前言
隨著數(shù)控機(jī)床在航空、航天、造船、汽車、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?本文將解答這一問(wèn)題，并結(jié)合數(shù)控機(jī)床介紹步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用。
一、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。
二、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)?？梢娫谑褂貌竭M(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。
三、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：
1、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)等許多專業(yè)知識(shí)。
2、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)。
四、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。
五、結(jié)束語(yǔ)
在數(shù)控機(jī)床中步進(jìn)電機(jī)發(fā)揮著重大的作用，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展也推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。隨著步進(jìn)電機(jī)性能的不斷改善，它也將給數(shù)控機(jī)床帶來(lái)性能上的提升。
