【正文】 要參數(shù) 公稱型號(hào) HBN401 基本額定動(dòng)負(fù)荷Ca 絲杠軸外徑 40mm 基本額定靜負(fù)荷0Ca 336KN 21 導(dǎo)程 10mm 容許負(fù)荷 精度等級(jí) C0 剛性 1910KN/μm 負(fù)荷圈數(shù)列 圈 3 絲杠軸慣性力矩 221 .9 7 1 0 /k g c m m m??? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)造型計(jì)算 伺服系統(tǒng)中的控制電機(jī)是伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行部件。它一方面像普通電動(dòng)機(jī)一樣是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，另一方面也是將數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械與位移的信息轉(zhuǎn) 換裝置。為了能量轉(zhuǎn)換的高效率與信息轉(zhuǎn)換的高精度、快響應(yīng)和高度的穩(wěn)定性，對(duì)伺服系統(tǒng)中控制電機(jī)的基本要求有 ： ① 輸出功率大 ； ② 優(yōu)良的調(diào)速性能 ； ③ 優(yōu)良的控制特性 ； ④ 免于或便于維護(hù) ； ⑤ 散熱性好 ； ⑥ 價(jià)格適中等。目前在數(shù)控機(jī)床上常用的控制電機(jī)包括直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)三大類 ，由于交流伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、體積較小、重量較輕、輸出功率大、轉(zhuǎn)速高、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在數(shù)控機(jī)床中正在逐漸代替直流伺服電機(jī)，故選擇交流伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)中的控制電機(jī)。 （ 1）進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇原則 [23] ? 當(dāng)機(jī)床作空 載運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。 ? 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加載周期以及過載時(shí)間都在電機(jī)的準(zhǔn)許范圍以內(nèi)。 ? 對(duì)要求頻繁起動(dòng)、制動(dòng)以及周期性變化的負(fù)載必須校核它的在一個(gè)周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值，應(yīng)小于電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。 ? 加在電機(jī)軸上的負(fù)載慣量大小對(duì)電機(jī)的靈敏度和整個(gè)伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響。通常情況下 ， 當(dāng)負(fù)載小于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量時(shí) ， 上述影響不大 ； 但當(dāng)負(fù)載慣量達(dá)到甚至超過轉(zhuǎn)子慣量的 5 倍時(shí) ， 會(huì)使靈敏度和響應(yīng)時(shí)間受到很大的影響。推薦負(fù)載慣量 小于 5 倍的 伺服電機(jī)慣量 值。 （ 2）電機(jī)選 擇步驟 1）驅(qū)動(dòng)方式說明 以所需的扭矩為基礎(chǔ)進(jìn)行電機(jī)選型，該扭矩通過使用如行進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)、離心機(jī)、紙張驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和軋機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或者主主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定義。此外，還要考慮用于運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的變速器或者用于將電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)扭矩與負(fù)載系數(shù)相匹配的變速器。要確定電機(jī)所要提供的扭矩，除了由使用確定的負(fù)載力矩之外，還必須知道下列機(jī)械數(shù)據(jù)。當(dāng)需要較小的結(jié)構(gòu)體積、小的轉(zhuǎn)子慣性矩并由此獲得最高動(dòng)態(tài)性能時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮同步電機(jī)。 2）確定負(fù)載情況，計(jì)算最大負(fù)載力矩 22 確定負(fù)載情況，計(jì)算最大負(fù)載力矩目標(biāo)是：找到 扭矩和轉(zhuǎn)速的特征工作點(diǎn)，利用該特征工作點(diǎn)根據(jù)負(fù)載情況確定電機(jī)。 在確定運(yùn)行情況和其詳細(xì)規(guī)格后計(jì)算最大電機(jī)扭矩。 一般情況下，在加速階段得出最大電機(jī)扭矩。 這里加上負(fù)載力矩和用于電機(jī)加速所需的扭矩。然后通過電機(jī)極限曲線確定最大電機(jī)扭矩。 在確定電機(jī)時(shí)必須考慮下列標(biāo)準(zhǔn) [24]63： ? 遵循動(dòng)態(tài)極限值，即負(fù)載情況的所有扭矩轉(zhuǎn)速點(diǎn)必須位于相關(guān)的極限特性曲線之下。 ? 必須遵循熱態(tài)極限值，即對(duì)于同步電機(jī)，在由負(fù)載循環(huán)得出的平均電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，有效電機(jī)扭矩必須位于 S1 特性曲線（連續(xù)運(yùn)行）之下。 對(duì)于異步電機(jī)，電機(jī)電流的有 效值在負(fù)載循環(huán)內(nèi)必須小于電機(jī)額定電流。 ? 對(duì)于同步電機(jī)必須注意，最大允許的電機(jī)扭矩在電壓極限特性曲線的 高轉(zhuǎn)速時(shí)減小。 另外，為了防止電壓波動(dòng)，應(yīng)遵循電壓極限特性曲線 10%的距離。 ? 