2.2.4. Дискретный (шаговый) привод подачи

Привод подач с шаговыми двигателями (ШД) можно разделить на группы: привод с силовым ШД, соединенным через кинематическую цепь с исполнительным механизмом; привод с управляющим ШД и промежуточным усилителем момента, выполненным в виде автономной следящей системы (обычно гидравлической); привод с линейным ШД. В первой и третьей группе динамические и статические характеристики привода определяются параметрами ШД, во второй — зависят от параметров следящей системы, которой управляет ШД. Преимущества шагового привода по сравнению с приводом следящим имеют значение лишь при малых мощностях приводов. К таким преимуществам относятся отсутствие датчика обратной связи по пути и тахогенератора, а также отсутствие коллектора со щетками. Именно это обусловило применение ШД в приводе подач малых токарных и шлифовальных станков, а также для управления различными вспомогательными механизмами (поворот и смещение плансуппортов, резцедержателей и т. п.) станков и гибких производственных модулей. Современные быстродействующие ШД являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, т. е. прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Ступенчатому характеру напряжений на фазах ШД соответствует дискретное вращение электромагнитного поля в воздушном зазоре двигателя. Вследствие этого движение ротора на низкой частоте слагается из последовательности элементарных перемещений, совершаемых по апериодическому или колебательному закону. При возрастании управляющей частоты неравномерность частоты вращения ротора ШД сглаживается. Шаговые двигатели с электронным коммутатором осуществляют преобразование последовательности управляющих импульсов (унитарного кода) в угол поворота вала. Каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фиксированный угол (шаг двигателя), величина которого однозначно определена конструкцией ШД и способом переключения его обмоток. Частота вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны частоте и числу поданных импульсов управления соответственно. В отличие от синхронных двигателей в ШД переход в синхронное движение из состояния покоя осуществляется без скольжения, а торможение — без выбега ротора. Благодаря этому ШД (в рабочем диапазоне частот) обеспечивают внезапный пуск, остановку и реверсирование без потери информации, т. е. без пропуска. Шаговые приводы позволяют существенно снизить общую стоимость станка и поэтому их устанавливают в самых простых, маленьких станках.  Отдельную нишу занимают приводы с линейными ШД (рис. 2.15) [2].

Рис. 2.15. Конструктивное исполнение линейного ШД Siemens

Привод включает в себя первичную часть, представляющую собой статор, и вторичную часть – основание с наклеенными редкоземельными магнитами. Рабочий зазор между первичной и вторичной частями составляет 0,3 мм. В процессе работы на первичную часть подаются управляющие импульсы электрического тока, периодически изменяя намагниченность полюсов статора, которые, взаимодействуя с магнитами вторичной части, вызывают ее линейное смещение в заданном направлении. При этом осуществляется преобразование электрических импульсов в непосредственно линейное перемещение исполнительного органа. Такой привод имеет следующие преимущества по сравнению с классическим, построенным с использованием шарико-винтовых пар (ШВП) [2]: - исключительная динамика и наивысшая скорость перемещения (до 500 м/мин); - высокая точность; - простой монтаж; - износостойкость привода, благодаря бесконтактной передаче усилия. Существенным преимуществом линейной техники прямых приводов является практическое отсутствие эффектов эластичности, люфта и трения, а также собственной вибрации в трансмиссии. Следствием этого является высокая динамика и высокая точность. При использовании соответствующей измерительной системы и соответствующих температурных условий двигатели могут позиционироваться с нанометрической точностью. Несмотря на все преимущества, привод на основе линейных ШД на данный момент имеет ряд недостатков, сдерживающих его применение: - ограниченная нагрузочная способность (усилие подачи до 14 кН); - отсутствие самоторможения при снятии питающего напряжения; - невысокий КПД; - высокая стоимость. Вследствие всего перечисленного линейные ШД находят применение в следующих областях: - высокоскоростное фрезерование; - шлифование; - ультрапрецизионная обработка; - электроэрозионная обработка; - лазерная обработка.