伺服电机计算选择应用实例

伺服电机计算选择应用实例伺服电机计算选择应用实例1 选择电机时的计算条件本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。例：工作台和工件的W：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf）=1000 kgf机械规格：滑动表面的摩擦系数=0.05：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9fg：镶条锁紧力（kgf）=50 kgfFc：由切削力引起的反推力（kgf）=100 kgfFcf：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf）=30kgfZ1/Z2： 变速比=1/1例：进给丝杠的（滚珠Db：轴径=32 mm丝杠）的规格Lb：轴长=1000 mmP：节距=8 mm例：电机轴的运行规格Ta：加速力矩（kgf.cm）Vm:快速移动时的电机速度(mm-1)=3000 mm-1ta:加速时间(s)=0.10 sJm:电机的惯量(kgf.cm.sec2)Jl:负载惯量(kgf.cm.sec2)ks:伺服的位置回路增益(sec-1)=30 sec-11.1负载力矩和惯量的计算计算负载力矩加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出:FL2Tm = + TfTm:加到电机轴上的负载力矩(Nm)F:沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf)L:电机转一转机床的移动距离=P(Z1/Z2)=8 mmTf:滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量，摩擦系数。若坐标轴是垂直轴，F值还与平衡锤有关。对于水平工作台，F值可按下列公式计算：不切削时：F = （W+fg） 例如：F=0.05(1000+50)=52.5 (kgf)Tm = (52.50.8) / (20.9)+2=9.4(kgf.cm)= 0.9(Nm)切削时:F = Fc+(W+fg+Fcf)例如:F=100+0.05(1000+50+30)=154(kgf)Tmc=(1540.8) / (20.9)+2=21.8(kgf.cm)=2.1(Nm)为了满足条件1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时应大于0.9（Nm），最高转速应高于3000（min-1）。考虑到加/减速，可选择2/3000（其静止时的额定转矩为2.0 Nm）。注计算力矩时，要注意以下几点：。考虑由镶条锁紧力（fg）引起的摩擦力矩根据运动部件的重量和摩擦系数计算的力矩通常相当小。镶条锁紧力和滑动表面的质量对力矩有很大影响。滚珠丝杠的轴承和螺母的预加负荷，丝杠的预应力及其它一些因素有可能使得滚动接触的Fc相当大。小型和轻型机床其摩擦力矩会大大影响电机的承受的力矩。考虑由切削力引起的滑动表面摩擦力（Fcf）的增加。切削力和驱动力通常并不作用在一个公共点上如下图所示。当切削力很大时，造成的力矩会增加滑动表面的负载。当计算切削时的力矩时要考虑由负载引起的摩擦力矩。进给速度会使摩擦力矩变化很大。欲得到精确的摩擦力矩值，应仔细研究速度变化，工作台支撑结构（滑动接触，滚动接触和静压力等），滑动表面材料，润滑情况和其它因素对摩擦力的影响。机床的装配情况，环境温度，润滑状况对一台机床的摩擦力矩影响也很大。大量搜集同一型号机床的数据可以较为精确的计算其负载力矩。调整镶条锁紧力时，要监测其摩擦力矩，注意不要产生过大的力矩。计算负载惯量与负载力矩不同，负载惯量可以精确地算出。由电机的转动驱动的物体的惯量形成电机的负载惯量，无论该物体是转动还是沿直线运动。对各运动物体分别计算其惯量，然后按一定规则将各物体的惯量加在一起，即可得出总惯量。