机电装备设计(13)

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1、1步进电机的计算和选用步进电机使用范围相当广泛，很难建立统一的选择程序。设计人员通常根据实际的要求，用类比法或凭自己的经验用逐次逼近法来选择电动机型式、尺寸及齿轮传动装置。选用步进电动机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电动机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电动机。根据步进电机的应用特点大致可分为三种主要类型：第1类是作为位置伺服系统，如开环控制数控机床伺服元件，在这类系统中，步进电机要能应答偶发指令，并具有一定的运行精度和定位精度。1

2、切削负载特点是：低速时，进行切削进给需要较大的输出转矩；高速时，一般只移动力架或工作台而不进行切削，较小的输出转矩就够了(如图虚线所示)。因而，步进电机很适合这类伺服机构大转矩(低速)、高速度(空行程)和高精度的要求。第I类负载转矩图2第Ⅱ类是作为各种材料的固定尺寸进给驱动。如冲压床的自动送料；钢材、纸张、塑料薄膜的固定尺寸传送控制等。它要求电动机按照一定的节拍将负载传送一定距离，如图所示。为了提高生产率，必须高速度，如何选择开环控制脉冲频串分布图(即速度图)是一关键问题。第Ⅱ类负载速度图3第Ⅲ类用于少数步增量运动中作驱动元件，在这类应用

3、中，重要的特性是起始加速度和稳定时间。要求电动机起动快，停稳时间短。下面对第一类负载的步进电机选择作一分析说明，其它二类负载的步进电机的选择可参考有关资料。4(1)第1类负载的步进电机选择步骤下面以数控机床进给伺服机构为例，介绍选择步进电机的步骤。1)根据加工精度要求确定脉冲当量选择步距角脉冲当量δ直接影响加工零件的精度、表面粗糙度及进给速度。①对精度要求较高数控机床如线切割机床、坐标镗床，脉冲当量δ可取0.001-0.0025mm／p，以保证0.01-0.005mm的加工精度;②加工精度在0.01—0.02mm范围的数控铣床、钻床、车床

4、的脉冲当量δ可取0.005—0.01mm／p;③对于简易数控冲床等不太精密的机床或设备，脉冲当量可取0.1-0.15mm／p;④对于同步驱动系统，脉冲当量δ还可选择更大些。5脉冲当量确定以后，步距角可以按照式算出:式中θ--步距角(。)；t--丝杆螺距(m)；i--传动比；δ--脉冲当量(m／p)2)根据快速进给速度，确定步进电机最高工作频率数控机床进给速度与电动机运行频率有着严格对应关系，机床的极限进给速度，v(m/min)受电动机最高运行频率约束。6式中，vmax——机床运行最高速度(m/min)fmax——步进电机最高运行频率(Hz

5、)δ——脉冲当量(mm/p)步进电机的最高运行频率fmax与电机结构形式、驱动电源种类及控制方式有关。样本虽已给出fmax，但驱动电源和控制方式改变，fmax也改变。有些厂家为适应用户需要，同一规格步进电机产品往往有高速和低速之分，两者外型尺寸完全相同，仅绕组电感不同。所以应根据机床要求的极限速度确定电机型式和最高运行频率。3)根据负载转矩或阻力，选择步进电机转矩若进给速度要求的频率大于起动频率，电动机包含加速运行。电动机除了必须克服数控机床施加给它的负载转矩外，还要提供由于速度变化引起的惯性加速转矩。7可分为两种不同情况：①快速进退刀时

6、所需转矩。Tel=Ta1+T12式中Te1---快速退刀时电动机的转矩；Ta1—-惯性加速转矩；T12—-移动刀架或工作台的摩擦转矩。②切削进给所需转矩。Te2=Ta2+T12+Te式中Te2——切削加工时电动机的转矩；Ta2——切削加工时加速转矩；Te——克服切削抗力所需的转矩；8上述两种运行状态，对于数控机床来讲始终是交替出现。步进电机应同时满足上述两种状态下的转矩要求，因此需要分别计算各种转矩，取二者中较大者作为选择电动机转矩的依据。产生加速度a所需惯性转矩Ta(N．m)可按下式计算式中f0、fn——加速开始及终止时的脉冲频率(Hz

7、)；t——加速过程时间(，)；J------步进电机转子和负载惯量(kg·m2)。克服切削抗力，加到电机轴上的负载转矩Te(N·m)按下式计算9式中Fs——在运动方向产生的走刀抗力(N)；η——驱动系统机械效率。与轴承、齿轮丝杠螺母等传动副的数量和质量有关，按机床设计有关资料选取；δ及θs——脉冲当量(mm/Hz)及步距角(。)。③移动工作台加到步进电机轴上的摩擦负载转矩Tl2(N．m)按下式计算，式中m--工作台质量(包括工件、夹具质量在内)(kg)μ——摩擦系数，按机床设计手册选取，如滑动导轨μ=0.05-0.16，滚动导轨μ=0.0

8、05~0.03，静压导轨μ=0.0005；10Fs——垂直方向的切削分力(空行程时Fz=0)(N)η---—驱动系统的效率4)根据选定电动机惯频特性校核系统的起动性能负载转动惯量直接影响电动机