軸承磨床的步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)分析
我國在軸承磨床上采用步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是從上個世紀(jì)九十年代開始的，十多年來，采用步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的軸承磨床發(fā)展很快，目前，無錫、石家莊、成都和河南幾個城市的軸承設(shè)備制造廠都在批量生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)控制的軸承磨床。
隨著大批量的步進(jìn)電機(jī)控制的軸承磨床推向市場，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制的問題也越來越多的浮出水面，單軸控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的問題還少些，可是兩軸以上的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)常出現(xiàn)諸如兩個系統(tǒng)不同步，尺寸散差不穩(wěn)定等故障。
步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)問題是多方面的。我們在球軸承內(nèi)圈溝磨床做過分析研究，先后試過國內(nèi)幾個品牌的步進(jìn)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)兩個系統(tǒng)的不同步現(xiàn)象很嚴(yán)重。不同步誤差測試從PLC、位控模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)開始。
滾珠絲杠導(dǎo)程4mm，諧波減速器減速比為1:80，步矩角為0.9°，脈沖當(dāng)量為0.125μm。
步進(jìn)電機(jī)的重復(fù)定位誤差已經(jīng)超過機(jī)床精度檢驗標(biāo)準(zhǔn)的3倍。按照脈沖當(dāng)量為0.125μm計算，工作臺累計重復(fù)定位誤差在20次已經(jīng)達(dá)到0.003。表1的數(shù)據(jù)說明不僅僅是步進(jìn)電機(jī)的誤差，機(jī)械系統(tǒng)的誤差更加明顯。
我們分析了這臺機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械問題也比較嚴(yán)重。第一，滾珠絲杠公稱直徑偏小（Φ20），精度等級3級偏低，而且手感爬行現(xiàn)象較為嚴(yán)重；第二，進(jìn)給快跳油缸和滾珠絲杠設(shè)計過定位，裝配位置偏差無法消除；第三，諧波減速器和滾珠絲杠只有螺釘鎖緊沒有鍵連接或銷鏈接；第四，沒有采用滾珠絲杠軸承等等。
接著我們又分析了該機(jī)床的電氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)變頻器、變壓器和步進(jìn)電機(jī)控制器擺放偏近，從PLC輸出的數(shù)據(jù)線電纜沒有屏蔽，配盤的強(qiáng)電和弱電電纜混裝等等問題。這些問題都是影響步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。
目前我國步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力較差，這些電氣設(shè)計布局的不合理直接會產(chǎn)生偶然性進(jìn)給系統(tǒng)和補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，加上機(jī)械系統(tǒng)的系統(tǒng)性誤差，機(jī)床就會處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。并不是說，只要把機(jī)床的液壓進(jìn)給補(bǔ)償系統(tǒng)改成步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給補(bǔ)償系統(tǒng)，機(jī)床的整個綜合性能就一定會顯著提高。步進(jìn)電機(jī)替代了原來的復(fù)雜的液壓進(jìn)給補(bǔ)償系統(tǒng)，將原來液壓波動和機(jī)械零件加工傳動鏈的誤差消除了，并且步進(jìn)電機(jī)可以把進(jìn)給過程分成幾個階段，每個階段可以選用不同的脈沖頻率控制進(jìn)給速度，可以用脈沖數(shù)來控制機(jī)床工作臺精進(jìn)給，這的確比原來液壓系統(tǒng)的軸承磨床進(jìn)步了一大步。但是，隨之而來的就是機(jī)床其它相關(guān)部分也要跟著更新設(shè)計，才會滿足機(jī)床的磨削加工技術(shù)要求。無論是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計還是電氣系統(tǒng)的設(shè)計都不應(yīng)該忽視步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力比較弱的特性。假如我們以上諸項問題的解決方案沒有妥善解決，假如機(jī)床的整體零部件特別是關(guān)鍵零部件還是原來機(jī)械液壓系統(tǒng)機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)，采用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制的軸承磨床就不會從本質(zhì)上的得到改進(jìn)。當(dāng)然，最徹底的辦法就是采用國際上最先進(jìn)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。采用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的軸承磨床，將快跳油缸和諧波減速器去掉，采用滾珠絲杠和伺服電機(jī)直聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得機(jī)械系統(tǒng)誤差最小。雖然我國的采用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的軸承磨床多數(shù)還是脈沖控制，但是伺服電機(jī)的綜合驅(qū)動能力，抗干擾能力和重復(fù)定位精度，比之步進(jìn)電機(jī)軸承磨床又前進(jìn)了一大步。
由于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的特性和諸多BUG，它只是機(jī)械液壓控制進(jìn)步到伺服系統(tǒng)控制中間的一個過渡產(chǎn)品，國外現(xiàn)在幾乎很少看到采用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制的精密磨床了，我國是在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)時間最長的國家。隨著我國軸承行業(yè)技改速度的加快，隨著越來越多的加工高品質(zhì)軸承企業(yè)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)控制的軸承磨床最終會被伺服電機(jī)取代的。
