加工行業(yè)中交流伺服電機如何選型及計算？伺服電機提升機床定位精度介紹！
加工中心通常采用閉環(huán)控制或半閉環(huán)控制,對伺服驅(qū)動安裝的性能提出了更高的請求。隨著現(xiàn)代加工中心向高速度、高精度和高牢靠性方向開展,交流伺服電機已取代直流伺服電機普遍應用在加工中心的進給傳動系統(tǒng)上。欲使交流伺服電機得到合理運用并充分發(fā)揮電機的性能,則必需在加工中心設計時對電機停止正確的選型與計算。
1交流伺服電機的工作特性目前,在加工中心進給傳動中運用的伺服電機主要是永磁式交流伺服電機,其工作特性曲線如圖1所示。電機的工作區(qū)域被劃分為連續(xù)工作和連續(xù)工作兩個區(qū)域,在連續(xù)工作區(qū)內(nèi),電機任何轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的組合都能夠使電機長時間穩(wěn)定連續(xù)運轉(zhuǎn);固然在該區(qū)域內(nèi)隨著電機轉(zhuǎn)速的升高,轉(zhuǎn)矩略有降落,但降落的幅度不大,根本上是恒轉(zhuǎn)矩輸出。與直流伺服電機相比,永磁式交流伺服電機的機械特性更硬,連續(xù)工作區(qū)的范圍更大而且不封頂,有利于進步電機的加、減速才能。電機.T/(Nm)EFn/(r/min)永磁式交流伺服電機工作特性曲線主要技術參數(shù)包括:
1)額定轉(zhuǎn)矩:是指電機在額定轉(zhuǎn)速下所能輸出的長時間工作轉(zhuǎn)矩。通常折算到電機軸上的負載力矩應小于電機的額定轉(zhuǎn)矩。
2)瞬時最大轉(zhuǎn)矩:是指電機在短時間內(nèi)可輸出的最大轉(zhuǎn)矩;它反映了電機瞬時過載才能。從電機的工作特性曲線能夠看出,永磁式交流伺服電機的瞬時轉(zhuǎn)矩能夠到達很大的數(shù)值,并且能夠是額定轉(zhuǎn)矩數(shù)倍;因而,折算到電機軸上的最大加速力矩應小于電機提供的瞬時轉(zhuǎn)矩。
3)轉(zhuǎn)動慣量:是對電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時慣性的度量。交流伺服電機的轉(zhuǎn)子慣量較直流伺服電機小,故允許電機高速工作。
4)額定轉(zhuǎn)速:是指電機在額定功率條件下運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速,有時也稱額定轉(zhuǎn)速為電機的最高轉(zhuǎn)速。在通常狀況下,交流伺服電機的調(diào)速范圍都在額定轉(zhuǎn)速以下。
5)額定功率:是指電機在額定狀態(tài)下電機軸輸出功率的額定值,是電機長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)所能輸出的最大功率。其值大約為電機額定轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)矩的乘積。電機在額定功率條件下工作,能夠長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)而不致過熱;否則,電機將產(chǎn)生過熱,而長時間過熱則有燒壞電機的風險。
2電機軸上產(chǎn)生的最大負載力矩
2.1負載力矩1)切削負載力矩Tc(Nm):由切削分力產(chǎn)生,可按式(1)計算。Tc=FaLp2i(1)式中:Fa為在切削狀態(tài)下滾珠絲杠的軸向負載力,N;Lp為電機每轉(zhuǎn)一圈,機床執(zhí)行部件在軸向挪動的間隔,m;為進給傳動系統(tǒng)的總效率,取=0.90;i為進給傳動系統(tǒng)的降速比。
2)摩擦負載力矩Tu(Nm):由導軌摩擦力產(chǎn)生,可按式(2)計算。Tu=Fa0Lp2i(2)式中:Fa0為為空載時的導軌摩擦力,N。
3)附加負載力矩Tf(Nm):由滾珠絲杠的預緊而產(chǎn)生,可按式(3)計算。Tf=FpL02i(1-20)(3)式中:Fp為滾珠絲杠螺母副的預緊力,N;L0為滾珠絲杠的根本導程,m;0為滾珠絲杠的效率,取0=0.98。
2.2最大負載力矩T由于機床在空載進給(快進)和切削進給(工進)時的負載狀況不同,所以空載進給(快進)時的最大負載力矩TKJ和切削進給(工進)時的最大負載力矩TGJ分別按式(4a)、(4b)計算。TKJ=Tu+Tf(4a)TGJ=Tc+Tf(4b)3電機軸上所需的最大加速力矩
3.1加速力矩1)直線加速力矩Tal(Nm):是機床執(zhí)行部件按線性規(guī)律加速產(chǎn)生的力矩,可按式(5)計算。Tal=nmax3ta(Jm+JL)(1-e-ksta)10-5(5)式中:nmax為執(zhí)行部件以最快速度挪動時所對應的電機最高轉(zhuǎn)速,r/min;Jm為電機的轉(zhuǎn)動慣量,kgcm2;JL為負載慣量,kgcm2;ks為伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益,Hz;對輪廓控制通常取ks=20Hz;ta為加速時間,s;取ta=3/k
伺服電機在提升機床定位精度中的設計與應用
