【文章內(nèi)容簡介】 控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠 步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題 速度響應(yīng)性能不同 交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM 僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合 步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分 鐘幾百轉(zhuǎn)）需要 200～ 400 毫秒 13 步進(jìn)電機(jī)選型計算 上述已初步確定采用二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，下面對具體的電機(jī)型號進(jìn)行選取計算，其中某些數(shù)據(jù)為大體估算值。 1. 傳動比 計算 脈沖當(dāng)量：一個指令脈沖使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動拖動的移動距離 ? =（輸入一個 指令脈沖工作臺移動 毫米） 初選二相步進(jìn)電機(jī)的步距角為 ，其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù) ： S=360176。 /φ （ 41） 步進(jìn)電機(jī)與 T型絲桿的傳動比： i=L/s? = (42) T 型絲桿導(dǎo)程 2mm,節(jié)圓直徑 8mm。 在步進(jìn)電機(jī)和 T型絲桿之間加 Z1=20， Z2=25 模數(shù) m= 的一對齒輪 。 2. 計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量 Jt Jt=J1+（ 1/i2)[(J2+Js） +W/g（ S/2π)2] = (43) J J2 齒輪慣量 () Js 絲桿慣量 () 3. 計算電機(jī)輸出的總力矩 M M=Ma+Mf+Mt= （ 44） Ma=（ Jm+Jt).n/T10ˉ2 （ 45） Mf=()/(2πηi)10ˉ2 （ 46） Mt=()/(2πηi)10ˉ2 （ 47） Ma 電機(jī)啟動加速力矩（ ) Jm、 Jt電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量 () n電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（ r/min） T電機(jī)升速時間（ s） Mf導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（ ) u摩擦系數(shù) η 傳遞效率 14 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M= 和總轉(zhuǎn)動慣量 Jt= ，選定步進(jìn)電機(jī)型號為 42BYG250B0151 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其 最大靜扭矩為 ，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為 57 ，符合要求。 第五章 齒輪的強(qiáng)度計算 齒輪的損壞原因及形式 齒輪傳動形式很廣，應(yīng)用廣泛，總體來說，齒輪傳動具備如下主要特點(diǎn)：效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比穩(wěn)定。 齒輪的損壞形式分三種：輪齒折斷、齒面疲勞剝落和移動換檔齒輪端部破壞。 輪齒折斷分兩種： 一是 輪齒受足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷；一是 輪齒再重復(fù)載荷作用下齒根產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展深度逐 漸加大，然后出現(xiàn)彎曲折斷。 齒輪工作時，一對相互嚙合，齒面相互擠壓，這時存在齒面細(xì)小裂縫中的潤滑油油壓升高，并導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，然后齒面表層出現(xiàn)塊狀脫落形成齒面點(diǎn)蝕。他使齒形誤差加大，產(chǎn)生動載荷，導(dǎo)致輪齒折斷。 3D 打印機(jī)要求能夠進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)動，齒輪容易產(chǎn)生疲勞而出現(xiàn)彎曲或者折斷現(xiàn)象。 齒輪的強(qiáng)度校核與計算 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) （ 1） 3D 打印機(jī)擠出部分要求齒輪在豎直方向轉(zhuǎn)動，選用直齒圓柱齒輪傳動。 （ 2） 3D 打印機(jī)為一般工作機(jī)器，故選用 7 級精度（ GB 10095— 88）。 （ 3）材料選擇。選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS，取失效概率為1%，安全系數(shù) S=1。 （ 4）選擇小齒輪齒數(shù)為 z1 =19，大齒輪齒數(shù) z2 =31。 15 （ 5）選取螺旋角，初選螺旋角 030?? 。 由齒面接觸強(qiáng)度計算 即 dt1 ? ? ?3 231 12 ?????????HHdt ZZuuTK ???? （ 51） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （ 1）試選 Kt =。 （ 2）選取區(qū)域系數(shù) ZH =。 （ 3）查表得 1?? =， 2?? =，則 ?? = 1?? + 2?? =+=。 （ 4）許用接觸應(yīng)力 ? ? SK HNH 1lim11 ?? ??=540MPa （ 52） ? ? ??? SK HNH 2lim22 ?? （ 53） ? ?H? = 2 21 HH ?? ? = （ 54） 計算 （ 1）試計算小齒輪分度圓直徑 dt1 ，由計算公式得 Te = ?????954 515n P105 N? mm （ 55） dt1 ? 3 25 ?????? ???? ??mm=64mm （ 56） （ 2）計算齒寬 b及模數(shù) mt b= td 1? =1?64=64mm 16 mt =11zdt =1964 = h= = ? = ??hb （ 3）計算縱向重合度 ?? ?? = ?? tan1zd =?1?19?tan300 （ 4）計算載荷系 數(shù) K 已知使用系數(shù) KA =1,根據(jù) v=， 7 級精度，查得動載系數(shù) KV =，查得K ?H = ， K ?F =,K ?H = ?FK =1 。 