內(nèi)置式力矩電機在數(shù)控干式滾齒機設(shè)計中的應用

莊如洪

摘要：數(shù)控干式滾齒機不需要冷卻液，既環(huán)保，又降低了滾齒加工成本，干切方式還可以采用更高的切削速度，提高加工效率。內(nèi)置式力矩電機具有軟機械特性，且是可進行寬速范圍調(diào)整的特種電機，此類電機軸并不是恒功率輸出動力，而是采用恒力矩輸出動力。文章分析了內(nèi)置式力矩電機在數(shù)控干式滾齒機設(shè)計中的應用，并提出了實用性應用策略。

關(guān)鍵詞：內(nèi)置式力矩電機；數(shù)控干式滾齒機；干切方式；軟機械特性；特種電機 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG61 文章編號：1009-2374（2016）22-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.026

現(xiàn)代化社會發(fā)展對數(shù)控行業(yè)有著更高的要求，其間更強調(diào)數(shù)控機床及其程序與電機技術(shù)水平的提高。傳統(tǒng)數(shù)控機床設(shè)計均是采用伺服電機驅(qū)動，其電動機與主軸之間會存在諸多傳動機構(gòu)，比如蝸輪蝸桿傳動和齒輪傳動等。機械傳動中的各環(huán)節(jié)速度及其加速度的變化，極易影響傳動機構(gòu)精確度，從而導致其傳動間隙及其非線性出現(xiàn)誤差，且機械傳動時亦會出現(xiàn)相應的振動及噪聲，最終嚴重影響整個工件加工精度。

滾齒切削時工件主軸需要與刀具主軸保持嚴格的運動關(guān)系，為了滿足現(xiàn)代高速、高精度等加工要求，對工作臺電機轉(zhuǎn)矩特性要求很高，不但能做大承載力的可控回轉(zhuǎn)，還能提供高分辨率的精密低速運動，由于機床尺寸限制，工作臺轉(zhuǎn)動慣量較大，這時可以選擇內(nèi)置式力矩電機轉(zhuǎn)子與工作臺主軸直聯(lián)，實現(xiàn)“零傳動”用來保證工作臺高精度旋轉(zhuǎn)。因此，分析內(nèi)置式力矩電機在數(shù)控干式滾齒機設(shè)計中的應用，對我國數(shù)控干式滾齒機設(shè)計水平提升有著極大現(xiàn)實意義。

1 數(shù)控干式滾齒機工作臺設(shè)計概論

1.1 什么是零傳動

零傳動指取消了常見的傳動機構(gòu)，如蝸輪蝸桿、齒輪，而是將電機轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動最終執(zhí)行元件。它大大縮短了傳動鏈，減少了制造、安裝、調(diào)試、傳動誤差，節(jié)省了蝸輪、齒輪傳動元件等的制造成本，沒有磨損，配合高精度軸承和編碼器，可以實現(xiàn)編碼器級別的精度，提高機床的動態(tài)靈敏度、加工精度和工作可靠性。此類傳動方式可充分滿足現(xiàn)代化社會發(fā)展需求，其高速、高精度、高效率等特點，是一種新型傳動方式，為干式滾齒機提供了必要的速度條件。

1.2 數(shù)控干式滾齒機工作臺具體設(shè)計方案

工件裝在工作臺上，由內(nèi)置式力矩電機轉(zhuǎn)子與主軸直接相聯(lián)帶動旋轉(zhuǎn)，與滾刀的運動一起構(gòu)成展成運動。這時傳動鏈長度則是零及“零傳動”，省去了好多傳動元件，減少了傳動元件的制造誤差以及裝配誤差等對齒輪加工的影響。可以提高機床的加工精度和加工速度，由于簡化了機械傳動結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時更有利于提高機床的剛性，進而保持了精度的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)滾齒機工作時，工作臺由分度蝸輪副或者高精度齒輪副帶動旋轉(zhuǎn)，與滾刀的旋轉(zhuǎn)運動一起構(gòu)成展成運動。不管蝸輪蝸桿或者齒輪機構(gòu)，制造成本和各項維護及維修費用較高，傳動時有噪聲、振動和沖擊大、污染環(huán)境、摩擦磨損大、無過載保護作用等，從而嚴重影響了運動指令的反應速度，運行亦不穩(wěn)定，極易降低整個機床的運轉(zhuǎn)精確度，更加影響工件的加工精度和表面質(zhì)量，最終造成機床使用效率下降，使用費用增加。

2 數(shù)控干式滾齒機工作臺驅(qū)動方案技術(shù)

2.1 技術(shù)性分析

直流力矩電機本質(zhì)上是低速大扭矩的伺服電動機，為提高扭矩，力矩電動機的極數(shù)較多，所以轉(zhuǎn)速一般只有一百轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。但基于滾齒基本原理，完全滿足干式滾齒機對工作臺的速度要求。力矩電機本身無需通過齒輪機構(gòu)減速，轉(zhuǎn)子直接與主軸相連帶動相關(guān)負載，主軸尾部同時安裝一個旋轉(zhuǎn)編碼器反饋主軸位置，當工作臺的響應速度足夠靈敏時，在電子齒輪箱的控制之下，可以得到理想的分度精度，滿足了干式滾齒機對工作臺高速、高精度、恒扭矩輸出的要求，還能提供高分辨率的精密低速運動。

