī).在電機(jī)軸上所家的負(fù)載有兩種,即阻尼轉(zhuǎn)矩和慣量負(fù)載.這兩種負(fù)載都要正確地計(jì)算,其值應(yīng)滿足下列條件:
1) 當(dāng)機(jī)床作空載運(yùn)行時(shí),在整個(gè)速度范圍內(nèi),加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi),即應(yīng)在轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線的連續(xù)工作區(qū).
2) 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩,加載周期以及過(guò)載時(shí)間都在提供的特性曲線的準(zhǔn)許范圍以內(nèi).
3) 電機(jī)在加速/減速過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩應(yīng)在加減速區(qū)(或間斷工作區(qū))之內(nèi).
4) 對(duì)要求頻繁起,制動(dòng)以及周期性變化的負(fù)載,必須檢查它的在一個(gè)周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值.并應(yīng)小于電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩.
加在電機(jī)軸上的負(fù)載慣量大小對(duì)電機(jī)的靈敏度和整個(gè)伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響.通常,當(dāng)負(fù)載小于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量時(shí),上述影響不大.但當(dāng)負(fù)載慣量達(dá)到甚至超過(guò)轉(zhuǎn)子慣量的5倍時(shí),會(huì)使靈敏度和響應(yīng)時(shí)間受到很大的影響.甚至?xí)顾欧糯笃鞑荒茉谡Ｕ{(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作.所以對(duì)這類(lèi)慣量應(yīng)避免使用.推薦對(duì)伺服電機(jī)慣量jm和負(fù)載慣量jl之間的關(guān)系: 1<=jl/jm<5
2,負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法 加到伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式,因機(jī)械而異.但不論何種機(jī)械,都應(yīng)計(jì)算出折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩.通常,折算到伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可由下列公式計(jì)算:
tl=(f*l/2πμ)+t0
式中:tl—折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(n.m);
f—軸向移動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所需要的力
l—電機(jī)軸每轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量(m)
to—滾珠絲杠螺母,軸承部分摩擦轉(zhuǎn)矩折算到伺服電機(jī)軸上的值(n.m)
μ—驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率
f取決于工作臺(tái)的重量,摩擦系數(shù),水平或垂直方向的切削力,是否使用了平衡塊(用在垂直軸).如果是水平方向,f軸的值由上圖例給出.
無(wú)切削時(shí): f=μ*(w+fg)
切削時(shí): f=fc+μ*(w+fg+fcf)
w:滑塊的重量(工作臺(tái)與工件)kg
μ:摩擦系數(shù)
fc:切削力的反作用力
fg:用鑲條固緊力
fcf:由于切削力靠在滑塊表面作用在工作臺(tái)上的力(kg)即工作臺(tái)壓向?qū)к壍恼驂毫?
計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)下列幾點(diǎn)應(yīng)特別注意.
(a)由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充分地考慮.通常,僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來(lái)計(jì)算的轉(zhuǎn)矩很小的.情特別注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生的力矩.
(b)由于軸承,螺母的預(yù)加載,以及絲杠的預(yù)緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均不能忽略.尤其是小型輕重量的設(shè)備.這樣的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)鄉(xiāng)整個(gè)轉(zhuǎn)矩.所以要特別注意.
(c)切削力的反作用力會(huì)使工作臺(tái)的摩擦增加,以此承受切削反作用力的點(diǎn)與承受驅(qū)動(dòng)力的點(diǎn)通常是分離的.如圖所示,在承受大的切削反作用力的瞬間,滑塊表面的負(fù)載也增加.當(dāng)計(jì)算切削期間的轉(zhuǎn)矩時(shí),由于這一載荷爾引起的摩擦轉(zhuǎn)矩的增加應(yīng)給予考慮.
(d)摩擦轉(zhuǎn)矩受進(jìn)給速率的影響很大,必須研究測(cè)量因速度工作臺(tái)支撐物(滑塊,滾珠,浄壓力),滑塊表面材料及潤(rùn)滑條件的改變而引起的摩擦的變化.已得出正確的數(shù)值.
(e)通常,即使在同一臺(tái)的機(jī)械上,隨調(diào)整條件,周?chē)鷾囟?或潤(rùn)滑條件等因素而變化.當(dāng)計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),請(qǐng)盡量借助測(cè)量同種機(jī)械上而積累的參數(shù),來(lái)得到正確的數(shù)據(jù).
3,負(fù)載慣量的計(jì)算 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)部件,無(wú)論旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件,還是直線運(yùn)動(dòng)的部件,都成為電機(jī)的負(fù)載慣量.電機(jī)軸上的負(fù)載總慣量可以通過(guò)計(jì)算各個(gè)被驅(qū)動(dòng)的部件的慣量,并按一定的規(guī)律將其相加得到.
