伺服刀架電動機驅動研究與應用*

郭智春

(沈陽機床(集團)設計研究院有限公司設計研究院研發部,遼寧 沈陽 110142)

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伺服刀架電動機驅動研究與應用*

遼寧省工業攻關計劃資助項目：全功能數控伺服刀架研發及產業化(2011220003)

郭智春

(沈陽機床(集團)設計研究院有限公司設計研究院研發部,遼寧 沈陽 110142)

針對伺服刀架的傳動特點，分析了伺服刀架勻速轉位加減速轉位、和多步轉位的轉位原理和轉位特點，并推導了轉位時間與電動機扭矩、電動機轉速關系的計算公式。依據伺服刀架的轉位特點，歸納了伺服刀架的電動機選型原則。將伺服刀架轉位時間和電動機驅動原理應用于實際電動機選型和調速中，應用實例驗證了該方法的實用性和可靠性，為伺服刀架設計、調試工程實踐提供參考。

伺服刀架;伺服電動機;轉位時間

伺服刀架采用伺服電動機驅動，利用齒輪機構傳動，完成刀盤的分度轉位，實現車床的換刀功能。主要技術參數包括：轉位時間、中心高、刀盤轉動慣量、刀架承載能力等。其中轉位時間是衡量換刀快慢的重要指標，決定了刀架的換刀效率，與刀盤轉動慣量、齒輪減速機構的傳動比、電動機扭矩和轉速有著重要的關系。而刀架承載能力決定車床切削時刀架能夠承受的切削力的大小。

本文主要研究伺服刀架轉位時間的影響因素，以及和伺服電動機的關系，為伺服電動機選型和調試提供參考。

1　轉位時間

1.1勻速單步轉位時間

伺服刀架單步勻速轉位，轉位時間：

其中：ts為轉動時間，s，φ為單步轉位角度，rad；ω為轉位速度，rad/s。

1.2加減速單步轉位時間

伺服刀架單步加減速轉位如圖1所示，轉位時間：

其中，ta為轉動時間，s；α為角加速度，rad/s2。

加減速轉位過程中，驅動扭矩為：

T=Jα+me

其中：T為轉動扭矩，N·m；J為轉動體的轉動慣量，kg·m2；α為角加速度，rad/s2；me為不平衡轉矩，N·m。

不平衡轉矩可通過平衡品質等級評定：

G=eω/1 000

其中：G為平衡品質等級，機床的驅動部件可取2.5；e為轉子偏心距，m。

1.3多步轉位時間

如圖2所示。

αi=Mi/J=ω0/tii=1,2

其中：t0、t1、t2分別為勻速、加速和減速的轉位時間，ω0為勻速轉動速度，α1、α2分別為加速和減速的角加速度，M1、M2為加速和減速的扭矩，J為轉動慣量。

2　伺服電動機選型

2.1斷續工作區要求

伺服電動機驅動刀盤轉位的扭矩應該滿足斷續工作區要求，其中斷續工作區如圖3陰影部分所示。

電動機的最大扭矩Mmax大于實際驅動扭矩M：

Mmax>M

電動機在實際扭矩M下的最大轉速Nx大于實際轉速n：

Nx>n

2.2電動機選型計算

選擇刀架驅動伺服電動機需要滿足轉速要求和扭矩要求。

電動機的最大扭矩Mmax應大于加減速單步轉位時的扭矩要求：

允許轉速Nx大于加速時的最大轉速

允許轉速Nx大于單步勻速轉位時的實際轉速：

其中：s為安全系數；γ單步轉位角度(單位°)；i為傳動比。

3　應用實例

3.1轉位時間理論計算

某12刀位伺刀架主要技術參數：刀架驅動傳動比，含刀柄刀盤轉動慣量J=1.25 kg·m2，不平衡扭矩me=32 N·m，單工步γ=30°僅轉動時間ts=0.07 s，單工步含加減速轉位時間ta=0.12 s,齒輪系統傳動比為i=1:48。

電動機勻速轉位時轉速

忽略摩擦，視加減速時的加速度值相等，電動機扭矩

此加速時的最高轉速為

可選某伺服電動機Mmax=7.16 Nm>M=5.79 Nm，Nr=5 000 r/min>n=4 000 r/min。

3.2伺服刀架電動機驅動試驗

計算的刀架的實際伺服電動機調試，如圖4所示。轉動慣量為J=1.09 kg·m2，加載不平衡扭矩為me=30.68 N·m，經試驗調試30°單工步含加減速轉位時間為0.116 s。

實際測試如圖5所示。自上而下為速度曲線、電動機電流曲線、參考位置曲線和實際位置曲線。

4　結語

本文研究了伺服刀架的轉位時間，包括：勻速轉位、加減速轉位和多步轉位。分析了轉位時間和電動機扭矩、電動機轉速的關系。伺服刀架電動機選型需要滿足斷續工作區要求，即實際扭矩小于電動機最大扭矩，實際轉速小于電動機最大轉速。

上述原理應用于實際設計計算與電動機調速中，應用實例驗證了分析的可靠性和合理性，為伺服刀架的電動機選型和調試提供參考。

[1]現代實用機床設計手冊編委會.現代實用機床設計手冊 [M].北京:機械工業出版社,2006.

[2]劉建功,范力旻.慣量與伺服電機[J].微電機: 2007,40(4):96-98.

[3]吳祖育,秦鵬飛.數控機床[M].上海:上海科學技術出版社,2008.

(編輯孫德茂)

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·名詞解釋·

超塑性等溫模鍛將具有超塑性的金屬毛坯與模具一起加熱并保持在材料的超塑性溫度范圍內，以蠕變方式使之模鍛成形。鈦合金和高溫合金等用于超塑性等溫模鍛的毛坯應具有超細晶粒。這種毛坯可以用合金的超細粉末經熱等靜壓方法制成。超塑性等溫模鍛因變形抗力小,需要設備的功率僅為普通模鍛的1/5至1/10。鍛件尺寸精確，組織均勻，適用于制造發動機渦輪盤和壓氣機盤等零件。

多向模鍛利用可分模具在水壓機一次行程的作用下鍛出形狀復雜、無毛邊、無模鍛斜度或小模鍛斜度的鍛件。它是一種擠、鍛相結合的綜合工藝。與普通模鍛相比，只需一次加熱，能減少工序和節約能源，提高鍛件的性能，適用于制造飛機的起落架、槳轂、導彈的噴管、閥門等零件。

Research and application of drive motor of servo turret

GUO Zhichun

(Research and Development Department of Design and Research Institute, Shenyang Machine Tool (Group) Co., Ltd., Shenyang 110142, CHN)

According to the characteristics of servo turret transmission, uniform speed, accelerate and decelerate, and multistep indexing principles and features were analysed, and calculation formulas between indexing time and motor torque and motor speed were derived. Based on servo turret transmission and indexing feature, servo motor selection methods were proposed. Principles of indexing time and motor torque and motor speed were used in a calculation instance and a debugging instance, application examples indicate that the method was reasonable and feasible.

servo turret; servo motor; indexing time

TM383.4

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.009

郭智春，男，1983年生，碩士，工程師，主要從事數控機床刀架的結構設計開發工作。

2015-01-05)

160718