步进电机实用案例
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步进电机实用案例
步进电机在三维扫描系统中的应用
三维扫描系统工作原理概述
通过57HS2A76-304型号步进电机控制滚珠丝杠带动滑块 运动，实现扫描仪竖直方向的运动。
选择86HS2A101-504-01步进电机控制支撑杆旋转，实现 扫描仪在竖直平面按一定角度旋转。
选择 86HS2A101-504-01步进电机控制电动回转台的旋转， 实现圆形电磁盘的360度旋转，从而实现对待检测工件的 自动扫描。
摆臂的长度300mm
,质量大约为 3kg
,扫描仪
整体的质量大约为 10kg
，根据这些已知条件可以求得要
想实现扫描仪俯仰角改变所需要的最大驱动功率，由此可以实现对
步进电机的选型
r1 0.15m, r2 0.3m
m1 3 10kg / m
l 0.3
l
0.3
J1 x2dx 10 x2dx 0.09kg • m2
J1 x2dx 10 x2dx 0.09kg • m2
0
0
J2 m2r22 10 0.32 0.9kg • m2
J L J1 J2 0.9 0.09 0.99kg • m2
J M 2.7 104 kg • m2 , 90%
ip
wM wL
JL
J M
0.99 2.7 104 0.9
摆臂的工作状况
摆臂用来实现改变扫描仪的俯仰角，摆臂在空行程是实现
最大的摆速
,最短加速时间
，从而计算求
得最大加速度
,当摆臂在水平位置加速启动时，
所需要驱动力矩最大。
wL 6 rad / s
t 1s
R wL rad / s2
t 6
G2 G1
摆臂的结构
l 0.3m
m1 3kg
m2 10kg
用运动控制卡来控制步进电机，控制步进电机在竖直方向 运动。
控制要求：利用运动控制卡控制步进电机匀速转动，从而 控制滑块在竖直方向的运动，当按下停止按钮时，点击马 上停止转动（电机轴锁住）。
按下脱机按钮，电机轴松开。
控制竖直方向运动步进电机的选择
对于步进电机的选择我们主要考虑了两个方面，一是电机 的最大静力矩，要求能够拖动负载。
2.滑座6上的步进电机通过减速器和联轴器直接驱动摆臂7 绕轴摆动，从而实现扫描仪俯仰角的变化。
3.工作台9可以实现360°旋转.
任务
根据扫描仪的工作原理可以确定为了实现扫描仪正常共作 所需要进行的工作：
1.根据实现扫描仪上下移动所需要的最大转矩选择步进电 机的类型；
2.进行惯量匹配所需要的减速器类型； 3.驱动摆臂摆动所需要的步进电机的选型； 4.进行惯量匹配所需要的减速器的类型； 5.实现工作台转动所需需要步进电机的类型。
二是选择电机的步距角，但是由于我们选择的是带细分功 能的驱动器，可以通过细分来改变步距角。
相关计算：利用公式 n
L • 360
p
（n为脉冲数，L为移动
距离，p为滚轴丝杆的螺距， 为步距角）计算脉冲数 n,我
们选择步距角为1.8度，经测量最大移动距离为1250mm，
选择的滚轴丝杠的螺距为5mm.代入计算可得n为50000.
