前言

　　隨著數(shù)控機床在航空、航天、造船、汽車、模具等機械制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代機械制造技術(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，“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?本文將解答這一問題，并結(jié)合數(shù)控機床介紹步進電機的應(yīng)用。

一、伺服系統(tǒng)的作用

　　數(shù)控機床加工精度高、生產(chǎn)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(zhì)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(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，因此，伺服驅(qū)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(diào)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(yīng)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。

二、步進電機在機床中的應(yīng)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(zhì)、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(zhì)輸入到數(shù)控系統(tǒng)。這一步其實就是將編好的程序轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化好的數(shù)字信息再轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(rèn)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(chǎn)生的進給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，將其轉(zhuǎn)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(qū)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。

三、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：

       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(yīng)的角位移(或線位移)的開環(huán)控制元件，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時，每給一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)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(yán)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(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。在非超載的情況IF，電機的轉(zhuǎn)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(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)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(lǐng)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(yīng)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(qū)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。

        2、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(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好。

　　5)停止時可有自鎖能力。

　　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)定運行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負(fù)載。

　　7)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)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(fù)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(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。

四、步進電機的發(fā)晨趨勢

　　目前，步進電機驅(qū)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(qū)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(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，并且一套步進電機驅(qū)動電源只能驅(qū)動一臺步進電機，不易滿足數(shù)控系統(tǒng)多軸驅(qū)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(qū)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(qū)動多種步進電機的驅(qū)動電源，但其驅(qū)動能力十分有限：三是各種運行參數(shù)在產(chǎn)品出廠時大多已經(jīng)被設(shè)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(shè)置，使電機性能受到一定影響。

五、結(jié)束語

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