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文檔簡介
1、目 錄一、AC主軸伺服電機(jī)及變頻調(diào)速電機(jī) 幾個基本概念(一) 主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算(二) 主軸電機(jī)額定輸出扭矩及最大輸出扭矩的計算。(三) 主軸電機(jī)恒扭矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實際輸出功率的計算。(四) 機(jī)床
2、主軸額定輸出扭矩及最大輸出扭矩的計算。車、銑、鉆方式下,主軸及電機(jī)所需功率的計算一、AC主軸伺服電機(jī)及變頻調(diào)速電機(jī) 基本概念 1、電機(jī)的功率負(fù)載特性:做為一般驅(qū)動負(fù)載工作的回轉(zhuǎn)電機(jī)有以下三種常用的功率負(fù)載特性: (1)連續(xù)工作制(S1):是指該電機(jī)在額定工作條件和負(fù)載條件下允許長時間、不間斷的工作。(2)短時工作制(S2):是指該電機(jī)在規(guī)定的短時間內(nèi)允許超出額定功率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)工作,其超載時間優(yōu)先采用10、30或60分鐘等。(3)斷續(xù)工作制(S3):是指該電機(jī)應(yīng)按一定的通、斷周期進(jìn)行工作,以保證電機(jī)在大電流、超載情況下不致因電機(jī)溫度過高,擊穿絕源而燒壞。在S3工
3、作制下工作的電機(jī)允許的每一通、斷工作周期為10分鐘,例FANUC AC主軸電機(jī)規(guī)定在50%ED率下(S3工作制),其循環(huán)時間周期為10分鐘(即ON:5min,OFF:5min)。目前的AC主軸電機(jī)有一個重要特性就是允許在S2或S3工作制下運(yùn)轉(zhuǎn),其實際就是一種短的工作制電機(jī)。如FANUC的11型主軸電機(jī)的額定連續(xù)輸出功率為11kw。S2工作制下的30分鐘時間內(nèi)允許的超載功率為15kw。因數(shù)控機(jī)床在實際超載切削時每一次走刀時間很難超出30分鐘,故許多機(jī)床制造廠在標(biāo)定其生產(chǎn)的某型機(jī)床動力參數(shù)時,常用主軸電機(jī)的30分鐘超載功率做為其樣本上標(biāo)示的主軸電機(jī)的主參數(shù)。同樣,進(jìn)行數(shù)控機(jī)床設(shè)計時,設(shè)計者亦充分利
4、用好主軸電機(jī)的這種特性。特別需要指出的是,目前多采用的標(biāo)準(zhǔn)型普通變頻電機(jī),其僅能在S1工作制下工作,不允許超載使用,因此設(shè)計者選用時必須注意。但隨著技術(shù)的發(fā)展,最近市場上出現(xiàn)了一種稱為“變頻主軸電機(jī)”的新型變頻電機(jī),其恒功率的拐點轉(zhuǎn)速控制頻率(周波)為33.3Hz,不但大幅降低了電機(jī)的拐點轉(zhuǎn)速,提高了電機(jī)低速時的特性能力,且允許在S2工作制下進(jìn)行30分鐘超載運(yùn)行,是一種具有良好價格性能比的新型電機(jī)。 2、電機(jī)的負(fù)載特性及主軸電機(jī)的拐點轉(zhuǎn)速nj:無論AC主軸電機(jī)還是變頻調(diào)速電機(jī),其在nj拐點轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行無級調(diào)速時,均基本為恒功率調(diào)速。即隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,其輸出功率保持基本不變,而電