在使用異步電機(jī)時(shí)，允許的電機(jī)扭矩在電壓極限特性曲線（穩(wěn)定限度）的磁場(chǎng)減弱范圍中受限制。這里應(yīng)遵循 30%的距離。 3）確定電機(jī) 可以通過變動(dòng)找到一個(gè)滿足運(yùn)行情況條件的電機(jī)。最后必須確定其它電機(jī)特性。 這些特性將作為電機(jī)選項(xiàng)配置進(jìn)行。 （ 3）驅(qū)動(dòng)方式說明 綜合考慮機(jī)床對(duì) Z 軸部件的技術(shù)要求， Z 軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高負(fù)荷精密滾珠絲杠的驅(qū) 動(dòng)方式，初步選擇 Siemens 伺服電機(jī)。考慮到機(jī)床要求較小的結(jié)構(gòu)體積、較高的動(dòng)態(tài)性能，優(yōu)先選擇 Siemens 的 1FK7 緊湊型同步伺服電機(jī) ，如圖 25 所示 。 1FK7 電機(jī)是一種非常緊湊的、永磁同步電機(jī)。與 SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起， 1FK7 電機(jī)可以構(gòu)成一種高功能、高效率的驅(qū)動(dòng)裝置。用于速度和位置控制的集成編碼器系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。 23 圖 25 Siemens 的 1FK7 緊湊型同步伺服電機(jī) 選擇電機(jī)的計(jì)算條件 如下， Z 軸運(yùn)動(dòng)伺服軸為豎直使用狀態(tài)，如圖 26 所示： 圖 26 Z 軸運(yùn) 動(dòng)伺服軸工作方式 運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量 50m kg? （運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量 500kg，配重平衡系統(tǒng)重 450kg） 導(dǎo)向面的阻力 20fN? （無負(fù)荷，液體靜壓摩擦系數(shù) ?? ，阻力較小） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（包括滾珠絲杠）的效率 ?? 由切削力引起的反推力 50Fc N? 最大速度 max 6 / minVm? 24 最小進(jìn)給量 /sm?? 脈 沖 減速比 1/ 2 1ZZ? 加減速時(shí)間： ? 絲杠軸徑： 40d mm? 絲杠 軸長(zhǎng)： 732bL mm? 絲杠導(dǎo)程： mmPh 10? （ 1） 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 電機(jī)選擇首先依據(jù)機(jī)床快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 3m a xm a x 10 nomVn i nPh? ? ? ? （ 34） 式中： maxn —— 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（ rpm） maxV —— 直線運(yùn)動(dòng)最大速度（ m/s） Ph —— 絲杠導(dǎo)程（ mm） i —— 系統(tǒng)傳動(dòng)比， 1i? 則有： 3m a x 6 1 1 0 6 0 010n rp m? ? ? ? （ 2） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 根 據(jù)伺服電機(jī)的工作曲線，負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：當(dāng)機(jī)床作空載運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載力矩應(yīng)在電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即在工作曲線的連續(xù)工作區(qū)；最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過載時(shí)間應(yīng)在特性曲線的允許范圍內(nèi)。 加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩： 2mfFLTT????? （ 25） 式中： mT —— 加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩 F —— 沿坐標(biāo)軸移動(dòng)部件所需的 力 L —— 電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)距離 ( 1 / 2) 10L Ph Z Z Ph m m? ? ? ? fT —— 滾珠絲杠加到電機(jī)軸上的摩擦力矩 ， 由絲杠 得 1 T N mm? ? ? 不切削時(shí)： 50 0 9. 8 2. 5 49 03F m g f N? ? ? ? ? ? 5 1 0 1 0 8 5 4 . 4 4 1 7 5 6 . 7 8 1 . 7 5 72 2 0 . 9mfFLT T N m m N m? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? 切削時(shí)： 25 50 9. 8 20 50 56 0F m g f Fc N? ? ? ? ? ? ? ? 5 6 0 1 0 8 5 4 . 4 4 1 8 4 4 . 7 7 1 . 8 4 52 2 0 . 9mfFLT T N m m N m? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? 根據(jù)負(fù)載力矩可見，伺服電機(jī)的額定力矩應(yīng)大于 mN? （ 3） 加速力矩的計(jì)算 對(duì)于數(shù)控機(jī)床，因?yàn)閯?dòng)態(tài)性能要求較高，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)小，而等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大，故電機(jī)力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，一般都為電動(dòng)機(jī)力矩的 30%~90%，故常常用快速空載起動(dòng)力矩作為依據(jù)來選擇電動(dòng)機(jī)。 