郭智春

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)研究院研發(fā)部,遼寧 沈陽 110142)

?

伺服刀架電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)研究與應(yīng)用*

遼寧省工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目：全功能數(shù)控伺服刀架研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化(2011220003)

郭智春

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)研究院研發(fā)部,遼寧 沈陽 110142)

針對伺服刀架的傳動(dòng)特點(diǎn)，分析了伺服刀架勻速轉(zhuǎn)位加減速轉(zhuǎn)位、和多步轉(zhuǎn)位的轉(zhuǎn)位原理和轉(zhuǎn)位特點(diǎn)，并推導(dǎo)了轉(zhuǎn)位時(shí)間與電動(dòng)機(jī)扭矩、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系的計(jì)算公式。依據(jù)伺服刀架的轉(zhuǎn)位特點(diǎn)，歸納了伺服刀架的電動(dòng)機(jī)選型原則。將伺服刀架轉(zhuǎn)位時(shí)間和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理應(yīng)用于實(shí)際電動(dòng)機(jī)選型和調(diào)速中，應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和可靠性，為伺服刀架設(shè)計(jì)、調(diào)試工程實(shí)踐提供參考。

伺服刀架;伺服電動(dòng)機(jī);轉(zhuǎn)位時(shí)間

伺服刀架采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，完成刀盤的分度轉(zhuǎn)位，實(shí)現(xiàn)車床的換刀功能。主要技術(shù)參數(shù)包括：轉(zhuǎn)位時(shí)間、中心高、刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、刀架承載能力等。其中轉(zhuǎn)位時(shí)間是衡量換刀快慢的重要指標(biāo)，決定了刀架的換刀效率，與刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒輪減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比、電動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速有著重要的關(guān)系。而刀架承載能力決定車床切削時(shí)刀架能夠承受的切削力的大小。

本文主要研究伺服刀架轉(zhuǎn)位時(shí)間的影響因素，以及和伺服電動(dòng)機(jī)的關(guān)系，為伺服電動(dòng)機(jī)選型和調(diào)試提供參考。

1　轉(zhuǎn)位時(shí)間

1.1勻速單步轉(zhuǎn)位時(shí)間

伺服刀架單步勻速轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位時(shí)間：

其中：ts為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s，φ為單步轉(zhuǎn)位角度，rad；ω為轉(zhuǎn)位速度，rad/s。

1.2加減速單步轉(zhuǎn)位時(shí)間

伺服刀架單步加減速轉(zhuǎn)位如圖1所示，轉(zhuǎn)位時(shí)間：

其中，ta為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s；α為角加速度，rad/s2。

加減速轉(zhuǎn)位過程中，驅(qū)動(dòng)扭矩為：

T=Jα+me

其中：T為轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，N·m；J為轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；α為角加速度，rad/s2；me為不平衡轉(zhuǎn)矩，N·m。

不平衡轉(zhuǎn)矩可通過平衡品質(zhì)等級評定：

G=eω/1 000

其中：G為平衡品質(zhì)等級，機(jī)床的驅(qū)動(dòng)部件可取2.5；e為轉(zhuǎn)子偏心距，m。

1.3多步轉(zhuǎn)位時(shí)間

如圖2所示。

αi=Mi/J=ω0/tii=1,2

其中：t0、t1、t2分別為勻速、加速和減速的轉(zhuǎn)位時(shí)間，ω0為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)速度，α1、α2分別為加速和減速的角加速度，M1、M2為加速和減速的扭矩，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2　伺服電動(dòng)機(jī)選型

2.1斷續(xù)工作區(qū)要求

伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)位的扭矩應(yīng)該滿足斷續(xù)工作區(qū)要求，其中斷續(xù)工作區(qū)如圖3陰影部分所示。

電動(dòng)機(jī)的最大扭矩Mmax大于實(shí)際驅(qū)動(dòng)扭矩M：

Mmax>M

電動(dòng)機(jī)在實(shí)際扭矩M下的最大轉(zhuǎn)速Nx大于實(shí)際轉(zhuǎn)速n：

Nx>n

2.2電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算

選擇刀架驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)需要滿足轉(zhuǎn)速要求和扭矩要求。

電動(dòng)機(jī)的最大扭矩Mmax應(yīng)大于加減速單步轉(zhuǎn)位時(shí)的扭矩要求：

允許轉(zhuǎn)速Nx大于加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)速

允許轉(zhuǎn)速Nx大于單步勻速轉(zhuǎn)位時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速：

