轴承磨床的步进电机及其控制系统

   我国在轴承磨床上采用步进电机及其控制系统是从上个世纪九十年代开始的，十多年来，采用步进电机控制技术的轴承磨床发展很快，目前，无锡、石家庄、成都和河南几个城市的轴承设备制造厂都在批量生产步进电机控制的轴承磨床。 
    随着大批量的步进电机控制的轴承磨床推向市场，步进电机系统控制的问题也越来越多的浮出水面，单轴控制步进电机系统的问题还少些，可是两轴以上的步进电机系统，经常出现诸如两个系统不同步，尺寸散差不稳定等故障。 
    步进电机系统出现问题是多方面的。我们在球轴承内圈沟磨床做过分析研究，先后试过国内几个品牌的步进电机，发现两个系统的不同步现象很严重。不同步误差测试从PLC、位控模块、步进电机驱动器和步进电机开始。 
    滚珠丝杠导程4mm，谐波减速器减速比为1:80，步矩角为0.9°，脉冲当量为0.125μm。     
    步进电机的重复定位误差已经超过机床精度检验标准的3倍。按照脉冲当量为0.125μm计算，工作台累计重复定位误差在20次已经达到0.003。表1的数据说明不仅仅是步进电机的误差，机械系统的误差更加明显。 
    我们分析了这台机床的进给机构和补偿机构，发现机械问题也比较严重。第一，滚珠丝杠公称直径偏小（Φ20），精度等级3级偏低，而且手感爬行现象较为严重；第二，进给快跳油缸和滚珠丝杠设计过定位，装配位置偏差无法消除；第三，谐波减速器和滚珠丝杠只有螺钉锁紧没有键连接或销链接；第四，没有采用滚珠丝杠轴承等等。 
    接着我们又分析了该机床的电气系统，发现变频器、变压器和步进电机控制器摆放偏近，从PLC输出的数据线电缆没有屏蔽，配盘的强电和弱电电缆混装等等问题。这些问题都是影响步进电机系统不稳定的因素。 
    由于目前我国步进电机系统的抗干扰能力较差，这些电气设计布局的不合理直接会产生偶然性进给系统和补偿系统误差，加上机械系统的系统性误差，机床就会处于不稳定的工作状态。 
    并不是说，只要把机床的液压进给补偿系统改成步进电机进给补偿系统，机床的整个综合性能就一定会显著提高。步进电机替代了原来的复杂的液压进给补偿系统，将原来液压波动和机械零件加工传动链的误差消除了，并且步进电机可以把进给过程分成几个阶段，每个阶段可以选用不同的脉冲频率控制进给速度，可以用脉冲数来控制机床工作台精进给，这的确比原来液压系统的轴承磨床进步了一大步。但是，随之而来的就是机床其它相关部分也要跟着更新设计，才会满足机床的磨削加工技术要求。无论是机械结构的设计还是电气系统的设计都不应该忽视步进电机系统抗干扰能力比较弱的特性。假如我们以上诸项问题的解决方案没有妥善解决，假如机床的整体零部件特别是关键零部件还是原来机械液压系统机床的标准，采用步进电机系统控制的轴承磨床就不会从本质上的得到改进。 
    当然，最彻底的办法就是采用国际上最先进的伺服电机控制系统。采用伺服电机控制系统的轴承磨床，将快跳油缸和谐波减速器去掉，采用滚珠丝杠和伺服电机直联结构，使得机械系统误差最小。虽然我国的采用伺服电机控制系统的轴承磨床多数还是脉冲控制，但是伺服电机的综合驱动能力，抗干扰能力和重复定位精度，比之步进电机轴承磨床又前进了一大步。由于步进电机系统的特性和诸多BUG，它只是机械液压控制进步到伺服系统控制中间的一个过渡产品，国外现在几乎很少看到采用步进电机系统控制的精密磨床了，我国是在数控机床上应用步进电机系统时间最长的国家。随着我国轴承行业技改速度的加快，随着越来越多的加工高品质轴承企业的发展，步进电机控制的轴承磨床最终会被伺服电机取代的。