总惯量可按下述方法计算：圆柱体（滚珠丝杠，齿轮，联轴节等）的惯量计算 圆柱体绕其中心轴回转的惯量可按下式计算：32980J = D b4Lb （kgf.Cm.s2）J: 惯量(kgf.cm.s2)：物体的比重（kg/cm3）Db：直径（cm）Lb：长度（cm）若物体的材料是铁（其比重为7.810-3kg/cm3）,则惯量的近似值为：J=0.7810-6Db4Lb（kgf.cm.s2）例如:滚珠丝杠的Db为32mm，Lb为1000mm，其惯量为Jb为：J = 0.7810-63.24100 = 0.0082(kg.cm.s2)L2W980沿直线运动物体(工作台,工件等)的惯量J = ( )2 (kgf.cm.s2)W:沿直线运动物体的重量(kg)L:电机一转物体沿直线的移动距离(cm)例如:工作台和工件的W为1000kg，L为8mm，则其惯量计算得：JW = 1000/980（0.8/2/）2 = 0.0165(kgf.cm.s2)速度高于或低于电机轴速的物体的惯量(惯量的折算) 惯量J0折算到电机轴上后的计算方法如下:Z1Z2J = ( )J0 (kgf.cm.s2)J0:折算前的惯量(kgf.cm.s2)回转中心偏离轴心的圆柱体的惯量 M980J = J0 R2 (kgf.cm.s2)J0:围绕圆柱体中心回转的转动惯量(kgf.cm.s2)M:物体的重量(kg)R:回转半径(cm)上述公式用于计算大齿轮等零件的惯量。为了减小重量和惯量，这些零件的结构都是中空的。上述计算的惯量值的和是电机加速的负载惯量J。上述例子计算得到的JB及JW的和就是负载惯量J L。J L= 0.00820.0165 = 0.0247(kgf.cm.s2)对负载惯量的限制负载惯量对电机的控制特性和快速移动的加/减速时间都有很大影响。负载惯量增加时，可能出现以下问题：指令变化后，需要较长的时间达到新指令指定的速度。若机床沿着两个轴高速运动加工圆弧等曲线，会造成较大的加工误差。负载惯量小于或等于电机的惯量时，不会出现这些问题。若负载惯量为电机的3倍以上，控制特性就会降低。实际上这对普通金属加工机床的工作的影响不大，但是如果加工木制品或是高速加工曲线轨迹，建议负载惯量要小于或等于电机的惯量。如果负载惯量比3倍的电机惯量大的多，则控制特性将大大下降。此时，电机的特性需要特殊调整。使用中应避免这样大的惯量。若机械设计出现这种情况，请与FANUC联系。12加速力矩的计算按下步骤计算加速力矩：计算加速力矩：步骤1假定电机由NC控制加/减速，计算其加速度。将加速度乘以总的转动惯量（电机的惯量 + 负载惯量），乘积就是加速力矩。计算式如下。直线加/减速 1 taVm60Ta = 2 Jm（1-e-ks。ta）+1taVm60 + 2 JL（1-e-ks。ta）1TaksVr = Vm1- (1- e-ks。ta )Ta:加速力矩(kgfcm)Vm:电机快速移动速度(min-1)ta:加速时间(sec)Jm:电机的惯量(kgf.cm.s2)JL:负载的惯量(kgf.cm.s2) Vr:加速力矩开始下降的速度(与Vm不同) (min-1)Ks:位置回路的增益(sec-1):机床的效率例子:在下列条件下进行直线加/减速：电机为2/3000。首先计算电机和负载惯量，然后计算加速转矩。电机惯量Jm为0.0061(kgf.cm.s2)，Vm为3000(min-1)，ta为0.1(s),ks为30(sec-1)，JL=0.0247(kgf.cm.s2)。Ta = 3000/60 21/0.10.0061（1-e-300.1）+ 3000/6021/0.10.0247（1-e-300.1）0.9 = 100.1(kgf.cm.) = 9.81(Nm) 由2/3000的速度-转矩特性可以看到，9.81（Nm）的加速力矩处于断续工作区的外面（见上面的特性曲线和电机的数据单）。（2/3000的力矩是不够的。）如果轴的运行特性（如，加速时间）不变，就必须选择大电机。比如，选择3/3000（Jm为0.02 kgf.cm.s2），重新计算加速力矩如下：Ta = 123.7(Kg.cm) = 12.1(Nm)Vr = 2049(min-1)由该式可知，加速时，在转速2049(min-1)时，要求加速力矩为12.1 Nm。由上面的速度-力矩特性可以看出，用3/3000电机可满足加速要求。由于已将电机换为3/3000，则法兰盘尺寸已经变为130mm130mm。若机床不允许用较大电机，就必须修改运行特性，例如，使加速时间延长。不控制加/减速时 速度 指令 转矩 Vm Ta ta 时间 Vm 速度公式为：1taVm60Ta = 2 （Jm+JL） 1 ksTa = 计算加速力矩：步骤2为了得到电机轴上的力矩T，应在加速力矩Ta上增加Tm（摩擦力矩）。