5、機(jī)的輸出扭矩則隨轉(zhuǎn)速的升高而下降;其在nj拐點轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行無級調(diào)速時,均為恒扭矩調(diào)速,即隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降,其輸出扭矩恒定不變,而電機(jī)的輸出功率則隨轉(zhuǎn)速的降低而下降。因此機(jī)床主軸在低速段進(jìn)行粗加工而轉(zhuǎn)速又落入電機(jī)的恒扭矩段轉(zhuǎn)速時,設(shè)計者必須認(rèn)真校核此時電機(jī)的實際輸出功率能否滿足切削所實際需要的功率,否則會出現(xiàn)“悶車”現(xiàn)象。在我國,因發(fā)電廠采用50Hz頻率(周波)數(shù)發(fā)電,故對標(biāo)準(zhǔn)AC主軸電機(jī)(如FANUC的系列)和標(biāo)準(zhǔn)普通變頻電機(jī)而言,因多采用4極(4P)繞組電機(jī),則nj拐點轉(zhuǎn)速值應(yīng)為1500r/min。無論何種調(diào)速電機(jī),根據(jù)機(jī)床的負(fù)載特點,其nj拐點轉(zhuǎn)速值越低,其與電機(jī)最高轉(zhuǎn)速間的比值越大(恒
6、功率調(diào)速比),則該電機(jī)的力能特性越好。 (一)主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算: 2×F公式:n = × 60 P式中:n:電機(jī)轉(zhuǎn)速 F:控制赫茲(周波)數(shù)
7、60; P:電機(jī)的極數(shù)注:日本FANUC 系列主軸電機(jī)參數(shù)如下: 1、調(diào)頻范圍:0.56型:0266.6Hz822型 :0200Hz3040型:0150Hz 2、極數(shù)(P):FANUC標(biāo)準(zhǔn)系列主軸電機(jī)多為4以FANUC 12型主軸電機(jī)為例計算(0-200Hz):電機(jī)最高輸出轉(zhuǎn)速:2×200n = ×60 = 6000r/min 4電機(jī)恒功率輸出轉(zhuǎn)速(電機(jī)拐點轉(zhuǎn)速)2×50n = × 60 = 1500r/min &
8、#160; 4(注:電機(jī)50Hz以下為恒扭矩特性輸出) (二)主軸電機(jī)額定輸出扭矩及最大輸出扭矩的計算: 式中:N:主軸電機(jī)額定/30分超載的功率(KW) n
9、j:主軸電機(jī)恒功率拐點轉(zhuǎn)速(r/min)以FANUC 12型主軸電機(jī)為例計算(11/15kw)則:電機(jī)額定輸出扭矩(連續(xù)輸出扭矩): 電機(jī)最大輸出扭矩(30分鐘超載): 注:(1)根據(jù)數(shù)控機(jī)床切削作業(yè)時的特點,計算主軸電機(jī)輸出扭矩時一般均將30分鐘超載扭矩做為標(biāo)準(zhǔn)扭矩數(shù)值。(2)扭矩值為kg.m時除于0.102即可換算成Nm。 (三)主軸電機(jī)恒扭矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出功率的計算
10、計算的目的:當(dāng)主軸電機(jī)在恒功率轉(zhuǎn)速范圍下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時,隨著轉(zhuǎn)速的下降,主軸電機(jī)的輸出功率亦隨之下降,此時在切削參數(shù)選擇不當(dāng)時,極易出現(xiàn)悶車現(xiàn)象,計算出主軸電機(jī)特定轉(zhuǎn)速下的輸出功率,是為校核切削時所消耗的功率是否符合為目的。公式:P(kw)=1.0269×n(r/min)×T(kg.m)/1000式中:P(kw):所要求得的電機(jī)功率 n(r/min):電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速(恒扭矩段內(nèi)) T(kg.m):電機(jī)的恒扭矩值舉例:仍以FANUC 12型主軸電機(jī)為例(11/1
