步进电机驱动滚珠丝杠传动分析与应用

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1、DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2014.12.041第38卷第12期步进电机驱动滚珠丝杠传动分析与应用１７１文章编号：１００４－２５３９（２０１４）１２－０１７１－０３步进电机驱动滚珠丝杠传动分析与应用廖伟强１１２２３何佳兵李丽秀谢再晋黄伟权（１中山职业技术学院机电工程系，广东中山５２８４０４）（２华南理工大学物理学院，广东广州５１０６４１）（３深圳市嵩姗科技有限公司，广东深圳５１８１２５）摘要精密滚珠丝杠传动在现代自动化领域广泛应用。分析了步进电机驱动滚珠丝杠传动机构的传动刚度、受力情况、传动比和运动控制，解决了快速传动、精确定位和运动控制的问题。并通过实例进行

2、了验证，效果良好。关键词滚珠丝杠快速传动精确定位运动控制ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｔｅｐｐｅｒＭｏｔｏｒＤｒｉｖｅｎＢａｌｌＳｃｒｅｗＤｒｉｖｅ１１２２３ＬｉａｏＷｅｉｑｉａｎｇＨｅＪｉａｂｉｎｇＬｉＬｉｘｉｕＸｉｅＺａｉｊｉｎＨｕａｎｇＷｅｉｑｕａｎ（１ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＺｈｏｎｇｓｈａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｉｎｉｃ，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ５２８４０４，Ｃｈｉｎａ）（２ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４１，Ｃ

3、ｈｉｎａ）（３ＳｈｅｎｚｈｅｎＳｏｎｇｓｈａｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８１２５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＰｒｅｃｉｓｉｏｎｂａｌｌｓｃｒｅｗｄｒｉｖｅｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍｏｄｅｒｎａｕｔｏｍａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｆｏｒｃｅ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｎｂａｌｌｓｃｒｅｗｄｒｉｖｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｆａｓｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｃｃｕｒａｔｅｐｏｓｉｔｉｏ

4、ｎｉｎｇａｎｄｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｓｇｏｏｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＢａｌｌｓｃｒｅｗＦａｓｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＡｃｃｕｒａｔｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＭｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ连接，而且滑块可以在沿着导轨左右运动；滑块通过０引言连接套实现与丝杠的连接，丝杠由端部的挡板、轴承、随着现代制造技术对自动化的需求，各行各业广联轴器和步进电机支撑，由步进电机提供动力。泛采用各式的机械手。滚珠丝杠传动机构可以将旋当步进电机带动丝杠逆时针旋转，则连接套会被转运动转变为直线运动，或将直线

5、运动转变为旋转运拖动受到往下运动的力，此力传动到滑块上，滑块通动，体积小、使用灵活、结构紧凑、安装方便，具有传动过滚轮和导轨实现往下的运动。反之，当步进电机运效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长和同步动方向相反，则滑块向上运动。性能好等优点，因而可广泛应用于各种工业设备、精［１］密仪器和精密数控机床中。尤其在要求精确传动和定位的场合中具有极其突出的优点。本文中我们以两相步进电机及滚珠丝杠为研究对象，进行了传动与控制的分析，并在实际应用中对其进行了参数的选择与验证。１原理与结构传动的机构的结构原理图如１所示。机构由支撑块支撑与受力，支撑块两侧分别有两条不锈钢圆柱图１传动机构结构示意图导轨，

6、４个滚轮通过固定螺丝螺母实现导轨与滑块的本机构运动及其推动力主要依靠步进电机、丝１７２机械传动2014年杠、滑块及滚轮。滚轮除了起到运动的导向作用外，式中，Ｑ为丝杆所受轴向载荷；ｄ为螺纹中径；β为螺还起到承受外力的作用，所有的外力均由这里的４个旋升角；λ摩擦角。滚轮和导轨承受，因此这４个滚轮的装配、选材和加假设丝杠的倾覆力臂为Ｄ，径向载荷为Ｐ，则倾工精度要求比较高；否则，会导致丝杠受侧向力，而导覆力矩Ｍｑ为致运动传输效率降低，甚至出现卡死情况。１Ｍｑ＝Ｐ（ｄ＋Ｄ）（８）２２传动分析可得出阻力矩Ｍｒ＝Ｍｍｃ＋Ｍｑ，转角θ可以根据式（９）求出２．１传动刚度分析在载荷作用下，进给滚珠丝杠副的轴向弹性

7、变形ＫＭｄ－Ｍｒθ＝［１－ｃｏｓｔ］（９）为［２］槡ＪＫ如果已知丝杆的导程为Ｌ０则启动阶段运动的距Ｆδａ＝（１）Ｋａ离为丝杠的扭转变形为θＳｔ＝Ｌ０（１０）Ｍ２πθ＝（２）ＫＴ如果稳定运行阶段的瞬时转速为ｖ１，则此角折算成滚珠丝杠副的轴向变形量为Ｍｄ＝ａ＋ｂｖ１（１１）δｂ＝Ｍ×ｔ×１０３＝Ｆ×（ｔ）２×１０３（３）式中，ａ、ｂ为电机的机械特性系数，可从电机参数查μｍＫＴ２πＫＴ２π得。进一步运算