关于步进电机驱动滚珠丝杠传动，电机扭矩计算。。。。

493841 · 发表于 2010-10-12 16:46:21

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升降机构为步进电机驱动，联轴器连接电机和滚珠丝杠。螺母座连接滚珠螺母和物体。物体重量为100Kg。上升速度为10mm/s，丝杠直径20mm，导程5mm.
请问如何计算电机所需的扭矩？？另外断电后电机如何自锁不让物体自动向下活动？另外这个传动机构的可行性咋样？

zoomwe · 发表于 2010-10-12 18:55:05

可以近似用以下公式计算:
丝杆推力计算公式: F=2πM/P
F是指推力N
π是指pi ,就是3.1415926.......
M指电机扭矩,N.m
P指丝杆导程单位为m
如果是电机选型的话,把算出的M值,再乘上1.25 (取电机效率为80%)

jackchangzhou · 发表于 2010-10-13 08:00:21

本帖最后由 jackchangzhou 于 2010-10-13 08:11 编辑

由于选用的是步进电机，不是恒扭矩输出，因此建议电机选型时一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大 50%~100% 的电机,因为步进电机不能过负载运行,哪怕是瞬间,都会造成失步,严重时停转或不规则原地反复动。

493841 · 发表于 2010-10-13 09:07:40

3# jackchangzhou 那实际的力矩如何计算呢？？？

软体动物 · 发表于 2010-10-13 10:05:08

楼主这种机构，可行性，为0

建议，用齿轮齿条机构！！效率高，寿命长！！加工容易！！

楼主的滚珠丝杠，工作环境很苛刻，加工费用高！！

493841 · 发表于 2010-10-13 14:00:28

5# 软体动物 能具体说明一下为何这种机构可行性为0？？？丝杠传动精密度很高的

软体动物 · 发表于 2010-10-13 14:25:03

精密度高，不等于能载荷100公斤！！

数控机床一般用这种机购，

但载荷，根本就是20公斤之内！！

越精密，载荷越小！！

493841 · 发表于 2010-10-13 16:19:28

7# 软体动物 为什么这种结构载重才20公斤？？能具体说明一下么？

ZWMZQL · 发表于 2010-10-14 10:26:12

楼主：
因滚珠丝杠不能自锁，如有可能，改用带刹车功能的伺服电机。

h_jinliang · 发表于 2010-10-18 18:00:19

匀速运行，非精确计算可以套用以下公式：Ta=（Fa*I）/（2*3.14*n1）
式中
Ta：驱动扭矩kgf.mm；
Fa：轴向负载N（Fa=F+μmg， F：丝杠的轴向切削力N，μ：导向件的综合摩擦系数，m：移动物体重量(工作台+工件)kg，g:9.8 ）；
I：丝杠导程mm；
n1：进给丝杠的正效率。

计算举例：

假设工况：水平使用，伺服电机直接驱动，2005滚珠丝杠传动，25滚珠直线导轨承重和导向，理想安装，垂直均匀负载1000kg，求电机功率：

Fa=F+μmg，设切削力不考虑，设综合摩擦系数μ=0.1，得Fa=0.1*1000*9.8=980N；

Ta=（Fa*I）/（2*3.14*n1），设n1=0.94，得Ta=980*5/5.9032≈830N.mm=0.83N.M

根据这个得数，可以选择电机功率。以台湾产某品牌伺服为例，查样本得知，额定扭矩大于0.83N.M的伺服电机是400W。（200W是0.64N.M，小了。400W额定1.27N.M，是所需理论扭矩的1.5倍，满足要求）

当然咯，端部安装部分和滚珠丝杠螺母预压以及润滑不良会对系统产生静态扭矩，也称初始扭矩，实际选择是需要考虑的。另外，导向件的摩擦系数不能单计理论值，比如采用滚珠导轨，多套装配后的总摩擦系数一定大于样本参数。而且，该结果仅考虑驱动这个静止的负载，如果是机床工作台等设备，还要考虑各向切削力的影响。

