步進電機在機床中應用.doc

步進電機在機床中的 應用 步進電機在機床中的應用 機床是一個國家工業(yè)的基礎，它對于國民經濟的發(fā)展起著非常重要的作用。現(xiàn)代機床發(fā)展的方向是機床數(shù)控化，據(jù)統(tǒng)計，2 0 0 2 年世界數(shù)控機床總產A約占世界機床總產量的2 5%， 而其中經濟型數(shù)控機床又約占 數(shù)控機床總量的3 0 % ,可見，經濟型數(shù)控機床在機床中占有很大的比例。經濟型數(shù)控機床進給系統(tǒng)一般由步進電機驅動，并經過轉換機構將電機的旋轉運動轉換為工作臺的直線運動。步進電機直接用數(shù)字脈沖進行開環(huán)控制，整個控制系統(tǒng)簡單價廉，非常適合在經濟劃數(shù)控機床中進行運用。但是，傳統(tǒng)步進電機組成的控制系統(tǒng)在某些場合下卻存在運動系統(tǒng)體積大、安裝調試難度高、系統(tǒng)動態(tài)性不好等問題，本文在對直線運動控制系統(tǒng)進行了深入的研究以后，提出了用一種新列電機進行直線運動控制的方法，并詳細介紹了這種直線運動控制系統(tǒng)在數(shù)控機床中的應用。 隨著數(shù)控機床在航空、航天、造船、汽車、模具等機械制造領域的廣泛應用，現(xiàn)代機械制造技術發(fā)生了巨大的變化。在數(shù)控技術影響著工業(yè)生產的同時，“數(shù)控”一詞也風靡了大江南北。當我們提起數(shù)控技術自然會想到它的無數(shù)優(yōu)點，而在這些眾多優(yōu)點中最令人印象深刻的也許就是其高精度、高效率。那么數(shù)控機床是如何做到這些的呢？1伺服系統(tǒng)的作用 數(shù)控機床加工精度高、生產效率高。原因很多：有機床本身制造精度高的原因；有采用了先進的數(shù)控裝置的原因；但最根本的原因是機床的伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)與普通機床的進給系統(tǒng)有本質上的差異，它能根據(jù)指令信號自動精確地控制執(zhí)行部件運動的位移、方向和速度，以及數(shù)個執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運動以合成一定的運動軌跡。進給伺服系統(tǒng)的性能，如最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態(tài)和靜態(tài)性能，在很大程度上決定了數(shù)控機床的加工精度、加工表面質量和生產效率而伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件是伺服電機，因此，伺服驅動電機的性能在很大程度上影響進給伺服系統(tǒng)的性能。 一般的來講，在開環(huán)進給系統(tǒng)中采用的伺服電機有電液脈沖馬達、功率步進電動機。在閉環(huán)進給系統(tǒng)中多采用寬調速直流伺服電機，隨著科技的發(fā)展，交流伺服電機的研究不斷取得顯著進展，使交流伺服電機得到廣泛應用。在我國開環(huán)進給系統(tǒng)使用非常普遍，而且從控制方式上來講，步進電機和交流伺服電機比較相似，下面就主要介紹步進電機的作用。 2步進電機在機床中的應用 首先讓我們來看看數(shù)控機床的組成。數(shù)控機床一般由：控制介質、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、和機床本體組成。簡單的可以將數(shù)控機床的工作劃分成以下幾個部分。 第一步：將編好的程序通過控制介質輸入到數(shù)控系統(tǒng)。這一步其實就是將編好的程序轉化為機器所能識別的數(shù)字信息。 第二步：是通過數(shù)控裝置將那些轉化好的數(shù)字信息再轉化為脈沖信號（也就是電信號）傳遞給伺服系統(tǒng)。 第三步：伺服系統(tǒng)將來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉換為機床移動部件的精確運動。 第四步：機床本體將運動信號通過機床本身的各傳動部件來完成最終的機床運動。 從數(shù)控機床的工作過程可以看出影響數(shù)控機床的精度除了來自機床本身的機械部件和傳動部件外，伺服系統(tǒng)的工作情況直接影響數(shù)控機床的精度。 下面讓我們再來認識下伺服系統(tǒng)。所謂伺服系統(tǒng)是指以位置和速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，又稱拖動系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。