伺服电机的选择.pdf
《伺服电机的选择.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《伺服电机的选择.pdf(18页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、 伺服电机的选择 1 伺服电机的选择伺服电机的选择 1 选择电机时的计算条件: 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。 a.a. 工作台和工件的机械规格 W:运动部件(工作台及工件)的重量(kgf)=1000 kgf :滑动表面的摩擦系数=0.05 :驱动系统(包括滚珠丝杠)的效率=0.9 fg:镶条锁紧力(kgf)=50 kgf Fc:由切削力引起的反推力(kgf)=100 kgf Fcf:由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力 (kgf)=30kgf Z1/Z2:变速比=1/1 b. b. 进给丝杠的(滚珠丝杠)的规格 Db :轴径=32 mm Lb
2、:轴长=1000 mm P:节距=8 mm c.c. 电机轴的运行规格 Ta:加速力矩(kgf.cm) Vm:快速移动时的电机速度(mm -1)=3000 mm-1 ta:加速时间(s)=0.10 s Jm:电机的惯量(kgf.cm.sec 2) Jl:负载惯量(kgf.cm.sec 2) Ks:伺服的位置回路增益(sec -1)=30 sec-1 1.1 负载力矩和惯量的计算 1.1 负载力矩和惯量的计算 计算负载力矩,加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出: Tm =FL/2+Tf Tm :加到电机轴上的负载力矩(Nm) F :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf) L :电
3、机转一转机床的移动距离=P(Z1/Z2)=8 mm Tf :滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm 伺服电机的选择 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+fg) 例如: F=0.05(1000+50)=52.5 (kgf) Tm = (52.50.8) / (20.9)+2=9.4(kgf.cm)= 0.9(Nm) 切削时: F = Fc+(W+fg+Fcf) 例如: F=100+0.05(1000+50+30)=154(kgf)
4、 Tmc=(1540.8) / (20.9)+2=21.8(kgf.cm)=2.1(Nm) 为了满足条件 1,应根据数据单选择电机,其负载力矩在不切削时应大于 0.9 (Nm) ,最高转速应高于 3000(min -1) 。考虑到加/减速,可选择2/3000(其静止 时的额定转矩为 2.0 Nm) 。 注 注 计算力矩时,要注意以下几点: 1.考虑由镶条锁紧力 (fg) 引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。 2.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 Fc 相当大。小型和轻型机
5、床其摩擦力矩会大大影响电机的承 受的力矩。 3.考虑由切削力引起的滑动表面摩擦力(Fcf)的增加。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。 当计算切削时的力矩时要考虑由负载引起的摩擦力矩。 4.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。 5.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
6、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量加在一起,即可得出总惯量。总惯量 可按下述方法计算: 伺服电机的选择 3 J =(/32980) D b 4L b (kgf.Cm.s 2) J :惯量(kgf.cm.s 2) :物体的比重(kg/cm 3) Db :直径(cm) Lb :长度(cm) 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: 若物体的材料是铁(其比
7、重为 7.810 -3kg/cm3), 则惯量的近似值为: J=0.7810 -6D b 4L b(kgf.cm.s 2) 例如: 滚珠丝杠的 Db为 32mm,Lb为 1000mm,其惯量为 Jb为: J=0.7810 -63.24100=0.0082(kg.cm.s2) 沿直线运动物体(工作台,工件等)的惯量 例如: 工作台和工件的 W 为 1000kg,L 为 8mm,则其惯量计算得: JW = 1000/980(0.8/2/) 2 = 0.0165(kgf.cm.s2) 速度高于或低于电机轴速的物体的惯量(惯量的折算) J=(W/980)(L/2) 2 (kgf.cm.s2) W:沿直
8、线运动物体的重量(kg) L:电机一转物体沿直线的移动距离(cm) 伺服电机的选择 4 惯量 J0折算到电机轴上后的计算方法如下: 回转中心偏离轴心的圆柱体的惯量 J = J0-R 2 (kgf.cm.s2) J0 :围绕圆柱体中心回转的转动惯量(kgf.cm.s 2) M :物体的重量(kg) R :回转半径(cm) 上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 JB及 JW的和就是负载惯量 JL。 JL= 0.00820.0165 = 0.0247(kgf.cm.s 2) 对负载惯
9、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。实际上这对普通金属加工机床的工作的影响不大, 但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,
10、请与联系伺服专家联系。 12 加速力矩的计算 12 加速力矩的计算 按下步骤计算加速力矩: 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。计算式如下。 J = (-)J0 (kgf.cm.s2) J0 :折算前的惯量(kgf.cm.s2) Z1 Z2 伺服电机的选择 5 直线加/减速 Ta = 2 Jm(1-e-ks 。ta)+ + 2 JL(1-e-ks 。ta) Vr = Vm1- (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(se
11、c) 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) Ks :位置回路的增益(sec-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 Jm 为 0.0061(kgf.cm.s 2),Vm 为 3000(min-1),ta 为 0.1(s),ks 为 30(sec -1),J L=0.0247(kgf.cm.s 2)。 Ta = 3000/60 21/0.10.0061(1-e -300.1)+ 3000/60
12、21/0.1 0.0247(1-e -300.1)0.9 = 100.1(kgf.cm.) = 9.81(Nm) Vm 60 1 ta Vm 60 1 ta 1 Taks 伺服电机的选择 6 由2/3000 的速度-转矩特性可以看到,9.81(Nm)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(Jm 为 0.02 kgf.cm.s 2) ,重新计算加速力矩如下: Ta = 123.7(Kg.cm) = 12.1(Nm) Vr = 2049(min -
13、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 Vm Ta 时间 Vm 速度 公式为: Ta = 2 (Jm+JL) Ta = 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)
14、 Vm 60 1 ta 1 ks ta 伺服电机的选择 7 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(Nm),用指定的时间常数加速 是可能的(条件 2) 。 13 计算力矩的均方根值 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-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。 根据力矩-时间图
15、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) 。 Trms = Ta :加速力矩 Tm :摩擦力矩 To :停止时的力矩 如果 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3/3000 (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。 Trms = = 20.2 Nm Ts0.9=2.90.9=2.
16、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工作周期内的转矩 Trms:若负载(切削负载,加/ 减速度)变化频繁,其力矩-时间图如下图所示。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。 (Ta+Tm)2 t2+Tm2t2+(Ta-Tm)2t1+To2t3 t0 (12.1+0.9)20.1+0.921.8+(12.1-0.9)20.1+0.927 t0 伺服电机的选择 8 14 计算最大切削力矩的负荷百分比 14 计算最大切削力矩的负荷百分比 核算工作台以最大切削力矩 Tmc 运动的时间(在负荷期间或 O
17、N 的时间)要在 希望的切削时间内。 (条件 5)(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。 ) TmcTc 可用最大切削力矩连续运行(用最大切削力矩运行的 周期负荷百分比是 100%) 。 TmcTc 根据下图和公式计算周期负荷的百分比。 例如:如1.1 的计算结果: (连续切削不会有问题。 ) Tm
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 伺服 电机 选择
链接地址:https://www.31doc.com/p-3699179.html