數(shù)控銑床進給驅(qū)動電動機的選擇方法

盧彥林，蘇錦智

（包頭職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)作為數(shù)控銑床構(gòu)成中的一關(guān)鍵部位，它的性能直接關(guān)系到機床的運行狀態(tài)及機器零件加工的質(zhì)量，因此在數(shù)控機床的設(shè)計中伺服進給系統(tǒng)的選擇非常重要。一般而言，機床的進給伺服系統(tǒng)依據(jù)負載條件可分為兩種，即阻尼轉(zhuǎn)矩和慣量負載。下文就影響進給驅(qū)動電機選擇的相關(guān)要素進行分析。

1 進給伺服電機選擇的原則

為了提高數(shù)控機床的精確度水平和加工性能，在為銑床選擇進給伺服電機時，需要考慮機械部分的傳動結(jié)構(gòu)與電機的匹配、電機的運轉(zhuǎn)速度、機床的加減速大小、電機的停止距離等因素。要想選擇一與機械相配套的電機，則需滿足以下四方面要點：

（1）進給電機在起動加速段或低速進給時，需勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，盡量避免伺服電機和滾珠絲扛連接用的聯(lián)軸器本身出現(xiàn)缺陷或連接松動現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）應適當控制負載轉(zhuǎn)矩、加載周期及時間在電機額定限度內(nèi)，以防出現(xiàn)進給運動負載過大、頻繁正反向運動造成電路反映不良等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3）若電機頻繁起動、制動，必須檢查它在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)矩方根值，分析機床振動周期與進給速度的協(xié)調(diào)性。

（4）電動機的轉(zhuǎn)動慣量、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、機電時間常數(shù)及啟動電壓數(shù)值的設(shè)定應滿足機床本身快速響應的需要。下面以&伺服電動機（水平運動伺服軸）為例，來具體說明數(shù)控銑床進給驅(qū)動電動機的選擇方法：

選擇電機時的計算條件

例：工作臺和工件的機械規(guī)格 W：運動部件的重量（kgf）=1000kgf

u:滑動表面產(chǎn)生的摩擦系數(shù)=0.05

x:驅(qū)動系統(tǒng)（包括滾珠絲扛）的效率=0.9

fg:鑲條鎖緊力（kgf）=50kgf

Fc：在切削力作用下產(chǎn)生的反推力（kgf）

=100kgf

Fcf：滑動表面工作臺受到的由切削力引起的力 （kgf）=30kg

Z1/Z2：變速比=1/1

例：進給絲杠（滾珠絲杠）的規(guī)格 Db：軸徑=32mm

Lb：軸長=1000mm

P：節(jié)距=8mm

例：電機軸的運行規(guī)格 Ta：加速力矩（kgf.cm）

Vm：快速運動的電機速度（mm-1）=3000mm-1

Ta：加速時間（s）=0.10s

Jm：電機的慣量（kgf.cm.sec2）

Ji：負載慣量（kgf.cm.sec2）

Ks：伺服的位置回路增益（sec-1）=30sec-1

2 下面就針對上述所闡述的影響因素進行說明

（1）負載轉(zhuǎn)矩的計算。負載轉(zhuǎn)矩的計算方法是根據(jù)負載慣量比來恒定的，負載慣量比是進給軸的負載慣量與進給軸電機慣量的比值。這個比值是衡量電機對負載的控制能力強弱的指標，比值的大小和電機的控制能力呈反比。要確保數(shù)控銑床工作的有效性，需要為其選擇具有恰當慣量的電機。

轉(zhuǎn)換到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩可由下列公式計算：

Tl=（F*L/2πμ）+T0

式中Tl為轉(zhuǎn)換到到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩（N.m）；F為軸向移動工作臺時需要的力；L為轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)時，作用到每轉(zhuǎn)所需的機械位移量（M）；To為滾珠絲杠螺母，軸承部分摩擦轉(zhuǎn)矩折算到伺服電機軸上的值（N.M）；μ為驅(qū)動電機的效率

（2）在計算負載轉(zhuǎn)矩時，還有幾點需要注意。在具體操作中，由于電動機選型時經(jīng)常是根據(jù)工藝參數(shù)，來確定功率，但是對于負載的啟動轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩等如何進行估算，實際中很難知道具體折算后的GD2的。因此，在分析電機的進給伺服系統(tǒng)運動狀態(tài)時，必須清楚電磁轉(zhuǎn)矩T和負載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n之間關(guān)系。在設(shè)備運行中，經(jīng)常遇到工作機械的轉(zhuǎn)矩是恒定的，但電力拖動系統(tǒng)運動狀態(tài)取決于電動機和負載雙方會遇到許多機械的轉(zhuǎn)矩是隨轉(zhuǎn)速的變化而變化的。為了掌握電力拖動系統(tǒng)的運行狀態(tài)，就必須了解T與TL的特點和變化規(guī)律。反映轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間變化規(guī)律的機械特性，這是研究和分析電力拖動系統(tǒng)的重要的工具，對于去分析、解決生產(chǎn)實際中電力拖動系統(tǒng)運行過程中遇到的問題和船舶電氣設(shè)備的修理、設(shè)備管理、合理科學地使用以及維修維護都是十分重要與必要的。負載轉(zhuǎn)矩特性是負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速間的函數(shù)關(guān)系，由（TL）n=f表示。在電力拖動系統(tǒng)中，由電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩克服工作機械運動，由加在電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩rL來工作。不同類型的生產(chǎn)機械在運行中所受到的阻力性質(zhì)不同，其機械特性曲線的形狀也有所不同。下面簡要介紹一下負載轉(zhuǎn)矩的四種類型：恒轉(zhuǎn)矩負載特性、線性負載特性、恒功率負載特性、通風機型負載特性。

