所需電機啟動轉矩的計算

quegfeng

現有這么一個機械手傳動機構：



如上圖，已知的
機構轉速n=13r/min
擺臂機構總質量為m1=135kg
旋轉軸直徑d=65mm
旋轉半徑r=1m旋轉部件主要外徑R=0.04
擺臂受水平外力F外=50N
電機通過減速機構i=50此處為蝸輪蝸桿；效率太低，已修正為錐齒輪，總減速比i=30
軸承摩擦系數μ取0.08(此處取值比查表大的多)
機構傳動效率η取0.85
安全系數S=2.5~4.5
電機加速時間t=0.5~3s，取1.5s
電機啟動需克外力矩摩擦阻力矩和慣量矩M
機構所受阻力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
機構慣量按J=0.125mR^2+mr^2計算
機構慣量j2=0.125*135*0.04^2+135*1=135 kg·m2
旋轉軸加速度α1=2*PI*n/60t=0.907 rad/s^2
慣性力矩M(N*m)=j2*α1=122 N.m


由此得出所需電機的啟動扭矩Tj=(Mw+M+Mf)*s/（i*η）=17 N.m
所需電機的額定扭矩T=T=(Mw+Mf)*s/（i*η）=5 N.m

我們現有的機構是用渦輪蝸桿，減速比i=50，假設其傳動效率η=0.45
那么Tj=20N.m;T=6N.m,然而實際上我們采用130的步進電機，該步進電機最大鎖定扭矩在50N.M;當速度大于13時候，機構完全動不了。
這邊求助各位大神，你們是怎么計算該機構所需的扭矩的？












補充內容 (2017-12-14 23:18):
補充1.外力F是在旋轉部件切向方向,是阻力

水水5

嗯，細看了一下，
1.機構慣量公式中的系數0.125是出自何處？
總體問題不大
2.步進電機的最大鎖定扭矩和輸出扭矩是兩回事，輸出扭矩多少？
3.摩擦力的計算這個過程中，有些問題。首先軸承的摩擦力矩肯定很小，在良好潤滑的情況下是0.00015這個級別。但是如果是脂潤滑，可能阻力會高很多，取決于你的脂的質量。所以這個地方要重點檢查裝配。軸承是否不同心，其他有沒有直接接觸的摩擦等等。如果手動旋轉都有些費勁，那么就要排查一下。

xue428032

步進電機的慣性距公式好像很復雜，不是這個吧

xue428032

而且步進電機的扭矩圖升降幅度太大了，不太喜歡用

塵世天涯

提幾個建議啊，供樓主參考

1. 外力50N的方向是朝哪里的？如果是圖片中標注的，則不應考慮啟動時候的阻力矩。如果不是，是否一直跟轉動方向相反？如果不是，則某些狀況下外力會成為動力？
2. 加速時間0.5s~3s，通常是按照0.5s的極限工況計算，樓主取了1.5s，不知道是出于什么考慮
3. 安全系數是最會被別人挑戰的，為什么會有這個值？出于什么考慮，為什么去2.5而不是2.6？如果找不到出處，就不應該放安全系數
4. 樓主的計算已經很詳細，不過1米長的橫桿，旋轉軸減速機，減速機與旋轉軸之間的傳動桿，電機自身的轉動慣量需要考慮進去，因為1米長的橫桿，慣量可不小
5. 步進電機應重點考慮在輸出達到13r/min的時候的轉矩，因為步進電機隨著轉速的增加，扭矩下降很快

總體來說，思路很正確，考慮已經很詳細了

機械——菜鳥

速度大于13？單位呢？那個軸。如果是步進單機輸出軸轉速是13r/s的話，開環步進電機，即使不加載荷，驅動配合不好的話，搞不好都不會轉。如果是13r.min那么扭矩下降的因素不用去考慮，因為這個轉速低到不會影響電機輸出。

quegfeng

水水5 發表于 2017-12-14 16:58
嗯，細看了一下，
1.機構慣量公式中的系數0.125是出自何處？
總體問題不大

按質心旋轉體的慣量計算1/8mr^2;用油潤滑，工作油溫在30°~40°左右，具體粘度沒有具體參數。

quegfeng

xue428032 發表于 2017-12-14 17:04
步進電機的慣性距公式好像很復雜，不是這個吧

是機構比較麻煩而已

quegfeng

塵世天涯 發表于 2017-12-14 17:41
提幾個建議啊，供樓主參考

1. 外力50N的方向是朝哪里的？如果是圖片中標注的，則不應考慮啟動時候的阻力 ...

1.外力方向是變得，總的來說在旋轉方向反向是一直有分力，不會超過50N（實際是用磁粉制動器拉薄膜，磁粉制動器額定12N.M）2.加速時間沒有限定，實際總我們現在取2s，PLC程序可以設置，使用中其實因為需求轉速比較低，減速比30，機構轉速13r/min，電機轉速也才390，加速時間在2之內，1s開外。
3.安全系數查閱相關資料推薦是2.5~4；取小是因為機構太過笨重，取大的話，發現很多轉動件，傳動軸還是太小了，這是考慮的一方面
4.嗯，使用的雷賽的130，50N步進，按他給的矩頻曲線來說，在600轉速的時候還有30N.M

quegfeng

機械——菜鳥 發表于 2017-12-14 20:51
速度大于13？單位呢？那個軸。如果是步進單機輸出軸轉速是13r/s的話，開環步進電機，即使不加載荷，驅動配 ...

,認真看下，這是經過減速后旋轉部件的轉速13r/min