T = Ta+TmT = 12.1(Nm)+0.9(Nm) = 13.0 (Nm)计算加速力矩：步骤3核算上面步骤2计算出的力矩T应小于或等于放大器已限定的力矩。用相应电机的速度-转矩特性和数据单核算由步骤1算得的Vr时的T应在断续工作区内。因为Vr为2049(min-1)，T为13.0(Nm)，用指定的时间常数加速是可能的（条件2）。13计算力矩的均方根值计算快速定位频率绘制快速定位一个周期的速度-时间和转矩-时间图，如下图。普通切削时，快速定位的频率不会有问题；但是，对于有些频繁快速定位的机床必须检查加/减速电流是否会引起电机过热。 根据力矩-时间图可以得到一个运行周期的加于电机上力矩的均方根值。对该值进行核算，确保要小于或等于电机的额定力矩（条件3）。（Ta+Tm）2 t2+Tm2t2+（Ta-Tm）2t1+To2t3t0Trms = Ta：加速力矩Tm：摩擦力矩To：停止时的力矩如果Trms小于或等于电机静止时的额定力矩（Ts），则选择的电机可以使用。（考虑到发热系数，核算时静止力矩应为实际静止额定力矩的90%。例子：在下列条件下选用3/3000（Ts=31 kgf.cm）=3.0Nm的电机：Ta=12.1 Nm,；Tm=To=0.9 Nm；t1= 0.1 s；t2=1.8s；t3=7.0s。（12.1+0.9）20.1+0.921.8+(12.1-0.9)20.1+0.927 t0Trms = = 20.2 Nm Ts0.9=2.90.9=2.61 Nm因此，用3/3000电机可以满足上述运行条件。（条件3）计算在一个负载变化的若负载（切削负载，加/减速度）变化频繁，其力矩-时间图工作周期内的转矩Trms如下图所示。用该图计算出力矩的均方根值后进行核算，和上述一样，使其小于或等于电机的额定力矩。 14计算最大切削核算工作台以最大切削力矩Tmc运动的时间（在负荷期间力矩的负荷百分比或ON的时间）要在希望的切削时间内。（条件5）如果切削时加于电机轴上的Tmc（最大负载力矩）-由1.1算得的小于电机的静止额定力矩(Tc)与(热效率)的乘积，则所选电机可以满足连续切削。若Tmc大于该乘积（TmcTc），则按下述步骤计算负荷时间比（ton）。Tmc可以在整个切削周期内加到电机上。（假设为0.9，考虑机床运行条件计算负荷百分比。）TmcTc可用最大切削力矩连续运行（用最大切削力矩运行的周期负荷百分比是100%）。TmcTc根据下图和公式计算周期负荷的百分比。例如：如1.1的计算结果：Tmc=21.8 kgf.cm=2.1 NmOS:Tc=30 kgf.cm=2.9 Nm2.90.9=2.6 Nm2.1 Nm=Tmc连续切削不会有问题。计算最大切削力矩的周期负荷百分比 用1.3所述的方法计算一个切削周期内力矩的均方根值，指定时间ton和toff，以使均方根值不要超过静止额定力矩Tc与热效率的乘积。则最大切削力矩的周期负荷百分比计算如下：ton T最大切削力矩的（Tmc）周期负荷百分比= 100%例如：假设Tmc=4.0 Nm；Tm=0.9 Nm4.02ton+0.92toffton+tof 2.6 Nm11.6tontoff因此 即，非切削时间与切削时间的百分比为1.6，或更大一些。周期负荷的百分比为：tontoff 100 = 38.5% 所以，3/3000电机满足上述选择条件15。3电机的选择根据加于电动机上的负载，快速运动速度，系统的分辨率等条件选择电机。本节后面的“伺服电机的选择数据表”，可以帮助正确地选择。将机床的数据添在表的1-3组中，寄到我公司的代表处，他们将负责填写表中4-8组的电机数据，并将表寄回。表中数据在3.1和3.2中详细解释。3.1非数据组机床类型添入机床的型式，如：车床，铣床，加工中心等。机床型号机床厂确定的型号。CNC装置使用的CNC系统，如：0MC，15T，16M等。主轴电机的功率该组用于检查伺服电机的输出功率。轴的名称CNC指令使用的轴。若超过4个轴，添在第2张表上。 版本号，日期，名字等由FANUC填写。3.2数据机床厂需填写1，2，3组数据，其后的数据如果能够确定也可以添入。如果确定不了，可由FANUC代表填写。各项的详细内容如下所述。No.1 组此组数据用于确定电机负载（惯量，力矩等）的近似值。该组的全部数据都要添。轴的运动方向即运动部件如：工作台，刀架等的移动方向。若轴为斜向移动，要添入与水平方向的角度（如60）。