fanucα伺服电机的选择8081.pdf

《fanucα伺服电机的选择8081.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《fanucα伺服电机的选择8081.pdf（19页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 电机的选择 1 伺服电机的选择 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=0.9 fg：镶条锁紧力（kgf）=50 kgf Fc：由切削力引起的反推力（kgf）=100 kgf Fcf：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf）=30kgf Z1/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 mm P：节距=8 mm 例：电机轴的运行规格

2、 Ta：加速力矩（kgf.cm）Vm:快速移动时的电机速度(mm-1)=3000 mm-1 ta:加速时间(s)=0.10 s Jm: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-1 1.1 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:Tm=+Tf Tm: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 mm Tf:滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm FL 2 电机的选择 2 无

3、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)/(2 0.9)+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)/(2 0.9)+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

4、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

5、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 电机的选择 3 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

6、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：J=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)沿直线运动物体(工 作台,工件等)的惯量 J=()2 (kgf.cm.s2)W

7、: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 32980 W 980 L 2 电机的选择 4 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:J=()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 J=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(c

8、m)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

9、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。Z1 Z2 M 980 电机的选择 5 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 Ta=2 Jm（1-e-ks。ta）+2 JL（1-e-ks。ta）Vr=Vm1

10、-(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=3000/6

11、0 2 1/0.10.0061（1-e-300.1）+3000/602 1/0.10.0247（1-e-300.1）0.9 =100.1(kgf.cm.)=9.81(Nm)Vm 60 1 ta Vm 60 1 ta 1 Taks 电机的选择 6 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

12、)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 时间 Vm 速度 公式为：Ta=2 （Jm+JL）Ta=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+Tm T=12.1(Nm)+0.9(Nm)=13.0(Nm)

13、Vm 60 1 ta 1 ks ta 电机的选择 7 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

14、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）。Trms=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。Trms=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

15、件。（条件 3）（Ta+Tm）2 t2+Tm2t2+（Ta-Tm）2t1+To2t3 t0（12.1+0.9）20.1+0.921.8+(12.1-0.9)20.1+0.927 t0 电机的选择 8 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

16、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 Nm OS:Tc=30 kgf.cm=2.9 Nm 2.90.9=2.6 Nm2.1 Nm=Tmc 连续切削不会有问题。计算最大切削力

17、矩的 周期负荷百分比 电机的选择 9 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：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 Nm 2.6 Nm 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：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

18、”，可 ton T 4.02ton+0.92toff ton+tof ton toff 1 1.6 ton toff 电机的选择 10 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

19、，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

20、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。电机的选择 11 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 3601/7

21、2=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

22、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

23、系统用直线光栅尺和分离型编码器时不要忘记添 电机的选择 12 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

24、矩的关系是非线形的，可用原点附近的梯度计算。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。力矩(Nm)电机的选择 13 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

25、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：F.FG=电机轴转一转要求的进脉冲数 1,000,000 电机的选择 14 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

26、量为 1 m，电机一转机床的移动距为 8mm，使用 A64 脉冲编码器。则 F.FG=,CMR=1 半闭环且 1 m 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.FG 10 10000 1/100 20 20000 2/10或1/50 30 30000 3/100 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

27、其添入本组数据。Vm l1 l2 l3 t1 t2 Vm：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。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。8,000 1000,000,000 1 125 Vm 60 t2 2 1 ks 电机的选择 15 Vm：快速移动速率，mm/min 或 deg/min l1：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

28、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）=（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=Vm A 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。Vm 60 电机的选择 16 计算动态制动停止 距离的系数 电机的选择

29、17 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。电机的选择 18 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 KW No 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 mm NC 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

30、 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/min 3 分离型位置编码器 机床进给系统的刚性 kgf.cm/rad 反向间隙 mm 4 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 msec 6 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 7 减速停止距离 mm 动态制动停止距离 mm 8 放大器型号 变压器 规格 放大器 备注 版本 日期 名称

31、 1 2 3 FANUC LTD 电机的选择 19 MTB 选择 AC 伺服电机的数据表(定位用，如冲床)机床 类别 型号 NC NC：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.sec2 NC 的最小输入单位（分辨率）最高快速运动速度 mm/min 快速运动

32、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 LTD