步進(jìn)電機(jī)在機(jī)床中應(yīng)用.doc

步進(jìn)電機(jī)在機(jī)床中的 應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)在機(jī)床中的應(yīng)用 機(jī)床是一個(gè)國(guó)家工業(yè)的基礎(chǔ)，它對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常重要的作用?，F(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的方向是機(jī)床數(shù)控化，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2 0 0 2 年世界數(shù)控機(jī)床總產(chǎn)A約占世界機(jī)床總產(chǎn)量的2 5%， 而其中經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床又約占 數(shù)控機(jī)床總量的3 0 % ,可見(jiàn)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在機(jī)床中占有很大的比例。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)一般由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)直接用數(shù)字脈沖進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單價(jià)廉，非常適合在經(jīng)濟(jì)劃數(shù)控機(jī)床中進(jìn)行運(yùn)用。但是，傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)組成的控制系統(tǒng)在某些場(chǎng)合下卻存在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)體積大、安裝調(diào)試難度高、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性不好等問(wèn)題，本文在對(duì)直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究以后，提出了用一種新列電機(jī)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)控制的方法，并詳細(xì)介紹了這種直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用。 隨著數(shù)控機(jī)床在航空、航天、造船、汽車(chē)、模具等機(jī)械制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)發(fā)生了巨大的變化。在數(shù)控技術(shù)影響著工業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，“數(shù)控”一詞也風(fēng)靡了大江南北。當(dāng)我們提起數(shù)控技術(shù)自然會(huì)想到它的無(wú)數(shù)優(yōu)點(diǎn)，而在這些眾多優(yōu)點(diǎn)中最令人印象深刻的也許就是其高精度、高效率。那么數(shù)控機(jī)床是如何做到這些的呢？1伺服系統(tǒng)的作用 數(shù)控機(jī)床加工精度高、生產(chǎn)效率高。原因很多：有機(jī)床本身制造精度高的原因；有采用了先進(jìn)的數(shù)控裝置的原因；但最根本的原因是機(jī)床的伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)與普通機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差異，它能根據(jù)指令信號(hào)自動(dòng)精確地控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移、方向和速度，以及數(shù)個(gè)執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)以合成一定的運(yùn)動(dòng)軌跡。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能，如最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度、加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率而伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件是伺服電機(jī)，因此，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能在很大程度上影響進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能。 一般的來(lái)講，在開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中采用的伺服電機(jī)有電液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。在閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中多采用寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，隨著科技的發(fā)展，交流伺服電機(jī)的研究不斷取得顯著進(jìn)展，使交流伺服電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。在我國(guó)開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)使用非常普遍，而且從控制方式上來(lái)講，步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)比較相似，下面就主要介紹步進(jìn)電機(jī)的作用。 2步進(jìn)電機(jī)在機(jī)床中的應(yīng)用 首先讓我們來(lái)看看數(shù)控機(jī)床的組成。數(shù)控機(jī)床一般由：控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、和機(jī)床本體組成。簡(jiǎn)單的可以將數(shù)控機(jī)床的工作劃分成以下幾個(gè)部分。 第一步：將編好的程序通過(guò)控制介質(zhì)輸入到數(shù)控系統(tǒng)。這一步其實(shí)就是將編好的程序轉(zhuǎn)化為機(jī)器所能識(shí)別的數(shù)字信息。 第二步：是通過(guò)數(shù)控裝置將那些轉(zhuǎn)化好的數(shù)字信息再轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)（也就是電信號(hào)）傳遞給伺服系統(tǒng)。 第三步：伺服系統(tǒng)將來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的精確運(yùn)動(dòng)。 第四步：機(jī)床本體將運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)機(jī)床本身的各傳動(dòng)部件來(lái)完成最終的機(jī)床運(yùn)動(dòng)。 從數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程可以看出影響數(shù)控機(jī)床的精度除了來(lái)自機(jī)床本身的機(jī)械部件和傳動(dòng)部件外，伺服系統(tǒng)的工作情況直接影響數(shù)控機(jī)床的精度。 下面讓我們?cè)賮?lái)認(rèn)識(shí)下伺服系統(tǒng)。