引言數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令是經(jīng)過進給驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動銜接機械執(zhí)行部件,最終完成機床精準的進給運動和定位。數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)是一種位置隨動與定位系統(tǒng),表現(xiàn)為伺服電機能快速、精確地執(zhí)行由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的運動命令信號輸出,準確地控制機床進給傳動鏈的坐標運動。伺服電機的響應控制與銜接機械執(zhí)行部件在一定水平上決議了數(shù)控機床的運用性能,如高精細機床,請求納米級伺服電機。機床的最高挪動速度、輪廓跟隨速度、還有機床定位精度等。為了完成機床的高速、高精加工等性能與之配套的功用部件如電主軸、直線電機、伺服電機等得到了快速開展,應用范疇進一步擴展。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制,電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,能快速反響,速度、位置精度十分精確。因而在數(shù)控機床的定位精度中,用作執(zhí)行元件,具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性,對提升機床的定位精度十分關鍵。本文以FANUC伺服電機為例研討設計在提升機床定位精度中的應用。
1 FANUC伺服電動機
1.1電機引見伺服電機的某一實物。
(1)是電機編碼器的插頭;
(2)為電機的動力線插頭;
(3)為電機的型號;
(4)電機的抱閘線插頭(不帶抱閘的電機沒有此插頭)。
1.2伺服電動機的特性
(1)高速和高加速度。高速性能好,普通額定轉(zhuǎn)速能到達2000~3000。
(2)高精度。準確的控制電機的轉(zhuǎn)動,完成了位置,速度和力矩的閉環(huán)控制,完成準確的定位,能夠到達0.001mm。
(3)低噪音,低污染,高效節(jié)能。
2 FANUC伺服電機設計原理[1]FANUC主要設計運用的伺服電動機有兩種:一用于主軸驅(qū)動的交流感應異步電動機。二用于伺服驅(qū)動的交流永磁同步電動機。(圖2)感應電動機的優(yōu)勢是有效控制電動機在額定轉(zhuǎn)速區(qū)間工作,輸出額定速度范圍內(nèi)的恒功率。在數(shù)控機床中恒功率特性常被用于穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出比方主軸驅(qū)動,主軸刀具切削進給時需求穩(wěn)定的功率輸出。
普通主軸電動機的規(guī)格以功率表示,例如主軸電動機標牌為a22表示該主軸電動機的功率為22kW。同步電動機[1]轉(zhuǎn)子采用永磁體,加之高分辨率編碼器,跟蹤電動機轉(zhuǎn)子實時旋轉(zhuǎn)角度并反應給數(shù)控系統(tǒng),經(jīng)過位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制保證轉(zhuǎn)子的高精度同步定位,完成了低速大扭矩及高精度同步旋轉(zhuǎn)的恒轉(zhuǎn)矩特性,這一特性在數(shù)控機床中被用于伺服電動機驅(qū)動。伺服電動機規(guī)格以扭矩表示,例如伺服電動機標牌為a 2.2表示該伺服電動機扭矩為22N·m(?！っ?。扭矩T與功率P之間的關系為Tω=P由于ω(弧度秒)=2πn/60(轉(zhuǎn)/分)所以得出關系式T=9550P/n其中扭矩T的計量單位為?！っ?功率P的計量單位為千瓦,轉(zhuǎn)速n的計量單位為轉(zhuǎn)/分。(China National Heavy Duty Truck Gear Co.,Ltd.,Datong 037000,China)兩種伺服電機的設計工作原理是有相同之處,兩種均是經(jīng)過定子磁場的旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),控制定子磁場旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動電路原理是相同的,大多采用脈寬調(diào)制處置。不同之處是在反應電路處置和位置環(huán)控制上,選擇功用性差異適用不同的定位請求。
3 FANUC伺服電動機的銜接TC1為三相伺服控制變壓器,電路動力電源為三相380V經(jīng)過伺服控制變壓器轉(zhuǎn)換成三相200V后提供到X軸、Z軸伺服電機驅(qū)動單元的L1、L2、L3端子,提供了伺服單元的控制電路電源。外部24V直流穩(wěn)壓電源銜接到控制系統(tǒng)X軸伺服單元的接口CXA19A,X軸伺服單元的接口CXA19B銜接到Z軸伺服單元的接口CXA19A,經(jīng)過A-B互相串聯(lián)接口傳輸,提供伺服單元的控制電路的輸入電源。
