伺服電機在金屬切削機床上的應用

金屬切削機床的驅動電機包括進給伺服電機和主軸伺服電機兩類。機械制造商在選購電機時擔心切削力不夠，往往選擇較大規格的馬達，這不但會增加機床的制造成本，而且使之體積增大，結構布局不夠緊湊。本文以實例應用闡明了如何選擇最佳規格電機的方法，以控制制造成本。

機床的驅動電機包括進給伺服電機和主軸伺服電機兩類。機械制造商在選購電機時擔心切削力不夠，往往選擇較大規格的馬達，這不但會增加機床的制造成本，而且使之體積增大，其結構布局不夠緊湊。因此，一定要通過具體的分析計算，選擇最佳規格的電機。

一、進給驅動伺服電機的選擇

1.原則上應該根據負載條件來選擇伺服電機。在電機軸上所有的負載有兩種，即阻尼轉矩和慣量負載。這兩種負載都要正確地計算，其值應滿足下列條件:

1）當機床作空載運行時，在整個速度范圍內，加在伺服電機軸上的負載轉矩應在電機連續額定轉矩范圍內，即應在轉矩速度特性曲線的連續工作區。

2）最大負載轉矩，加載周期以及過載時間都在提供的特性曲線的準許范圍以內。

3）電機在加速/減速過程中的轉矩應在加減速區（或間斷工作區）之內。

4）對要求頻繁起，制動以及周期性變化的負載，必須檢查它的在一個周期中的轉矩均方根值。并應小于電機的連續額定轉矩。

5）加在電機軸上的負載慣量大小對電機的靈敏度和整個伺服系統的精度將產生影響。通常，當負載小于電機轉子慣量時，上述影響不大。但當負載慣量達到甚至超過轉子慣量的5倍時，會使靈敏度和響應時間受到很大的影響。甚至會使伺服放大器不能在正常調節范圍內工作。所以對這類慣量應避免使用。推薦對伺服電機慣量Jm和負載慣量Jl之間的關系如下:

1=Jl/Jm5

2.負載轉矩的計算方法加到伺服電機軸上的負載轉矩計算公式，因機械而異。但不論何種機械，都應計算出折算到電機軸上的負載轉矩。通常，折算到伺服電機軸上的負載轉矩可由下列公式計算:

Tl=（F＊L/2πμ）+T0

式中:Tl折算到電機軸上的負載轉矩（N.M）

F軸向移動工作臺時所需要的力

L電機軸每轉的機械位移量（M）

To滾珠絲杠螺母，軸承部分摩擦轉矩折算到伺服電機軸上的值（N.M）

μ驅動系統的效率



工作臺進給示意圖

F取決于工作臺的重量，摩擦系數，水平或垂直方向的切削力，是否使用了平衡塊（用在垂直軸）。如果是水平方向，F軸的值由上圖例給出。

無切削時: F=μ＊（W+fg）

切削時: F=Fc+μ＊（W+fg+Fcf）

W:滑塊的重量（工作臺與工件）Kg

μ:摩擦系數

Fc:切削力的反作用力

fg:用鑲條固緊力

Fcf:由于切削力靠在滑塊表面作用在工作臺上的力（kg）即工作臺壓向導軌的正向壓力。

計算轉矩時下列幾點應特別注意。

（a）由于鑲條產生的摩擦轉矩必須充分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數來計算的轉矩很小的。請特別注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產生的力矩。

（b）由于軸承，螺母的預加載，以及絲杠的預緊力滾珠接觸面的摩擦等所產生的轉矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設備。這樣的轉矩回應影響整個轉矩。所以要特別注意。

（c）切削力的反作用力會使工作臺的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點與承受驅動力的點通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面的負載也增加。當計算切削期間的轉矩時，由于這一載荷而引起的摩擦轉矩的增加應給予考慮。

（d）摩擦轉矩受進給速率的影響很大，必須研究測量因速度工作臺支撐物（滑塊，滾珠，壓力），滑塊表面材料及潤滑條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數值。

（e）通常，即使在同一臺的機械上，隨調整條件，周圍溫度，或潤滑條件等因素而變化。當計算負載轉矩時，請盡量借助測量同種機械上而積累的參數，來得到正確的數據。

3.負載慣量的計算。由電機驅動的所有運動部件，無論旋轉運動的部件，還是直線運動的部件，都成為電機的負載慣量。電機軸上的負載總慣量可以通過計算各個被驅動的部件的慣量，并按一定的規律將其相加得到。