步进电机在机床中应用

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。 机床的应用 1 传统机床进给系统

对机床直线进给系统的要求一般包括高速度、高精度、高刚度、无间隙、低摩擦、低惯t、传动系统机械结构简化等3 。传统机床直线进给系统一般由 旋转电机、联轴节、丝杠、丝社轴承、丝杠螺母、运动部件 ( 如工作台、主轴箱、立柱等)等分组成，其结构如图1 所示。

该系统的工作方式是:电机旋转通过联轴节带动丝杠旋转，丝杠旋转使丝杠螺母子动，丝杠螺母子动带动工作台平动。通过分析可以看出，该系统具有如下缺点:

a .安装调试复杂:为了保证系统运行的稳定性，必须使电机输一 与丝杠严格同心，这对高速运行系统尤为重要，但要保证做到这一 点是比较困难的。

b .系统体积大:系统中电机轴、联轴节、丝杠在直线上一字排开，占用的空间很大，当运动系统空间受限，该系统就显得特别庞大，与整机不相匹配。同时，该运动系统体积增大会使得整机休积增大，这将

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影响设备的美观、提高制造成本。

c .系统结构复杂、性能价格比低: 运动系统辅助零部件多，结构复杂，为了提高系统精度，一般使用高精度的联轴节、轴承等，价格较为昂贵，因此，整个运动系统的价格较高。

d转动惯量大:丝杠、联轴节、轴承都随电机轴一起转动，在长丝杠 ( 如大于2 m )运动系统中，系统的转动惯量很大，因而导致系统动态响应特性很差。

2 直线运动控制系统的改进为了改进上述直线进给系统的不足，笔者设计出一种新型的线性电机及其运动控制系统，其原理如图2 所示。

可以看出，改进后的电机是在旋转式电机的基础上，把电机辅做成主心，使用时丝杠穿过电机轴，丝杠螺母固定在电机轴_ l : : 并随之一起转动，而丝杠两端与机架完全[ } 1 定。当电机轴转动时，丝杠螺毋将在丝杠上平动，并由此带动电机及负载一起运动。

本系统和图 1 所示系统相比，减少了联轴节以及若干轴承，结构大为简化，成本大幅度降低: 丝杠穿过电机辅中心，不用调节二者同心，安装方便，结构紧凑;同时，由于系统中丝杠不转动，当丝杠长度较长时，系统转动惯量将大大减小。下面以1 1 0 B Y G 五相混合式步进电机、2 0 0 K g 负载、公称直径3 2 m m 、 导程5 m m ,

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长度2 0 0 0 m m 的丝杠构成的直线运动控制系统为例对改进前后的系统转动惯量作一比较.

如图1 及图2 所示， 改进前系统转动惯量主要包括转干、联轴节、 丝杠、 轴承的转动惯量利负载手动折合的转动惯量.改进后系统转动惯量主要包括转子、丝杠螺母转动惯量和负载平动折合的转动惯量。经计算或查相关资料可确定各部分转动惯量如表1 所示。

改进前后各部分转动拨量可用图3 所示条形图来直观表示。表 1 可以看出，改进后的系统转动惯量为改进前的6 0 ，根据负载加速度公式

1)为每个脉冲控制下负载的移动距离， T为电机转矩，(为系统总转动惯量，9为重力加速度)可知，在电机转矩相同时众载加速度将为改进前的

,因此，系统动态响应特性大大提高。

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3 改进后的机床进给系统 .

在数控机床中，有的送给系统的丝杠很长，丝杠转动时其惯量非常大，严重影响系统的动态响应特性。此时可用上述步进电 机及直线控制系统对其进行改进，其结构如图4 所示。

在该结构中，电机轴两端各实装一个丝杠螺母。电机辅两端伸出端盖， 上面加工有螺纹以安装丝杠螺母的安装螺母，为防止电机轴转动时安装螺母松动，应采用双螺母放松，并且双螺母的螺纹旋向应与丝杠螺纹旋向相反;丝杠螺母与双螺母之间通过螺栓联接，两个丝杠螺母之间应施加预紧力，其大小为螺母工作时所受最大力的三分之一。

4 结论

本文提出了用一种新地步进电机改进数控机床直线进 给系统的方法，该电机的特点是电机轴中空，丝杠可以百接 穿过电机轴，在该电机控制的直线运动系统中，丝杠一般不 动， 电机在丝杠上平动， 从而使运动系统具有安装调试方便、 体积小、动态响应特性好等特点。目前，按此方法设计的电 机已经研制成功，并已申请了专利，现在正在机床数控化改

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