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步进电机在机床中的 应用 步进电机在机床中的应用 机床是一个国家工业的基础，它对于国民经济的发展起着非常重要的作用。现代机床发展的方向是机床数控化，据统计，2 0 0 2 年世界数控机床总产A约占世界机床总产量的2 5%， 而其中经济型数控机床又约占 数控机床总量的3 0 % ,可见，经济型数控机床在机床中占有很大的比例。经济型数控机床进给系统一般由步进电机驱动，并经过转换机构将电机的旋转运动转换为工作台的直线运动。步进电机直接用数字脉冲进行开环控制，整个控制系统简单价廉，非常适合在经济划数控机床中进行运用。但是，传统步进电机组成的控制系统在某些场合下却存在运动系统体积大、安装调试难度高、系统动态性不好等问题，本文在对直线运动控制系统进行了深入的研究以后，提出了用一种新列电机进行直线运动控制的方法，并详细介绍了这种直线运动控制系统在数控机床中的应用。 随着数控机床在航空、航天、造船、汽车、模具等机械制造领域的广泛应用，现代机械制造技术发生了巨大的变化。在数控技术影响着工业生产的同时，“数控”一词也风靡了大江南北。当我们提起数控技术自然会想到它的无数优点，而在这些众多优点中最令人印象深刻的也许就是其高精度、高效率。那么数控机床是如何做到这些的呢？1伺服系统的作用 数控机床加工精度高、生产效率高。原因很多：有机床本身制造精度高的原因；有采用了先进的数控装置的原因；但最根本的原因是机床的伺服系统。数控机床的进给伺服系统与普通机床的进给系统有本质上的差异，它能根据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。进给伺服系统的性能，如最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能，在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率而伺服系统的主要执行元件是伺服电机，因此，伺服驱动电机的性能在很大程度上影响进给伺服系统的性能。 一般的来讲，在开环进给系统中采用的伺服电机有电液脉冲马达、功率步进电动机。在闭环进给系统中多采用宽调速直流伺服电机，随着科技的发展，交流伺服电机的研究不断取得显著进展，使交流伺服电机得到广泛应用。在我国开环进给系统使用非常普遍，而且从控制方式上来讲，步进电机和交流伺服电机比较相似，下面就主要介绍步进电机的作用。 2步进电机在机床中的应用 首先让我们来看看数控机床的组成。数控机床一般由：控制介质、数控装置、伺服系统、和机床本体组成。简单的可以将数控机床的工作划分成以下几个部分。 第一步：将编好的程序通过控制介质输入到数控系统。这一步其实就是将编好的程序转化为机器所能识别的数字信息。 第二步：是通过数控装置将那些转化好的数字信息再转化为脉冲信号（也就是电信号）传递给伺服系统。 第三步：伺服系统将来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的精确运动。 第四步：机床本体将运动信号通过机床本身的各传动部件来完成最终的机床运动。 从数控机床的工作过程可以看出影响数控机床的精度除了来自机床本身的机械部件和传动部件外，伺服系统的工作情况直接影响数控机床的精度。 下面让我们再来认识下伺服系统。所谓伺服系统是指以位置和速度作为控制对象的自动控制系统，又称拖动系统或随动系统。在数控机床上伺服系统接受来自插补装置或插补软件产生的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动，主要通过对步进电动机、交直流伺服电动机等进给驱动元件的控制来实现。可见在使用步进电机的数控机床中，步进电机的性能直接影响到数控系统的精度。 在这里仅对步进电机的工作原理、工作特点和发展的趋势做简单介绍和分析。 步进电机的工作原理： 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线位移）的开环控制元件，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时，每给一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。在非超载的情况IF，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机内部构造如下图：通过上图可知，A，A 是联通的，B 和B 是联通。那么，A 和A 是一组 a，B 和B 是一组 b。 不管是两相四相，四相五线，四相六线步进电机。内部构造都是如此。至于究竟是四线，五线，还是六线。就要看 A 和A 之间，B 和 B之间有没有公共端 抽线。如果 a 组和 b 组各自有一个 端，则该步进电机六线，如果 a 和 b 组的公共端连在一起，则是 5 线的。所以，要弄清步进电机如何接线，只需把 a 组和 b 组分开。用万用表打。 四线：由于四线没有 公共抽线，所以，a 和 b 组是绝对绝缘的，不连通的。所以，用万用表测，不连通的是一组。 五线：由于五线中，a 和 b 组的公共端是连接在一起的。用万用表测，当发现有一根线和其他几根线的电阻是相当的，那么，这根线就是公共 端。对于驱动五线步进电机，公共 端不连接也是可以驱动步进电机的。 六线：a 和 b 组的公共抽线 端是不连通的。同样，用万用表测电阻，发现其中一根线和其他两根线阻止是一样的，那么这根线是 端，另 2 根线就属于一组。对于驱动四相六线步进电机，两根公共 端不接先也可以驱动该步进电机的。 