Планетарный редуктор для шагового двигателя: устройство, расчёт усилия и скорости на рейке

Планетарный редуктор ставят между шаговым двигателем и шестерней рейки или шкивом, когда двигателю не хватает момента или ось с тяжёлым порталом плохо держит разгон. Редуктор умножает момент и снижает скорость в одно и то же число раз, и вместе с ними меняется точность оси. Ниже разобрано, как устроен планетарный редуктор, как рассчитать усилие и скорость оси на рейке и чем он отличается от червячного.

Устройство и принцип работы

Вал двигателя вращает центральную, солнечную шестерню. Вокруг неё обкатываются три или четыре сателлита, которые одновременно входят в зацепление с неподвижным зубчатым венцом в корпусе. Оси сателлитов закреплены на водиле, а водило и есть выходной вал. Нагрузка делится между несколькими сателлитами, поэтому редуктор компактен при большом моменте, а входной и выходной валы лежат на одной оси.

Передаточное число одной ступени равно 1 плюс отношение числа зубьев венца к числу зубьев солнечной шестерни. Одна ступень даёт 1:3-1:10; большие числа получают двумя ступенями, их передаточные числа перемножаются.

Редукторы PX57 и PX86

Оба есть в разделе редукторов: планетарный редуктор NEMA 23 и планетарный редуктор NEMA 34. На выходной вал ставят шестерню зубчатой рейки, шкив ремня или муфту.

Расчёт: рейка с редуктором 1:4

Исходные данные: двигатель NEMA 23 с моментом 2,2 Н·м на рабочей скорости, шестерня модуля 1,25 на 20 зубьев. Делительный диаметр шестерни 1,25 × 20 = 25 мм, радиус 12,5 мм, за оборот ось проходит π × 25 = 78,5 мм.

Редуктор втрое с лишним увеличил усилие и вчетверо уменьшил перемещение на шаг, но скорость упала в те же 4 раза. Второе следствие: люфт до 1.2° на выходном валу даёт до 0,26 мм на рейке. Для фрезерного станка по дереву и плазмы это допустимо, для точной обработки люфт выбирают редуктором с меньшим люфтом или прижатием шестерни к рейке пружиной.

Инерция нагрузки

Редуктор уменьшает инерцию нагрузки, приведённую к валу двигателя, в квадрат передаточного числа: при 1:4 в 16 раз. Тяжёлый портал на рейке без редуктора требует от двигателя большого момента на разгон, и шаговый двигатель теряет шаги. С редуктором тот же портал разгоняется увереннее, даже если по усилию запас был.

Как выбрать передаточное число

1. Задайте нужную скорость оси и посчитайте обороты выходного вала: скорость делить на путь за оборот шестерни.
2. Умножьте их на передаточное число и проверьте, что двигатель на этих оборотах ещё держит нужный момент. Момент шагового двигателя падает с ростом оборотов, рабочую точку берут из его кривой момента.
3. Посчитайте усилие с учётом КПД 90% и сравните с силой резания и разгона.
4. Проверьте люфт на рейке: радиус шестерни × люфт в радианах.

Планетарный или червячный

Планетарный редуктор соосен и имеет КПД 90%, он обратимый: усилие на рейке проворачивает двигатель. Поэтому на вертикальной оси он не держит груз без тока и без тормоза. Червячный редуктор разворачивает передачу на 90°, имеет заметно меньший КПД и при большом передаточном числе может быть самотормозящим. Для осей на рейке с частыми реверсами выбирают планетарный.

Монтаж

• Вал двигателя заводят в зажимную втулку входа без усилия, затем затягивают хомут через технологическое отверстие во фланце и только после этого винты фланца.
• Шестерню на выходном валу фиксируют шпонкой и винтом в торцевое резьбовое отверстие.
• В контроллере число импульсов на мм умножают на передаточное число.

Частые вопросы

Нужен ли редуктор на NEMA 17?

Если ось на рейке или ремне не тянет нагрузку, редуктор помогает, но выбирают его под фланец 42 мм и вал 5 мм. Перейти на NEMA 23 без редуктора бывает проще.

Нужен ли редуктор на ШВП?

Редко: винт сам работает как редуктор. На винте с шагом 10 мм оборот двигателя даёт 10 мм, на рейке из примера 78,5 мм.