步進電動機的選擇與計算
（眉山職業技術學院 四川 眉山 620020）
【摘 要】本文以C616車床改為開環式數控車床的設計計算，為根據車床參數，選擇步進電動機提供了可靠易行的計算方法和步驟。
【關鍵字】轉矩 轉動慣量 負載起動性能
數控產品設計時，根據工作系統的力學模型，計算選擇步進電動機或伺服電動機的規格型號，是進行數控產品設計的一個重要環節。因為電動機的參數決定著數控系統中各功能模塊的性能參數，各功能模塊都要與電動機相匹配，這里以用普通車床C616改為簡易數控車床為例。說明步進電動機的計算過程。
1 c616車床的各參數
1．1改進后的傳動系統
簡易數控車床即開環式控制將c616車床的縱向進給系統常采用步進電動機驅動滾軸絲桿，帶動裝有刀架的拖板作往復直線運動。其工作原理如圖
改進后的車床傳動系統
1.小刀架 2.橫向步進電動機 3.橫向滾珠絲桿 4.大拖板
5.縱向滾珠絲桿 6.縱向步進電動機
1.2 各參數
1.2.1各拖板重量w=1500N
1.2.2拖板與導軌貼塑板間摩擦系數U=0.06
1.2.3 最大走刀抗力FZ（與運動方向相反）=1400N
1.2.4 最大主切削力FY（與導軌垂直）=2800N（最大走刀抗力和主切削力可根據普通C616車床的電動機功率和車削時車刀的主偏角為900 時計算而得出）
1.2.5 拖板進給速V1 =10~500毫米/分
1.2.6 車刀空行程速度V2 =200毫米/分
1.2.7 滾珠絲桿導程L=6毫米
1.2.8 滾珠絲桿節圓直徑d0 =30毫米
1.2.9 絲桿總長L=1000毫米
1.2.10 定位精度0.01毫米
2 確定步進電動機的型號
2.1脈沖當量的選擇
脈沖當量：一個指令脈沖使步進電動機驅動拖動的移動距離 =0。01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）
初選之相步進電動機的步距角0.750 /1.50 ，當三相六拍運行時，步距角￡=0.750 其每轉的脈沖數S= =480 p/r
步進電動機與滾珠絲桿間的傳動比i
i= = =1.25
在步進電動機與滾珠絲桿之間加Z1 =20，Z2 =25 模數m=2.5的一對齒輪。齒輪的模數根據c616車床，掛輪齒類比確定。
2.2 等效負載轉矩的計算
2.2.1 空載時的摩擦轉矩TLF
TLF = = =0.086N.M
2.2.2 車削加工時的負載轉矩TL
TL =
=
=1.584N.M
u---- 摩擦系數
w----拖板重量
L----導程
i----傳動比
FZ---最走刀抗力
Fy ------最大切削力（N）
----滾動絲桿傳動效率
2.3 等效轉動慣量計算
2.3.1滾珠絲桿的轉動慣量Js
Js= Kg.m2
2
步進電動機的選擇與計算
（眉山職業技術學院 四川 眉山 620020）
【摘 要】本文以C616車床改為開環式數控車床的設計計算，為根據車床參數，選擇步進電動機提供了可靠易行的計算方法和步驟。
【關鍵字】轉矩 轉動慣量 負載起動性能
數控產品設計時，根據工作系統的力學模型，計算選擇步進電動機或伺服電動機的規格型號，是進行數控產品設計的一個重要環節。因為電動機的參數決定著數控系統中各功能模塊的性能參數，各功能模塊都要與電動機相匹配，這里以用普通車床C616改為簡易數控車床為例。說明步進電動機的計算過程。
1 c616車床的各參數
1．1改進后的傳動系統
簡易數控車床即開環式控制將c616車床的縱向進給系統常采用步進電動機驅動滾軸絲桿，帶動裝有刀架的拖板作往復直線運動。其工作原理如圖
改進后的車床傳動系統
1.小刀架 2.橫向步進電動機 3.橫向滾珠絲桿 4.大拖板
5.縱向滾珠絲桿 6.縱向步進電動機
1.2 各參數
1.2.1各拖板重量w=1500N
1.2.2拖板與導軌貼塑板間摩擦系數U=0.06
1.2.3 最大走刀抗力FZ（與運動方向相反）=1400N