摆臂转动惯量的匹配
符号说明：J1：摆臂相对于转轴的转动惯量 J2 扫描仪相对于转轴的转动惯 量 JL 摆臂和扫描仪组合（负载）相对于转轴的转动惯量 JM 所选型号步进 电机转子转动惯量 ip 惯量匹配的最佳传动比
根据负载的转动惯量和步进电机的转动惯量，由最佳惯量匹配求得所需
要减速器的传动比
l
0.3
开始扫描
依次调整截 面位置扫描
扫描完成
后处理
8 7
1 2
3 4
5
6
9
4 10 1.步进电机 2.减速器 3.联轴器 4.轴承 5.滚珠丝杠 6.滑座 7.摆动臂 8.扫描仪 9.旋转工作台 10..底座
扫描仪结构原理简图
运动链
1.用步进电机1经过减速器2和联轴器3驱动滚珠丝杠5转动， 滚珠丝杠5经螺母带动滑座6上下移动，从而可以实现与滑 座连接的扫描仪上下移动。
控制扫描仪按一定角度旋转的电机的计算与选择
选择的步进电机型号为86HS2A101-504-01，该电机的最大 静力矩为6Nm,额定电流为5A，机身长度101mm，重量为 3.25Kg,经测试符合要求。
由 于 控 制 电 动 回 转 台 的 旋 转 的 精 度 要 求 不 高 ， 经 测 试 86HS2A101-504-01型号步进电机可满足控制要求，故在此 不在过多赘述。
设置为5细分，电机每转一周可发出 360 5 =1000个脉冲。
1.8
控制竖直方向运动步进电机的选择
电机所需拖动的最大重量为100N，计算负载最大时的静力
矩为1 N • m 。
选择57HS2A76-304型号的步进电机，该步进电机最大静 力矩是1.8N • m ，额定电流为3A,机身长度76mm,转子惯量 为440，重量1.05Kg,符合要求。
三维扫描系统工作流程图
先使扫描仪返回原点
在 电 磁 吸 盘 上 安 装 工 件（叶片）
调 整 扫 描仪位 置
先连动控制调整好扫 描仪在竖直方向大致 位置
先连动控制调整 好扫描仪的俯仰 角度
先连动控制调整好 叶片被扫描的第一 个截面
通过点动控制精 通过点动控制精 确定位竖直位置 确调整俯仰角度
通过点动控制精确 调整截面位置
64
根据最佳传动比可以求得步进电动机的额定转矩经减速器 后的最大输出转矩：
T额 8.7N • m,ip 64,T 34.33N • m T出 T额ip 8.764 556.8N • m T出 T
0
0
T1
J1R
m1 gr1
Biblioteka Baidu
0.09
6
3 9.8 0.15
4.46 N
•
m
T2
m2 Rr22
m2 gr2
10
6
0.32
10 9.8 0.3
29.87 N
•m
T T1 T2 4.46 29.87 34.33N • m
W T • w 34.33 17.98W
6
控制竖直方向运动步进电机的选择
控制扫描仪按一定角度旋转的电机的计算与选择
同样用运动控制卡来控制步进电机，实现电机顺时针与逆 时针的旋转，用一个机械限位来限制扫描仪旋转的最大角 度。
控制要求：用运动控制卡控制电机的转动，当按下开始按 钮时，电机转动，转动到某一位置时，按下停止按钮，电 机停止转动（电机轴被锁住）。
连杆在水平时电机轴承受的力矩最大，测量得扫描仪重 2Kg,力臂最长为228mm,计算可得力矩最大为4.56Nm.
步进电机在三维扫描系统中的应用
三维扫描系统工作原理概述
通过57HS2A76-304型号步进电机控制滚珠丝杠带动滑块 运动，实现扫描仪竖直方向的运动。
选择86HS2A101-504-01步进电机控制支撑杆旋转，实现 扫描仪在竖直平面按一定角度旋转。
选择 86HS2A101-504-01步进电机控制电动回转台的旋转， 实现圆形电磁盘的360度旋转，从而实现对待检测工件的 自动扫描。
摆臂的长度300mm
,质量大约为 3kg
,扫描仪
整体的质量大约为 10kg
，根据这些已知条件可以求得要
想实现扫描仪俯仰角改变所需要的最大驱动功率，由此可以实现对
步进电机的选型
r1 0.15m, r2 0.3m
m1 3 10kg / m
l 0.3
l
0.3
J1 x2dx 10 x2dx 0.09kg • m2
J1 x2dx 10 x2dx 0.09kg • m2
0
0
J2 m2r22 10 0.32 0.9kg • m2
J L J1 J2 0.9 0.09 0.99kg • m2
J M 2.7 104 kg • m2 , 90%
ip
wM wL
JL
J M
0.99 2.7 104 0.9
摆臂的工作状况
摆臂用来实现改变扫描仪的俯仰角，摆臂在空行程是实现
最大的摆速
,最短加速时间
，从而计算求
得最大加速度
,当摆臂在水平位置加速启动时，
所需要驱动力矩最大。
wL 6 rad / s
t 1s
R wL rad / s2
t 6
G2 G1
摆臂的结构
l 0.3m
m1 3kg
m2 10kg
用运动控制卡来控制步进电机，控制步进电机在竖直方向 运动。
控制要求：利用运动控制卡控制步进电机匀速转动，从而 控制滑块在竖直方向的运动，当按下停止按钮时，点击马 上停止转动（电机轴锁住）。
按下脱机按钮，电机轴松开。
控制竖直方向运动步进电机的选择
对于步进电机的选择我们主要考虑了两个方面，一是电机 的最大静力矩，要求能够拖动负载。
2.滑座6上的步进电机通过减速器和联轴器直接驱动摆臂7 绕轴摆动，从而实现扫描仪俯仰角的变化。
3.工作台9可以实现360°旋转.
