船用件加工設(shè)備改造中步進(jìn)電動機選擇

韓 紅

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

我廠機加工車間10臺C616A普通臥式車床常年加工船用管接頭，已出現(xiàn)加工精度不足、生產(chǎn)效率降低及部分零件損壞等問題，經(jīng)過多方論證及全面考慮，決定對其進(jìn)行數(shù)控化改造。主體方案如下：加裝藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)；拆掉主運動換向機構(gòu)及單速電動機，更換為變頻器控制多速電動機實現(xiàn)無級調(diào)速并安裝螺紋編碼器；拆除進(jìn)給箱、溜板箱，更換為縱、橫向步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)及同步帶減速箱并更換為滾珠絲杠副。整個改造中進(jìn)給系統(tǒng)的變化最大，同步帶減速箱、滾珠絲杠副、步進(jìn)電動機及驅(qū)動器都要經(jīng)過嚴(yán)格計算，縝密選擇，難度較大。下面對縱向進(jìn)給用步進(jìn)電動機的整個選擇過程進(jìn)行闡述。

1 電動機選擇前的必備數(shù)據(jù)

C616A的最大加工尺寸為φ320×750 mm，橫、縱向溜板行程分別為195 mm、820 mm。改造后縱向刀架快移速度vzmax=6 m/min，最快工進(jìn)速度vzmaxf=0.8 m/min，Z方向脈沖當(dāng)量δz=0.01 mm/脈沖。

切削力估算為縱向進(jìn)給切削力Ff=935.69 N，主切削力Fc=2673.4 N，背向力Fp=1069.36 N。移動部件總重量約為G=1000 N，摩擦系數(shù)μ=0.15，總效率 η=0.9。

滾珠絲杠副選擇北京信必優(yōu)軸承有限公司的THK滾珠絲杠副，型號為BIF3206-5的軸端未加工精密滾珠絲杠副，絲杠公稱直徑D=32 mm，導(dǎo)程P=6 mm，總長L=1230 mm，額定動載荷Ca=13.9 kN。

步進(jìn)電動機預(yù)選為深圳市雷賽智能控制股份有限公司的雷賽兩相混和式步進(jìn)電機，步距角α為 1.8°，若配上半步驅(qū)動器步距角應(yīng)為α=0.9°。則同步帶減速器傳動比i=α·P/360·δz=1.5 ， 進(jìn) 而 計 算 小 帶 輪 直 徑d1=48.51 mm，大帶輪直徑d2=68.22 mm，帶寬bs=25.4 mm。

2 初選電動機

電動機的選型主要是根據(jù)電動機最大速度nm，最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax和電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM三大參數(shù)。一般要求步進(jìn)電動機的最大速度nm控制在600～1200 rpm之間，而最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax和轉(zhuǎn)子慣量JM要分別遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq和負(fù)載慣量JL，具體選擇如下。

2.1 計算電動機最大速度nm

步進(jìn)電動機的最大轉(zhuǎn)速一般在 600～1200 rpm之間，計算公式如下：

nm= vzmax/P=1000 rpm。

2.2 計算電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jm

電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的計算公式：

轉(zhuǎn)換到電動機軸上的負(fù)載慣量JL的計算公式為：

先計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=9.9 kg·cm2，工作臺折算到滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Jw=0.93 kg·cm2，大、小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為Jz1=1.083 kg·cm2、Jz2=5.486 kg·cm2，將這些結(jié)果代入式 1，結(jié)果如下：

電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jm=i2·Js=22.275 kg·cm2。

以上具體計算過程如下：

2.3 計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq

負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括電動機空載時負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作時負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即Teq=Teq1+Teq2。

式中，Tamax為快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，Tf為移動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，Tt為折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。具體計算過程如下：

1）快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax計算公式如下：

式中的步進(jìn)電動機的加速時間t0一般取0.25s。

2）移動部件時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf計算公式如下：

則 Teq1=Tamax+Tf=2.3+0.1=2.4 N·m。

電動機工作時的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq=max｛Teq1，Teq2｝=2.4 N·m。

2.4 初選電動機

在選擇電動機時，一般要求電動機最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax≥sTeq，其中s為安全系數(shù)，可以取1～4，這里s=4，即所選的步進(jìn)電動機最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax≥9.6 N·m 即可。