1.2.4 最大主切削力FY（與導軌垂直）=2800N（最大走刀抗力和主切削力可根據普通C616車床的電動機功率和車削時車刀的主偏角為900 時計算而得出）
1.2.5 拖板進給速V1 =10~500毫米/分
1.2.6 車刀空行程速度V2 =200毫米/分
1.2.7 滾珠絲桿導程L=6毫米
1.2.8 滾珠絲桿節圓直徑d0 =30毫米
1.2.9 絲桿總長L=1000毫米
1.2.10 定位精度0.01毫米
2 確定步進電動機的型號
2.1脈沖當量的選擇
脈沖當量：一個指令脈沖使步進電動機驅動拖動的移動距離 =0。01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）
初選之相步進電動機的步距角0.750 /1.50 ，當三相六拍運行時，步距角￡=0.750 其每轉的脈沖數S= =480 p/r
步進電動機與滾珠絲桿間的傳動比i
i= = =1.25
在步進電動機與滾珠絲桿之間加Z1 =20，Z2 =25 模數m=2.5的一對齒輪。齒輪的模數根據c616車床，掛輪齒類比確定。
2.2 等效負載轉矩的計算
2.2.1 空載時的摩擦轉矩TLF
TLF = = =0.086N.M
2.2.2 車削加工時的負載轉矩TL
TL =
=
=1.584N.M
u---- 摩擦系數
w----拖板重量
L----導程
i----傳動比
FZ---最走刀抗力
Fy ------最大切削力（N）
----滾動絲桿傳動效率
2.3 等效轉動慣量計算
2.3.1滾珠絲桿的轉動慣量Js
Js= Kg.m2
2.3.2拖板的運動慣量
Jw= kg.m2
2.3.3大齒輪的轉動慣量Jg2（大齒接圓直徑62.5毫米 寬10毫米）
Jg2 = kg.m2
2.3.4小齒輪的轉動慣量Jg1（小齒接圓直徑50毫米 寬12毫米）換算系列電機軸上的總轉動慣量JL
kg.m2
換算到電動機軸上的總轉動慣量JL
=
=7.33 10-4 Kg.m2
2.4 初選步進電動機型號
根據車削時負載轉距TL=1.58N.M和電動機總轉動慣量JL=7.33x10-4,,初步選定電動型號為110BF003反應式步進電動機。該電動機的最大靜扭距Tmax=8.1N.M，轉子轉動慣量 Jm=4.7 10-4kg.m2
為了使步進電動機具有良好的起動能力及較快的響應速度應為：
及
空載時起動時間計算（ta）
110BF003步進電動機的最小加、減速度時間為1秒
2.4.1帶慣性負載的最大起動頻率fL的計算
電動機空載起動頻率
2.4.2帶慣性負載的最大轉速
轉/分
2.4.3帶慣性負載起動力矩Tm電動機起動矩------頻率特性曲線
Tm=2.6N.M
2.4.4 負載時起動時間ta
ta=
該電機帶慣性負載時能夠起動
2.5速度驗算
2.5.1 空行程快速移動速度的驗算
從電動機的運行矩----頻率特性曲線查得fmax=6000HZ時，電動機轉矩0.9N.M>TLF=0.086N.M（空載時的摩擦轉矩）
2.5.2工作行程速度計算
當T =1.584N.M時，電動機對應頻率f 3000HZ
以上計算，選該型號步進電動機，無論是起動性能，還是空行程快速進給，還是工作行進給速度都能滿足c616車床的設計要求
3 結論
3.1 根據普通車床的電機和切削速度計算出最大切削力和走刀抗力
FC= FZ （車刀主偏角900，零件材料45#鋼）
3.2 計算出空載時摩擦轉矩TLF 和加工時負載轉矩TL
3.3 計算機械傳動系統換算到電機軸上的總慣量JL
3.4初選步進電動型號：
TM
3.5校核電動機起動性能，驗算空行程速度和工作行程速度
選定步進電動機后，步進電動機的性能參數，為數控系統，特別是輸出接口，驅動電源模塊型號的選擇提供依據。
【參考文獻】
（補充完整）格式要求：作者.書名.出版社名稱.出版日期.
【1】機電一體化產品設計.
【2】數控車床原理.
【3】金屬切削手冊.
【4】工程力學.
【5】機械設計手冊.