1) 圓柱體慣量 如滾珠絲杠,齒輪等圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣量可按下面公式計(jì)算:
j=(πγ/32)*d4l (kg cm2)
如機(jī)構(gòu)為鋼材,則可按下面公式計(jì)算;
j=(0.78*10-6)*d4l (kg cm2)
式中; γ—材料的密度(kg/cm2)
d—圓柱體的直經(jīng)(cm)
l—圓柱體的長(zhǎng)度(cm)
2) 軸向移動(dòng)物體的慣量
工件,工作臺(tái)等軸向移動(dòng)物體的慣量,可由下面公式得出:
j=w*(l/2π)2 (kg cm2)
式中; w—直線移動(dòng)物體的重量(kg)
l—電機(jī)每轉(zhuǎn)在直線方向移動(dòng)的距離 (cm)
3) 圓柱體圍繞中心運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣量如圖所示:
屬于這種情況的例子; 如大直經(jīng)的齒輪,為了減少慣量,往往在圓盤(pán)上挖出分布均勻的孔這時(shí)的慣量可以這樣計(jì)算;
j=jo+w*r2(kg cm2)
式中; jo—為圓柱體圍繞其中心線旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣量(kgcm2)
w—圓柱體的重量(kg)
r—旋轉(zhuǎn)半徑(cm)
4) 相對(duì)電機(jī)軸機(jī)械變速的慣量計(jì)算 將上圖所示的負(fù)載慣量jo折算到電機(jī)軸上的計(jì)算方法如下:
j=(n1/n2)2jo
式中: n1 n2為齒輪的齒數(shù)
4,電機(jī)加速或減速時(shí)的轉(zhuǎn)矩
1) 按線性加減速時(shí)加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下:
ta=(2πvm/60*104) *1/ta(jm+jl)(1-e-ks.ta)
vr=vm{1-1/ta.ks(1-e-ksta)
ta—加速轉(zhuǎn)矩(n.m)
vm—快速移動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)
ta—加速時(shí)間(sec)
jm—電機(jī)慣量(n.m.s2)
jl—負(fù)載慣量(n.m.s2)
vr—加速轉(zhuǎn)矩開(kāi)始減少的點(diǎn)
ks—伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益(sec-1)
電機(jī)按指數(shù)曲線加速時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩曲線如下圖:
此時(shí),速度為零的轉(zhuǎn)矩to可由下面公式的出.
to==(2πvm/60*104) *1/te(jm+jl)
te—指數(shù)曲線加減速時(shí)間常數(shù)
2) 當(dāng)輸入階躍性速度指令時(shí),他的速度曲線與轉(zhuǎn)矩曲線如圖所示
這時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩ta相當(dāng)于to 可由下面公式求得(ts=ks)
ta==(2πvm/60*104) *1/ts(jm+jl)
5,工作機(jī)械頻繁激活,制動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 當(dāng)工作機(jī)械作頻繁激活,制動(dòng)時(shí),必須檢查電機(jī)是否過(guò)熱,為此 須計(jì)算在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值,并且應(yīng)使此均方根值小于電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩.電機(jī)的均方根值;
trms=√[(ta+tf)2t1+tf2t2+(ta-tf)2t1+to2t3]/t周
式中; ta—加速轉(zhuǎn)矩(n.m)
tf—摩擦轉(zhuǎn)矩(n.m)
to—在停止期間的轉(zhuǎn)矩(n.m)
t1t2t3t周 所知的時(shí)間可參見(jiàn)圖所示
6,負(fù)載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計(jì)算 如圖所示
也需要計(jì)算出一個(gè)周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值trms.且該值小于額定轉(zhuǎn)矩.這樣電機(jī)才不會(huì)過(guò)熱,正常工作.
負(fù)載慣量的限制
負(fù)載慣量與電機(jī)的響應(yīng)和快速移動(dòng)acc/dec時(shí)間息息相關(guān).帶大慣量負(fù)載時(shí),當(dāng)速度指令變化時(shí),電機(jī)需較長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)這一速度,當(dāng)二軸同步插補(bǔ)進(jìn)行圓弧高速切削時(shí)大慣量的負(fù)載產(chǎn)生的誤差會(huì)比小慣量的大一些.
通常,當(dāng)負(fù)載慣量小于電機(jī)慣量時(shí)上述提及的問(wèn)題一般不會(huì)發(fā)生.如果高于5倍馬達(dá)轉(zhuǎn)子慣量則,一般伺服會(huì)出現(xiàn)不良反應(yīng),向高速激光切割機(jī)床,在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮負(fù)載慣量低于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量.臺(tái)達(dá)伺服馬達(dá)在此方面有他特有的優(yōu)勢(shì),負(fù)載慣量比高,應(yīng)用在此行業(yè)臺(tái)達(dá)伺服的優(yōu)勢(shì)更為顯著.