伺服電機(jī)在金屬切削機(jī)床上的應(yīng)用

金屬切削機(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。機(jī)械制造商在選購(gòu)電機(jī)時(shí)擔(dān)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，結(jié)構(gòu)布局不夠緊湊。本文以實(shí)例應(yīng)用闡明了如何選擇最佳規(guī)格電機(jī)的方法，以控制制造成本。

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。機(jī)械制造商在選購(gòu)電機(jī)時(shí)擔(dān)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)布局不夠緊湊。因此，一定要通過具體的分析計(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)載條件來選擇伺服電機(jī)。在電機(jī)軸上所有的負(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。

5）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)系如下:

1=Jl/Jm5

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



工作臺(tái)進(jìn)給示意圖

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(xiàn)軸的值由上圖例給出。

無切削時(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Α?BR>
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)來計(jì)算的轉(zhuǎn)矩很小的。請(qǐng)?zhí)貏e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)矩回應(yīng)影響整個(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)，由于這一載荷而引起的摩擦轉(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，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，周圍溫度，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。