施邁特系列步進電機在數控機床中的應用

前言

　　隨著數控機床在航空、航天、造船、汽車、模具等機械制造領域的廣泛應用，現代機械制造技術發生了巨大的變化。在數控技術影響著工業生產的同時，“數控”一詞也風靡了大江南北。當我們提起數控技術自然會想到它的無數優點，而在這些眾多優點中最令人印象深刻的也許就是其高精度、高效率。那么數控機床是如何做到這些的呢?本文將解答這一問題，并結合數控機床介紹步進電機的應用。

一、伺服系統的作用

　　數控機床加工精度高、生產效率高。原因很多：有機床本身制造精度高的原因;有采用了先進的數控裝置的原因;但最根本的原因是機床的伺服系統。數控機床的進給伺服系統與普通機床的進給系統有本質上的差異，它能根據指令信號自動精確地控制執行部件運動的位移、方向和速度，以及數個執行部件按一定的規律運動以合成一定的運動軌跡。進給伺服系統的性能，如最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態和靜態性能，在很大程度上決定了數控機床的加工精度、加工表面質量和生產效率.而伺服系統的主要執行元件是伺服電機，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的性能。

　　一般的來講，在開環進給系統中采用的伺服電機有電液脈沖馬達、功率步進電動機。在閉環進給系統中多采用寬調速直流伺服電機，隨著科技的發展，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。在我國開環進給系統使用非常普遍，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。

二、步進電機在機床中的應用

　　首先讓我們來看看數控機床的組成。數控機床一般由：控制介質、數控裝置、伺服系統、和機床本體組成。簡單的可以將數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控系統。這一步其實就是將編好的程序轉化為機器所能識別的數字信息。

　　第二步：是通過數控裝置將那些轉化好的數字信息再轉化為脈沖信號(也就是電信號)傳遞給伺服系統。

　　第三步：伺服系統將來自數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。

　　從數控機床的工作過程可以看出影響數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，伺服系統的工作情況直接影響數控機床的精度。

　　下面讓我們再來認識下伺服系統。所謂伺服系統是指以位置和速度作為控制對象的自動控制系統，又稱拖動系統或隨動系統。在數控機床上伺服系統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。可見在使用步進電機的數控機床中，步進電機的性能直接影響到數控系統的精度。

三、在這里僅對步進電機的工作原理、工作特點和發展的趨勢做簡單介紹和分析：

       1、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)的開環控制元件，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態，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。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，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，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。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知識。

        2、步進電機主要工作特點

　　1)可以用數字信號直接進行開環控制，整個系統簡單廉價。

　　2)位移與輸入脈沖信號數相對應，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控制系統，也可在要求更高精度的組成閉環控制系統。

　　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，通常可以在超低轉速下高轉距穩定運行，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，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利用狀態的不同而復雜化。

　　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。

四、步進電機的發晨趨勢

　　目前，步進電機驅動系統的發展趨勢是高性能、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，不易滿足數控系統多軸驅動的要求;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：三是各種運行參數在產品出廠時大多已經被設定，很難由用戶根據實際工作情況對頻率、速度、加速度、角位移等工作參數進行個性化設置，使電機性能受到一定影響。

五、結束語

　　在數控機床中步進電機發揮著重大的作用，同時步進電機的發展也推進數控機床的發展。隨著步進電機性能的不斷改善，它也將給數控機床帶來性能上的提升。