FANUC伺服電機選型計算資料

1、I引言現(xiàn)代機電行業(yè)中經(jīng)常會碰到一些復(fù)雜的運動,這對電機的動力 荷載有很大影響。伺服驅(qū)動裝置是許多機電系統(tǒng)的核3,因此,伺服 電機的選擇就變得尤為重要。首先要選出滿足給定負載要求的電動 機，然后再從中按價格、重量、體積等技術(shù)經(jīng)濟指標選擇最適合的電 機。設(shè)計時進給伺服屯機的選擇原則是：首先根據(jù)轉(zhuǎn)矩一速度特性曲 線檢查負載轉(zhuǎn)矩,加減速轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，然后對負載慣量進行 校合，對要求頻繁起動、制動h的電機還應(yīng)對其轉(zhuǎn)矩均方根進行校 合，這樣選擇出來的電機才能既滿足要求，又可避免由于電機選擇偏 大而引起的問題。本文主要敘述了針對V MC 750立式加工中心的功能要求和規(guī) 格參數(shù)，對各軸的伺服電動機進行計

2、算選擇，確定FANUC伺 服電動機的型號和規(guī)格大小，并給出數(shù)據(jù)表。同時在論文中簡 述了各數(shù)據(jù)的計算公式以及數(shù)據(jù)計算例子。讓讀者能夠直觀的了解VMC750的伺服電機的數(shù)據(jù)信息,并知道如何根據(jù)一臺 加工中心的功能要求和規(guī)格參數(shù)進行數(shù)據(jù)計算，來選擇合適的 伺服電機。2 選擇電動機時的必要計算在伺服電機選型計算當中其主要數(shù)據(jù)包括：負載/電機慣量比, 加減速力矩，切削負載轉(zhuǎn)矩，連續(xù)過載時間等幾方面的內(nèi)容， 本節(jié)內(nèi)容便為大家簡述了以上重要數(shù)據(jù)的計算方式。2. 1負載/電機慣量比正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前 提，此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出，伺服系統(tǒng) 參數(shù)的調(diào)整跟慣量比

3、有很大的關(guān)系，若負載電機慣量比過大，伺 服參數(shù)調(diào)整越趨邊緣化,也越難調(diào)整,振動抑制能力也越差，所以控制易變得不穩(wěn)定； 在沒有自適應(yīng)調(diào)整的情況下伺服系統(tǒng)的默認參數(shù)在13倍負 載電機慣量比下，系統(tǒng)會達到最佳工作狀態(tài)，這樣，就有了負載電機慣量比的問題,也就是我們一般所說的慣量匹配，如果電機慣量和負載慣量不匹配,就會出現(xiàn)電機慣量和負載慣量之間動量傳遞時發(fā)生較大的沖擊；下面分析慣量匹配問題。 TL = (JM + JL) a (1)試中,TM電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩;TL 負載轉(zhuǎn)矩；JM 一電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；JL-負載的總轉(zhuǎn)動慣量；a角加速度。 2. 2加減速力矩伺服電機除連續(xù)運轉(zhuǎn)區(qū)域夕卜,還有短時間內(nèi)的運轉(zhuǎn)

4、特性如電機加 減速，用最大轉(zhuǎn)矩表示；即使容量相同，最大轉(zhuǎn)矩也會因各電 機而有所不同。最大轉(zhuǎn)矩影響驅(qū)動電機的加減速時間常數(shù)7,使 用公式，估算線性加減速時間常數(shù)ta,根據(jù)該公式確定所需的 電機最大轉(zhuǎn)矩，選定電機容量。 ta = (JL + JM ) n95.5X (0.8Tmax TL ) (3)式中，n電機設(shè)定速度,r/min ;兒電機$由換算負載慣量，kg-cm2 ； JM電機慣量z kg-cm2 ; Tmax電機最大轉(zhuǎn)矩，Nm ; TL電機軸換算負載(摩擦、非平衡)轉(zhuǎn)矩,Nm0 2. 3切削負載轉(zhuǎn)矩在正常工作狀態(tài)下，切削負載轉(zhuǎn)矩不超過電機額定轉(zhuǎn)矩的 80%o連續(xù)特性(連續(xù)實效負載轉(zhuǎn)矩)對要