在數(shù)控機床上伺服系統(tǒng)接受來自插補裝置或插補軟件產生的進給脈沖指令，經過一定的信號變換及電壓、功率放大，將其轉化為機床工作臺相對于切削刀具的運動，主要通過對步進電動機、交直流伺服電動機等進給驅動元件的控制來實現(xiàn)?？梢娫谑褂貌竭M電機的數(shù)控機床中，步進電機的性能直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的精度。 在這里僅對步進電機的工作原理、工作特點和發(fā)展的趨勢做簡單介紹和分析。 步進電機的工作原理： 步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移（或線位移）的開環(huán)控制元件，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續(xù)轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時，每給一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。在非超載的情況IF，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機內部構造如下圖：通過上圖可知，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，四相六線步進電機。內部構造都是如此。至于究竟是四線，五線，還是六線。就要看 A 和A 之間，B 和 B之間有沒有公共端 com抽線。如果 a 組和 b 組各自有一個 com 端，則該步進電機六線，如果 a 和 b 組的公共端連在一起，則是 5 線的。所以，要弄清步進電機如何接線，只需把 a 組和 b 組分開。用萬用表打。 四線：由于四線沒有 com 公共抽線，所以，a 和 b 組是絕對絕緣的，不連通的。所以，用萬用表測，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。用萬用表測，當發(fā)現(xiàn)有一根線和其他幾根線的電阻是相當?shù)?，那么，這根線就是公共 com 端。對于驅動五線步進電機，公共 com 端不連接也是可以驅動步進電機的。 六線：a 和 b 組的公共抽線 com 端是不連通的。同樣，用萬用表測電阻，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。對于驅動四相六線步進電機，兩根公共 com 端不接先也可以驅動該步進電機的。 3步進電機主要工作特點 1)可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。 2)位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構較為簡單又具有一定精度的開環(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)無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 4)易于起動，停止，正反轉及速度響應性好。 5)停止時可有自鎖能力。 6)步距角可在大范圍內選擇，在小步距情況下，通?？梢栽诔娃D速下高轉距穩(wěn)定運行，通常可以不經減速器直接驅動負載。 7)速度可在相當寬范圍內平滑調節(jié)，同時用一臺控制器控制幾臺步進電動機可使它們完全同步運行。 8)步進電動機帶慣性負載能力較差。 9)由于存在失步和共振，步進電機的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復雜化。 10)需要專用的伺服控制器控制，不能直接使用普通交直流電源驅動。 4步進電機的發(fā)晨趨勢 目前，步進電機驅動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是高性能、高可靠性、高集成化和低成本。然而，目前市面上的步進電機驅動電源普遍存在一些缺點，表現(xiàn)在以下幾個方面：一是電源產品大多采用分離器件構成，其功率消耗大、效率低、體積大，并且一套步進電機驅動電源只能驅動一臺步進電機，不易滿足數(shù)控系統(tǒng)多軸驅動的要求；二是步進電機有二相、三相、四相、五相等多種形式，而目前的步進電機驅動電源通常僅能適用于某一種相數(shù)的步進電機，或者雖有驅動多種步進電機的驅動電源，但其驅動能力十分有限：三是各種運行參數(shù)在產品出廠時大多已經被設定，很難由用戶根據(jù)實際工作情況對頻率、速度、加速度、角位移等工作參數(shù)進行個性化設置，使電機性能受到一定影響。