隨著大批量的步進(jìn)電機(jī)控制的軸承磨床推向市場，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制的問題也越來越多的浮出水面，單軸控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的問題還少些，可是兩軸以上的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)常出現(xiàn)諸如兩個系統(tǒng)不同步，尺寸散差不穩(wěn)定等故障。
步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)問題是多方面的。我們在球軸承內(nèi)圈溝磨床做過分析研究，先后試過國內(nèi)幾個品牌的步進(jìn)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)兩個系統(tǒng)的不同步現(xiàn)象很嚴(yán)重。不同步誤差測試從PLC、位控模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)開始。
滾珠絲杠導(dǎo)程4mm，諧波減速器減速比為1:80，步矩角為0.9°，脈沖當(dāng)量為0.125μm。
步進(jìn)電機(jī)的重復(fù)定位誤差已經(jīng)超過機(jī)床精度檢驗標(biāo)準(zhǔn)的3倍。按照脈沖當(dāng)量為0.125μm計算，工作臺累計重復(fù)定位誤差在20次已經(jīng)達(dá)到0.003。表1的數(shù)據(jù)說明不僅僅是步進(jìn)電機(jī)的誤差，機(jī)械系統(tǒng)的誤差更加明顯。
我們分析了這臺機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械問題也比較嚴(yán)重。第一，滾珠絲杠公稱直徑偏小（Φ20），精度等級3級偏低，而且手感爬行現(xiàn)象較為嚴(yán)重；第二，進(jìn)給快跳油缸和滾珠絲杠設(shè)計過定位，裝配位置偏差無法消除；第三，諧波減速器和滾珠絲杠只有螺釘鎖緊沒有鍵連接或銷鏈接；第四，沒有采用滾珠絲杠軸承等等。
接著我們又分析了該機(jī)床的電氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)變頻器、變壓器和步進(jìn)電機(jī)控制器擺放偏近，從PLC輸出的數(shù)據(jù)線電纜沒有屏蔽，配盤的強(qiáng)電和弱電電纜混裝等等問題。這些問題都是影響步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。
目前我國步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力較差，這些電氣設(shè)計布局的不合理直接會產(chǎn)生偶然性進(jìn)給系統(tǒng)和補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，加上機(jī)械系統(tǒng)的系統(tǒng)性誤差，機(jī)床就會處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。并不是說，只要把機(jī)床的液壓進(jìn)給補(bǔ)償系統(tǒng)改成步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給補(bǔ)償系統(tǒng)，機(jī)床的整個綜合性能就一定會顯著提高。步進(jìn)電機(jī)替代了原來的復(fù)雜的液壓進(jìn)給補(bǔ)償系統(tǒng)，將原來液壓波動和機(jī)械零件加工傳動鏈的誤差消除了，并且步進(jìn)電機(jī)可以把進(jìn)給過程分成幾個階段，每個階段可以選用不同的脈沖頻率控制進(jìn)給速度，可以用脈沖數(shù)來控制機(jī)床工作臺精進(jìn)給，這的確比原來液壓系統(tǒng)的軸承磨床進(jìn)步了一大步。但是，隨之而來的就是機(jī)床其它相關(guān)部分也要跟著更新設(shè)計，才會滿足機(jī)床的磨削加工技術(shù)要求。無論是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計還是電氣系統(tǒng)的設(shè)計都不應(yīng)該忽視步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力比較弱的特性。假如我們以上諸項問題的解決方案沒有妥善解決，假如機(jī)床的整體零部件特別是關(guān)鍵零部件還是原來機(jī)械液壓系統(tǒng)機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)，采用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制的軸承磨床就不會從本質(zhì)上的得到改進(jìn)。當(dāng)然，最徹底的辦法就是采用國際上最先進(jìn)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。采用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的軸承磨床，將快跳油缸和諧波減速器去掉，采用滾珠絲杠和伺服電機(jī)直聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得機(jī)械系統(tǒng)誤差最小。雖然我國的采用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的軸承磨床多數(shù)還是脈沖控制，但是伺服電機(jī)的綜合驅(qū)動能力，抗干擾能力和重復(fù)定位精度，比之步進(jìn)電機(jī)軸承磨床又前進(jìn)了一大步。
由于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的特性和諸多BUG，它只是機(jī)械液壓控制進(jìn)步到伺服系統(tǒng)控制中間的一個過渡產(chǎn)品，國外現(xiàn)在幾乎很少看到采用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制的精密磨床了，我國是在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)時間最長的國家。隨著我國軸承行業(yè)技改速度的加快，隨著越來越多的加工高品質(zhì)軸承企業(yè)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)控制的軸承磨床最終會被伺服電機(jī)取代的。
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