数控铣床进给驱动电动机的选择方法

卢彦林，苏锦智

（包头职业技术学院，内蒙古 包头 014030）

数控铣床的伺服进给系统作为数控铣床构成中的一关键部位，它的性能直接关系到机床的运行状态及机器零件加工的质量，因此在数控机床的设计中伺服进给系统的选择非常重要。一般而言，机床的进给伺服系统依据负载条件可分为两种，即阻尼转矩和惯量负载。下文就影响进给驱动电机选择的相关要素进行分析。

1 进给伺服电机选择的原则

为了提高数控机床的精确度水平和加工性能，在为铣床选择进给伺服电机时，需要考虑机械部分的传动结构与电机的匹配、电机的运转速度、机床的加减速大小、电机的停止距离等因素。要想选择一与机械相配套的电机，则需满足以下四方面要点：

（1）进给电机在起动加速段或低速进给时，需匀速旋转，转矩波动要小，尽量避免伺服电机和滚珠丝扛连接用的联轴器本身出现缺陷或连接松动现象的发生。

（2）应适当控制负载转矩、加载周期及时间在电机额定限度内，以防出现进给运动负载过大、频繁正反向运动造成电路反映不良等现象的产生。

（3）若电机频繁起动、制动，必须检查它在一个周期内的转矩方根值，分析机床振动周期与进给速度的协调性。

（4）电动机的转动惯量、堵转转矩、机电时间常数及启动电压数值的设定应满足机床本身快速响应的需要。下面以&伺服电动机（水平运动伺服轴）为例，来具体说明数控铣床进给驱动电动机的选择方法：

选择电机时的计算条件

例：工作台和工件的机械规格 W：运动部件的重量（kgf）=1000kgf

u:滑动表面产生的摩擦系数=0.05

x:驱动系统（包括滚珠丝扛）的效率=0.9

fg:镶条锁紧力（kgf）=50kgf

Fc：在切削力作用下产生的反推力（kgf）

=100kgf

Fcf：滑动表面工作台受到的由切削力引起的力 （kgf）=30kg

Z1/Z2：变速比=1/1

例：进给丝杠（滚珠丝杠）的规格 Db：轴径=32mm

Lb：轴长=1000mm

P：节距=8mm

例：电机轴的运行规格 Ta：加速力矩（kgf.cm）

Vm：快速运动的电机速度（mm-1）=3000mm-1

Ta：加速时间（s）=0.10s

Jm：电机的惯量（kgf.cm.sec2）

Ji：负载惯量（kgf.cm.sec2）

Ks：伺服的位置回路增益（sec-1）=30sec-1

2 下面就针对上述所阐述的影响因素进行说明

（1）负载转矩的计算。负载转矩的计算方法是根据负载惯量比来恒定的，负载惯量比是进给轴的负载惯量与进给轴电机惯量的比值。这个比值是衡量电机对负载的控制能力强弱的指标，比值的大小和电机的控制能力呈反比。要确保数控铣床工作的有效性，需要为其选择具有恰当惯量的电机。

转换到电机轴上的负载转矩可由下列公式计算：

Tl=（F*L/2πμ）+T0

式中Tl为转换到到电机轴上的负载转矩（N.m）；F为轴向移动工作台时需要的力；L为转轴运转时，作用到每转所需的机械位移量（M）；To为滚珠丝杠螺母，轴承部分摩擦转矩折算到伺服电机轴上的值（N.M）；μ为驱动电机的效率

（2）在计算负载转矩时，还有几点需要注意。在具体操作中，由于电动机选型时经常是根据工艺参数，来确定功率，但是对于负载的启动转矩，加速转矩等如何进行估算，实际中很难知道具体折算后的GD2的。因此，在分析电机的进给伺服系统运动状态时，必须清楚电磁转矩T和负载转矩TL与转速n之间关系。在设备运行中，经常遇到工作机械的转矩是恒定的，但电力拖动系统运动状态取决于电动机和负载双方会遇到许多机械的转矩是随转速的变化而变化的。为了掌握电力拖动系统的运行状态，就必须了解T与TL的特点和变化规律。反映转矩与转速之间变化规律的机械特性，这是研究和分析电力拖动系统的重要的工具，对于去分析、解决生产实际中电力拖动系统运行过程中遇到的问题和船舶电气设备的修理、设备管理、合理科学地使用以及维修维护都是十分重要与必要的。负载转矩特性是负载转矩与转速间的函数关系，由（TL）n=f表示。在电力拖动系统中，由电动机产生的电磁转矩克服工作机械运动，由加在电动机轴上的负载转矩rL来工作。不同类型的生产机械在运行中所受到的阻力性质不同，其机械特性曲线的形状也有所不同。下面简要介绍一下负载转矩的四种类型：恒转矩负载特性、线性负载特性、恒功率负载特性、通风机型负载特性。

