金屬切削機床的驅(qū)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(guī)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(jié)構(gòu)布局不夠緊湊,。本文以實例應(yīng)用闡明了如何選擇最佳規(guī)格電機的方法,，以控制制造成本。
機床的驅(qū)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(guī)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(jié)構(gòu)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(guī)格的電機。
一,、進給驅(qū)動伺服電機的選擇
1.原則上應(yīng)該根據(jù)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(zhuǎn)矩和慣量負載,。這兩種負載都要正確地計算,，其值應(yīng)滿足下列條件:
1）當機床作空載運行時，在整個速度范圍內(nèi),，加在伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi),，即應(yīng)在轉(zhuǎn)矩速度特性曲線的連續(xù)工作區(qū)。
2）最大負載轉(zhuǎn)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(nèi),。
3）電機在加速/減速過程中的轉(zhuǎn)矩應(yīng)在加減速區(qū)（或間斷工作區(qū)）之內(nèi)。
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(zhuǎn)矩均方根值。并應(yīng)小于電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)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(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響,。通常，當負載小于電機轉(zhuǎn)子慣量時,，上述影響不大,。但當負載慣量達到甚至超過轉(zhuǎn)子慣量的5倍時,，會使靈敏度和響應(yīng)時間受到很大的影響。甚至?xí)顾欧糯笃鞑荒茉谡Ｕ{(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作,。所以對這類慣量應(yīng)避免使用,。推薦對伺服電機慣量Jm和負載慣量Jl之間的關(guān)系如下:
1<=Jl/Jm<5
2.負載轉(zhuǎn)矩的計算方法加到伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩計算公式，因機械而異,。但不論何種機械,，都應(yīng)計算出折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩,。通常,，折算到伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩（N.M）
F軸向移動工作臺時所需要的力
L電機軸每轉(zhuǎn)的機械位移量（M）
To滾珠絲杠螺母，軸承部分摩擦轉(zhuǎn)矩折算到伺服電機軸上的值（N.M）
μ驅(qū)動系統(tǒng)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(shù),，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(xiàn)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(shù)
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?qū)к壍恼驂毫Α?br />
計算轉(zhuǎn)矩時下列幾點應(yīng)特別注意,。
?。╝）由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充分地考慮。通常,，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來計算的轉(zhuǎn)矩很小的,。請?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生的力矩。
?。╞）由于軸承,，螺母的預(yù)加載，以及絲杠的預(yù)緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均不能忽略,。尤其是小型輕重量的設(shè)備,。這樣的轉(zhuǎn)矩回應(yīng)影響整個轉(zhuǎn)矩。所以要特別注意,。
?。╟）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(qū)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(zhuǎn)矩時,，由于這一載荷而引起的摩擦轉(zhuǎn)矩的增加應(yīng)給予考慮。
