所需电机启动转矩的计算

quegfeng · 发表于 2017-12-14 14:50:43

本帖最后由 quegfeng 于 2017-12-14 15:30 编辑

现有这么一个机械手传动机构：

如上图，已知的
机构转速n=13r/min
摆臂机构总质量为m1=135kg
旋转轴直径d=65mm
旋转半径r=1m旋转部件主要外径R=0.04
摆臂受水平外力F外=50N
电机通过减速机构i=50此处为蜗轮蜗杆；效率太低，已修正为锥齿轮，总减速比i=30
轴承摩擦系数μ取0.08(此处取值比查表大的多)
机构传动效率η取0.85
安全系数S=2.5~4.5
电机加速时间t=0.5~3s，取1.5s
电机启动需克外力矩摩擦阻力矩和惯量矩M
机构所受阻力F=F摩擦力+F力=F=μm1g+μF外=112N
阻力矩Mw=F*d=112*0.065=7.28 N.m
外力矩Mf=F外*r=50 N.m
机构惯量按J=0.125mR^2+mr^2计算
机构惯量j2=0.125*135*0.04^2+135*1=135 kg·m2
旋转轴加速度α1=2*PI*n/60t=0.907 rad/s^2
惯性力矩M(N*m)=j2*α1=122 N.m

由此得出所需电机的启动扭矩Tj=(Mw+M+Mf)*s/（i*η）=17 N.m
所需电机的额定扭矩T=T=(Mw+Mf)*s/（i*η）=5 N.m

我们现有的机构是用涡轮蜗杆，减速比i=50，假设其传动效率η=0.45
那么Tj=20N.m;T=6N.m,然而实际上我们采用130的步进电机，该步进电机最大锁定扭矩在50N.M;当速度大于13时候，机构完全动不了。
这边求助各位大神，你们是怎么计算该机构所需的扭矩的？

补充内容 (2017-12-14 23:18):
补充1.外力F是在旋转部件切向方向,是阻力

水水5 · 发表于 2017-12-14 16:58:04

嗯，细看了一下，
1.机构惯量公式中的系数0.125是出自何处？
总体问题不大
2.步进电机的最大锁定扭矩和输出扭矩是两回事，输出扭矩多少？
3.摩擦力的计算这个过程中，有些问题。首先轴承的摩擦力矩肯定很小，在良好润滑的情况下是0.00015这个级别。但是如果是脂润滑，可能阻力会高很多，取决于你的脂的质量。所以这个地方要重点检查装配。轴承是否不同心，其他有没有直接接触的摩擦等等。如果手动旋转都有些费劲，那么就要排查一下。

xue428032 · 发表于 2017-12-14 17:04:43

步进电机的惯性距公式好像很复杂，不是这个吧

xue428032 · 发表于 2017-12-14 17:08:14

而且步进电机的扭矩图升降幅度太大了，不太喜欢用

尘世天涯 · 发表于 2017-12-14 17:41:44

提几个建议啊，供楼主参考

1. 外力50N的方向是朝哪里的？如果是图片中标注的，则不应考虑启动时候的阻力矩。如果不是，是否一直跟转动方向相反？如果不是，则某些状况下外力会成为动力？
2. 加速时间0.5s~3s，通常是按照0.5s的极限工况计算，楼主取了1.5s，不知道是出于什么考虑
3. 安全系数是最会被别人挑战的，为什么会有这个值？出于什么考虑，为什么去2.5而不是2.6？如果找不到出处，就不应该放安全系数
4. 楼主的计算已经很详细，不过1米长的横杆，旋转轴减速机，减速机与旋转轴之间的传动杆，电机自身的转动惯量需要考虑进去，因为1米长的横杆，惯量可不小
5. 步进电机应重点考虑在输出达到13r/min的时候的转矩，因为步进电机随着转速的增加，扭矩下降很快

总体来说，思路很正确，考虑已经很详细了

机械——菜鸟 · 发表于 2017-12-14 20:51:04

速度大于13？单位呢？那个轴。如果是步进单机输出轴转速是13r/s的话，开环步进电机，即使不加载荷，驱动配合不好的话，搞不好都不会转。如果是13r.min那么扭矩下降的因素不用去考虑，因为这个转速低到不会影响电机输出。

quegfeng · 发表于 2017-12-14 23:15:42

水水5 发表于 2017-12-14 16:58
嗯，细看了一下，
1.机构惯量公式中的系数0.125是出自何处？
总体问题不大

按质心旋转体的惯量计算1/8mr^2;用油润滑，工作油温在30°~40°左右，具体粘度没有具体参数。

quegfeng · 发表于 2017-12-14 23:16:36

xue428032 发表于 2017-12-14 17:04
步进电机的惯性距公式好像很复杂，不是这个吧

是机构比较麻烦而已

quegfeng · 发表于 2017-12-14 23:31:35

尘世天涯发表于 2017-12-14 17:41
提几个建议啊，供楼主参考

1. 外力50N的方向是朝哪里的？如果是图片中标注的，则不应考虑启动时候的阻力 ...

1.外力方向是变得，总的来说在旋转方向反向是一直有分力，不会超过50N（实际是用磁粉制动器拉薄膜，磁粉制动器额定12N.M）2.加速时间没有限定，实际总我们现在取2s，PLC程序可以设置，使用中其实因为需求转速比较低，减速比30，机构转速13r/min，电机转速也才390，加速时间在2之内，1s开外。
3.安全系数查阅相关资料推荐是2.5~4；取小是因为机构太过笨重，取大的话，发现很多转动件，传动轴还是太小了，这是考虑的一方面
4.嗯，使用的雷赛的130，50N步进，按他给的矩频曲线来说，在600转速的时候还有30N.M

quegfeng · 发表于 2017-12-14 23:35:49

机械——菜鸟发表于 2017-12-14 20:51
速度大于13？单位呢？那个轴。如果是步进单机输出轴转速是13r/s的话，开环步进电机，即使不加载荷，驱动配 ...

,认真看下，这是经过减速后旋转部件的转速13r/min

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