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 m a x 0afM M M M? ? ? （ 26） 式中： maxaM —— 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的最大加速力矩（ Nm? ） fM —— 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（ Nm? ） 0M —— 由于絲杠折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（ Nm? ） 加速力矩 ： 2m axm ax 109 .6a JnM T ??? （ 27） 式中： J —— 折算到電機(jī)軸上的總慣量（ 2kgcm? ） maxn —— 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（ /minr ） T —— 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)， ? 則有： 22m a xm a x 1 6 . 9 3 6 0 01 0 1 0 1 0 5 . 8 1 1 . 0 69 . 6 9 . 6 0 . 1a JnM N c m N mT ?? ?? ? ? ? ? ? ? ?? 摩擦力矩 ： f f fM M M??導(dǎo) 軌 軸 承 （ 28） 式中： Ph —— 絲杠導(dǎo)程（ cm） ? —— 傳動(dòng)鏈總效率，一般取 ~ ? ? i —— 傳動(dòng)比 2 2 32 0 0 . 11 0 1 0 3 . 9 7 9 1 02 2 0 . 8 1f fP hM N mi? ? ?? ? ??? ? ? ? ? ? ???導(dǎo) 軌 0. 65fM N m??軸 承 ，查 INA 公司軸承樣本 [25]1077 0 .0 0 3 9 7 9 0 .6 5 0 .6 5f f fM M M N m? ? ? ? ? ?導(dǎo) 軌 軸 承 絲杠預(yù)緊附加的摩擦力矩 ： 26 0 N m??（絲杠計(jì)算得 85 4fT N m m??） 即快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 ： m a x 0 1. 06 0. 65 0. 85 2. 56afM M M M N m? ? ? ? ? ? ? ? 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 ： 0at f tM M M M M? ? ? ? （ 29） 式中： atM —— 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩（ Nm? ） fM —— 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（ Nm? ） 0M —— 由于絲杠預(yù)緊引起的折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力（ Nm? ） tM —— 折算到電機(jī)上的切削力矩（ Nm? ） 加速力矩 ： 2m ax ta JnM T ??? （ 210） 式中： J —— 折算到電機(jī)軸上的總慣量（ 2kgcm? ） tn —— 切削時(shí)的轉(zhuǎn)速（ r/min） T —— 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)， ? 221 6 . 9 3 4 0 01 0 1 0 7 0 . 5 4 0 . 7 19 . 6 9 . 6 0 . 1tat JnM N c m N mT ?? ?? ? ? ? ? ? ? ?? 切削力矩 ： 2102t F c P hM i?? ???? （ 211） 式中： Fc —— 由切削力引起的反推力 50Fc N? ? —— 傳動(dòng)鏈總效率，一般取 ~ ? ? i —— 傳動(dòng)比 2 2 35 0 0 . 11 0 1 0 9 . 9 4 7 1 02 2 0 . 8 1t F c P hM N mi? ? ?? ? ???? ? ? ? ? ? ??? 即最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 0 0. 71 0. 65 0. 85 0. 00 99 2. 22at f tM M M M M N m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 人快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 ： 0 0. 65 0. 85 1. 50fM M M N m? ? ? ? ? ? 加速轉(zhuǎn)矩開始下降時(shí)的轉(zhuǎn)速 ： 1[1 (1 ) ]saKtrmasn n etK??? ? ?? （ 212） 27 式中： mn —— 快速移動(dòng)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 at —— 加減速時(shí)間 sK —— 伺服位置增益，取 130secsK ?? 3 0 0 . 111[ 1 ( 1 ) ] 6 0 0 [ 1 ( 1 ) ] 4 0 9 . 9 60 . 1 3 0saKtrmasn n e e r p mtK?? ??? ? ? ? ? ? ? ??? （ 4） 負(fù)載慣量計(jì)算 與負(fù)載力矩不同，負(fù)載慣量可以精確地算出。由電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)而驅(qū)動(dòng)的物體慣量形成電機(jī)的負(fù)載慣量， 無論該物體是轉(zhuǎn)動(dòng)還是沿直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)各運(yùn)動(dòng)物體分別計(jì)算其慣量，然后按一定規(guī)則將各物體的慣量加在一起，即可得出總慣量。 總慣量可按下述方法計(jì)算： （ 1） 圓柱體（滾珠絲杠，聯(lián)軸器）的慣量計(jì)算 滾珠絲杠和聯(lián)軸器，可近似按照?qǐng)A柱體繞其中心軸回轉(zhuǎn)的慣量計(jì)算： 212bJ MR? （ 213） 式中： M —— 質(zhì)量（ kg） R—— 半徑（ m） 2 2 640( ) ( ) 7 3 2 6 8 7 . 8 1 0 7 . 8 322bdM l l k g? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?聯(lián) 軸 器（ ） （ ） 2 2 3 21 1 4 07 . 8 3 ( ) 1 . 5 6 6 1 02 2 2 1 0 0 0bJ M R k g m?? ? ? ? ? ? ?? （ 2） 圓柱體折算到電機(jī)軸上的慣量 321 1 1 . 5 6 6 1 02L b bZJ J J k g mZ ?? ? ? ? ? ? ? （ 3） 直線運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣量計(jì)算 2WiJ mL? （ 2