伺服电机的选择 1

电机的选择1 .在选择电机时的计算条件本节中，将叙述水平运动伺服轴(参照下图)的电机选择顺序。 例如：工作台和工件w :运动零件(工作台和工件)的重量(kgf)=1000 kgf机械规格:折动面的摩擦系数=0.05 :驱动系统(包括滚珠丝杠)的效率=0.9 fg :刀片紧固力(kgf)=50 kgf Fc :切削力产生的推力反作用力(=100 kgf Fcf :切削扭矩引起的折动面上工作台所受到的力(kgf)=30kgf Z1/Z2 :变速比=1/1例：进给丝杠的(滚珠Db :轴径=32 mm螺纹)的规格Lb :轴长=1000 mm P :间距=8 mm例：电动机轴的运转Vm :急速移动时的电机速度(mm-1) =3000 mm-1 ta:加速时间(s)=0.10 s Jm:电机的惯性(kgf.cm.sec2) Jl:负载惯性(kgf.cm.sec2) ks:=30 sec-1 1.1负载扭矩和惯性的计算负载扭矩施加到电动机轴上的负载扭矩通常是： Tm= Tf Tm:施加到电动机轴上的负载扭矩(Nm) F:沿着坐标轴移动部件(工作台或刀架)所需要的力(kgg L:根据下式计算电机旋转机床的移动距离=p (Z1/z2 )=8mm TF :与滚珠丝杠螺母或轴承是否在施加于电机轴的摩擦扭矩=2Nm切削中无关，f值取决于工作台的质量，fl2www.91hmi . 如果坐标轴是垂直轴，f值也与平衡锤有关。 在水平工作台上，f值为非切削时： F=(W fg )例： f=0. 05 (100050 )=52.5 (kgf ) TM=(52.50.8 )/(20.9 )2=9.4(kgf.cm )=0.9(nm )切削时： F=Fc (W fg Fcf ) 为了满足例如： f=100.05 (10005030 )=154 (kgf ) TMC=(1540.8 )/(20.9 )2=21.8 (kgf.cm )=2.1 (nm )条件1，选择基于数据表的电动机并将其负载考虑到加减速，可以选择2/3000 (静止时的额定扭矩为2.0 Nm )。 计算注力矩时，请注意以下几点。 考虑到由刀片的紧固力(fg )产生的摩擦扭矩，根据运动部件的重量和摩擦系数计算出的扭矩通常相当小。 刀片的锁紧力和折动面的质量对力矩有很大的影响。 的双曲馀弦值。 滚珠丝杠的轴承和螺母的预加载、螺钉的预应力等要素可能会使滚动接触的Fc变得相当大。 小型轻量机床的摩擦扭矩对电机承受的扭矩有很大的影响。 的双曲馀弦值。 考虑切削力引起的折动面摩擦力(Fcf )的增加。 切削力和驱动力通常不会作用于共同点。 切削力较大时，产生的力矩会增加折动面的负荷。 在计算切削时的扭矩时，请考虑负荷引起的摩擦扭矩。 的双曲馀弦值。 进给速度使摩擦扭矩发生很大变化。 为了得到正确的摩擦扭矩值，必须仔细研究速度变化、工作台支承结构(折动接触、滚动接触和静压等)、折动表面材料、润滑状况和其他因素对摩擦力的影响。 的双曲馀弦值。 机床组装情况、环境温度、润滑情况对机床摩擦扭矩的影响也很大。 大量收集相同型号的机床数据，可以比较准确地计算负载扭矩。 调整刀片的紧固力时，请监视其摩擦扭矩，注意不要产生www.PLC www.PLC www.PLC电机的选定3大扭矩。 计算负载惯量与负载扭矩不同，负载惯量可以正确地计算。 由电机的旋转驱动的物体的惯性，无论该物体是旋转还是沿着直线运动，都形成电机的负载惯性。 计算每个运动物体的惯性力矩，按一定的规则将各物体的惯性力矩相加，就能获得总惯性力矩。总惯性是圆柱体(滚珠丝杠、齿轮联轴器等)的惯性计算圆柱体绕其中心轴旋转的惯性是J=Db4Lb(kgf.Cm.s2) J:惯性(kgf.cm.s2) :物体的比重(kg/cm3 ) 如果物体的材料为铁(其比重为7.810-3kg/cm3 )，则惯性力矩的近似值为J=0.7810-6Db4Lb(kgf.cm.s2 )例如：滚珠丝杠的Db为32mm，Lb为1000mm，惯性力矩为JB:j=0. 直线运动物体(工作台、工件等)的惯性J=()2(kgf.cm.s2) W:沿着直线运动物体的重量(kg) L:电机沿着一圈物体的直线的移动距离(cm )例如：工作台和工件的w为1000kg，l为8mm其惯性980(0.8/2/)2=0.0165(kgf.cm.s2 )速度比电动机轴速度高或低的物体的惯性(惯性的换算) 计算的325980 w980l 2www.PLC www.91 HMI.com www.PLC www.PLC电机的选择4将惯性J0换算为电机轴的计算方法是： j=() j0 (kgf.) J0:换算前的惯性(kgf.cm.s2 )旋转中心偏离轴心的圆柱的惯性j=j0 R2 (kgf.cm.S2 )绕J0:圆柱中心旋转的惯性力矩(kgf.cm.s2) M:物体的质量(kg ) 为了减少重量和惯性，这些部件的结构是中空的。 上述计算出的惯性值之和是电机加速的负载惯性j。 在上述例子中计算出的JB和JW之和为负载惯性JL。 JL=0.0082 0.0165=0.0247 (kgf.cm.S2 )，负载惯性的限制负载惯性对电动机的控制特性和急速移动的加减速时间有很大的影响。 