若考虑加速情况，较为详细的计算可以参考以下公式（个人整理修正的，希望业内朋友指点）：

水平使用滚珠丝杠驱动扭矩及电机功率计算：

实际驱动扭矩：T=(T1+T2)*e

T：实际驱动扭矩；

T1：等速时的扭矩；

T2：加速时的扭矩；

e：裕量系数。

等速时的驱动扭矩：T1=（Fa*I）/（2*3.14*n1）

T1：等速驱动扭矩kgf.mm；
Fa：轴向负载N【Fa=F+μmg， F：丝杠的轴向切削力N，μ：导向件综合摩擦系数，m：移动物体重量(工作台+工件)kg，g:9.8 】；
I：丝杠导程mm；
n1：进给丝杠的正效率。

加速时的驱动扭矩：T2=T1+J*W

T2:加速时的驱动扭矩kgf.m;

T1:等速时的驱动扭矩kgf.m;

J:对电机施加的惯性转矩kg.m²【J=Jm+Jg1+(N1/N2)²*［Jg2+Js+m(1/2*3.14)²］】

W:电机的角加速度rad/s²;

Jm:电机的惯性转矩kg.m²;

Jg1:齿轮1的惯性转矩kg.m²;

Jg2:齿轮2的惯性转矩kg.m²;

Js:丝杠的惯性转矩kg.m²

（电机直接驱动可忽略Jg1 、Jg2）

若采用普通感应电机，功率根据以下公式计算：

P=TN/9549

P：功率；T：扭矩；N：转速

修正说明：原“计算举例”中综合摩擦系数设定为0.01，导致计算结果不合理（最开始扭矩结果应是0.083N.M，算成0.83是我单位换算错误），现将其修改为相对较合理的0.1。修改原因是滚珠导轨内滚动体的理论摩擦系数大约是0.003~0.005，组装后因为增加了端部防尘件和预压的原因，摩擦系数大约为0.01~0.05，而多套多滑块同时使用因安装方面的影响，整体摩擦系数可能在0.1~0.2之间，这里选0.1应该比较合理。应注意，计算结果没有考虑冲击、震动以及其他非常因素的影响，而且螺旋升角对推力的影响反应似乎不够合理，因此这个结果只供参考

yofam · 发表于 2010-10-19 21:45:21

本帖最后由 wakang 于 2010-10-28 20:50 编辑

如果你有THK产品选型手册的话就好办了，A册里面滚珠丝杆一项里有现成的计算举例，其实说是10楼所说的方法。不过这只是理论计算，在理想状态下的。实际中存在很多不确定性因素，比如组件本身或相互之间的摩擦力、装配精度不同所产生的阻力也不同。
   我们也用过楼主的这种结构，装配精度高一点的话是没问题的，但有一点要指出：两边导向装置最好不要用直线轴承（间隙大），要用直线导轨。
   另外，根据10楼或2楼计算出来的结果偏小，实际上，如果用步进，至少要6Nm的。伺服用400W的也小了。
   如果用步进还要断电自锁，我有两个办法：1，像升降电梯一样加加配重（这样还可以减小电机的功率）；2，上面加拉簧，丝径4mm圈径40mm的一边一条。

补充一点哈：希望楼主下次发图时搞清楚一点，太模糊了，看着累眼睛。
# k9 A6 W A+ Z3 |6 C% S2 ryofam 发表于 2010-10-19 21:48 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif

493841 · 发表于 2010-10-21 11:51:58

12# yofam
不会要这么大吧？能给个计算过程吗？我选的2.5Nm的步进电机

493841 · 发表于 2010-10-21 11:55:36

升降机构为步进电机驱动，联轴器连接电机和滚珠丝杠。螺母座连接滚珠螺母和物体。丝杠转动，螺母上下升降，物体重量为100Kg。上升速度为10mm/s，丝杠直径20mm，导程5mm.
哪位高人给计算一下电机扭矩。

syc_chun · 发表于 2010-10-21 13:35:26

在网上摘录了一段你想要的答案。
F你可以根据自重（运动时候的加速度可以忽略）、承载力和摩擦力计算出来；
则就可以计算出电机的输出功率P2，在根据效率计算出输入功率P1，最后计算出扭矩N。

