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中国科技信息2008年第1
7期
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浅谈在数控视床
设计中伺服电机的选择
张培彦李敏周鹏郑州旅游职业学院450009
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本文从数控机床设计中对伺服进给系统的要
求谈起.重点介绍了伺服进给系统中伺服电
机的选择,运用计算负载转矩和负载惯量的
方法总结出数控机床伺服电机的简单选择方
法,此方法简单、准确,可操作性强,是
数控机床设计中伺服电机选择的常用方法之
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伺服电机;负载惯量;负载转矩;最大转矩
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数控机床的伺服进给系统是数控机床
重要的组成部分,其性能直接影响到机床
的运行状态和零件加工的质量。因此在数
控机床的设计中伺服进给系统至关重要,
本文将重点介绍伺服进给系统中伺服电机
的选择方法。
1.对伺服进给系统的性能要求
伺服进给系统的负载变化大,要求精
度高,为了提高数控机床的加工性能,在数
控机床设计中对伺服进给系统提出了以下
四个方面的要求:
(1)高精度为了保证零件加工质量和
提高效率,要保证数控机床的定位精度和
加工精度。因此,在位置控制中要求有高的
定位精度,如5肚m、l
u
m等,而在速度
控制中,要求有高的调速精度、强的抗负载
扰动的能力,也即要求静态和动态速降尽
可能小。
(2)快响应为了保证轮廓切削形状精
度和加工表面粗糙度,除了要求有较高的
定位精度外,还要求系统有良好的快速响
应特性,即要求跟踪指令信号的响应要快,
位置跟踪误差(位置跟踪精度)要小。
(3)宽调速范围它是指在额定负载时
电动机能提供的最高转速与最低转速之比。
对于一般的数控机床而言,要求进给伺服
系统能在O~24m/nlin下都能正常工作。
(4)低速大转矩根据机床加工特
点,大都是在低速时进行重切削,即要求在
低速时进给伺服系统有大的转矩输出。
2.对伺服电机的性能要求
为了满足上述四点要求,对进给伺服
系统的执行元件——伺服电机也提出了相
应的要求,它们是:
(1)电动机在整个转速范围内都能平
滑地运转,转矩波动要小,特别在低速时应
仍有平稳的速度而无爬行现象。
(2)电动机应有一定的过载能力,以
满足低速,大转矩的要求。
(3)为了满足快速响应的要求,电动
机必须具有较小的转动惯鼍和大的堵转转
矩,尽可能小的机电时间常数和启动电压。
(4)电动机应能承受频繁的启动、制
动和反转。
3.负载转矩的计算
伺服进给系统的伺服电机是根据负载
来选取的,加在饲服电机轴上的负载转矩
和负载惯量。负载转矩包括切削转矩和摩
擦转矩;负载惯量指由伺服电机驱动的所
有作旋转运动和直线运动的部件的惯量折
算到伺服电机轴上的惯量总和。
加到伺服电机轴上的负载转矩通常由
下述公式计算
M=(FL/2丌n)+M,
式中:M——加到伺服电机轴上的负
载转矩,N・m}
F——沿丝杠轴向移动工作台所需的
力,N;
n——驱动系统的效率,
L——伺服电机轴每转工作台的位移
量,m,
M。——折算到电机轴上的滚珠丝杠螺
母部分、轴承部分的摩擦转矩(N.m),
不包括n。
力F决定于工作台质量、摩擦系数以
及水平及垂直方向的切削力,或是所用的
平衡体的质量(在垂直方向时),以水平方
向(图1)为例,不切削时,F=肛(w+乞)
切削时,F=‘+¨(9.8w+t+U
式中w——工作台和工件的质量,kg,
t——镶条夹紧力,Nf
f^——切削抗力,N;
‘——刀具切削时的轴向切削力,N,
“——摩擦系数。
在计算负载转矩时,有时按工作台的
质量和摩擦系数算出的转矩很小。但由于
镶条、压板所产生的摩擦转矩却不可忽略。
其次,在一些小型机床上由于滚珠丝杠螺
母副的预紧、滚珠丝杠的预拉伸、滚动接触
表面的摩擦引起的转矩很大,而不能忽略。
此外对运动速度、工作台滑座支承(滚动、
滑动、静压支承)、运动副表面材料及润滑
条件等必要时应予以考虑。
4.负载惯量的计算
前文提到由伺服电机驱动的所有运动
部件(包括移动和转动),都构成电机的负
载惯量。通过计算各部件的惯量,并以一定
规律叠加起来即是负载惯量。
(1)圆柱体惯量
当圆柱体(滚珠丝杠.齿轮等)绕其
中心旋转时(如图2),其惯量可按下式计
算实心时
J=丌v D4L/32
式中:J——惯量,l(g.crIl2,可表示为
J=7.658
x
l∥C)4Lt
D——圆柱体直径,cml
L——圆柱体长度,cm;
v一一单位体积质量也称材料密度
(对于钢材,v=7.8×10
3
1(g/cm3)。
空心时
J=l/8m(D2一d2)=1/32丌p L(D4_
酽)
式中m——质量.kg;
D、d——外径、孔径,mI
L—咄度,mI
p——密度(对于钢材,p=7.8×10-
3kg/m3)。
(2)沿轴线移动物体的惯量
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图1
铣削加工时的水平分力
图2绕轴心线旋转圆柱体的惯量
图3相对变速圆柱体的惯量折算
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