如果负载惯性增加，可能会发生指令变化后，达到新指令指定的速度需要时间的问题。 机床沿着两个轴高速运动加工圆弧等曲线时，会产生大的加工误差。 负载惯量在电机惯量以下时，不会发生这些问题。 如果负载惯性达到电机的3倍以上，控制特性就会降低。 虽然实际上对普通金属加工机的工作没有太大影响，但在加工木制品或高速加工曲线轨迹时，建议负荷惯性在电动机的惯性以下。 如果负载惯量大于3倍的电动机惯量，控制特性会大幅下降。 z1z2m 980 www.PLC www.PLC www.PLC www.PLC电机的选定5这种情况下，电机的特性需要特别调整。 使用中请避免这样大的惯性。 在这种情况下，请联系FANUC。 1.2加速扭矩的计算按以下步骤计算加速扭矩：计算加速扭矩：假设步进1电动机受NC加减速控制，计算其加速度。 加速度乘以总惯性力矩(电机的惯性负载力矩)，乘积就变成加速力矩。 计算公式如下。 直线加减速Ta=2Jm(1-e-ks )。 ta) 2JL(1-e-ks )。 ta) Vr=Vm1-(1- e-ks )。 ta:加速扭矩(kgfcm) Vm:电机高速移动速度(min-1) ta:加速时间(sec) Jm:电机惯性(kgf.cm.s2) JL:负载惯性(kgf.cm.s2) Vr: (min-1) Ks:位置电路的增益(sec-1) :机床的效率例：电机在2/3000的条件下进行直线加减速。 首先计算电机和负载惯量，然后计算加速扭矩。 电机惯量Jm为0.0061(kgf.cm.s2 )、Vm为3000(min-1 )、ta为0.1(s )、ks为30(sec-1 )、JL=0.0247(kgf.cm.s2 )。 ta=3000/601/0.10.0061 (1- e-300.1 ) 3000/6021/0.10.0247 (1- e-300.1 ) 0.9=100.1 (kgf.cm.)=9.81 (nm ) VM 601 tavm 601 ta1tatakswww.PLC www.PLC www.PLC电机的选择6从2/3000的速度-扭矩特性加速到9.81(Nm ) (2/3000的力矩不够。)轴的运行特性(例如加速时间)不变时，需要选择大的电机。 例如，若选择3/3000(Jm为0.02 kgf.cm.s2 )，重新计算加速扭矩，则从ta=123.7 (kg.cm )=12.1 (nm ) VR=2049 (min-1 )这样的式可知，在加速时转速2044 根据以上的速度-扭矩特性，3/3000电机可以满足加速要求。 由于马达更换为3/3000，法兰尺寸为130mm130mm。 机床不能使用大电机时，需要延长加速时间等，修正运转特性。 不控制加减速时的速度指令扭矩VmTa时间Vm速度式计算Ta=2(Jm JL) Ta=加速扭矩：为了获得步进2电机轴上的扭矩t，在加速扭矩Ta上加上Tm (摩擦扭矩)。 t=tat mt=12.1 (nm ) 0.9 (nm )=13.0 (nm ) VM 601 ta1ksta www.PLC www.PLC www.PLC电动机的选择7加速扭矩：步骤该电机的速度-扭矩特性和在数据表中计算在步骤1中计算的Vr时的t必须在断续工作区域内。 因为Vr为2049(min-1 )，t为13.0(Nm )，所以可以以指定的时间常数进行加速(条件2 )。 计算1.3力矩的均方根值，计算高速定位频率时，如下图所示，制作高速定位的一个周期的速度-时间和扭矩-时间的图表。 在通常的切削中，高速定位的频率没有问题，但是，频繁定位的机床中，有些必须检查加减速电流是否引起电动机的过热。 根据扭矩-时序图，可以得到施加在1个运行周期电机上的扭矩的均方值。 计算该值，确认在电动机的额定扭矩以下(条件3 )。 如果Trms=Ta :加速扭矩Tm :摩擦扭矩To :停止时的扭矩Trms在电机静止时的额定扭矩(Ts )以下，则可以使用所选的电机。 (考虑到发热系数，计算时的静止扭矩必须是实际静止额定扭矩的90%。 例如：在Ta=12.1 Nm的条件下选定3/3000(Ts=31 kgf.cm)=3.0Nm的电动机，Tm=To=0.9 Nm； t1=0.1 s； t2=1.8s； t3=7.0s。 因为trms=20.2 nm Tc)，则按照以下顺序计算负载时间比(ton )。 可以在整个切削循环中将Tmc加到电机上。 假设为0.9，考虑机床的运转条件来计算负荷率。 ) TmcTc根据下图和公式计算周期负荷的比例。 例如，1.1的计算结果： TMC=21.8 kgf.cm=2.1 NMOS : TC=30k gf.cm=2.9 nm2. 90.9=2.6 nm 2.1 nm=TMC连续切削没有问题。最大切削扭矩的周期负荷百分比www.PLC www.PLC www.PLC www.PLC电机的选择9是用1.3所述的方法，按照均方根值不超过静止额定扭矩Tc和热效率的积的方式如果最大切削扭矩周期负荷率为最大切削扭矩的(Tmc )周期负荷率=100%，例如T