输出功率P2=FV，哪你就可以求得输入功率P1=P2/(n1*n2)。n1为轴承效率0.99,n2为螺纹传动效率0.6。得到输入功率你就可以计算出你想要的扭矩T。扭矩与功率的换算公式推导　　假设一圆的半径为r(单位为m)，扭矩为T(单位为N-m)，则圆周上切线方向的力F=T/r，由于功率的定义为「每秒钟所作的功」，对于圆周而言，每旋转一圈所作的功为：F×圆周总长2πr 将F=T/r代入计算，每一圈所作的功Work=F×2πr=(T/r)×2πr=2πT，再乘上引擎转速rpm就是每分钟所作的功，但功率P的单位是N-m/sec ，所以需除以60，转换成每秒所作的功。代入公式：P=T2πrpm/60，将常数整理后，则可得P(kW)=Trpm/9545。

yofam · 发表于 2010-10-21 19:15:53

都说啦：“不过这只是理论计算，在理想状态下的。实际中存在很多不确定性因素，比如组件本身或相互之间的摩擦力、装配精度不同所产生的阻力也不同。”
虽然说“经验害死人”，但绝对不能太靠理论，它只起指导作用。
经验也不能照搬照招，在别人那里适用在你那里不一定好用。仅供参考。
亲身试验才是真的。

fengyunltw · 发表于 2010-10-21 19:52:30

负载偏心,建议步进电机别直接连接丝杠,可加减速装置,防止步进电机低频工作,亦可自锁,提高承载能力!!

pproee88 · 发表于 2010-10-21 21:38:11

光杆要保持平行；直线轴承是那么用吗

hejingke · 发表于 2010-10-22 12:55:21

兄弟，我不知道你对直线轴承熟不熟，像你那样的结构，钳工很难调节两导向杆的平行，我建议你，导向杆一端固定，一端活动，而且导向杆两端固定板比较好，活动端可以做一个法兰，调好位置后配钻通孔就可以了。

soulovs · 发表于 2010-10-22 18:35:47

两端导杆是个问题，高手解决下。

493841 · 发表于 2010-10-23 09:37:36

4# hejingke 能给个具体结构吗

zga3318060 · 发表于 2010-10-23 10:27:28

2楼的说的详细，有个简单的算法
T=F*l/（2πη）
说明：T电机的扭矩；；F重量；l丝杠的螺距；π为3.14；η效率，取值0.95；
若是双电机驱动，F重量取1/2

xjl200204121 · 发表于 2010-10-29 17:46:56

综合以上楼层的高手的解答，我帮您总结出来以下问题
1 缺乏自锁，我个人觉得这个不是问题，在选择滚珠丝杠的时候有自锁型的，但是可以多层自锁，垂直上升下降自锁很重要。涉及安全无小事
2 光杆两端应该固定，一般导杆普遍采用固定，但得注意能调整，使滑动顺畅。
3 直线轴承壳选择法兰式，图纸中的好像不是这样的，这样轴向固定也可以采用卡簧，但这样容易卡卡，钳工不好操作
另外针对您的结构，我个人有以下意见。
1 您的电机座，设计不十分合理，这样设计拆卸不是很方便。这种做法，电气方面也不易接线，如果电机有问题，必须拆除图中的电机支撑。
2 联轴器不好安装和拆卸
3 建议将滚珠丝杠另一端固定，可以喝光杆固定在一个件上。
4 建议加一个感应器，确定步进电机的初始位置以方便自动化。

flyliufuyao · 发表于 2010-10-31 20:54:52

类似机构我们有做，电机通过涡轮减速器带动丝杆，可实现自锁，两边的导向光杆无需轴承，光杆表面精度提高，配作光杆轴座，间隙配合，光杆轴座连接固定在物体支撑上，即ok了。
关于两光杆的同轴度，使用两块底板，上下各一块即可。

大鹏展翅 · 发表于 2010-11-2 21:21:14

不用自己做滚珠丝杆直接选螺旋升降机它本身带丝杆和涡轮能传动又能自锁的

ligushi · 发表于 2010-11-9 15:39:56

请问一下这一串东西"&sup2"代表着什么意思？

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