一种新型步进电机及其在数控机床中的应用朱文，湛发坤，袁冬梅，刘飞 （重庆大学制造工程研究所，重庆 ４０００３０）摘要：针对传统机床直线进给系统在某些场合下存在体积大、安装调试难度高、系统动态性不好的问题，提出了用种新型步进电机控制直线运动的方法．该电机的特点是电机轴中空，丝杠可以直接穿过电机抽；在该电机控制的直线运动系件，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．夫健词：步进电机；直线运动；数控机床中图分类号：ＴＭ９２１－｝ｋ ５２； ＴＧ５峰３５文献标识码：ＡＡ Ｎｅｗ Ｋｉｎｄ ｏｆ Ｓｔｅｐ Ｍｏｔｏｒ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｕｓａｇｅ ｉｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍａｃｈｉｎｅ ＴｏｏｌＺｈｕ Ｗｅｎ， Ｓｈｅｎ Ｆａｋｕｎ， Ｙｕａｎ Ｄｏｎｇｍｅｉ， Ｌｉｕ Ｆｅｉ（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐｔ．ＣＱＵ．Ｃｈｏｎｇｇｉｎｇ．Ｃｈｉｎａ ４０００３０３Ａｂｓｔｒａｍｉｎ Ｓｏｍｅ ｃａｓｅ， ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｏｒｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｉｓ ｏｆ ｈｕｇｅ ｂｕｌｋ，ｕｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｆｘｉ吨，ｌｏｗ ｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｓｏ ｗｅ ｗｏｒｋ ｏｕｔ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｏｒｌｌｅｄ ｂｙ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ ｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｈａｓ ａ ｈｏｌｌｏｗ ａｘｉｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｗｈｉｃｈ ａｓ ｃｒｅｗ ｃａｎ ｔｈｒｅａｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒｌ ｔｈｅ ｓｃｒｅｗ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｆｉｘｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｏｕｌｄ ｍｏｖｅ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｃｅｒｗ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｆｉｘｉｎｇ，ｓｍａｌｌ ｂｕｌｌｃ，ａｎｄ ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ；ｌｉｎｅａｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ；机床是一个国家工业的基础，它对于国民经济的发展起 行了深入的研究以后，提出了用一种新列电机进行直线运动着非常重要的作用。现代机床发展的方向是机床数控化，据控制的方法，并详细介绍了这种直线运动控制系统在数控机统计，２００２年世界数控机床总产Ａ约占世界机床总产量的２５床中的应用。％，而其中经济型数控机床又约占数控机床总Ｉｔ的３０％ｕｕ＝），可见，经济型数控机床在机床中占有很大的比例。经济型数１传统机床进给系统控机床进给系统一般由步进电机驱动，并经过转换机构将电对机床直线进给系统的要求一般包括高速度、高精度、 机的旋转运动转换为工作台的直线运动。步进电机直接用数高刚度、无间隙、低摩擦、低惯ｔ、传动系统机械结构简化字脉冲进行开环控制，整个控制系统简单价廉，非常适合在等３。传统机床直线进给系统一般由旋转电机、联轴节、丝经济划数控机床中进行运用。但是，传统步进电机组成的控杠、丝社轴承、丝杠螺母、运动部件（如工作台、主轴箱、制系统在某些场合下却存在运动系统体积大、安装调试难度立柱等）等分组成，其结构如图１所示。高、系统动态性不好等问题，本文在对直线运动控制系统进１．机架２．紧固螺母３．角接触球轴承４．丝杠５．工作台６．丝杠螺母７．推力球轴承８．深沟球轴承９．紧固螺母１０．联轴节１１．电动机图１传统机床进给系统结构图 该系统的工作方式是：电机旋转通过联轴节带动丝杠旋转，通过分析可以看出，该系统具有如下缺点：丝杠旋转使丝杠螺母子动，丝杠螺母子动带动工作台平动。ａ．安装调试复杂：为了保证系统运行的稳定性，必须一３１３－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 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２ｍ）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。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，这将影响设备的美观、提高制造成本。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。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电动机（含运动部件） 图２改进后的直线运动控制系统结构可以看出，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。当电机小。下面以１１０ＢＹＧ五相混合式步进电机、２００Ｋｇ负载、公称直径３２ｍｍ、导程５ｍｍ，长度２０００ｍｍ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．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，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不用调节二者同心，安装方便，结构紧凑；同时，由于系统转动惯量如表１所示。中丝杠不转动，当丝杠长度较长时，系统转动惯量将大大减表１：系统改进前后各部分转动惯量比较 单位：ｋｇ －ｃｍ｀转子丝杠１２．５０联轴节１３．００丝杠螺母０轴承２．８０负载１．２１．２总和４２．６改进前转动惯量改进后转动惯量１３．１１４．２１０．２２５．６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。山表１可以看出，改进后的系统转动惯量为改进前的＜１。为每个脉冲控制下负载的移动距离，Ｔ为电机转矩，、「为系统总的转动惯量，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４２．６２５．６６０，根据负载加速度公式ｒ＋｝ａ＝１０ｘ １８０、二ｘｇ兀ＪＫ已・ｘ１００％＝１６６％，因此，系统动态响应特性大大提高。转ｆ－图３系统改进前后转动惯量比较 一３１４－３改进后的机床进给系统．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，在数控机床中，有的送给系统的丝杠很长，丝杠转动时其 为防止电机轴转动时安装螺母松动，应采用双螺母放松，并惯量非常大，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；丝杠螺母与双进电机及直线控制系统对其进行改进，其结构如图４所示。螺母之间通过螺栓联接，两个丝杠螺母之间应施加预紧力，在该结构中，电机轴两端各实装一个丝杠螺母。电机辅 其大小为螺母工作时所受最大力的三分之一。１机架２丝杠紧固螺母３．压板４．键５．导轨６．托板７丝杠００丝杠螺母９．电机１０．紧固螺母１１．安装螺母１２．调整垫片图４改进后的机床进给系统 ４结论［１］陈循介．目前世界机床的生产形势和市场需求．制本文提出了用一种新地步进电机改进数控机床直线进 造技术与机床．２００３，（１１）．给系统的方法，该电机的特点是电机轴中空，丝杠可以百接［２］李开佛．金切机床技术发展动向．机械与金穿过电机轴，在该电机控制的直线运动系统中，丝杠一般不属．２００３， （５）动，电机在丝杠上平动，从而使运动系统具有安装调试方便、［３１毕承恩．现代数控机床．北京：机械工业出版体积小、动态响应特性好等特点。目前，按此方法设计的电社．１９９０机已经研制成功，并已申请了专利，现在正在机床数控化改［４］刘宝延、程树康等．步进电动机及其驱动控制系统．哈尔造中投入使用。本步进电机的改进原理同样适用于其他类别滨：哈尔滨工业大学出版社．１９９７．电机的改进。参考文献：作者简介：朱文（（１９９５一），男，重庆大学制造工程研究所，高级工程师，研究方向：机电一体化。一３１５一