5、求頻繁起動、制動的 數(shù)控機床,為避免電機過熱,必須檢查它在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)型號,如果其中一個條件不滿足則應(yīng)釆取適當?shù)拇胧?如變更電機系列或提高電機容量等-2.4連續(xù)過載時間連續(xù)過載時間應(yīng)限制在電機規(guī)定時問之內(nèi)。但是, Tc若小于了 Tms則勿需對此項進行檢驗。Tlam< TMon,式中TLam連續(xù)過載時間，minTMON電機規(guī)定過載時問，min 3 VMC 750立式加工中心伺服電機的選擇 選擇電機時的計算條件敘述VMC750立式加工中心伺服軸(見圖3-1-1)的電機選擇步驟。圖3-1-1水平運動伺服軸例：工作臺和工件的W :運動部件（工作臺及工件）的重量（kgf） =600kgf機械規(guī)

6、格M :滾動導軌摩擦系數(shù)：0.01TT :驅(qū)動系統(tǒng)的效率:0.95fg :夾具固定力：50kgfFc :由切削力產(chǎn)生的推進阻力：500kgfFcf :由切削力矩產(chǎn)生的工作臺對滑動表面的 壓力:25kgfZ1/Z2 :齒輪減速比:1 : 1例：進給絲杠的（滾珠Db :軸徑二32 mm絲杠）的規(guī)格Lb :長度：900mm,單支承P :螺距:12mm例：電機軸的運行規(guī)格快度：X、丫軸:30m/min ; Z 軸:24m/min加速時間:0.1s 3.1慣量匹配計算為使伺服進給系統(tǒng)的進給執(zhí)行部件具有快速相應(yīng)能力,必 須選用加速能力大的電動機，亦即能夠快速響應(yīng)的電機（如采 用大慣量伺服電機），但又不能盲

7、目追求大慣量，否則由于不 能從分發(fā)揮其加速能力，會不經(jīng)濟的。因此必須使電機慣量與 進給負載慣量有個合理的匹配。通常在電機慣量與負載慣量（折算至電動機軸）或總慣量 之間，推薦下列匹配關(guān)系：Jr0.2 <0.5Jr 3.1.1轉(zhuǎn)的慣量:回轉(zhuǎn)體：（kg.）/ 回轉(zhuǎn)體材料的密度D 回轉(zhuǎn)體直徑L 回轉(zhuǎn)體長度g 重力加速度有臺階的回轉(zhuǎn)體，按每段計算后相加”急QL+DZ+ 3.1.2直線運動物體的慣量直線運動物體的重力于是得:l/s 2.1*2J WT齒輪傳動慣量轉(zhuǎn)換:|77| = j2YI2L電機轉(zhuǎn)一圈時物體移動的距離,如電機與絲杠直 聯(lián)推倒過程：根據(jù)能量守恒定律絲杠轉(zhuǎn)一圈時：負載折算到電機$由上的

8、轉(zhuǎn)動慣量幾（人+人+人/人）人絲杠上聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量幾-絲杠轉(zhuǎn)動慣量-Ju.-T作臺和工件折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jc -齒輪減速機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量齒輪減速器傳動比電機軸上的驅(qū)動系統(tǒng)總慣量:J" fien3.2加減速力矩按下步驟計算加速力矩:計算加速力矩：步9聚1 :假定電機由NC控制加/減速,計算其加速度。將加 速度乘以總的轉(zhuǎn)動慣量(電機的慣量+負載慣量)，乘積就是加速力 矩。 Ta = (Vm/60) x 2ttX( 1/ta )xjmx (1-e-kSo ta) + +( Vm/60 ) X 2TTX(1 /ta) XJLX (1-e-kSo ta) 4-q Vr = VmXl-(l