所謂伺服系統(tǒng)是指以位置和速度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱拖動(dòng)系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床上伺服系統(tǒng)接受來(lái)自插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件產(chǎn)生的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)床工作臺(tái)相對(duì)于切削刀具的運(yùn)動(dòng)，主要通過(guò)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、交直流伺服電動(dòng)機(jī)等進(jìn)給驅(qū)動(dòng)元件的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。可見(jiàn)在使用步進(jìn)電機(jī)的數(shù)控機(jī)床中，步進(jìn)電機(jī)的性能直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的精度。 在這里僅對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作原理、工作特點(diǎn)和發(fā)展的趨勢(shì)做簡(jiǎn)單介紹和分析。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移（或線位移）的開(kāi)環(huán)控制元件，是一種特殊的電動(dòng)機(jī)。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)，每給一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。在非超載的情況IF，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造如下圖：通過(guò)上圖可知，A，A 是聯(lián)通的，B 和B 是聯(lián)通。那么，A 和A 是一組 a，B 和B 是一組 b。 不管是兩相四相，四相五線，四相六線步進(jìn)電機(jī)。內(nèi)部構(gòu)造都是如此。至于究竟是四線，五線，還是六線。就要看 A 和A 之間，B 和 B之間有沒(méi)有公共端 com抽線。如果 a 組和 b 組各自有一個(gè) com 端，則該步進(jìn)電機(jī)六線，如果 a 和 b 組的公共端連在一起，則是 5 線的。所以，要弄清步進(jìn)電機(jī)如何接線，只需把 a 組和 b 組分開(kāi)。用萬(wàn)用表打。 四線：由于四線沒(méi)有 com 公共抽線，所以，a 和 b 組是絕對(duì)絕緣的，不連通的。所以，用萬(wàn)用表測(cè)，不連通的是一組。 五線：由于五線中，a 和 b 組的公共端是連接在一起的。用萬(wàn)用表測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有一根線和其他幾根線的電阻是相當(dāng)?shù)模敲?，這根線就是公共 com 端。對(duì)于驅(qū)動(dòng)五線步進(jìn)電機(jī)，公共 com 端不連接也是可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的。 六線：a 和 b 組的公共抽線 com 端是不連通的。同樣，用萬(wàn)用表測(cè)電阻，發(fā)現(xiàn)其中一根線和其他兩根線阻止是一樣的，那么這根線是 com 端，另 2 根線就屬于一組。對(duì)于驅(qū)動(dòng)四相六線步進(jìn)電機(jī)，兩根公共 com 端不接先也可以驅(qū)動(dòng)該步進(jìn)電機(jī)的。 3步進(jìn)電機(jī)主要工作特點(diǎn) 1)可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)。 2)位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高精度的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3)無(wú)刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。 4)易于起動(dòng)，停止，正反轉(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好。 5)停止時(shí)可有自鎖能力。 6)步距角可在大范圍內(nèi)選擇，在小步距情況下，通?？梢栽诔娃D(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)距穩(wěn)定運(yùn)行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 7)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行。 8)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載能力較差。 9)由于存在失步和共振，步進(jìn)電機(jī)的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化。 10)需要專(zhuān)用的伺服控制器控制，不能直接使用普通交直流電源驅(qū)動(dòng)。 4步進(jìn)電機(jī)的發(fā)晨趨勢(shì) 目前，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是高性能、高可靠性、高集成化和低成本。然而，目前市面上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源普遍存在一些缺點(diǎn)，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是電源產(chǎn)品大多采用分離器件構(gòu)成，其功率消耗大、效率低、體積大，并且一套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源只能驅(qū)動(dòng)一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，不易滿足數(shù)控系統(tǒng)多軸驅(qū)動(dòng)的要求；二是步進(jìn)電機(jī)有二相、三相、四相、五相等多種形式，而目前的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源通常僅能適用于某一種相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)，或者雖有驅(qū)動(dòng)多種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，但其驅(qū)動(dòng)能力十分有限：三是各種運(yùn)行參數(shù)在產(chǎn)品出廠時(shí)大多已經(jīng)被設(shè)定，很難由用戶根據(jù)實(shí)際工作情況對(duì)頻率、速度、加速度、角位移等工作參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，使電機(jī)性能受到一定影響。機(jī)床的應(yīng)用1 傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng) 對(duì)機(jī)床直線進(jìn)給系統(tǒng)的要求一般包括高速度、高精度、高剛度、無(wú)間隙、低摩擦、低慣t、傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化等3 。傳統(tǒng)機(jī)床直線進(jìn)給系統(tǒng)一般由 旋轉(zhuǎn)電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、絲杠、絲社軸承、絲杠螺母、運(yùn)動(dòng)部件 ( 如工作臺(tái)、主軸箱、立柱等)等分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 該系統(tǒng)的工作方式是:電機(jī)旋轉(zhuǎn)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠旋轉(zhuǎn)使絲杠螺母子動(dòng)，絲杠螺母子動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)平動(dòng)。