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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

～％

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

下转第１５６页静静

厂————］

ｉ电机卜—一

ｏ————————————一．—Ｌ一

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

一１３４～

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