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1、1 引言 现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。设计时进给伺服电机的选择原则是：首先根据转矩速度特性曲线检查负载转矩，加减速转矩是否满足要求，然后对负载惯量进行校合，对要求频繁起动、制动h的电机还应对其转矩均方根进行校合，这样选择出来的电机才能既满足要求，又可避免由于电机选择偏大而引起的问题。,本文主要叙述了针对VMC 750立式加工中心的功能要求和规格参数，对各轴的伺服电动机进行计算选择，确定FA
2、NUC伺服电动机的型号和规格大小，并给出数据表。同时在论文中简述了各数据的计算公式以及数据计算例子。让读者能够直观的了解VMC750的伺服电机的数据信息，并知道如何根据一台加工中心的功能要求和规格参数进行数据计算，来选择合适的伺服电机。,2.选择电动机时的必要计算 在伺服电机选型计算当中其主要数据包括：负载/ 电机惯量比，加减速力矩， 切削负载转矩，连续过载时间等几方面的内容，本节内容便为大家简述了以上重要数据的计算方式。 21 负载/ 电机惯量比 正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前提，此点在要求高速高精度的系统上表现尤为突出，伺服系统参数的调整跟惯量比有很大的关系，若负载
3、电机惯量比过大，伺服参数调整越趋边缘化，也越难调整，振动抑制能力也越差，所以控制易变得不稳定；在没有自适应调整的情况下伺服系统的默认参数在13 倍负载电机惯量比下，系统会达到最佳工作状态，,这样，就有了负载电机惯量比的问题，也就是我们一般所说的惯量匹配，如果电机惯量和负载惯量不匹配，就会出现电机惯量和负载惯量之间动量传递时发生较大的冲击； 下面分析惯量匹配问题。 TM - TL = ( JM + JL ) （1） 式中，TM电机所产生的转矩； TL负载转矩； JM电机转子的转动惯量； JL负载的总转动惯量； 角加速度。,22 加减速力矩 伺服电机除连续运转区域外，还有短时间内的运转特性如电机加
4、减速，用最大转矩表示；即使容量相同，最大转矩也会因各电机而有所不同。最大转矩影响驱动电机的加减速时间常数7，使用公式(3)，估算线性加减速时间常数ta，根据该公式确定所需的电机最大转矩，选定电机容量。 ta = ( JL + JM ) n95.5(0.8Tmax - TL )（3） 式中，n 电机设定速度，r/min； JL电机轴换算负载惯量，kgcm2； JM电机惯量，kgcm2； Tmax电机最大转矩，Nm； TL电机轴换算负载（摩擦、非平衡）转矩，Nm。,23 切削负载转矩 在正常工作状态下，切削负载转矩 不超过电机额定转矩 的80%。连续特性（连续实效负载转矩）对要求频繁起动、制动的数
5、控机床，为避免电机过热，必须检查它在一个周期内电机转矩的均方根值，并使它小于电机连续额定转矩，其具体计算可参考其它文献。在选择的过程中依次计算此五要素来确定电机型号，如果其中一个条件不满足则应采取适当的措施，如变更电机系列或提高电机容量等 24 连续过载时间 连续过载时间应限制在电机规定时问之内。但是， Tc若小于了Tms则勿需对此项进行检验。 Tlam TMon， 式中TLam 连续过载时间，min TMON 电机规定过载时问，min,3 VMC 750立式加工中心伺服电机的选择 选择电机时的计算条件 叙述VMC750立式加工中心伺服轴(见图3-1-1）的电机选择步骤。 图3-1-1 水平运
6、动伺服轴 例：工作台和工件的 W ：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf）=600kgf 机械规格 ：滚动导轨摩擦系数：0.01 ：驱动系统的效率：0.95fg ：夹具固定力：50kgf,Fc ：由切削力产生的推进阻力：500kgf Fcf ：由切削力矩产生的工作台对滑动表面的压力：25kgf Z1/Z2：齿轮减速比：1：1 例：进给丝杠的（滚珠 Db ：轴径=32 mm 丝杠）的规格 Lb ：长度：900mm，单支承 P ：螺距：12mm 例：电机轴的运行规格 快进速度：X、Y轴：30m/min；Z轴：24m/min 加速时间：0.1s,3.1惯量匹配计算 为使伺服进给系统的进给执行部件具
7、有快速相应能力，必须选用加速能力大的电动机，亦即能够快速响应的电机（如采用大惯量伺服电机），但又不能盲目追求大惯量，否则由于不能从分发挥其加速能力，会不经济的。因此必须使电机惯量与进给负载惯量有个合理的匹配。 通常在电机惯量与负载惯量（折算至电动机轴）或总惯量之间，推荐下列匹配关系： 或 或,3.1.1回转的惯量： 回转体：（kg.） -回转体材料的密度 D-回转体直径 L-回转体长度 g-重力加速度 有台阶的回转体，按每段计算后相加 3.1.2 直线运动物体的惯量 W-直线运动物体的重力,L-电机转一圈时物体移动的距离，如电机与丝杠直联推倒过程：根据能量守恒定律 丝杠转一圈时： 于是得： 齿
8、轮传动惯量转换：,负载折算到电机轴上的转动惯量： -丝杠上联轴器的转动惯量 -丝杠转动惯量 -工作台和工件折算到丝杠上的转动惯量 -齿轮减速机构的转动惯量 -齿轮减速器传动比 电机轴上的驱动系统总惯量：,3.2 加减速力矩 按下步骤计算加速力矩： 计算加速力矩： 步骤1: 假定电机由NC控制加/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。 3.2.1 直线加/减速 图 3-2-1 直线加/减速时间与速度，速度与转矩关系图,Ta = (Vm/60) 2( 1/ta )Jm（1-e-ks。ta）+ +( Vm/60 ) 2(1/ta) JL（1-