11、5kw)(1)電機(jī)30分鐘超載時的輸出扭矩: (2)求電機(jī)在1000轉(zhuǎn)時電機(jī)的輸出功率(30分超載)?P(kw)=1.0269×1000r/min×9.74(kg.m)/1000=10.002kw (四)機(jī)床主軸額定輸出扭矩及最大輸出扭矩的計算:計算的目的:電機(jī)上所輸出的扭矩不等于是主軸上所輸出的扭矩,因為在機(jī)床主傳動鏈上常采用皮帶輪或變檔齒輪等進(jìn)行降、升速,如采用的是降速傳動時,則有一個降速比i對電機(jī)輸出扭矩的放大作用,這就是機(jī)械設(shè)計上常采用一個小功率電機(jī),通過大的降速比來拖動大的運(yùn)動負(fù)載的原因。公式: 式中:M:主軸的輸出扭矩(kg.m)
12、 N:主電機(jī)額定功率或30分超載功率(KW) Nj:主電機(jī)恒功率時的拐點轉(zhuǎn)速(r/min) i:傳動鏈降速比 :機(jī)械傳動效率(皮帶輪直接傳動時取0.96)注:根據(jù)數(shù)控機(jī)床切削作業(yè)的特點,計算主軸的輸出扭矩時,一般均按主軸30分鐘超載時的最大輸出扭矩來計算。 (五)車、銑、鉆方式下主軸及電機(jī)所需功率的計算注:在歐、美、日等國家的切削手冊
13、、資料中,在進(jìn)行切削力及切削功率計算時,常采用單位切削力和單位切削功率的概念。所謂單位切削力是指“單位切削面積上的主切削力”,用P表示,單位為N/mm2;所謂單位切削功率是指“在單位時間內(nèi)切除單位體積的金屬所消耗的切削功率”,用Ps表示,單位為KW/(mm3/S)。下面所述的“車、銑、鉆方式下主軸及電機(jī)所需功率的計算”是日本FANUC公司手冊上所推薦的,計算車、銑、鉆不同切削方式時公式中的每kw金屬去除率MRt,MRm,MRd值,應(yīng)從相應(yīng)的切削手冊或資料中查出。 a.車削時 切削條件 (1)主軸轉(zhuǎn)速:Ns(r/min) (2)工件直徑
14、:Dt (mm) (3)進(jìn)給速度:fr(mm/r) (4)切削深度:t (mm) (切削公式) (1)切削速度:c =×Dt×Ns (mm/min) (2)進(jìn)給率:fm = fr×Ns(mm/min) (3)金屬去除率:Q = t×fr×Vc/1000 (cm3/min)= t×fr××Dt×Ns/1000 (cc/min) Q =×Dt×t×fm
15、/1000(cc/min) (4)機(jī)床主軸所需功率:Ps=Q/MRt(KW)式中:MRt=每kw的金屬去除率(cc/min/kw) (5)主軸驅(qū)動電機(jī)所需的功率:PM = 1/×Q/MRt式中:=主軸驅(qū)動的效率(%) b.銑削時(切削條件) (1)主軸轉(zhuǎn)速:Ns(r/min); (2)銑刀直徑:Dm(mm) (3)銑削寬度:W(mm); (4)銑削深度:t(mm) (5)銑刀齒數(shù):n(齒數(shù)); (6)進(jìn)給:ft(mm/
16、每齒)(切削公式)(1)切削速度:c=×Dm×Ns (mm/min) (2)進(jìn)給率:fm=ft×n×Ns(mm/min) (3)金屬去除率:Q=W×t×ft×n×Ns/1000 (cm3/min) Q=W×t×fm/1000(cc/min) (4)機(jī)床主軸所需功率:Ps=Q/MRm(KW)式中:MRm=每kw的金屬去除率(cc/min/kw) (5)主軸驅(qū)動電機(jī)所需的功率:PM=1/×Q/MRm(kw)式中:=主軸驅(qū)動的效率(%
17、) c.鉆削時(切削條件) (1)主軸轉(zhuǎn)速:Ns(r/min) (2)鉆頭直徑:Dd(mm) (3)進(jìn)給:fr(mm/r)(切削公式)(1)切削速度:c =×Dd×Ns (mm/min) (2)進(jìn)給率:fm = fr×Ns(mm/min) (3)金屬去除率:Q=/4×Dd2×fr×Ns/1000 (cm3/min) Q =/4×Dd2×fm/1000(cc/min) (4)機(jī)床主軸所需功率:Ps = Q/MRd(