（3）恒转矩负载特性（TL=常数）它的特点是负载转矩 yL和转速n无相关的特性，即TL不随n的变化而变动，TL=const。例如起货机、运输一定数量的皮带传送机、机床刀架的平移运动，或者是张力和导辊直径不变的导辊传动的各种类型生产机械等。因此这类机械特性，又称导辊特性。

（4）从电动机正、反转的角度考虑时，恒转矩负载特性还可以分为反抗性和位能性两种：①反抗性负载转矩TLF。它的特点是恒转矩TL随着转速方向改变而改变。即电动机无论正转或反转，负载转矩总是阻碍电动机的运转，简言之恒转矩TL方向总是反抗运动的。当n为正时，TLF亦为正，当n为负时，TLf也改变方向变为负值，所以反抗性恒转矩负载特性位于一、三象限。②位能性负载转矩TLW。这类负载如重力、弹性体的压力、拉力或扭转力等力矩加在电动机轴上产生负载转矩，其特点是：负载转矩rI有固定方向，不随转速方向改变而改变。例如起货机提升或下降货物，不论电机转向如何，重物的作用力方向总是向下的。当正转提升时，它起阻碍系统运动作用，而当反转落货时，它起着帮助系统运转的作用。所以不论n为正还是为负，T1W的方向总是不变，特性曲线位于一、四象限。

3 负载惯量的计算

负载惯量可以通过计算各部件的惯量，然后将各部件的惯量数累加起来而得到。（通常负载的惯量要小于电动机本身惯量的3倍）。

（1）圆柱体惯量。如滚珠丝扛，齿轮等围绕其中心轴旋转时的惯量可按下面公式计算：J=（πγ/32）*D4L（kg cm2），式中：J为惯量，kgcm2;D为圆柱体直径，cm;L为圆柱体长度，cm;Γ为单位体积质量也称材料密度。

（2）轴向移动物体的惯量计算，工作台、工件等的惯量可按下列公式计算：J=W*（L/2π）2（kg cm2），式中 W为沿轴线移动物体的质量；L为电机在直线方向移动时的每转距离。

（3）圆柱体围绕中心运动时的惯量，如大直径齿轮，人们为了减少它的惯量，通常在其圆盘上钻一些分布均匀的孔，这时的惯量可以这样计算：

J=Jo+M*R2（kg cm2）

式中：Jo为圆柱体围绕其中心线的惯量，kgcm2;M为圆柱体的质量，kg;R为旋转半径，cm

上述公式在计算大直径齿轮的转动惯量时常使用负载惯量的举例

由于负载惯量根据上述公式，我们可以精确算出

例：若物体的材料是铁（其比重为7.8*0.001kg/cm2），则惯量的近似值

为：J=0.78 ×10-6 ×3.24Db4Lb4（kgf.cm.s2）

例：滚珠丝杠的Db为32mm，Lb为1000mm，其惯量为Jb为：Jb=0.78×10-6×3.24×100=0.0082（kgf.cm.s2）

4 结语

进给驱动电机系统,是数控铣床的重要功能部件，该系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标，本文通过查阅相关数控进给伺服系统资料，并结合网上的一些专业学者问答，将如何对驱动电机的运转予以改进的一些心得总结如上，希望能给数控同仁起到借鉴作用。由于如何对驱动电机的运转予以改进，直接关系到数控铣床这一机床行业质量的好坏。相信随着制造业行业的不断升级改进，必将为数控行业的核心伺服技术迎来又一大好发展时机。

[1]孔祥东，王益群.控制工程基础[M].武汉：机械工业出版社，2008.

[2]左文轩.数控落地镗铣故障原因与处理[J].电工技术，2006，（5）.

[3]宋莉莉.数控车床车削加工工艺过程分析及编程[J].河北工业大学成人教育学院学报，2006，（2）.

[4]高冰，张萍.一种直流力矩电机精确控制的新方法[J].广东技术师范学院学报，2007，（10）.

[5]史晓娟,刘锋,张斌.CPLD在双轴位置检测系统中的应用[J].电子设计工程，2009，（7）.