（3）恒轉(zhuǎn)矩負載特性（TL=常數(shù)）它的特點是負載轉(zhuǎn)矩 yL和轉(zhuǎn)速n無相關(guān)的特性，即TL不隨n的變化而變動，TL=const。例如起貨機、運輸一定數(shù)量的皮帶傳送機、機床刀架的平移運動，或者是張力和導輥直徑不變的導輥傳動的各種類型生產(chǎn)機械等。因此這類機械特性，又稱導輥特性。

（4）從電動機正、反轉(zhuǎn)的角度考慮時，恒轉(zhuǎn)矩負載特性還可以分為反抗性和位能性兩種：①反抗性負載轉(zhuǎn)矩TLF。它的特點是恒轉(zhuǎn)矩TL隨著轉(zhuǎn)速方向改變而改變。即電動機無論正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，負載轉(zhuǎn)矩總是阻礙電動機的運轉(zhuǎn)，簡言之恒轉(zhuǎn)矩TL方向總是反抗運動的。當n為正時，TLF亦為正，當n為負時，TLf也改變方向變?yōu)樨撝担苑纯剐院戕D(zhuǎn)矩負載特性位于一、三象限。②位能性負載轉(zhuǎn)矩TLW。這類負載如重力、彈性體的壓力、拉力或扭轉(zhuǎn)力等力矩加在電動機軸上產(chǎn)生負載轉(zhuǎn)矩，其特點是：負載轉(zhuǎn)矩rI有固定方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變。例如起貨機提升或下降貨物，不論電機轉(zhuǎn)向如何，重物的作用力方向總是向下的。當正轉(zhuǎn)提升時，它起阻礙系統(tǒng)運動作用，而當反轉(zhuǎn)落貨時，它起著幫助系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的作用。所以不論n為正還是為負，T1W的方向總是不變，特性曲線位于一、四象限。

3 負載慣量的計算

負載慣量可以通過計算各部件的慣量，然后將各部件的慣量數(shù)累加起來而得到。（通常負載的慣量要小于電動機本身慣量的3倍）。

（1）圓柱體慣量。如滾珠絲扛，齒輪等圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時的慣量可按下面公式計算：J=（πγ/32）*D4L（kg cm2），式中：J為慣量，kgcm2;D為圓柱體直徑，cm;L為圓柱體長度，cm;Γ為單位體積質(zhì)量也稱材料密度。

（2）軸向移動物體的慣量計算，工作臺、工件等的慣量可按下列公式計算：J=W*（L/2π）2（kg cm2），式中 W為沿軸線移動物體的質(zhì)量；L為電機在直線方向移動時的每轉(zhuǎn)距離。

（3）圓柱體圍繞中心運動時的慣量，如大直徑齒輪，人們?yōu)榱藴p少它的慣量，通常在其圓盤上鉆一些分布均勻的孔，這時的慣量可以這樣計算：

J=Jo+M*R2（kg cm2）

式中：Jo為圓柱體圍繞其中心線的慣量，kgcm2;M為圓柱體的質(zhì)量，kg;R為旋轉(zhuǎn)半徑，cm

上述公式在計算大直徑齒輪的轉(zhuǎn)動慣量時常使用負載慣量的舉例

由于負載慣量根據(jù)上述公式，我們可以精確算出

例：若物體的材料是鐵（其比重為7.8*0.001kg/cm2），則慣量的近似值

為：J=0.78 ×10-6 ×3.24Db4Lb4（kgf.cm.s2）

例：滾珠絲杠的Db為32mm，Lb為1000mm，其慣量為Jb為：Jb=0.78×10-6×3.24×100=0.0082（kgf.cm.s2）

4 結(jié)語

進給驅(qū)動電機系統(tǒng),是數(shù)控銑床的重要功能部件，該系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標，本文通過查閱相關(guān)數(shù)控進給伺服系統(tǒng)資料，并結(jié)合網(wǎng)上的一些專業(yè)學者問答，將如何對驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)予以改進的一些心得總結(jié)如上，希望能給數(shù)控同仁起到借鑒作用。由于如何對驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)予以改進，直接關(guān)系到數(shù)控銑床這一機床行業(yè)質(zhì)量的好壞。相信隨著制造業(yè)行業(yè)的不斷升級改進，必將為數(shù)控行業(yè)的核心伺服技術(shù)迎來又一大好發(fā)展時機。

[1]孔祥東，王益群.控制工程基礎(chǔ)[M].武漢：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]左文軒.數(shù)控落地鏜銑故障原因與處理[J].電工技術(shù)，2006，（5）.

[3]宋莉莉.數(shù)控車床車削加工工藝過程分析及編程[J].河北工業(yè)大學成人教育學院學報，2006，（2）.

[4]高冰，張萍.一種直流力矩電機精確控制的新方法[J].廣東技術(shù)師范學院學報，2007，（10）.

[5]史曉娟,劉鋒,張斌.CPLD在雙軸位置檢測系統(tǒng)中的應用[J].電子設(shè)計工程，2009，（7）.