为了计算再生放电能量，无论是水平方向还是垂直方向都必须指明。驱动部件的重量添入运动部件如工作台，刀架（包括工件，卡具等但不要包含下一组中的平衡锤）等的最大重量。平衡锤垂直轴若有平衡锤请添入其重量，若用液压平衡请添入平衡力。工作台支撑添入工作台滑板的类型，如：滚动，滑动或是静压。若有其它形式的滑动导轨材料，请说明。进给丝杠按次添入丝杠的直径，节距，长度。传动比添入滚珠丝杠与进给电机之间的传动比，齿轮齿条时小齿轮与进给电机间的传动比，回转工作台的转台与电机间的传动比。No.2组这组是选择电机的基本数据。其中某些数据的计算方法请见4.1和4.2。电机每转的工作添入电机转一转时机床的实际移动量。例如：台的移动量当滚珠丝杠的螺距为12mm，变速比为2/3时，每转的移动量为122/3 =8 mm若用于转台，变速比为1/72时，每转的移动量是3601/72 = 5 deg。CNC的最小输入单位添入NC指令的最小输入单位值。0，15，16，18系统为0.001mm。快速移动速度添入机床实际要求的快速移动速度和坐标进给速度。和进给速度惯量添入折算到电机轴上的全部负载惯量值。计算方法见1.1。惯量值不必很准确，添入2位或1位数即可。例如，0.2865可添入0.29或0.3。注意该值不要包括毒剂本身的惯量值。负载力矩由于在电机停止时也可能有非切削力矩，所以在考虑电机的连续力矩时应留有一定余量。负载力矩要小于电机额定力矩的70%。快速运动的力矩要添入快速移动稳态时的力矩。要确保该值要小于电机的连续额定力矩。该项数据不要包括加/减速所需力矩。进给时的切削力，要添入切削时进给方向的最大切削力。对于最大切削力矩，要添入上述加于电机轴的最大切削力的力矩值。由于切削力产生的反作用力将大大影响力矩的传送效率，所以要想得到精确地最大切削力矩，必须考虑其它数据或在机床上测量。在垂直轴方向，若上升或下降的负载力矩值不一样，就应添入两个值。最大负荷（加工）在“负载力矩”项中添入最大切削力矩的负荷比和ON时间。时间/ON时间各值的意义如下图。快速移动定位的频率添入每分钟快速定位的次数。该值用来检查加/减速时电机是否会发热及放大器的放电能量。No.3组这组数据用于检查位置编码器装在电机外部时伺服系统的稳定性。当系统用直线光栅尺和分离型编码器时不要忘记添入这些数据。分离型检测器若位置编码器装在电机外面，添入检测器的名称。若1使用回转式检测器，在“标注（Remark）”栏中添入下列各项。旋转变压器旋变转一转时机床的移动量。旋变转一转时的波长数。脉冲编码器脉冲转一转时机床的移动量。脉冲编码器的脉冲数。机床进给系统的刚性该项添入力矩加于电机轴且最终的驱动部件（如工作台）锁住时的力矩与移动量之间的关系值，的即1弧度角位移所用的力矩值。例如：力矩500kgf.cm时位移5deg的计算结果如下:刚性 = 500/5 180/= 5730 kgf.cm/rad若位移与力矩的关系是非线形的，可用原点附近的梯度计算。力矩(Nm) T e 位移(rad)反向间隙添入变换到工作台移动量的电机与最后驱动部件间（如工作台）的间隙。No.4电机的规格。电机的型号添入电机的名称，内装反馈单元的规格。选择项，特殊规格添入特殊规格要求，如果有的话。 反馈（FB）型式No.5该组参数是指令的加/减速时间。并非定位的实际执行时间。快速移动时加/减速时间加/减速时间根据负载惯量，负载力矩，电机的输出力矩和加工速度决定。详细地计算见1.2和1.3。FANUC的CNC快速运动时为线性加/减速。 切削进给时的加/减速通常，切削进给时用指数函数加/减速。这组数据添入时间常数。 No.6输入倍乘比,指令该组数据要求添入以最小输入单位移机床时的NC所需的设定倍乘比,柔性变速比值。这些值的关系如下图示。 上图中，各比值必须设定，以保证误差寄存器的两个输入a和b要相等脉冲编码器用柔变速比。所以，CMR通常设1。若不设1，请与FANUC商量。柔性变速比（F.FG）要设定电机轴转一转时所要脉冲数与反馈脉冲数的比值算法如下：电机轴转一转要求的进脉冲数1,000,000F.FG = 注计算时，脉冲编码器的反馈脉冲数是1,000,000。分子和分母的最大允许值是32767。分数要约为真分数。例如：NC的脉冲当量为1m，电机一转机床的移动距为8mm，使用A64脉冲编码器。