3步进电机主要工作特点 1)可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 2)位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。 3)无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 4)易于起动，停止，正反转及速度响应性好。 5)停止时可有自锁能力。 6)步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。 7)速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。 8)步进电动机带惯性负载能力较差。 9)由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。 10)需要专用的伺服控制器控制，不能直接使用普通交直流电源驱动。 4步进电机的发晨趋势 目前，步进电机驱动系统的发展趋势是高性能、高可靠性、高集成化和低成本。然而，目前市面上的步进电机驱动电源普遍存在一些缺点，表现在以下几个方面：一是电源产品大多采用分离器件构成，其功率消耗大、效率低、体积大，并且一套步进电机驱动电源只能驱动一台步进电机，不易满足数控系统多轴驱动的要求；二是步进电机有二相、三相、四相、五相等多种形式，而目前的步进电机驱动电源通常仅能适用于某一种相数的步进电机，或者虽有驱动多种步进电机的驱动电源，但其驱动能力十分有限：三是各种运行参数在产品出厂时大多已经被设定，很难由用户根据实际工作情况对频率、速度、加速度、角位移等工作参数进行个性化设置，使电机性能受到一定影响。机床的应用1 传统机床进给系统 对机床直线进给系统的要求一般包括高速度、高精度、高刚度、无间隙、低摩擦、低惯t、传动系统机械结构简化等3 。传统机床直线进给系统一般由 旋转电机、联轴节、丝杠、丝社轴承、丝杠螺母、运动部件 ( 如工作台、主轴箱、立柱等)等分组成，其结构如图1 所示。 该系统的工作方式是:电机旋转通过联轴节带动丝杠旋转，丝杠旋转使丝杠螺母子动，丝杠螺母子动带动工作台平动。通过分析可以看出，该系统具有如下缺点:a .安装调试复杂:为了保证系统运行的稳定性，必须使电机输一 与丝杠严格同心，这对高速运行系统尤为重要，但要保证做到这一 点是比较困难的。b .系统体积大:系统中电机轴、联轴节、丝杠在直线上一字排开，占用的空间很大，当运动系统空间受限，该系统就显得特别庞大，与整机不相匹配。同时，该运动系统体积增大会使得整机休积增大，这将影响设备的美观、提高制造成本。 c .系统结构复杂、性能价格比低: 运动系统辅助零部件多，结构复杂，为了提高系统精度，一般使用高精度的联轴节、轴承等，价格较为昂贵，因此，整个运动系统的价格较高。d转动惯量大:丝杠、联轴节、轴承都随电机轴一起转动，在长丝杠 ( 如大于2 m )运动系统中，系统的转动惯量很大，因而导致系统动态响应特性很差。2 直线运动控制系统的改进为了改进上述直线进给系统的不足，笔者设计出一种新型的线性电机及其运动控制系统，其原理如图2所示。可以看出，改进后的电机是在旋转式电机的基础上，把电机辅做成主心，使用时丝杠穿过电机轴，丝杠螺母固定在电机轴_ l : : 并随之一起转动，而丝杠两端与机架完全 1 定。当电机轴转动时，丝杠螺毋将在丝杠上平动，并由此带动电机及负载一起运动。 本系统和图 1 所示系统相比，减少了联轴节以及若干轴承，结构大为简化，成本大幅度降低: 丝杠穿过电机辅中心，不用调节二者同心，安装方便，结构紧凑;同时，由于系统中丝杠不转动，当丝杠长度较长时，系统转动惯量将大大减小。下面以1 1 0 B Y G 五相混合式步进电机、2 0 0 K g 负载、公称直径3 2 m m 、 导程5 m m ,长度2 0 0 0 m m 的丝杠构成的直线运动控制系统为例对改进前后的系统转动惯量作一比较.如图1 及图2 所示， 改进前系统转动惯量主要包括转干、联轴节、 丝杠、 轴承的转动惯量利负载手动折合的转动惯量.改进后系统转动惯量主要包括转子、丝杠螺母转动惯量和负载平动折合的转动惯量。经计算或查相关资料可确定各部分转动惯量如表1 所示。改进前后各部分转动拨量可用图3 所示条形图来直观表示。表 1 可以看出，改进后的系统转动惯量为改进前的6 0 ，根据负载加速度公式1)为每个脉冲控制下负载的移动距离， T为电机转矩，(为系统总转动惯量，9为重力加速度)可知，在电机转矩相同时众载加速度将为改进前的,因此，系统动态响应特性大大提高。3 改进后的机床进给系统 . 在数控机床中，有的送给系统的丝杠很长，丝杠转动时其惯量非常大，严重影响系统的动态响应特性。此时可用上述步进电 机及直线控制系统对其进行改进，其结构如图4 所示。 在该结构中，电机轴两端各实装一个丝杠螺母。电机辅两端伸出端盖， 上面加工有螺纹以安装丝杠螺母的安装螺母，为防止电机轴转动时安装螺母松动，应采用双螺母放松，并且双螺母的螺纹旋向应与丝杠螺纹旋向相反;丝杠螺母与双螺母之间通过螺栓联接，两个丝杠螺母之间应施加预紧力，其大小为螺母工作时所受最大力的三分之一。4 结论 本文提出了用一种新地步进电机改进数控机床直线进给系统的方法，该电机的特点是电机轴中空，丝杠可以百接穿过电机轴，在该电机控制的直线运动系统中，丝杠一般不动， 电机在丝杠上平动， 从而使运动系统具有安装调试方便、体积小、动态响应特性好等特点。目前，按此方法设计的电机已经研制成功，并已申请了专利，现在正在机床数控化改造中投入使用。本步进电机的改进原理同样适用于其他类别电机的改进。在数控机床中步进电机发挥着重大的作用，同时步进电机的发展也推进数控机床的发展。随着步进电机性能的不断改善，它也将给数控机床带来性能上的提升.其他应用1.粉剂包装机2.光盘选取机 3. 电压互感器专用绕线机4自体血液回收机5商用表格印刷机6数控高压水射流切割机