?。╠）摩擦轉(zhuǎn)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(shù)值。
?。╡）通常,，即使在同一臺的機械上，隨調(diào)整條件,，周圍溫度,，或潤滑條件等因素而變化。當計算負載轉(zhuǎn)矩時,，請盡量借助測量同種機械上而積累的參數(shù),，來得到正確的數(shù)據(jù)。
3.負載慣量的計算,。由電機驅(qū)動的所有運動部件,，無論旋轉(zhuǎn)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(qū)動的部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到,。
1）圓柱體慣量 如滾珠絲杠,，齒輪等圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時的慣量可按下面公式計算:
J=（πγ/32）＊D4L（kg cm2）
如機構(gòu)為鋼材，則可按下面公式計算:
J=（0.78＊10-6）＊D4L（kg cm2）
式中: γ材料的密度（kg/cm2）
D圓柱體的直經(jīng)（cm）
L圓柱體的長度（cm）
2）軸向移動物體的慣量工件,，工作臺等軸向移動物體的慣量,，可由下面公式得出:
J=W＊（L/2π）2 （kg cm2）
式中: W直線移動物體的重量（kg）
L電機每轉(zhuǎn)在直線方向移動的距離（cm）
3）圓柱體圍繞中心運動時的慣量如圖所示:
圓柱體圍繞中心運動時的慣量
屬于這種情況的例子:如大直經(jīng)的齒輪，為了減少慣量,，往往在圓盤上挖出分布均勻的孔這時的慣量可以這樣計算:
J=Jo+W＊R2（kg cm2）
式中:Jo為圓柱體圍繞其中心線旋轉(zhuǎn)時的慣量（kgcm2）
W圓柱體的重量（kg）
R旋轉(zhuǎn)半徑（cm）
4）相對電機軸機械變速的慣量計算將上圖所示的負載慣量Jo折算到電機軸上的計算方法如下:
J=（N1/N2）2Jo
式中:N1 N2為齒輪的齒數(shù)
4.電機加速或減速時的轉(zhuǎn)矩
電機加速或減速時的轉(zhuǎn)矩
1）按線性加減速時加速轉(zhuǎn)矩計算如下:
Ta=（2πVm/60＊104） ＊1/ta（Jm+JL）（1-e-ks,。ta）
Vr=Vm｛1-1/ta.ks（1-e-ksta）
Ta加速轉(zhuǎn)矩（N.M）
Vm快速移動時的電機轉(zhuǎn)速（r/min）
Ta加速時間（sec）
Jm電機慣量（N.m.s2）
JL負載慣量（N.m.s2）
Vr加速轉(zhuǎn)矩開始減少的點
Ks伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益（sec-1）
電機按指數(shù)曲線加速時的加速轉(zhuǎn)矩曲線如下圖:
電機按指數(shù)曲線加速時的加速轉(zhuǎn)矩曲線
此時，速度為零的轉(zhuǎn)矩To可由下面公式給出:
To==（2πVm/60＊104） ＊1/te（Jm+JL）
Te指數(shù)曲線加減速時間常數(shù)
2）當輸入階段性速度指令時,，它的速度曲線與轉(zhuǎn)矩曲線如圖4所示,。
這時的加速轉(zhuǎn)矩Ta相當于To，可由下面公式求得（ts=ks）,，
Ta==（2πVm/60＊104）＊1/ts（Jm+JL）,。
5.工作機械頻繁啟動，制動時所需轉(zhuǎn)矩,，當工作機械作頻繁啟動,，制動時，必須檢查電機是否過熱,，為此需計算在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值,，并且應(yīng)使此均方根值小于電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩,。電機的均方根值:
Trms=√[（Ta+Tf）2t1+Tf2t2+（Ta-Tf）2t1+To2t3]/T周
式中: Ta加速轉(zhuǎn)矩（N.M）
Tf摩擦轉(zhuǎn)矩（N.M）
To在停止期間的轉(zhuǎn)矩（N。M）
t1t2t3t周 所知的時間可參見圖5所示,。
t1t2t3t周 所知的時間示意圖
6.負載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計算（如圖6所示）,，也需要計算出一個周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值Trms。且該值小于額定轉(zhuǎn)矩,。這樣電機才不會過熱,，正常工作。
負載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計算圖
二,、負載慣量的限制
負載慣量與電機的響應(yīng)和快速移動ACC/DEC時間息息相關(guān),。帶大慣量負載時，當速度指令變化時,，電機需較長的時間才能到達這一速度,，當二軸同步插補進行圓弧高速切削時大慣量的負載產(chǎn)生的誤差會比小慣量的大一些,。
通常,，當負載慣量小于電機慣量時上述提及的問題一般不會發(fā)生。如果高于5倍馬達轉(zhuǎn)子慣量,，一般伺服會出現(xiàn)不良反應(yīng),，像高速激光切割機床，在設(shè)計時就要考慮負載慣量低于電機轉(zhuǎn)子慣量,。臺達伺服馬達在此方面有它特有的優(yōu)勢,，負載慣量比高,，應(yīng)用在此行業(yè)臺達伺服的優(yōu)勢更為顯著,。