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5 步进电机及其传动机构的确定 5.1 步进电机的选用 5.1.1脉冲当量和步距角 已知脉冲当量为1μm/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为0.36o/STEP（二倍细分）。 5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 电机起动力矩： 式（5.1） 式中: M为滚珠丝杠所受总扭矩 Ml为外部负载产生的摩擦扭矩，有: 式（5.2） =92×0.025/2×tg（2.91+0.14） =0.062N·m M2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： 式（5.3） 式中: K—预紧时的摩擦系数，0.1—0.3 Ph—导程，4cm Fao——预紧力， 有：Fao=Fao1+Fao2 取Fao1=0.04×Ca=0.04 ×1600=640N Fao2为轴承的预紧力，轴承型号为6004轻系列，预紧力为Fao2＝130N。故根据式（5.3）： M2=0.098 N·m 齿轮传动比公式为：i=φ× Ph /(360×δp)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： 式（5.4） =360×M×δp /φ×η×Ph 式中: δp =lμm/STEP=0.0001cm/STEP； M= M1+ M 2= 0.16N φ=0.36o/STEP q=0.85 Ph＝0.4cm η＝0.953 则根据式（5.4）： Tq=360×0.16×0.0001/(3.6×0.85×0.4)=0.4 N·m 因Tq/TJM=0.866(因为电机为五相运行)。则步进电机最大静转矩TJM=Tq/0.866=0.46 N·m 5.1.3确定步进电机最高工作频率 参考有关数控激光切割机床的资料,可以知道步进电机最高工作频率不超过1000Hz。 根据以上讨论并参照样本,确定选取M56853S型步进电机，该电机的最大静止转矩为0.8 N·m，转动惯量为235g/cm2 5.2齿轮传动机构的确定 5.2.1传动比的确定 要实现脉冲当量lμm/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为： 式（5.5） 式中：Ph —为滚珠丝杠导程 φ—为步距角 δp—为脉冲当量 根据前面选定的几个参数，由式（5.4）得： =0.36×4/360×0.001 =4:1=Z2/Z1 根据结构要求,选用Z1为30，Z2为120 5.2.2齿轮结构主要参数的确定 ①齿轮类型：选择直齿加工方便。 ②模数选择：本工作台负载相当轻,参考同类型的机床后,选择m＝1齿轮传动侧隙的消除。 ③中心距的计算： A=m×（Z1+ Z2） 式（5.6） =1×(30+120)/2=75mm 齿顶高为1mm，齿根高为125mm，齿宽为20mm。 ④齿轮材料及热处理： 小齿轮Z1采用40Cr，齿面高频淬火; 大齿轮Z2采用45号钢，调质处理。 5.3步进电机惯性负载的计算 由资料知，激光切割机的负载可以认为是惯性负载。机械机构的惯量对运动特性有直接的影响。不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在开环系统中对运动的平稳性也有很大的影响，因此要计算惯性负载。限于篇幅，在此仅对进给系统的负载进行计算。 惯性负载可由以下公式进行计算： 式（5.7） 式中：JD为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。 J0为步进电机转子轴的转动惯量e J1为齿轮Zl的转动惯量 J2为齿轮Z2的转动惯量 J3为齿轮Z3的转动惯量 mn为系统工作台质量 Vm为工作台的最大移动速率 ωD为折算成单轴系统电动机轴角速度 各项计算如下： 已知： J0＝0忽略不计， mn=112.5Kg 齿轮惯性转矩计算公式： 式（5.8） 其中： ρ为回转半径 G为转件的重量 滚珠丝杠的惯性矩计算公式： 式（5.9） 最后计算可得： J1=0.1×10-3Kg. m2 J2=1.32×10-3Kg. m2 J3=2.98×10-4Kg. m2 J4=1.14×10-5Kg. m2 Vm=12 m/s ωD=2πrad/s 故惯性负载根据式（5.7）得： JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J2＋J3）+ J4 (Vm/ωD)2×mn =17.3 Kg. cm2 此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。 |
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