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1、伺服电机计算选择应用实例1伺服电机计算选择应用实例1 选择电机时的计算条件 本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。例：工作台和工件的 W ：运动部件（工作台及工件）的重量（1000 ：滑动表面的摩擦系数=驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=镶条锁紧力（50 由切削力引起的反推力（100 由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（302： 变速比=1/1例：进给丝杠的（滚珠 轴径=32 规格 轴长=1000 节距=8 机轴的运行规格 加速力矩（m :快速移动时的电机速度(1)=3000 加速时间(s)=电机的惯量()负载惯量()伺服的位置回路增益(1)=30 载力矩和惯量的计算计算负载力矩
2、 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出: + 加到电机轴上的负载力矩( :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架) 所需的力( :电机转一转机床的移动距离=P(2)=8 滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=22伺服电机计算选择应用实例2无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F 值取决于工作台的重量，摩擦系数。若坐标轴是垂直轴，F 值还与平衡锤有关。对于水平工作台，F 值可按下列公式计算：不切削时：F = （W+如：F=1000+50)=m = (22=9.4( m)切削时:F = (W+如:F=100+1000+50+30)=154(154(22=21.8(m)为了满足条件 1，应根据数据单选
3、择电机，其负载力矩在不切削时应大于 m） ，最高转速应高于 3000（1） 。考虑到加 /减速，可选择 2/3000（其静止时的额定转矩为 m） 。注 计算力矩时，要注意以下几点：。考虑由镶条锁紧力（起的摩擦力矩根据运动部件的重量和摩擦系数计算的力矩通常相当小。镶条锁紧力和滑动表面的质量对力矩有很大影响。滚珠丝杠的轴承和螺母的预加负荷，丝杠的预应力及其它一些因素有可能使得滚动接触的 当大。小型和轻型机床其摩擦力矩会大大影响电机的承受的力矩。考虑由切削力引起的滑动表面摩擦力（增加。切削力和驱动力通常并不作用在一个公共点上如下图所示。当切削力很大时，造成的力矩会增加滑动表面的负载。当计算切削时的力
4、矩时要考虑由负载引起的摩擦力矩。进给速度会使摩擦力矩变化很大。欲得到精确的摩擦力矩值，应仔细研究速度变化，工作台支撑结构（滑动接触，滚动接触和静压力等） ，滑动表面材料，润滑情况和其它因素对摩擦力的影响。机床的装配情况，环境温度，润滑状况对一台机床的摩擦力矩伺服电机计算选择应用实例3影响也很大。大量搜集同一型号机床的数据可以较为精确的计算其负载力矩。调整镶条锁紧力时，要监测其摩擦力矩，注意不要产生过大的力矩。计算负载惯量 与负载力矩不同，负载惯量可以精确地算出。由电机的转动驱动的物体的惯量形成电机的负载惯量，无论该物体是转动还是沿直线运动。对各运动物体分别计算其惯量，然后按一定规则将各物体的惯
5、量加在一起，即可得出总惯量。总惯量可按下述方法计算：圆柱体（滚珠丝杠，齿轮，联轴节等）的惯量计算圆柱体绕其中心轴回转的惯量可按下式计算：J = D ）J : 惯量() ：物体的比重（kg/）直径（b ：长度（物体的材料是铁（其比重为 0 则惯量的近似值为：J=0）例如:滚珠丝杠的 32 b 为 1000惯量为 ：J = 000 = 沿直线运动物体(工作台,工件等)的惯量 J = ( )2 ( :沿直线运动物体的重量( :电机一转物体沿直线的移动距离(如:工作台和工件的 W 为 1000 为 8其惯量计算得： 1000/980（） 2 = 32980度高于或低于电机轴速的物体的惯量(惯量的折算)
