施迈特系列步进电机在数控机床中的应用

 

前言

  随着在航空、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?本文将解答这一问题,并结合数控机床介绍步进的应用。

 

一、伺服统的作用

  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控制执行部件运动的位移、方向速度,以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、加工质量生产效率.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。

二、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数控系统。这一步其实就是将编好的程序化为机器所能识别数字信息

  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制系统,又称拖动系统随动系统。在数控机床上伺服系统接受来自插补装置或插补件产生的进给脉冲指令,经过一定的信号变换电压、功率放大,将其转化为机床工作相对切削刀具的运动,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。

三、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

       1、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、电子计算机等许多专业知识。

        2、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,步进电机的加减速根据利用状态的不同而复杂化。

  10)需要专用的器控制,不能直接使用普通交直流电源驱动。

四、步进电机的发晨趋势

  目前,步进电机驱动系统发展趋势高性能高可靠性、高集成化和成本。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。

五、结束语

  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。

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