2.2 經(jīng)濟性分析

目前的滾齒機工作臺常規(guī)由蝸輪蝸桿或者齒輪分度，這些結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生傳動件的制造成本和各項維護及維修費用，漲緊套等外購件的采購與更換費用，停機損失，環(huán)境保護和廢件處理費用等。

內(nèi)置式力矩電機轉(zhuǎn)子與主軸直接相聯(lián)，節(jié)約了不少零件、標準件、外購件，機床總體尺寸減少，結(jié)構(gòu)更加緊湊，機床故障率減少，工作臺能保證高精度高速旋轉(zhuǎn)，所以大幅提高了機床效率。

3 力矩電機選型分析

3.1 無框架DDR電機

無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機使用獨立轉(zhuǎn)子及定子，其間并未采用軸承，轉(zhuǎn)子一般會與旋轉(zhuǎn)的主軸相連，而定子則與固定零件相連，其間也存在相應的反饋裝置。無框架電機具備更安全有效的機械伺服處理方案，其對機械尺寸緊湊或?qū)傊亓坑幸髸r應用非常有效。再者是輸出機械接口可以定制化，更充分地滿足用戶個性化要求，價格會非常昂貴的，其集成所需時間最長，其通常需要幾周或是幾個月的設(shè)計。如果系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則電機及其反饋設(shè)備更換亦是非常復雜的。

3.2 封閉式DDR電機

直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機均是帶外殼的，即封閉式DDR電機，也就是把轉(zhuǎn)子和定子嚴格置于十分精密的軸承外殼中或是電機出廠之前就完成適宜的反饋設(shè)備集成，最終將這些均置于相應的外殼中，以此方式可更好地處理負載騎跨于電機軸承中的應用。不過其間已使用的軸承電機，用戶應將電機合理連接至對應負載上，亦或者是以3個或是3個以上的軸承充分對準，這也是非常繁重且費時的工作，此類電機多用于分度及速率轉(zhuǎn)臺中。

4 機床方案選擇

封閉式DDR電機是將轉(zhuǎn)子和定子以及反饋裝置等全部置于精密軸承外殼中，所以應用中要受其本身機械參數(shù)的限制，此類問題關(guān)乎到封閉式DDR電機的具體應用。固定的機械輸出接口和機床要求有時并不能充分兼容，這時就需要通過聯(lián)軸器或者漲緊套等連接，這樣就增加了聯(lián)結(jié)環(huán)節(jié)，從而增加了成本，加重了安裝工作和調(diào)試難度?？梢哉f非常合理的結(jié)構(gòu)應是將電機及其執(zhí)行部件充分連接，從而盡可能地發(fā)揮直接驅(qū)動能力及其優(yōu)勢，這也說明無框架DDR電機更具應用優(yōu)勢，鑒于數(shù)控干式滾齒機結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)試方便，故數(shù)控干式滾齒機工作臺選用內(nèi)置式力矩電機。

5 結(jié)語

干式切削技術(shù)是為適應全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來的一項綠色切削加工技術(shù)。經(jīng)對本公司的YD3122CNC數(shù)控干式滾齒機試驗論證，內(nèi)置式力矩電機用于滾齒機完全符合干式滾齒機設(shè)計要求，加工精度等要求也完全符合行業(yè)標準。內(nèi)置式力矩電機轉(zhuǎn)子與主軸直接相聯(lián)，突破了傳統(tǒng)齒輪加工機床的結(jié)構(gòu)，簡化了機械結(jié)構(gòu)，大幅提高機床精度和效率，節(jié)約了成本。這也說明分析內(nèi)置式力矩電機在數(shù)控滾齒機設(shè)計中的應用，對我國數(shù)控滾齒機設(shè)計水平提升有著極大的現(xiàn)實意義。

參考文獻

[1]劉妍，金明剛，呂思銘.力矩電機技術(shù)在車銑B軸

刀架上的應用[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），

2011，（7）.

[2]王靜，周祥曼.基于有限元的插齒機立柱結(jié)構(gòu)的靜動

態(tài)特性分析[J].煤礦機械，2013，（10）.

[3]杜玲玲.插齒機時間定額的制定[J].裝備制造技術(shù)，

2013，（8）.

[4]趙大興，趙迪，邱天月，丁國龍，許萬.直流力矩電

機在數(shù)控插齒機上的應用[J].機床與液壓，2015，

（5）.

[5]王東寅，楊建璽，孫淵濤，黃健，周浩兵.小模數(shù)

滾齒機用電主軸的設(shè)計與研究[J].機床與液壓，

2015，（1）.

（責任編輯：蔣建華）