機床的應用1 傳統(tǒng)機床進給系統(tǒng) 對機床直線進給系統(tǒng)的要求一般包括高速度、高精度、高剛度、無間隙、低摩擦、低慣t、傳動系統(tǒng)機械結構簡化等3 。傳統(tǒng)機床直線進給系統(tǒng)一般由 旋轉電機、聯(lián)軸節(jié)、絲杠、絲社軸承、絲杠螺母、運動部件 ( 如工作臺、主軸箱、立柱等)等分組成，其結構如圖1 所示。 該系統(tǒng)的工作方式是:電機旋轉通過聯(lián)軸節(jié)帶動絲杠旋轉，絲杠旋轉使絲杠螺母子動，絲杠螺母子動帶動工作臺平動。通過分析可以看出，該系統(tǒng)具有如下缺點:a .安裝調試復雜:為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，必須使電機輸一 與絲杠嚴格同心，這對高速運行系統(tǒng)尤為重要，但要保證做到這一 點是比較困難的。b .系統(tǒng)體積大:系統(tǒng)中電機軸、聯(lián)軸節(jié)、絲杠在直線上一字排開，占用的空間很大，當運動系統(tǒng)空間受限，該系統(tǒng)就顯得特別龐大，與整機不相匹配。同時，該運動系統(tǒng)體積增大會使得整機休積增大，這將影響設備的美觀、提高制造成本。 c .系統(tǒng)結構復雜、性能價格比低: 運動系統(tǒng)輔助零部件多，結構復雜，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，價格較為昂貴，因此，整個運動系統(tǒng)的價格較高。d轉動慣量大:絲杠、聯(lián)軸節(jié)、軸承都隨電機軸一起轉動，在長絲杠 ( 如大于2 m )運動系統(tǒng)中，系統(tǒng)的轉動慣量很大，因而導致系統(tǒng)動態(tài)響應特性很差。2 直線運動控制系統(tǒng)的改進為了改進上述直線進給系統(tǒng)的不足，筆者設計出一種新型的線性電機及其運動控制系統(tǒng)，其原理如圖2所示。可以看出，改進后的電機是在旋轉式電機的基礎上，把電機輔做成主心，使用時絲杠穿過電機軸，絲杠螺母固定在電機軸_ l : : 并隨之一起轉動，而絲杠兩端與機架完全 1 定。當電機軸轉動時，絲杠螺毋將在絲杠上平動，并由此帶動電機及負載一起運動。 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，結構大為簡化，成本大幅度降低: 絲杠穿過電機輔中心，不用調節(jié)二者同心，安裝方便，結構緊湊;同時，由于系統(tǒng)中絲杠不轉動，當絲杠長度較長時，系統(tǒng)轉動慣量將大大減小。下面以1 1 0 B Y G 五相混合式步進電機、2 0 0 K g 負載、公稱直徑3 2 m m 、 導程5 m m ,長度2 0 0 0 m m 的絲杠構成的直線運動控制系統(tǒng)為例對改進前后的系統(tǒng)轉動慣量作一比較.如圖1 及圖2 所示， 改進前系統(tǒng)轉動慣量主要包括轉干、聯(lián)軸節(jié)、 絲杠、 軸承的轉動慣量利負載手動折合的轉動慣量.改進后系統(tǒng)轉動慣量主要包括轉子、絲杠螺母轉動慣量和負載平動折合的轉動慣量。經計算或查相關資料可確定各部分轉動慣量如表1 所示。改進前后各部分轉動撥量可用圖3 所示條形圖來直觀表示。表 1 可以看出，改進后的系統(tǒng)轉動慣量為改進前的6 0 ，根據(jù)負載加速度公式1)為每個脈沖控制下負載的移動距離， T為電機轉矩，(為系統(tǒng)總轉動慣量，9為重力加速度)可知，在電機轉矩相同時眾載加速度將為改進前的,因此，系統(tǒng)動態(tài)響應特性大大提高。3 改進后的機床進給系統(tǒng) . 在數(shù)控機床中，有的送給系統(tǒng)的絲杠很長，絲杠轉動時其慣量非常大，嚴重影響系統(tǒng)的動態(tài)響應特性。此時可用上述步進電 機及直線控制系統(tǒng)對其進行改進，其結構如圖4 所示。 在該結構中，電機軸兩端各實裝一個絲杠螺母。電機輔兩端伸出端蓋， 上面加工有螺紋以安裝絲杠螺母的安裝螺母，為防止電機軸轉動時安裝螺母松動，應采用雙螺母放松，并且雙螺母的螺紋旋向應與絲杠螺紋旋向相反;絲杠螺母與雙螺母之間通過螺栓聯(lián)接，兩個絲杠螺母之間應施加預緊力，其大小為螺母工作時所受最大力的三分之一。4 結論 本文提出了用一種新地步進電機改進數(shù)控機床直線進給系統(tǒng)的方法，該電機的特點是電機軸中空，絲杠可以百接穿過電機軸，在該電機控制的直線運動系統(tǒng)中，絲杠一般不動