其中：s為安全系數(shù)；γ單步轉(zhuǎn)位角度(單位°)；i為傳動(dòng)比。

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1轉(zhuǎn)位時(shí)間理論計(jì)算

某12刀位伺刀架主要技術(shù)參數(shù)：刀架驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)比，含刀柄刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.25 kg·m2，不平衡扭矩me=32 N·m，單工步γ=30°僅轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間ts=0.07 s，單工步含加減速轉(zhuǎn)位時(shí)間ta=0.12 s,齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)比為i=1:48。

電動(dòng)機(jī)勻速轉(zhuǎn)位時(shí)轉(zhuǎn)速

忽略摩擦，視加減速時(shí)的加速度值相等，電動(dòng)機(jī)扭矩

此加速時(shí)的最高轉(zhuǎn)速為

可選某伺服電動(dòng)機(jī)Mmax=7.16 Nm>M=5.79 Nm，Nr=5 000 r/min>n=4 000 r/min。

3.2伺服刀架電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

計(jì)算的刀架的實(shí)際伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)試，如圖4所示。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=1.09 kg·m2，加載不平衡扭矩為me=30.68 N·m，經(jīng)試驗(yàn)調(diào)試30°單工步含加減速轉(zhuǎn)位時(shí)間為0.116 s。

實(shí)際測試如圖5所示。自上而下為速度曲線、電動(dòng)機(jī)電流曲線、參考位置曲線和實(shí)際位置曲線。

4　結(jié)語

本文研究了伺服刀架的轉(zhuǎn)位時(shí)間，包括：勻速轉(zhuǎn)位、加減速轉(zhuǎn)位和多步轉(zhuǎn)位。分析了轉(zhuǎn)位時(shí)間和電動(dòng)機(jī)扭矩、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。伺服刀架電動(dòng)機(jī)選型需要滿足斷續(xù)工作區(qū)要求，即實(shí)際扭矩小于電動(dòng)機(jī)最大扭矩，實(shí)際轉(zhuǎn)速小于電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速。

上述原理應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算與電動(dòng)機(jī)調(diào)速中，應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了分析的可靠性和合理性，為伺服刀架的電動(dòng)機(jī)選型和調(diào)試提供參考。

[1]現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]劉建功,范力旻.慣量與伺服電機(jī)[J].微電機(jī): 2007,40(4):96-98.

[3]吳祖育,秦鵬飛.數(shù)控機(jī)床[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2008.

(編輯孫德茂)

如果您想發(fā)表對本文的看法，請將文章編號(hào)填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

·名詞解釋·

超塑性等溫模鍛將具有超塑性的金屬毛坯與模具一起加熱并保持在材料的超塑性溫度范圍內(nèi)，以蠕變方式使之模鍛成形。鈦合金和高溫合金等用于超塑性等溫模鍛的毛坯應(yīng)具有超細(xì)晶粒。這種毛坯可以用合金的超細(xì)粉末經(jīng)熱等靜壓方法制成。超塑性等溫模鍛因變形抗力小,需要設(shè)備的功率僅為普通模鍛的1/5至1/10。鍛件尺寸精確，組織均勻，適用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤和壓氣機(jī)盤等零件。

多向模鍛利用可分模具在水壓機(jī)一次行程的作用下鍛出形狀復(fù)雜、無毛邊、無模鍛斜度或小模鍛斜度的鍛件。它是一種擠、鍛相結(jié)合的綜合工藝。與普通模鍛相比，只需一次加熱，能減少工序和節(jié)約能源，提高鍛件的性能，適用于制造飛機(jī)的起落架、槳轂、導(dǎo)彈的噴管、閥門等零件。

Research and application of drive motor of servo turret

GUO Zhichun

(Research and Development Department of Design and Research Institute, Shenyang Machine Tool (Group) Co., Ltd., Shenyang 110142, CHN)

According to the characteristics of servo turret transmission, uniform speed, accelerate and decelerate, and multistep indexing principles and features were analysed, and calculation formulas between indexing time and motor torque and motor speed were derived. Based on servo turret transmission and indexing feature, servo motor selection methods were proposed. Principles of indexing time and motor torque and motor speed were used in a calculation instance and a debugging instance, application examples indicate that the method was reasonable and feasible.

servo turret; servo motor; indexing time

TM383.4

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.009

郭智春，男，1983年生，碩士，工程師，主要從事數(shù)控機(jī)床刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

2015-01-05)

160718