故 載 荷 系 數(shù)K= ?? HHVA KKKK =1 ??? = （ 5）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得 d1 =dt13tKK =64? 3 mm= （ 6） 計算模數(shù) mn =11coszd ? = 19 0? = 按 齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 由式 mn ? ? ?32121 c o s2FSaFadYYzYKT ??? ??? （ 57） 確定計算參數(shù) （ 1）計算載荷系數(shù) K=KA KV K?F K?F =1? ? 1? =。 （ 2）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 1FE? =500MPa，大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限 2FE? = 380MPa。 （ 3）取彎曲疲勞壽命系數(shù) K 1FN =,K 2FN =。 17 （ 4）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=，得 ? ?SK FEHNF 111 ?? ??= ?= （ 58） ? ? ???SK FEHNF 222 ?? 380088?= （ 59） （ 5)查齒形系數(shù) 查得 Y 1?F =,Y 2?F =。 （ 6）查取應(yīng)力校正系數(shù) 查得 Y 1?S =,Y 2?S =。 （ 7）計算大小齒輪的 ? ?FSF YY? ?? 并加以比較 ? ?111FSF YY? ?? = ? =； ? ?2 22F SF YY? ?? = ? = 大齒輪的數(shù)值大。 設(shè)計計算 m? 325 171 ?? ??= （ 510） 由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) 并就近圓整為 m=，算出小齒輪齒數(shù)z1 = =27， z2 =?27=40。 幾何尺寸計算 （ 1）計算分度圓直徑 d1 =z1 ? m=28? =70mm； d2 =40? =100mm （ 2）計算中心距 a= 221 dd? =85mm （ 3）計算齒輪寬度 b= 1dd?? =1?70=70mm 3D 打印機(jī)齒輪使用條件與其他產(chǎn)品相差不大， 包括 齒輪所用的材料、熱處 18 10tfW F K Kbty?? ?9 2m ax10 1geZ ZTT ZZ? ? ?10 2 gTF d?理方法、加工方法、精度等級 等。 因此，用 于計算通用齒輪強(qiáng)度公式更為簡化一些的計算公式來計算 打印機(jī) 齒輪，同樣可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。在這里所選擇的齒輪材料為 40Cr。 齒輪彎曲強(qiáng)度計算 （ 1） 直齒輪彎曲應(yīng)力 W? （ 511） 式中， W? 彎曲應(yīng)力（ MPa）；（ N）， F10t = dTg2 ，其中 Tg 為計算載荷（ Nmm），d 為節(jié)圓直徑。 圖 51 應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取 ； fK 摩擦力影響系數(shù)，主動齒輪取 ，從動齒輪取 ； b齒寬（ mm），取 20 t端面齒距（ mm）； y齒形系數(shù)，如圖 51 所示。 輸出 軸上的計算扭矩為： （ 512 =170? 1000? ? =659668Nm 故由 可以得出 10tF ；再將所得出的數(shù)據(jù)代入式（ 511）可得 19 j?1 2/gF T d?sinsinzzbbrr???? 10 MPa? ? 9 M Pa? ? 當(dāng)計算載荷取作用到 輸出軸 上的最大扭矩 maxeT 時，直齒輪的彎曲應(yīng)力在400~850MPa 之間。 齒輪接觸應(yīng)力 j? ???????? ?? bzj bFE ??? 114 1 （ 513） 式中， 齒輪的接觸應(yīng)力（ MPa）； F齒面上的法向力（ N）， 1 /(cos cos )FF ??? ； 1F 圓周力在（ N）， ； ?節(jié)點(diǎn)處的壓力角（ 176。）； ? 齒輪螺旋角（ 176。）； E齒輪材料的彈性模量（ MPa），查資料可取 3190 10E M Pa?? ； b齒輪接觸的實際寬度， 20mm； zb??、 主、從動齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（ mm）； 直齒輪： （ 514） （ 515） 其中， zbrr、 分別為主從動齒輪節(jié)圓半徑（ mm）。 將作用在 輸出軸 上的載荷 maxeT 作為計算載荷時， 打印機(jī) 齒輪的許用接觸應(yīng)力j? = MPa，符合滲碳齒輪 1900~2021 MPa 區(qū)間，因此， 所設(shè)計 打印機(jī) 齒輪的接觸應(yīng)力基本符合要求。 20 第六章 同步帶的設(shè)計計算 同步帶傳動特點(diǎn) 帶傳動是一種撓性傳動。 同步帶 傳動是由一根內(nèi)表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動 以及 齒輪傳動 各自的優(yōu)點(diǎn)。 同步帶傳動 對軸作用力小， 傳動比 精確 ，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，抗老化性能 優(yōu)越 ， 對于本方案中低速運(yùn)行的 3D 打印機(jī)來說實為不二選擇。 同步帶傳動運(yùn)用越來越廣泛，其特點(diǎn)如下： （ 1） 可用于長距離傳 動，中心距可達(dá) 10m 以上 ； （ 2） 后期 維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用 較 低； （ 3）傳動效率 比較 高，可達(dá) ； （ 4） 傳動 過程 平穩(wěn)，具有減振 、 緩沖 能力，噪聲低； （ 5）速比范圍大，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦； （ 6） 傳動 很精確 ，工作時無滑動 現(xiàn)象 ， 具備 恒定的傳動比 。 同步帶齒 分 梯形齒和弧齒兩類，弧齒又有三種系列：圓弧齒 (H 系列又稱 HTD帶 )、平頂圓弧齒 (S 系列又稱為 STPD 帶 )和凹頂拋物線齒（ R 系列 )。 梯形齒同步帶分單面有齒和雙面有齒兩種，簡稱為單面帶和雙面帶。雙面帶又按齒的排列方式分為 對稱齒型（代號 DA)和交錯齒型 (代號 DB〕。 梯形齒同步帶有兩種尺寸制：節(jié)距制 以及 模數(shù)制。我國 現(xiàn) 采用節(jié)距制 。 同步帶傳動失效形式 同步帶傳動常見的失效形式有如下幾種： （ 1） 同步帶的承載繩斷裂破壞 ； （ 2） 同步帶的爬齒和跳齒 ； （ 3） 帶齒的剪切破壞 ； （ 4）帶齒的磨損 ； （ 5）同步帶帶背的龜裂 。 通過 對同步帶傳動失效形式的分析，可知帶、輪的尺寸控制嚴(yán)格，如 果 同步 21 帶與帶輪材料有較高