一文彻底搞懂伺服电机选型计算

伺服电机选型计算手册

伺服电机具有平滑的旋转特性、优秀的加速能力以及高可靠性。搭配内置编码器可以实现高精度定位与控制，在非标设备领域应用非常广。

伺服电机的选择主要是对进给轴驱动电机的选择。基于伺服电机的精度、负载、快速移动的速度、系统的最小进给单位以及其他因素进行综合的考虑,从而得出正确的选择。

在机械加工中,电机所受的力包括:连续负载扭矩(包括重力、摩擦力等)、加减速扭矩、切
削扭矩。在选择电机时,需要对上述各个力的大小进行综合的分析,最终确定电机的型号。

除此以外,电机在工作的过程中,由于会受到工作环境的影响。因此,在选择电机的时候,还
需要考虑电机所处的环境对电机的影响,例如:温度、湿度、震动等因素。

影响电机选择的因素

为设备选择进给驱动电机时,需要考虑机械部分的传动结构与电机的匹配、电机的运转速
度、设备的加减速时间大小、电机的停止距离等因素。概括言之,即选择与机械相匹配的电机,主要包括以下因素:

1、负载惯量比;
2、加减速特性(短时加工因素;
3、连续负载扭矩;
4、电机速度;
5、扭矩的均方根值;
6、动态刹车距离。

需要注意的是,需要通过正确的计算方法,对电机进行选择。

除了对电机大小的选择以外,在选择电机的过程中,还必须要考虑电机的工作环境。例如:
高温、高涨度、粉生等因素。这样就需要对电机的防护等级进行选择。

下面就针对上述的各个因素进行说明。

负载惯量比

负载惯量比是指进给轴的负载惯量与进给轴电机惯量的比值。该值反映了电机对于负载的控制能力。该值越小,电机的控制力越强。要确保伺服电机能够有效的工作,需要为设备选择具有恰当惯量的电机。而其选择的技术指标称为负载惯量比(负载惯量电机惯量)。

尤其,当以负载性能为优先考虑要素时,设备的惯量与选择的进给轴伺服电机惯量之比应在推荐的负载惯量比范围内,并且尽可能的使得负载惯量比比值较小。

负载惯量比选取的过大,会造成电机的控制不稳定,调试电机将十分困难。

推荐选取范围,负载惯量/电机惯量=3~5。

注:在特殊的加工情况下,例如木工机械设备，需要在高速移动中进行曲线以及沟模的加工,在这种情况下,建议选择惯量大于或者等于负载惯量的电机,以满足高速加工的需求。另外,在进行高速高精度加工以及模具加工等时,建议选择电机的惯量值使负载惯量比小于3。

加减速特性(短时加工因素)

在机械加工中,除了需要保证推动负载加工的连续推力之外,还必须要考虑短时的加工因素,即:电机在加减速过程中的输出特性。在加减速过程中,会达到机械需要的最大推力。因此,在选择电机时,需要考虑电机的最大扭矩与机械加减速过程中所需要的最大扭矩是否匹配。

电机的最大扭矩直接影响加减速时间常数的设定。

空载扭矩

空载扭矩指不进行切削时电机所承受的扭矩,主要包括机械摩擦以及重力辅中重力的作用力矩,通常空载的扭矩应该不超过伺服电机堵转抱矩的30%。

如果空裁扭矩与堵转扭矩相同,则在计算均方根值时,会导致整个加工过程中的平均
扭矩值(包括加/减速扭矩、切削扭矩》超过电机的额定扭矩。

在无配重重力辅电机的使用中,如果加工中只存在向下切削的情况,此时重力可提供
部分切削力。在这种情况下,空裁扭矩最高可至伺服电机堡转扭矩的70%。

注:培转扭矩的标准,请根据设备的实际特点以及实际机械的绪构进行衡量,根据实际的调试经验,建议连续负载的扭矩不要超过电机堡转扭矩的30%。

电机速度

在实际机械运转中,电机的旋转速度不可以超过电机旋转的最大速度。

扭矩的均方根值

扭矩的均方根值在一个加工周期内应该小于电机的堵转扭矩的90%。
例如:下图为一个加工周期内的运转情况,根据各个动作时的扭矩平方的平均值求出连续有效的负载扭矩。

均方根值计算：

在选择电机时,需要使得T<堵转扭矩x90%。

动态刹车距离

动态刹车距离是指当意外事故发生时,需要设备停止时的刹车距离。动态刹车的方法是将电机动力线的两端进行短接〔(系统放大器内完成,不需要进行额外的连线)。
动态刹车的过程分为三个过程:
1放大器接收时间延迟产生的移动距离。延时时间为t1;
2)电磁接触器(MCC的关断时间产生的移动距离。延时时间为t2;
3)电磁接触器关断后,动态刹车过程产生的距离。
通常,t1+t2=0.05秒。

在使用中,还可以选系统功能来缩短动态刹车的距离:紧急停止距离缩短功能。
注:刹车系数A与B可以查询手册。

电机的保护

电机的保护主要是指在使用电机过程中,需要注意电机工作的环境。包括温度、湿度、粉生等因素。正确的使用电机,会延长电机的使用寿命,同时大大减低电机的故障发生概率。
主要包括:
1)工作温度:0C~40C。
即电机工作车间或者室内的温度。若温度超过40C,则应通过外界降温的方法使温度
处于正常的工作范围内。
2)湿度:不<80%RH。
3)震动:安装在机床上的电机,其可以承受的最大震动为5G。
4防护等级:电机的单体电机防护等级为IP65(IEC标准)(带风扇的电机除外)。

但是这个防护等级数据是会在使用电机的过程中发生变化的。因此,在使用中,需要
注意如下事项(对于机床用的电机):
a、保护电机不要处于切削液或者切削油之下。
b、避免切削油或者切削液沿电机的动力线流入电机接头部分。

注意:在极端恶劣的工作环境中,为了避免电机受到更大的侵蚀而损坏电机,请务必
做好电机的防护工作。一些特殊机床,如:齿轮加工机、磨床等,若是不能很好的保护电
机,请选择更高防护等级的电机,例如:IP67〈IEC标准)等级的伺服电机。

选型举例（单丝杆传动水平轴电机选型计算）

基本轴参数输入

根据丝杆传动水平轴示意图,在丝杆传动水平轴参数表中填写轴基本参数。