數控銑床進給驅動電動機的選擇方法

盧彥林，蘇錦智

（包頭職業技術學院，內蒙古 包頭 014030）

數控銑床的伺服進給系統作為數控銑床構成中的一關鍵部位，它的性能直接關系到機床的運行狀態及機器零件加工的質量，因此在數控機床的設計中伺服進給系統的選擇非常重要。一般而言，機床的進給伺服系統依據負載條件可分為兩種，即阻尼轉矩和慣量負載。下文就影響進給驅動電機選擇的相關要素進行分析。

1 進給伺服電機選擇的原則

為了提高數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構與電機的匹配、電機的運轉速度、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，轉矩波動要小，盡量避免伺服電機和滾珠絲扛連接用的聯軸器本身出現缺陷或連接松動現象的發生。

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

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

（4）電動機的轉動慣量、堵轉轉矩、機電時間常數及啟動電壓數值的設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，來具體說明數控銑床進給驅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格 W：運動部件的重量（kgf）=1000kgf

u:滑動表面產生的摩擦系數=0.05

x:驅動系統（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）的規格 Db：軸徑=32mm

Lb：軸長=1000mm

P：節距=8mm

例：電機軸的運行規格 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）負載轉矩的計算。負載轉矩的計算方法是根據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。

轉換到電機軸上的負載轉矩可由下列公式計算：

Tl=（F*L/2πμ）+T0

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

（2）在計算負載轉矩時，還有幾點需要注意。在具體操作中，由于電動機選型時經常是根據工藝參數，來確定功率，但是對于負載的啟動轉矩，加速轉矩等如何進行估算，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運動狀態時，必須清楚電磁轉矩T和負載轉矩TL與轉速n之間關系。在設備運行中，經常遇到工作機械的轉矩是恒定的，但電力拖動系統運動狀態取決于電動機和負載雙方會遇到許多機械的轉矩是隨轉速的變化而變化的。為了掌握電力拖動系統的運行狀態，就必須了解T與TL的特點和變化規律。反映轉矩與轉速之間變化規律的機械特性，這是研究和分析電力拖動系統的重要的工具，對于去分析、解決生產實際中電力拖動系統運行過程中遇到的問題和船舶電氣設備的修理、設備管理、合理科學地使用以及維修維護都是十分重要與必要的。負載轉矩特性是負載轉矩與轉速間的函數關系，由（TL）n=f表示。在電力拖動系統中，由電動機產生的電磁轉矩克服工作機械運動，由加在電動機軸上的負載轉矩rL來工作。不同類型的生產機械在運行中所受到的阻力性質不同，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矩的四種類型：恒轉矩負載特性、線性負載特性、恒功率負載特性、通風機型負載特性。

（3）恒轉矩負載特性（TL=常數）它的特點是負載轉矩 yL和轉速n無相關的特性，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、反轉的角度考慮時，恒轉矩負載特性還可以分為反抗性和位能性兩種：①反抗性負載轉矩TLF。它的特點是恒轉矩TL隨著轉速方向改變而改變。即電動機無論正轉或反轉，負載轉矩總是阻礙電動機的運轉，簡言之恒轉矩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也改變方向變為負值，所以反抗性恒轉矩負載特性位于一、三象限。②位能性負載轉矩TLW。這類負載如重力、彈性體的壓力、拉力或扭轉力等力矩加在電動機軸上產生負載轉矩，其特點是：負載轉矩rI有固定方向，不隨轉速方向改變而改變。例如起貨機提升或下降貨物，不論電機轉向如何，重物的作用力方向總是向下的。當正轉提升時，它起阻礙系統運動作用，而當反轉落貨時，它起著幫助系統運轉的作用。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量；L為電機在直線方向移動時的每轉距離。

（3）圓柱體圍繞中心運動時的慣量，如大直徑齒輪，人們為了減少它的慣量，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為圓柱體的質量，kg;R為旋轉半徑，cm

上述公式在計算大直徑齒輪的轉動慣量時常使用負載慣量的舉例

由于負載慣量根據上述公式，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 結語

進給驅動電機系統,是數控銑床的重要功能部件，該系統的特性一直是影響系統加工性能的重要指標，本文通過查閱相關數控進給伺服系統資料，并結合網上的一些專業學者問答，將如何對驅動電機的運轉予以改進的一些心得總結如上，希望能給數控同仁起到借鑒作用。由于如何對驅動電機的運轉予以改進，直接關系到數控銑床這一機床行業質量的好壞。相信隨著制造業行業的不斷升級改進，必將為數控行業的核心伺服技術迎來又一大好發展時機。

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