而電動機轉(zhuǎn)子慣量一般要求JM＞JL/（2.5～3），這里取最大 2.5，即JM＞6.96 kg·cm2即可。

根據(jù)以上兩個條件初選雷塞兩相混合式步進(jìn)電動機，型號110HS20，靜扭矩20 N·m（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 9.6 N·m），轉(zhuǎn)子慣量 11 kg·cm2（大于 6.96 kg·cm2），直接配驅(qū)動器型號MA860H。

3 步進(jìn)電動機性能校核

3.1 最快工進(jìn)速度時電機輸出轉(zhuǎn)矩校核

1） 最快工進(jìn)速度時電機對應(yīng)運行頻率

2） 根據(jù)電機運行矩頻特性曲線，當(dāng)fmaxf=1333 Hz時，對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=15 N·m。

3） 而工作時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq=2.31 N·m，Tmaxf＞＞Teq，合格。

3.2 最快空載移動時電機輸出轉(zhuǎn)矩校核

1）最快空載移動速度時電機對應(yīng)運行頻率fmax=v/60αp=10000 Hz。

2）根據(jù)電機運行矩頻特性曲線，當(dāng)fmax=10000 HZ時，對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=6 N·m。

3）而空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf=0.1 N·m，Tmax＞Tf，合格。

3.3 最快空載移動時電機運行頻率校核

最快空載移動時電機對應(yīng)運行頻率fmax=10000 Hz。而初選電機時空載運行頻率為15000 Hz，大于fmax，合格。

3.4 起動頻率的計算

步進(jìn)電動機克服慣性負(fù)載的起動頻率為：

根據(jù)前面的計算結(jié)果電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量Jeq=Jm+JL=39.67 kg·cm2，初選電機的轉(zhuǎn)子慣量 11 kg·cm2，空載啟動頻率fq=1500 Hz，將這些數(shù)值代入上式，fL=699 Hz。此結(jié)果說明，要想保證步進(jìn)電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于 660Hz。實際上，在采用軟件降頻時，起動頻率選得很低，通常只有100 Hz。

綜上所述，本次初選的電動機110HS20，可以滿足工作要求。

4 橫向進(jìn)給用電動機選擇

改造后橫向刀架快移速度vxmax=3 m/min，最快工進(jìn)速度vxmaxf=0.4 m/min，X方向脈沖當(dāng)量δx=0.005 mm/脈沖。

滾珠絲杠副仍選擇北京信必優(yōu)軸承有限公司的 THK滾珠絲杠副，型號為 BIF2505-5的軸端未加工精密滾珠絲杠副，絲杠公稱直徑D=32 mm，導(dǎo)程P=5 mm，總長L=520 mm，額定動載荷Ca=9.2 kN。

經(jīng)過與縱向電動機選擇類似的計算，橫向電動機最大轉(zhuǎn)速nm=600 rpm，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jm=26.25 kg·cm2，轉(zhuǎn)換到電動機軸上的負(fù)載慣量JL= 15.2 kg·cm2，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq=9.3 N·m，電動機轉(zhuǎn)子慣量JM＞JL/（2.5～3），這里取最大2.5，即JM＞6.08 kgcm2即可，最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax≥9.3 N·m。根據(jù)以上兩個條件初選雷塞兩相混合式步進(jìn)電動機，型號86HS85。

將縱、橫向電動機的初選型號及相關(guān)參數(shù)與廠家協(xié)商并訂購產(chǎn)品，廠家反饋意見中建議將橫向步進(jìn)電動機型號更換為 110HS12，靜扭矩 12 N·m，轉(zhuǎn)子慣量 5.5 kgcm2，直接配驅(qū)動器型號MA860H。

5 結(jié)論

本文通過精密的計算代替以往步進(jìn)電動機選擇中常采用的經(jīng)驗估算法，雖然普通機床數(shù)控化改造已是成型技術(shù)，但對這種中小型普通機床改造非常少，本文就是通過這種研究探索以便找到一種普遍性規(guī)律，為此種方法的推廣打下良好基礎(chǔ)。

此次選擇的 20臺步進(jìn)電動機及驅(qū)動器，安裝好后，運行良好，不但大大提高了生產(chǎn)效率，而且節(jié)約了成本。

[1] 尹志強. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

[2] 韓紅. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京: 中國人民大學(xué)出版社, 2013.

[3] THK綜合產(chǎn)品目錄, 2013.