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        船用件加工設(shè)備改造中步進電動機選擇

        2014-03-20 02:23:40
        船電技術(shù) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:慣量轉(zhuǎn)動慣量滾珠

        韓 紅

        (渤海船舶職業(yè)學院,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,決定對其進行數(shù)控化改造。主體方案如下:加裝藍天數(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;拆除進給箱、溜板箱,更換為縱、橫向步進驅(qū)動系統(tǒng)及同步帶減速箱并更換為滾珠絲杠副。整個改造中進給系統(tǒng)的變化最大,同步帶減速箱、滾珠絲杠副、步進電動機及驅(qū)動器都要經(jīng)過嚴格計算,縝密選擇,難度較大。下面對縱向進給用步進電動機的整個選擇過程進行闡述。

        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,最快工進速度vzmaxf=0.8 m/min,Z方向脈沖當量δz=0.01 mm/脈沖。

        切削力估算為縱向進給切削力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 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要分別遠遠大于負載轉(zhuǎn)矩Teq和負載慣量JL,具體選擇如下。

        2.1 計算電動機最大速度nm

        步進電動機的最大轉(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 計算負載轉(zhuǎn)矩Teq

        負載轉(zhuǎn)矩包括電動機空載時負載轉(zhuǎn)矩和工作時負載轉(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載轉(zhuǎn)矩:

        負載轉(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電動機,型號110HS20,靜扭矩20 N·m(遠遠大于 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 步進電動機性能校核

        3.1 最快工進速度時電機輸出轉(zhuǎn)矩校核

        1) 最快工進速度時電機對應(yīng)運行頻率

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

        3) 而工作時的負載轉(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

        步進電動機克服慣性負載的起動頻率為:

        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,最快工進速度vxmaxf=0.4 m/min,X方向脈沖當量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載慣量JL= 15.2 kg·cm2,負載轉(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: 中國人民大學出版社, 2013.

        [3] THK綜合產(chǎn)品目錄, 2013.

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