力矩電動(dòng)機(jī)及直線電動(dòng)機(jī)在齒輪磨床數(shù)控改造中的應(yīng)用*

趙 榕

(漢江工具有限責(zé)任公司，陜西 漢中723002)

Y7432 齒輪磨床主要用于插齒刀及剃齒刀齒形面的磨削加工，在使用中問(wèn)題集中在分齒和漸開(kāi)線展成運(yùn)動(dòng)上。分齒通過(guò)交換齒輪驅(qū)動(dòng)等分板定位，精度由等分板齒槽保證;漸開(kāi)線展成運(yùn)動(dòng)通過(guò)基圓盤(pán)做純滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)。不同規(guī)格插齒刀的磨削需要更換相對(duì)應(yīng)的交換齒輪、等分板、基圓盤(pán)。等分板、基圓盤(pán)的誤差直接影響到插齒刀的磨削質(zhì)量，并且該誤差很難修正。

機(jī)床的分齒機(jī)構(gòu)定位精度直接決定著被磨削刀具等分精度，漸開(kāi)線展成運(yùn)動(dòng)精度直接決定著被磨削刀具漸開(kāi)線齒形面精度，該兩項(xiàng)精度是刀具的重要精度指標(biāo)。

1 同步直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的性能特點(diǎn)

同步直線電動(dòng)機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需通過(guò)中間任何轉(zhuǎn)換裝置的電動(dòng)機(jī)。它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、噪聲低、組合性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。用同步直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線軸具有以下特點(diǎn):

(1)高速響應(yīng):系統(tǒng)中取消了響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的滾珠絲杠、聯(lián)軸器等機(jī)械傳動(dòng)件，使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，具有極小的推力波動(dòng)性，非常靈敏快捷。

(2)定位精度高:同步電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量低，沒(méi)有傳統(tǒng)絲杠磨損問(wèn)題，通過(guò)直線位置檢測(cè)反饋(全閉環(huán))控制，可大大提高機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度的穩(wěn)定性。

(3)加速度大:電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件，可輕易獲得更高的加速度。

(4)低噪音:由于系統(tǒng)中取消了響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的滾珠絲杠、聯(lián)軸器等機(jī)械傳動(dòng)件，采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，使得運(yùn)動(dòng)噪音大大降低。

(5)效率高:由于沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗。

機(jī)床采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的許多缺陷，使機(jī)床精度性能指標(biāo)得以提高。

2 同步力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的性能特點(diǎn)

同步力矩電動(dòng)機(jī)與一般鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理相同，只是結(jié)構(gòu)、特性不同。

同步力矩電動(dòng)機(jī)反應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，能在大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好，具有高耦合剛度。

同步力矩電動(dòng)機(jī)可設(shè)計(jì)成直接驅(qū)動(dòng)連接方式，力矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有中間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，取消了齒輪箱、蝸輪蝸桿、同步帶等機(jī)械傳動(dòng)裝置，沒(méi)有反向間隙，沒(méi)有磨損，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械負(fù)載與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的直接連接。這樣的連接方式能夠提供高動(dòng)態(tài)性能，消除傳動(dòng)的間隙與傳動(dòng)系統(tǒng)滯后現(xiàn)象，可提供機(jī)床加工需要的高剛性。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料，具有更小的發(fā)熱量，從而提高機(jī)床系統(tǒng)的運(yùn)行精度。

力矩電動(dòng)機(jī)軸系配合高精度編碼器做位置檢測(cè)反饋控制，可以實(shí)現(xiàn)高的回轉(zhuǎn)定位精度及高的回轉(zhuǎn)跟隨精度。

3 齒輪磨床的數(shù)控改造

利用先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)成熟技術(shù)，漢江工具有限責(zé)任公司對(duì)Y7125、Y7420、Y7432 型號(hào)的齒輪磨床進(jìn)行了數(shù)控改造。

3.1 配置

控制系統(tǒng)采用德國(guó)博世力士樂(lè)公司的MTX -micro 數(shù)控系統(tǒng)。

主軸驅(qū)動(dòng)采用MST160E-0050 力矩電動(dòng)機(jī)(額定扭矩105 Nm，最大扭矩270 Nm)。配置西班牙發(fā)格公司圓光柵尺，型號(hào)為HP 36000D 200，測(cè)量精度±2″。

展成滑座驅(qū)動(dòng)采用MLP100A -0090 直線電動(dòng)機(jī)(額定扭矩1180 N，最大扭矩3750 N)。有效行程240 mm。配置西班牙發(fā)格公司長(zhǎng)度光柵尺，型號(hào)為SP 270 -3 測(cè)量精度0.001 mm。

3.2 機(jī)械改造

對(duì)機(jī)床進(jìn)行大修，按出廠精度要求恢復(fù)各項(xiàng)幾何精度。

分齒機(jī)構(gòu)采用高精度、高剛性機(jī)械主軸結(jié)構(gòu)，內(nèi)置力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

展成滑座機(jī)構(gòu)采用高強(qiáng)度鑄鐵制造，選配高精度、高剛性的德國(guó)博世力士樂(lè)公司直線導(dǎo)軌，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

3.3 效果

按以上結(jié)構(gòu)、材料、精度標(biāo)準(zhǔn)改造后的齒輪磨床，精度可達(dá)到如下指標(biāo):系統(tǒng)最小分辯率0.001;分齒精度相鄰誤差小于0.002°;累積誤差小于0.003°;主軸回轉(zhuǎn)跳動(dòng)誤差小于0. 003 mm;直線度誤差小于0.002 mm/150 mm;定位精度誤差小于0.005 mm;重復(fù)定位精度誤差小于0.002 mm;磨削精度可穩(wěn)定在4級(jí)齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)。

同等規(guī)格的數(shù)控齒輪磨床價(jià)格在200 萬(wàn)元左右，而用普通齒輪磨床進(jìn)行數(shù)控改造只需投入36 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

利用先進(jìn)機(jī)構(gòu)及成熟的數(shù)控技術(shù)對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，可大大改善機(jī)床性能、提高精度、提高加工效率。

采用德國(guó)博世力士樂(lè)公司的MTX-micro 數(shù)控系統(tǒng)，采用直線電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，對(duì)齒輪磨床分齒和展成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)控改造，是提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的有效途徑，有利于插齒刀及剃齒刀齒形面的磨削加工精度的提高。

漢江工具有限責(zé)任公司利用該技術(shù)對(duì)齒輪磨床進(jìn)行了數(shù)控改造。經(jīng)過(guò)2 年多的使用，該機(jī)床能滿足插齒刀精磨工序各項(xiàng)精度指標(biāo)，機(jī)床各項(xiàng)性能及精度情況良好。

［1］葉云丘. 直線電機(jī)原理與運(yùn)用［M］. 6 版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］Bosch Rexroth Group. Project planning manual-Rexroth IndraDyn Tsynchronous torque motors［M］. 5th ed. Germany:Bosch Rexroth AG，2008.

［3］Bosch Rexroth Group. Project planning manual-Rexroth IndraDyn Lsynchronous linear motors［M］. 3rd ed. Germany:Bosch Rexroth AG，2008.

［4］Bosch Rexroth Group. Project Planning manual -Rexroth IndraDrive -驅(qū)動(dòng)控制器控制部分［M］. 2nd ed. Germany:Bosch Rexroth AG.Project Planning Manual，2004.