關于機床伺服電機的選型方法淺析

摘要:本文詳細地論述了機床伺服電機選型的方式和需要注意的各方面問題，對選型時難以理解的概念給以了清晰的解釋，對于技術人員選擇合適的電機有著很好的參考意義。

關鍵詞:伺服電機;速度響應;過載能力

近年來，伺服電機技術正朝著數字化、智能化的方向發展。伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。文章根據機床伺服軸的負載與運動特性，結合伺服電機的選型計算，所選伺服電機在高精度鏜銑床產品中得到了應用驗證，并實現了產品所要求的運動特性和位置精度。

1 伺服電機發展趨勢分析

伺服電機的發展推動加工技術的高速高精化。90年代以來，數控系統逐漸應用伺服電機作為驅動器件。交流伺服電機內是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統已在很大范圍內取代了直流伺服系統。另外，先進傳感器檢測技術的發展也極大地提高了交流電動機調速系統的動態響應性能和定位精度。交流伺服電機調速系統一般選用無刷旋轉變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1μs的響應時間。伺服電動機本身也在向高速方向發展，與上述高速編碼器配合實現了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。為保證高速時電動機旋轉更加平滑，改進了電動機的磁路設計，并配合高速數字伺服軟件，可保證電動機即使在小于1μm轉動時也顯得平滑而無爬行。

2機床伺服電機的選型分析

2.1 伺服電機的制動方式。我們容易對電磁制動，再生制動，動態制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件，以下對這幾個概念加以澄清。動態制動器由動態制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產生的能量通過逆變回路反饋到直流母線，經阻容回路吸收。電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。①再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機。動態制動器和電磁制動工作時不需電源。②再生制動的工作是系統自動進行，而動態制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。③電磁制動一般在SV OFF后啟動，否則可能造成放大器過載，動態制動器一般在SV OFF或主回路斷電后啟動，否則可能造成動態制動電阻過熱。④動態制動和再生制動都是靠伺服電機內部的激磁完成的，也就是向旋轉方向相反的方向增加電流來實現。⑤電磁制動，也就是常說的抱閘，是靠外圍的直流電源控制，常閉，得電后抱閘打開，失電即閉合，屬于純機械摩擦制動。

2.2 速度／位置檢測器。 交流伺服電機的控制精度是由電機軸后端的旋轉編碼器來保證，用其來測量電機的工作速度或轉過位置量。常用的旋轉編碼器是增量式的，其編碼器碼盤是由很多光柵刻線組成的，有兩個(或4個)光眼讀取A、B信號的，刻線的密度決定了這個增量型編碼器的分辨率，也就是可以分辨讀取的最小變化角度值。代表增量編碼器的分辨率的參數是PPR，也就是每轉脈沖數。有些增量編碼器，其原始刻線是2048線(2的l1次方，11位)，通過16倍(4位)細分，得到15位PPR，再次4倍頻(2位)，得到了l7位(Bit)的分辨率，一般用“位、Bit”來表達分辨率。這種編碼器在較快速度時，內部要用未細分的低位信號來處理輸出，否則響應跟不上，所以不要被它“17位”迷惑，在設計選擇伺服電機時要注意。

2.3 再生制動頻率。再生制動頻率表示無負載時電機從額定速度到減速停止的可允許頻率。需要注意的是，一般樣本列表上的制動次數是電機在空載時的數據。實際選型中要先根據系統的負載慣量和樣本上的電機慣量，算出慣量比。再以樣本列表上的制動次數除以(慣量比+1)，這樣得到的數據才是允許的制動次數。確保在安裝和運轉時加到伺服電機軸上的徑向和軸向負載控制在每種型號的規定值以內，否則會加速伺服電機的磨損，降低電機的壽命，甚至影響所要求達到的精度。

3 伺服電機安裝分析

3.1 伺服電機油和水的保護。伺服電機可以用在有水或油滴侵襲的場所，但它不是全防水或防油的。因此，伺服電機不應當放置或使用在水中或油浸的環境中。如果伺服電機連接到減速齒輪，使用伺服電機時應當加油封，以防止減速齒輪的油進入，伺服電機的電纜不要浸沒在油或水中。

3.2 伺服電機電纜一減輕應力。確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負荷，尤其是在電纜出口處或連接處。在伺服電機移動的情況下，應把電纜(隨電機配置的)牢固地固定到一個靜止的部分(相對電機)，并且應當用一個裝在電纜支座里的附加電纜來延長它，這樣彎曲應力可以減到最小，電纜的彎頭半徑盡可能大。

3.3 伺服電機允許的軸端負載。在安裝一個剛性聯軸器時要格外小心，特別是過度的彎曲負載可能導致軸端和軸承的損壞或磨損。最好用柔性聯軸器，以便使徑向負載低于允許值，此物是專為高機械強度的伺服電機設計的。在安裝、拆卸耦合部件到伺服電機軸端時，不要用錘子直接敲打軸端(錘子直接敲打軸端，伺服電機軸另一端的編碼器要被敲壞)。竭力使軸端對齊到最佳狀態(對不齊，可能導致振動或軸承損壞)。

4電機負載慣量的計算

為了保證切削輪廓形狀精度和低的表面加工粗糙度，要求數控機床具有良好的快速響應特性。負載慣量與電機的響應和快速移動ACC／DEC時間息息相關。因此，加在電機軸上的負載慣量的大小，將直接影響電機的靈敏度以及整個伺服系統的精度。當負載慣量5倍以上時，會使轉子的靈敏度受影響，電機慣量 和負載慣量 必須滿足：

l≤JL／JM<5

由電機驅動的所有運動部件，無論是旋轉運動的部件，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動的部件的慣量，并按下述一定的規律將其相加得到。最大軸向負荷計算：導向面的阻力Fa：140N+（550+150）x9.8x0.01=208N，加速度a=1.5/0.5=3m/s2，去程加速時：F1=（550+150）*3(208）=2308N，去程勻速時：F2=208N，去程減速時：F3=（550+150）*3（208）=1892N，回程加速時：F4=（550+150）*3(208)=2308N，回程勻速時：F5=208N，回程減速時：F6=（550+150）*3(208)=1892N，所以作用在滾珠絲桿的最大軸向負荷為：Fa max=2308N。絲桿的容許拉伸載荷計算=116x33.8x33.8=130000N，由以上數據得出，絲桿的挫曲載荷和拉伸載荷都比最大載荷（2308N）大，所以滿足使用要求。

參考文獻

［1］ 陳銘，車用內燃機潤滑系統的狀態監測技術［J］．內燃機工程。2009(3)：64—70．

［2］ 呂曉軍，潤滑油中磨粒濃度的動態過程研究［J］．潤滑與密封，2010(1)：15-17．