任务
根据扫描仪的工作原理可以确定为了实现扫描仪正常共作 所需要进行的工作：
1.根据实现扫描仪上下移动所需要的最大转矩选择步进电 机的类型；
2.进行惯量匹配所需要的减速器类型； 3.驱动摆臂摆动所需要的步进电机的选型； 4.进行惯量匹配所需要的减速器的类型； 5.实现工作台转动所需需要步进电机的类型。
二是选择电机的步距角，但是由于我们选择的是带细分功 能的驱动器，可以通过细分来改变步距角。
相关计算：利用公式 n
L • 360
p
（n为脉冲数，L为移动
距离，p为滚轴丝杆的螺距， 为步距角）计算脉冲数 n,我
们选择步距角为1.8度，经测量最大移动距离为1250mm，
选择的滚轴丝杠的螺距为5mm.代入计算可得n为50000.
摆臂转动惯量的匹配
符号说明：J1：摆臂相对于转轴的转动惯量 J2 扫描仪相对于转轴的转动惯 量 JL 摆臂和扫描仪组合（负载）相对于转轴的转动惯量 JM 所选型号步进 电机转子转动惯量 ip 惯量匹配的最佳传动比
根据负载的转动惯量和步进电机的转动惯量，由最佳惯量匹配求得所需
要减速器的传动比
l
0.3
开始扫描
依次调整截 面位置扫描
扫描完成
后处理
8 7
1 2
3 4
5
6
9
4 10 1.步进电机 2.减速器 3.联轴器 4.轴承 5.滚珠丝杠 6.滑座 7.摆动臂 8.扫描仪 9.旋转工作台 10..底座
扫描仪结构原理简图
运动链
1.用步进电机1经过减速器2和联轴器3驱动滚珠丝杠5转动， 滚珠丝杠5经螺母带动滑座6上下移动，从而可以实现与滑 座连接的扫描仪上下移动。
控制扫描仪按一定角度旋转的电机的计算与选择
选择的步进电机型号为86HS2A101-504-01，该电机的最大 静力矩为6Nm,额定电流为5A，机身长度101mm，重量为 3.25Kg,经测试符合要求。
由 于 控 制 电 动 回 转 台 的 旋 转 的 精 度 要 求 不 高 ， 经 测 试 86HS2A101-504-01型号步进电机可满足控制要求，故在此 不在过多赘述。
设置为5细分，电机每转一周可发出 360 5 =1000个脉冲。
1.8
控制竖直方向运动步进电机的选择
电机所需拖动的最大重量为100N，计算负载最大时的静力
矩为1 N • m 。
选择57HS2A76-304型号的步进电机，该步进电机最大静 力矩是1.8N • m ，额定电流为3A,机身长度76mm,转子惯量 为440，重量1.05Kg,符合要求。
三维扫描系统工作流程图
先使扫描仪返回原点
在 电 磁 吸 盘 上 安 装 工 件（叶片）
调 整 扫 描仪位 置
先连动控制调整好扫 描仪在竖直方向大致 位置
先连动控制调整 好扫描仪的俯仰 角度
先连动控制调整好 叶片被扫描的第一 个截面
通过点动控制精 通过点动控制精 确定位竖直位置 确调整俯仰角度
通过点动控制精确 调整截面位置
64
根据最佳传动比可以求得步进电动机的额定转矩经减速器 后的最大输出转矩：
T额 8.7N • m,ip 64,T 34.33N • m T出 T额ip 8.764 556.8N • m T出 T
0
0
T1
J1R
m1 gr1
Biblioteka Baidu
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3 9.8 0.15
4.46 N
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m
T2
m2 Rr22
m2 gr2
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0.32
10 9.8 0.3
29.87 N
•m
T T1 T2 4.46 29.87 34.33N • m
W T • w 34.33 17.98W
6
控制竖直方向运动步进电机的选择
控制扫描仪按一定角度旋转的电机的计算与选择
同样用运动控制卡来控制步进电机，实现电机顺时针与逆 时针的旋转，用一个机械限位来限制扫描仪旋转的最大角 度。
控制要求：用运动控制卡控制电机的转动，当按下开始按 钮时，电机转动，转动到某一位置时，按下停止按钮，电 机停止转动（电机轴被锁住）。
连杆在水平时电机轴承受的力矩最大，测量得扫描仪重 2Kg,力臂最长为228mm,计算可得力矩最大为4.56Nm.