【文章內(nèi)容簡介】 /step，快速進給速度：步距角： ??? /step。 步進電動機的選擇 步進電動機的工作原理及特點 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。每接受一個電脈沖，在驅(qū)動電源的作用下，步進電動機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及速度分別與輸入的控制電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相 序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，所以用微機很容易實現(xiàn)步進電機的開環(huán)數(shù)字控制 [4]。 步進電機的工作原理為：假定轉(zhuǎn)子具有均勻分布的四個齒，尺寬及間距一致，故齒距為 3600/4=900，三對磁極上的齒（亦即齒距）亦為 900 均布，但在圓周方向一次錯過1/3 齒距 [5]。如果先將電脈沖夾道 U 相勵磁繞組，定子 U 相磁極就產(chǎn)生磁通，并對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁吸力，使轉(zhuǎn)子離 U 相磁極最近的兩個齒與定子的 U 相磁極對齊， V磁極上的齒相對于轉(zhuǎn)子齒在逆時針方向錯過了 300,W 磁極上的齒將錯過 600。當 U 相斷電，在將電脈沖電流通入 V 相勵磁繞組，在 磁吸力的作用下，使轉(zhuǎn)子與 V 相磁極靠的最近的另兩個齒與定子的 V 相磁極對齊，轉(zhuǎn)子眼逆時針方向轉(zhuǎn)過 300角，這個角度就叫步距角。步進電動機的步距角越小，意味著所能達到的位置控制精度越高 [6]。 根據(jù)上述工作原理，步進電動機有下列特點： (1)步進電動機受數(shù)字脈沖信號控制，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，即 θ =N? 式中 θ —— 電動機轉(zhuǎn)過的角度 N —— 控制脈沖數(shù) a —— 步距角。 數(shù)控拋光機的設(shè) 計 7 (2)步進電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖數(shù)成正比。 (3)步進電動機的轉(zhuǎn)向可以通過改變通電順序來改變。 (4)步進電動機具有自鎖能力，一旦停止輸入脈沖，只要維持繞組通電，電動機就可以保持在該固定位置。 (5)步進電動機工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動、電流大小與波形的變化、溫度等）影響，只要干擾未引起步進電動機產(chǎn)生“丟步”，就不會影響其正常工作。 (6)步進電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)積累誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其積累誤差為“零”，不會長期積累。 (7)易于直接與微機的 I/O 接口，構(gòu)成開環(huán)位置伺服系統(tǒng) [8]。 步進電動機的廣泛 應用，使系統(tǒng)簡化，并可靠的獲得較高的位置精度。反應式步進電動機又叫做可變磁阻式步進電動機，簡稱 VR 步進電動機。反應式步進電動機種類很多，可以有不同的相數(shù)，不同的磁路結(jié)構(gòu)，不同的繞組連接等。但是它們的工作原理相同。反應式步進電動機在我國研制較早，生產(chǎn)量較大，典型的是 BF 系列，并已制定了國家標準。我國可生產(chǎn)機座 28 至 200 各種型號，最大靜轉(zhuǎn)矩可以從 至 *m，步距角從 15度至數(shù)分多種 [9]。 反應式步進電動機結(jié)構(gòu)較簡單。通過對反應式步進電動機工作原理的分析，發(fā)現(xiàn)同一臺電動機可以有不同的通電方式 ，可以有不同的拍數(shù)。反應式步進電動機可以做成不同的相數(shù)，例如 8 相等均可以，其基本的工作原理同三相時相同，也可以在不同的通電方式下運行。 反應式步進電動機的特點： (1)氣隙小 定轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。從制造工藝上考慮，氣隙大一些為好，但從電機性能上看，在勵磁電流相同時，氣隙越小，磁通密度越高，電磁轉(zhuǎn)矩越大。在定轉(zhuǎn)子齒對齒的狀態(tài)下，氣隙越小，定位精度越高。所以一般反應式步進電動機的氣隙都做得很小，約在 3050 范圍內(nèi)。 (2)步距角小 因為反應式步進電動機定轉(zhuǎn)子是采用軟磁材料做成的，沒有 磁鋼，靠磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在機械加工所能允許的最小步距情況下，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)可以做得很多。 (3)勵磁電流較大：要求驅(qū)動電源功率較大。 (4)電機的內(nèi)部阻尼較小：當相數(shù)較小時單步運行振蕩時間較長。 (5)斷電后無定位轉(zhuǎn)矩。 步進電動機的選擇計算過程 (1)選擇電機 脈沖當量小可提高加工精度，但使系統(tǒng)復雜。一般加工精度在 ~ mm 的數(shù)控銑、鉆、鏜床，可選為 mm /step，初步確定 ??b? /step。 1)轉(zhuǎn)動慣量計算： 菏澤學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 8 工作臺 質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 : ? ? GJ p ?? 21 180 ??? ? ? 8 0 1 2 8 0 2 ???? cmkg?? 273 cmN?? 