9、e-ks。ta） Vr = Vm1-(1/Taks ) (1 - e-ks。ta ) Ta :加速力矩(kgfcm) Vm :电机快速移动速度(min-1) ta :加速时间(sec) Jm :电机的惯量(kgf.cm.s2) JL :负载的惯量(kgf.cm.s2) Vr :加速力矩开始下降的速度(与Vm不同) (min-1) Vr = 2049(min-1),由该式可知，加速时，在转速2049(min-1)时，要求加速力矩为12.1 Nm。由上面的速度-力矩特性可以看出，用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130mm130mm。若机床不允许
10、用较大电机，就必须修改运行特性，例如，使加速时间延长。 3.2.2 不控制加/减速时 图3-2-3 不控制加/减速时时间与速度，速度与转矩示意图,公式为： Ta = 2 （Jm+JL） Ta =1/ks 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Ta上增加Tm （摩擦力矩）。 T = Ta+Tm T = 12.1(Nm)+0.9(Nm) = 13.0 (Nm) 计算加速力矩：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-转矩特性和数据单核算由步骤1算得的Vr时的T应在断续工作区内。 因为Vr为2049(min-1)，T为13.0(N
11、m)，用指定的时间常数加速是可能的（条件2）,3.2.3 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-时间和转矩-时间图，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。 图3-2-4 速度-时间和转矩-时间周期图 根据力矩-时间图可以得到一个运行周期的加于电机上力矩的均方根值。对该值进行核算，确保要小于或等于电机的额 定力矩（条件3）,果Trms小于或等于电机静止时的额定力矩（Ts），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3/30
12、00（Ts=31 kgf.cm）=3.0Nm的电机：Ta=12.1 Nm,；Tm=To=0.9 Nm；t1= 0.1 s；t2=1.8s； t3=7.0s。,= 20.2 Nm Ts0.9=2.90.9=2.61 Nm 因此，用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-时间图 工作周期内的转矩Trms 如下图所示。用该图计算出力矩的均方根值后进行核算，和上述一样，使其小于或等于电机的额定力矩。 图3-2-5 工作周期转矩图,3.2.4 计算最大切削 核算工作台以最大切削力矩 Tmc 运动的时间（在负荷期间力矩的负荷百
13、分比 或 ON的时间）要在希望的切削时间内。（条件 5） 如果切削时加于电机轴上的 Tmc（最大负载力矩）-由1.1 算得的小于电机的静止额定力矩(Tc)与(热效率)的乘积，则所选电机可以满足连续切削。若 Tmc 大于该乘积（TmcTc），则按下述步骤计算负荷时间比（ton）。Tmc 可以在整个切削周期内加到电机上。（假设为 0.9，考虑机床运行条件计算负荷百分比。,例如： 如3.2 的计算结果： Tmc=21.8 kgf.cm=2.1 Nm OS: Tc=30 kgf.cm=2.9 Nm 2.90.9=2.6 Nm2.1 Nm=Tmc 连续切削不会有问题。 计算最大切削力矩的 周期负荷百分比
14、 图3-2-6 最大切削力矩周期负荷图,用3.2所述的方法计算一个切削周期内力矩的均方根值，指定 间 ton 和 toff，以使均方根值不要超过静止额定力矩 Tc 与热效率 乘积。则最大切削力矩的周期负荷百分比计算如下： 最大切削力矩的（Tmc）周期负荷百分比= (Tom/T )100% 例如： 假设 Tmc=4.0 Nm；Tm=0.9 Nm,即，非切削时间与切削时间的百分比为 1.6，或更大一周期负荷的百分比为： ( Ton/Toff )100 = 38.5% 所以，3/3000 电机满足上述选择条件 15。 3.2.5 定位加速时的最大转距计算 定位加速时最大转距M: -快速移动时的电机转
15、速 -加速减速时间，按 ，取150200ms -系统的开环增益，通常8 25 ，加工中心一般取 左右； -电机惯量，可从样本查得； -负载惯量 -负载转距 若是M小于伺服电机的最大转距 ，则电机能以所取的时间常数进行加速和减速。,4. 电机的选择 电机每转的工作台的移动量: 根据加于电动机上的负载，快速运动速度，系统的分辨率条件选择电机。本节后面的“伺服电机的选择数据表”，可添入电机转一转时机床的实际移动量。 例如：当滚珠丝杠的螺距为 12mm，变速比为 2/3 时，每转的移动量为 122/3 =8 mm，若用于转台，变速比为 1/72 时，每转的移动量是 3601/72 = 5 deg。 给速度 CNC 的最小输入单位 添入 NC 指令的最小输入单位值。0，15，16，18 系统为0.001mm。 快速移动速度：添入机床实际要求的快速移动速度和坐标进给速度和进给速度 惯量 ：添入折算到电机轴上的全部负载惯量值。惯量值不必 很准确，添入 2位或 1 位数即可。例如，0.2865 可添入 0.29或 0.3。注意该值不要包括毒剂本身的惯量值。,负载力矩 ：由于在电机停止时也可能有非切削力矩，所以在考虑电机的连续力矩时应留有一定余量。负载力矩要小于电机额定力矩的 70%。 快速运动的力矩要添入快速移动稳态时的力矩。要确保该值要小 于