9、/Ta-ks ) (1 - e-kso ta )Ta :加速力矩(kgf-cm)Vm :電機快速移動速度(minta :加速時間(sec)Jm :電機的慣量(kgf.cm.s2)兒:負載的慣*(kgf.cm.s2) Vr :加速力矩開始下降的速度(與VmVr 二 2049(min-l)由該式可知，加速時,在轉(zhuǎn)速2049(min-l)時,要求加速力矩 為12.1 Nn%由上面的速度力矩特性可以看出，用03/3000電機 可滿足加速要求。由于已將電機換為口3/3000,則法蘭盤尺寸已經(jīng) 變?yōu)?30mmX130mmo若機床不允許用較大電機，就必須修改 運行特性，例如，使加速時間延長。3.2.2不控制

10、加/減速時圖323不控制加/減速時時間與速度.速度與轉(zhuǎn)矩示總圖公式為:Ta 二 X2rrXX(Jm+JL)Ta =l/ks計算加速力矩步驟2 為了得到電機軸上的力矩T,應(yīng)在加速力矩Ta上增加Tm (摩擦力矩)。T = Ta+TmT= 12.1 (Nm)+0.9(Nm) = 13.0 (Nm)計算加速力矩：步驟3核算上面步驟2計算出的力矩T應(yīng)小于或等于放大器已限定的力矩。用相應(yīng)電機的速度-轉(zhuǎn)矩特性和數(shù)據(jù)單核算由步驟1算得的Vr時的T應(yīng)在斷續(xù)匸作區(qū)內(nèi)。啰嚴為2。49(聞J), T為何仙)，用指定的時間常數(shù)加速是可能的(條件3.2.3計算力矩的均方根值計算快速定位頻率繪制快速定位一個周期的速度時間和

11、轉(zhuǎn)矩 時間圖，如下圖。普通切削時，快速定位的頻率不會有問題； 但是，對于有些頻繁快速定位的機床必須檢查加/減速電流是否會 引起電機過熱。圖3-2-4速度-時間和轉(zhuǎn)矩時間周期圖根據(jù)力矩時間圖可以得到一個運行周期的加于電機上力矩 的均方根值。對該值進行核算，確保要小于或等于電機的額定力 矩(條件3)/(TaA-Tm) ?b+Tnrt2> (Ta-Tnt) 2trTo?TmiS= 4Ta : in速力矩Trn :斥換力矩To :停止時的力矩|果Trms小于或等于電機靜止時的額定力矩(Ts),則選擇的電機可以 使用。(考慮到發(fā)熱系數(shù)，核算時靜止力矩應(yīng)為實際靜止額定力矩 的 90%0例子：在下列條

12、件下選用Q3/3000 (Ts=31 kgf.cm) =3.0Nm的電 機:Ta二 12.1 Nrrij ; Tm二To二0.9 Nm ; tl = 0.1 s ; t2 = 1.8s ;t3 二 70So12.1+0.91) 2X0.1+0.95X1.8+(12.14).9)2X0.1+0.92X7Tnns = =20.2 Nm V TsX09二2.9X0.9二2.61 Nm因此，用Q3/3000電機可以滿足上述運行條件.（條件3 ）計算在一個負載變化的若負載（切削負載，加/減速度）變化頻繁，其力矩時間圖工作周期內(nèi)的轉(zhuǎn)矩Trms如下圖所示。用該圖計算出力矩的均方根值后進行核算,和上述一樣，使其小于或等于電機的額定力矩。lorqueJ- |<_1_丄U _圖325工作周期轉(zhuǎn)矩圖Time 3.2.4計算最大切削核算工作臺以最大切削力矩Tmc運動的時間（在負荷期間力矩 的負荷百分比或ON