则8,0001000,000,000 1125F.FG = = , CMR=1半闭环且1m检测单位F.FG的设定如下: 电机一转机床的位移量(mm/rev)所须的位置脉冲数 (脉冲数/转)F.FG10100001/10020200002/10或1/5030300003/100位置回路增益该组参数根据惯量添入经验值。由于机床的刚性，阻尼和其它因素的影响，这些参数并非总是可用的，通常是按实际机床确定。若位置编码器装在电机的外面，这些值受机床的刚性，反向间隙，摩擦力矩影响。这些值必须填写。减速停止的距离在行程的终端，要考虑机床减速停止的距离，将其添入本组数据。 Vm l1 l2 l3 t1 t2Vm：快速运动速度，mm/min或deg/min。l1：由接收器的动作延时造成的运动距离。l2：减速时间t2造成运动距离。l3：伺服的偏差量。t1：通常为0.02秒。1kst22Vm60移动距离 = （t1+ + ）kS：位置回路增益（sec-1）动态制动的停止距离该距离是当故障时，切断机床电源动态制动停止造成移动距离。 Vm：快速移动速率，mm/min或deg/minl1：由于接收器的延时t1造成的移动距离l2：由于磁接触器的断开延时t2组成的移动距离l3：磁接触器动作后动制动造成的移动距离（t1+t2）通常大约为0.05秒 移动距离（mm或deg）=Vm60= （t1+t2）+（Jm+J1）（Ano+Bno3）L Jm：电机的惯量（kg.cm.s2）J：负载惯量（kg.cm.s2）No：电机快速移动速度（rpm）L：电机一转机移动量（mm或deg）NoL=VmA和B是常数，随电机而变各种电机的值见下面“动态制动停止距离计算的系数”。No.8组伺服放大器的规格。放大器的型式指定AC。变压器添入变压器的规格。放大器规格添入放大器模块的规格。计算动态制动停止距离的系数 计算A和B时，假设电源线每相的电阻为0.05。由于电阻的变化，表中的数值会稍有不同。系数值还随伺服放大器改变。这些系数将引起机床停止距离的变化。MTB 选择AC伺服电机的数据表机床类别型号NC，主轴电机NC：FANUC （ ）主轴电机 KWNo 轴项目1轴移动方向（水平,垂直）运动部件的重量(包括工件等) kgf平衡锤的重量 kgf工作台支撑(滑动,滚动,静压)进给丝杠直径节距轴长总变速比2电机轴一转机床移动量 mmNC的最小移动单位 mm快速运动速度 mm/min切削速度 mm/min惯量 kgf.cm.sec2负载力矩不切削最低速度时 kgf.cm快速运动时 kgf.cm切削力 kg最大切削力矩 kgf.cm最重切削负荷比/ON时间 %/min快速定位的频率 次数/min3分离型位置编码器机床进给系统的刚性 kgf.cm/rad反向间隙 mm4电机型号反馈型式快速运动转数 rpm选项/特殊规格要求5快速运动时的加/减速时间 msec切削进给时的加/减速时间 msec6指令倍乘比 CMR检测倍乘比 DMR柔性变速比 FFG位置回路增益 sec-17减速停止距离 mm动态制动停止距离 mm8放大器型号变压器规格放大器备注版本日期名称123 FANUC LTDMTB 选择AC伺服电机的数据表(定位用，如冲床)机床类别型号NCNC：FANUC （ ） 轴名项目运动件规格轴移动方向（水平,垂直,回转）运动部件的重量(包括工件等) kgf平衡锤的重量 kgf工作台支撑(滑动,滚动,静压)（）进给机构(选择下列之一,并添入相应数据)进给丝杠：（直径，节距，轴长）齿轮-齿条：小齿轮直径（小齿轮一转机床的移动距离： mm）其它机床规格电机轴一转机床移动量 mm总的减速比惯量 （减速前即加到电机轴的） kgf.cm.sec2NC的最小输入单位（分辨率）最高快速运动速度 mm/min快速运动时电机转数 rpm快速运动时的加/减速时间 msec快速定位距离 mm快速定位的频率 次数/min在备注栏中添入运行周期（速度图）负载力矩不切削最低速度时 kgf.cm快速运动时 kgf.cm反向间隙 mm分离型检测器（）分离型位置检测器的类型（检测单位，脉冲数，等）用回转型编码器时齿轮直径，减速比电机规格电机型号（尺寸和功率）反馈型式（绝对位置编码器时）选择项（制动器，非标准轴等）由FANUC 添入的数据指令倍乘比 CMR检测倍乘比 DMR柔性变速比 FFG位置回路增益 sec-1减速停止距离 mm动态制动停止距离 mm放大器规格再生放电单元规格变压器规格注 滑动表面的摩擦系数。 下列情况要用分离型编码器：电机和丝杠的机械位置分开时。备注版本日期姓名 FANUC LTD20