18、KW)式中:MRd = 每kw的金屬去除率 (5)主軸驅(qū)動電機(jī)所需的功率:PM = 1/×Q/MRd(kw)式中: = 主軸驅(qū)動的效率(%)二、AC伺服電機(jī)及伺服進(jìn)給軸 (一)伺服進(jìn)給軸額定及超載時有效推力的計算注:本計算是數(shù)控機(jī)床設(shè)計時一項較重要的計算,其進(jìn)給軸所實際達(dá)到的進(jìn)給推力是機(jī)床能力的反映,也是做工件切削工藝方案時對切削參數(shù)進(jìn)行效核的重要依據(jù)。 1、與計算有關(guān)的符號的含義(準(zhǔn)備知識) (1)Fi:進(jìn)給軸的有效推力(kg) (2)TMi:伺服電機(jī)的輸出扭矩(kg. Cm)注:a. 伺服電機(jī)TMi值在不同的過載扭矩狀態(tài)下
19、允許有不同的最大輸出扭矩值及對應(yīng)的允許的不同通、斷時間,該允許的通、斷時間應(yīng)根據(jù)具體選用型號的伺服電機(jī)的“負(fù)載、扭矩、時間特性曲線圖”(伺服電機(jī)手冊上有)或用公式進(jìn)行計算。方法如下:根據(jù)已知或需要的電機(jī)ON(通)時間及負(fù)載扭矩百分比值(負(fù)載、扭矩百分比=所需超載扭矩/電機(jī)連續(xù)額定扭矩×100%),利用特性曲線圖得出負(fù)載、扭矩百分比值后,用下式計算電機(jī)的OFF(斷)時間. &
20、#160; 例:選用FANUC 6伺服電機(jī)根據(jù)FANUC系列電機(jī)手冊上該電機(jī)的“扭矩特性表”查得,6電機(jī)在ON時間為8min,扭矩超載值為150%時,負(fù)載的百分比為40%,則該電機(jī)在ON 8min時的OFF時間可用公式求出: =12(min)注:此時6電機(jī)的OFF時間亦可用下式求得:已知6電機(jī)額定扭矩為61kg.cm,其超載150%時,扭矩為:61×150%=9
21、1.5kg.cm 超載扭矩則:OFF(min)= ON(min)
22、60; 額定扭矩 91.5 = 8(min)
23、60; 61 =12(min) b. TMi值在不同的負(fù)載過載扭矩下有不同的輸出扭矩值及相對應(yīng)的不同的ON(通)、OFF(斷)時間,通常數(shù)據(jù)如下: 負(fù)載 狀態(tài)通、斷100%150%180%ON連續(xù)8min3minOFF012min7min (3)i:進(jìn)給傳動鏈的降速比(其值與
24、有效進(jìn)給推力有關(guān))。 (4)T:滾珠絲杠螺距(導(dǎo)程),(其值與有效進(jìn)給推力有關(guān))。 (5):進(jìn)給軸的傳動效率,電機(jī)與絲杠直連時取0.95,電機(jī)與絲杠降速間連時取0.9。 (6)TL:被移動部件無負(fù)載時所需消耗的靜扭矩(kg.cm) Fa2×T×iTL = 20×× 式中: TL:無負(fù)載時的移動部件的靜扭矩(摩擦扭矩)
25、 Fa2:部件移動時的磨摩阻力 i:進(jìn)給傳動鏈降速比 T:滾珠絲杠螺距(導(dǎo)程)(mm) 注:關(guān)于Fa2摩擦阻力的計算: Fa2 =(+fg)W 式中:= 摩擦系數(shù)(滑動導(dǎo)軌取0.15,滾動導(dǎo)軌取0.08) fg 鑲條
26、(斜鐵)的緊固力系數(shù),有時取0.01,滾動導(dǎo)軌取0.08。 例,已知條件如下: 移動部件總重量:W = 157kg 20(主動) 傳動鏈降速比:i = (同步帶降速) &
27、#160; 24(從動) 滾珠絲杠螺距;T = 6mm 鑄鐵滑動導(dǎo)軌:= 0.15 有鑲條(斜鐵):fg = 1.0 則: a:Fa2 =(+fg)W =(0.15+1)×157 = 180.55 Fa2&
28、#215;T×i 180.55×6×20/24 b:TL = = 20×× 20×3.14×0.9 = 15.97 16kg.cm 2、Fi進(jìn)給軸有效推力的計算 公式:Fi = 20××(TMi-TL)/T×i (式中符號含義詳
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