6、 惯量 算到电机轴上后的计算方法如下:J = ( )0 :折算前的惯量()回转中心偏离轴心的圆柱体的惯量 J = 0 :围绕圆柱体中心回转的转动惯量()M :物体的重量( :回转半径(述公式用于计算大齿轮等零件的惯量。为了减小重量和惯量，这些零件的结构都是中空的。上述计算的惯量值的和是电机加速的负载惯量 J。上述例子计算得到的 和就是负载惯量 J L。J L= 对负载惯量的限制 负载惯量对电机的控制特性和快速移动的加/减速时间都有很大影响。负载惯量增加时，可能出现以下问题：指令变化后，需要较长的时间达到新指令指定的速度。若机床沿着两个轴高速运动加工圆弧等曲线，会造成较大的加工误差。负载惯量小于
7、或等于电机的惯量时，不会出现这些问题。若负载惯量为电机的 3 倍以上，控制特性就会降低。实际上这对普通金是如果加工木制品或是高速加工曲线轨迹，建议负载惯量要小于或等于电机的惯量。如果负载惯量比 3 倍的电机惯量大的多，则控制特性将大大下降。此时，电机的特性需要特殊调整。使用中应避免这样大的惯量。若机械设计出现这种情况，请与 系。12 加速力矩的计算 按下步骤计算加速力矩：计算加速力矩：步骤 1 假定电机由 制加/减速，计算其加速度。将加速度乘以总的转动惯量（电机的惯量 + 负载惯量） ，乘积就是加速力矩。计算式如下。直线加/减速 2 1ks。+ 2 1ks。 1- (1- )加速力矩(m :电
8、机快速移动速度(1)加速时间(m :电机的惯量()负载的惯量()加速力矩开始下降的速度(与 同) (s :位置回路的增益(1) :机床的效率例子:在下列条件下进行直线加/减速：电机为 2/3000 。首先计算电机和负载惯量，然后计算加速转矩。电机惯量 3000(.1(s), 30(J L= 3000/60 21/130+ 3000/6021/130100.1( = m)2/3000 的速度m）的加速力矩处于断续工作区的外面（见上面的特性曲线和电机的数据单） 。（2/3000 的力矩是不够的。 ）如果轴的运行特性（如，加速时间）不变，就必须选择大电机。比如，选择 3/3000（ ，重新计算加速力
9、矩如下： = m) 2049(该式可知，加速时，在转速 2049(，m。由上面的速度 3/3000电机可满足加速要求。由于已将电机换为 3/3000 ，则法兰盘尺寸已经变为 13030机床不允许用较大电机，就必须修改运行特性，例如，使加速时间延长。不控制加/减速时 速度 指令 转矩 速度公式为： 2 （ L） 计算加速力矩：步骤 2 为了得到电机轴上的力矩 T，应在加速力矩 增加 擦力矩） 。 m)+m) = 算加速力矩：步骤 3 核算上面步骤 2 计算出的力矩 T 应小于或等于放大器已限定的力矩。用相应电机的速度 算得的 的 T 应在断续工作区内。因为 2049(T 为 m)，用指定的时间常
10、数加速是可能的（条件 2） 。13 计算力矩的均方根值计算快速定位频率 绘制快速定位一个周期的速度间图，如下图。普通切削时，快速定位的频率不会有问题；但是，对于有些频繁快速定位的机床必须检查加/减速电流是否会引起电机过热。根据力矩该值进行核算，确保要小于或等于电机的额定力矩（条件 3） 。 加速力矩摩擦力矩停止时的力矩如果 于或等于电机静止时的额定力矩（，则选择的电机可以使用。 （考虑到发热系数，核算时静止力矩应为实际静止额定力矩的 90%。例子：在下列条件下选用 3/3000 （1 =电机：m,； o=m；t 1= 0.1 s；t 2=t 3= （m） 2 22m 3/3000 电机可以满足上述运行条件。 （条件 3）计算在一个负载变化的 若负载（切削负载，加/减速度）变化频繁，其力矩下图所示。用该图计算出力矩的均方根值后进行核算，和上述一样，使其小于或等于