通過(guò)分析可以看出，該系統(tǒng)具有如下缺點(diǎn):a .安裝調(diào)試復(fù)雜:為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，必須使電機(jī)輸一 與絲杠?chē)?yán)格同心，這對(duì)高速運(yùn)行系統(tǒng)尤為重要，但要保證做到這一 點(diǎn)是比較困難的。b .系統(tǒng)體積大:系統(tǒng)中電機(jī)軸、聯(lián)軸節(jié)、絲杠在直線上一字排開(kāi)，占用的空間很大，當(dāng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)空間受限，該系統(tǒng)就顯得特別龐大，與整機(jī)不相匹配。同時(shí)，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)體積增大會(huì)使得整機(jī)休積增大，這將影響設(shè)備的美觀、提高制造成本。 c .系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能價(jià)格比低: 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)輔助零部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高系統(tǒng)精度，一般使用高精度的聯(lián)軸節(jié)、軸承等，價(jià)格較為昂貴，因此，整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的價(jià)格較高。d轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大:絲杠、聯(lián)軸節(jié)、軸承都隨電機(jī)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在長(zhǎng)絲杠 ( 如大于2 m )運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，因而導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性很差。2 直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)為了改進(jìn)上述直線進(jìn)給系統(tǒng)的不足，筆者設(shè)計(jì)出一種新型的線性電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其原理如圖2所示。可以看出，改進(jìn)后的電機(jī)是在旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的基礎(chǔ)上，把電機(jī)輔做成主心，使用時(shí)絲杠穿過(guò)電機(jī)軸，絲杠螺母固定在電機(jī)軸_ l : : 并隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而絲杠兩端與機(jī)架完全 1 定。當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠螺毋將在絲杠上平動(dòng)，并由此帶動(dòng)電機(jī)及負(fù)載一起運(yùn)動(dòng)。 本系統(tǒng)和圖 1 所示系統(tǒng)相比，減少了聯(lián)軸節(jié)以及若干軸承，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，成本大幅度降低: 絲杠穿過(guò)電機(jī)輔中心，不用調(diào)節(jié)二者同心，安裝方便，結(jié)構(gòu)緊湊;同時(shí)，由于系統(tǒng)中絲杠不轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)絲杠長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將大大減小。下面以1 1 0 B Y G 五相混合式步進(jìn)電機(jī)、2 0 0 K g 負(fù)載、公稱直徑3 2 m m 、 導(dǎo)程5 m m ,長(zhǎng)度2 0 0 0 m m 的絲杠構(gòu)成的直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為例對(duì)改進(jìn)前后的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作一比較.如圖1 及圖2 所示， 改進(jìn)前系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要包括轉(zhuǎn)干、聯(lián)軸節(jié)、 絲杠、 軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量利負(fù)載手動(dòng)折合的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.改進(jìn)后系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要包括轉(zhuǎn)子、絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載平動(dòng)折合的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。經(jīng)計(jì)算或查相關(guān)資料可確定各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如表1 所示。改進(jìn)前后各部分轉(zhuǎn)動(dòng)撥量可用圖3 所示條形圖來(lái)直觀表示。表 1 可以看出，改進(jìn)后的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為改進(jìn)前的6 0 ，根據(jù)負(fù)載加速度公式1)為每個(gè)脈沖控制下負(fù)載的移動(dòng)距離， T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，(為系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，9為重力加速度)可知，在電機(jī)轉(zhuǎn)矩相同時(shí)眾載加速度將為改進(jìn)前的,因此，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性大大提高。3 改進(jìn)后的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng) . 在數(shù)控機(jī)床中，有的送給系統(tǒng)的絲杠很長(zhǎng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其慣量非常大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。此時(shí)可用上述步進(jìn)電 機(jī)及直線控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。 在該結(jié)構(gòu)中，電機(jī)軸兩端各實(shí)裝一個(gè)絲杠螺母。電機(jī)輔兩端伸出端蓋， 上面加工有螺紋以安裝絲杠螺母的安裝螺母，為防止電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)安裝螺母松動(dòng)，應(yīng)采用雙螺母放松，并且雙螺母的螺紋旋向應(yīng)與絲杠螺紋旋向相反;絲杠螺母與雙螺母之間通過(guò)螺栓聯(lián)接，兩個(gè)絲杠螺母之間應(yīng)施加預(yù)緊力，其大小為螺母工作時(shí)所受最大力的三分之一。4 結(jié)論 本文提出了用一種新地步進(jìn)電機(jī)改進(jìn)數(shù)控機(jī)床直線進(jìn)給系統(tǒng)的方法，該電機(jī)的特點(diǎn)是電機(jī)軸中空，絲杠可以百接穿過(guò)電機(jī)軸，在該電機(jī)控制的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，絲杠一般不動(dòng)