伺服電機在金屬切削機床上的應用

金屬切削機床的驅動電機包括進給伺服電機和主軸伺服電機兩類。機械制造商在選購電機時擔心切削力不夠，往往選擇較大規(guī)格的馬達，這不但會增加機床的制造成本，而且使之體積增大，結構布局不夠緊湊。本文以實例應用闡明了如何選擇最佳規(guī)格電機的方法，以控制制造成本。

機床的驅動電機包括進給伺服電機和主軸伺服電機兩類。機械制造商在選購電機時擔心切削力不夠，往往選擇較大規(guī)格的馬達，這不但會增加機床的制造成本，而且使之體積增大，其結構布局不夠緊湊。因此，一定要通過具體的分析計算，選擇最佳規(guī)格的電機。

一、進給驅動伺服電機的選擇

1.原則上應該根據(jù)負載條件來選擇伺服電機。在電機軸上所有的負載有兩種，即阻尼轉矩和慣量負載。這兩種負載都要正確地計算，其值應滿足下列條件:

1）當機床作空載運行時，在整個速度范圍內，加在伺服電機軸上的負載轉矩應在電機連續(xù)額定轉矩范圍內，即應在轉矩速度特性曲線的連續(xù)工作區(qū)。

2）最大負載轉矩，加載周期以及過載時間都在提供的特性曲線的準許范圍以內。

3）電機在加速/減速過程中的轉矩應在加減速區(qū)（或間斷工作區(qū)）之內。

4）對要求頻繁起，制動以及周期性變化的負載，必須檢查它的在一個周期中的轉矩均方根值。并應小于電機的連續(xù)額定轉矩。

5）加在電機軸上的負載慣量大小對電機的靈敏度和整個伺服系統(tǒng)的精度將產生影響。通常，當負載小于電機轉子慣量時，上述影響不大。但當負載慣量達到甚至超過轉子慣量的5倍時，會使靈敏度和響應時間受到很大的影響。甚至會使伺服放大器不能在正常調節(jié)范圍內工作。所以對這類慣量應避免使用。推薦對伺服電機慣量Jm和負載慣量Jl之間的關系如下:

1=Jl/Jm5

2.負載轉矩的計算方法加到伺服電機軸上的負載轉矩計算公式，因機械而異。但不論何種機械，都應計算出折算到電機軸上的負載轉矩。通常，折算到伺服電機軸上的負載轉矩可由下列公式計算:

Tl=（F＊L/2πμ）+T0

式中:Tl折算到電機軸上的負載轉矩（N.M）

F軸向移動工作臺時所需要的力

L電機軸每轉的機械位移量（M）

To滾珠絲杠螺母，軸承部分摩擦轉矩折算到伺服電機軸上的值（N.M）

μ驅動系統(tǒng)的效率



工作臺進給示意圖

F取決于工作臺的重量，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(xiàn)軸的值由上圖例給出。

無切削時: F=μ＊（W+fg）

切削時: F=Fc+μ＊（W+fg+Fcf）

W:滑塊的重量（工作臺與工件）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上的力（kg）即工作臺壓向導軌的正向壓力。

計算轉矩時下列幾點應特別注意。

（a）由于鑲條產生的摩擦轉矩必須充分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來計算的轉矩很小的。請?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產生的力矩。

（b）由于軸承，螺母的預加載，以及絲杠的預緊力滾珠接觸面的摩擦等所產生的轉矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設備。這樣的轉矩回應影響整個轉矩。所以要特別注意。

（c）切削力的反作用力會使工作臺的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點與承受驅動力的點通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面的負載也增加。當計算切削期間的轉矩時，由于這一載荷而引起的摩擦轉矩的增加應給予考慮。

（d）摩擦轉矩受進給速率的影響很大，必須研究測量因速度工作臺支撐物（滑塊，滾珠，壓力），滑塊表面材料及潤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，即使在同一臺的機械上，隨調整條件，周圍溫度，或潤滑條件等因素而變化。當計算負載轉矩時，請盡量借助測量同種機械上而積累的參數(shù)，來得到正確的數(shù)據(jù)。

3.負載慣量的計算。由電機驅動的所有運動部件，無論旋轉運動的部件，還是直線運動的部件，都成為電機的負載慣量。電機軸上的負載總慣量可以通過計算各個被驅動的部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到。