軸承磨床的步進電機及其控制系統

我國在軸承磨床上采用步進電機及其控制系統是從上個世紀九十年代開始的，十多年來，采用步進電機控制技術的軸承磨床發展很快，目前，無錫、石家莊、成都和河南幾個城市的軸承設備制造廠都在批量生產步進電機控制的軸承磨床。 隨著大批量的步進電機控制的軸承磨床推向市場，步進電機系統控制的問題也越來越多的浮出水面，單軸控制步進電機系統的問題還少些，可是兩軸以上的步進電機系統，經常出現諸如兩個系統不同步，尺寸散差不穩定等故障。 步進電機系統出現問題是多方面的。我們在球軸承內圈溝磨床做過分析研究，先后試過國內幾個品牌的步進電機，發現兩個系統的不同步現象很嚴重。不同步誤差測試從PLC、位控模塊、步進電機驅動器和步進電機開始。 滾珠絲杠導程4mm，諧波減速器減速比為1:80，步矩角為0.9°，脈沖當量為0.125μm。 步進電機的重復定位誤差已經超過機床精度檢驗標準的3倍。按照脈沖當量為0.125μm計算，工作臺累計重復定位誤差在20次已經達到0.003。表1的數據說明不僅僅是步進電機的誤差，機械系統的誤差更加明顯。 我們分析了這臺機床的進給機構和補償機構，發現機械問題也比較嚴重。第一，滾珠絲杠公稱直徑偏小（Φ20），精度等級3級偏低，而且手感爬行現象較為嚴重；第二，進給快跳油缸和滾珠絲杠設計過定位，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床的電氣系統，發現變頻器、變壓器和步進電機控制器擺放偏近，從PLC輸出的數據線電纜沒有屏蔽，配盤的強電和弱電電纜混裝等等問題。這些問題都是影響步進電機系統不穩定的因素。 由于目前我國步進電機系統的抗干擾能力較差，這些電氣設計布局的不合理直接會產生偶然性進給系統和補償系統誤差，加上機械系統的系統性誤差，機床就會處于不穩定的工作狀態。 并不是說，只要把機床的液壓進給補償系統改成步進電機進給補償系統，機床的整個綜合性能就一定會顯著提高。步進電機替代了原來的復雜的液壓進給補償系統，將原來液壓波動和機械零件加工傳動鏈的誤差消除了，并且步進電機可以把進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給速度，可以用脈沖數來控制機床工作臺精進給，這的確比原來液壓系統的軸承磨床進步了一大步。但是，隨之而來的就是機床其它相關部分也要跟著更新設計，才會滿足機床的磨削加工技術要求。無論是機械結構的設計還是電氣系統的設計都不應該忽視步進電機系統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，假如機床的整體零部件特別是關鍵零部件還是原來機械液壓系統機床的標準，采用步進電機系統控制的軸承磨床就不會從本質上的得到改進。 當然，最徹底的辦法就是采用國際上最先進的伺服電機控制系統。采用伺服電機控制系統的軸承磨床，將快跳油缸和諧波減速器去掉，采用滾珠絲杠和伺服電機直聯結構，使得機械系統誤差最小。雖然我國的采用伺服電機控制系統的軸承磨床多數還是脈沖控制，但是伺服電機的綜合驅動能力，抗干擾能力和重復定位精度，比之步進電機軸承磨床又前進了一大步。由于步進電機系統的特性和諸多BUG，它只是機械液壓控制進步到伺服系統控制中間的一個過渡產品，國外現在幾乎很少看到采用步進電機系統控制的精密磨床了，我國是在數控機床上應用步進電機系統時間最長的國家。隨著我國軸承行業技改速度的加快，隨著越來越多的加工高品質軸承企業的發展，步進電機控制的軸承磨床最終會被伺服電機取代的。