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： lDJ 442 ??? 44 ???? ? cmN ?? 聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)動慣量： 查手冊得 23 60 cmNJ ?? 2J 、 3J 與電機同軸，故可直接相加，則總轉(zhuǎn)動慣量為： 2321 . CMNJJJJ ??????? 2)轉(zhuǎn)動力矩計算： 快速空載時所需力矩： 0m a x MMMM f ??? 最大切割負載時所需力矩： tfat MMMMM ???? 0 快速進給時所需力矩： 0MMM f ?? 式中 maxaM —— 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 fM —— 折算到電機軸上的摩擦力矩 0M —— 由于絲杠預緊所引起折算到電機軸上的附加摩擦力矩 atM —— 切割時折算到電機軸上的加速度力矩 tM —— 折算到電機軸上的切削力矩負載 JM 4na ??? 當 maxnn? 時， aMM ?max cmNmNM ?????? ?? ? 4m a x 當 ?? ， ??f 時 ??2 0GlfMf ?? cmNcmk gfM f ?????? ??? 當 ?? 時，預加載荷xFP 310 ?，則 數(shù)控拋光機的設(shè) 計 9 ? ? ? ?cmNcmk g flFMcmNcmk g flFMxtx. . 1022000???? ??????? ?????????? 所以，快速空載啟動所需力矩： cmNMMMM fa .3 3 6 7 4 90m a x ??????? 快速進給時所需力矩： cmNMMM f . ????? 拋光時所需力矩： cmNMMMM tf . ??????? 由以上計算分析可知：所需最大力矩 cmNM .3 61m a x ? (2)步進電動機的確定： cmNMM q . m a x ??? 為滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知： ?jmqMM 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距 jmM 為 cmNMM qjm . ??? 步進電機最高工作頻率： HZVfp 100060 m a xm a x ???? ? 綜合考慮，查表選用 110BF004 型直流步進電機能滿足使用要求 (3）電機性能參數(shù)： 步距角 ?? ?? 最大靜轉(zhuǎn)距 最高空載啟動頻率 500step/ s 運行頻率 7000setp/s 相數(shù) 3相 電壓 30V 相電流 4A 外徑 110mm 長度 125mm 軸徑 16mm 重 60N 菏澤學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 10 滾珠絲杠的設(shè)計 計算 滾珠絲杠螺母的特點 滾珠絲杠螺母副能保證機床進給動作靈敏、傳動效率和傳動精度高的要求。 滾珠絲杠螺母副中絲杠及螺母的工作表面為弧型螺旋槽，裝配后形成螺旋滾道，在螺旋滾道內(nèi)放入一定數(shù)量的滾珠，使絲杠與螺母在工作時形成動摩擦。 滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小、傳動效率高、所需傳動轉(zhuǎn)矩小、靈敏度高，低速運動平穩(wěn)性好、磨損小、精度保持性好，使用壽命高，可通過預緊和間隙消除措施保證其反向轉(zhuǎn)動精度。缺點是加工復雜，成本高，垂直安裝時不能自鎖。滾珠絲杠螺母副中，滾珠的循環(huán)方式分外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)二種方式 。滾珠在返回過程中與絲杠脫離接觸的為外循環(huán)方式。為保證反向傳動精度和機構(gòu)的軸向剛度，必須消除絲杠螺母的軸向間隙，并應適當預緊。在很多情況下，通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)來解決。 滾珠絲杠螺母的選擇原則 XYZ 工作臺中 X、 Y、 Z 方向的移動，可以采用螺旋機構(gòu)或者齒輪齒條傳動機構(gòu)，這兩種均可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動 [10]。因為此機構(gòu)以傳遞運動為主，要求有較高的傳動精度，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用螺旋機構(gòu)，但是螺旋機構(gòu)中滑動絲杠與螺母之間的相對運動時，磨損較為嚴重，影響傳動精度，壽命短，效率低，不能滿足高速度 、高效率和高精度等傳動要求。為了使傳動靈敏又能滿足精度要求，選用滾珠螺旋機構(gòu)，也就是采用了滾珠絲杠螺母機構(gòu)傳動。 滾珠絲杠的選擇與校核 根據(jù)實際工作， 取 2 K N2FFp1 K N ,FF,1 K NF ffcf ????? 。 則導軌工作時間的軸向力 Pm為： Pm= G)( cf ??? = 8 0 0 0 )+( 1 0 0 00 . 0 0 5+1 0 0 0 1 . 1 ?? =1145N (k 和 f? 是直線滾動導軌的摩擦系數(shù)，分別取 和 )。 (1) 絲杠的最大載荷： 1145NPF mm ax ?? 絲杠的最小載荷： 40N8 0 0 00 .0 0 5f . GF m in ???? 平均載荷： NFFFm 40229032 m inm a x ????? 最大進給時絲杠的轉(zhuǎn)速： min200510 000m a xm a x rlvn ??? 最低轉(zhuǎn)速取： min5min rn ? 平均轉(zhuǎn)速： m in1353 52021 rnav ???? 絲杠的工作壽命取 15000h, 精度系數(shù)： 1?af 運動狀態(tài)系數(shù)： ?wf 數(shù)控拋光機的設(shè) 計 11