直驅(qū)刀架的開(kāi)發(fā)與技術(shù)應(yīng)用

■煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床裝備股份有限公司 （山東煙臺(tái) 265500） 邊 輝 姜 力

刀架是數(shù)控車床類產(chǎn)品上最重要、最核心的功能部件之一，其性能的優(yōu)劣、質(zhì)量的高低和可靠性的好壞，無(wú)不直接影響到主機(jī)的水平、性能、精度及效率。刀架技術(shù)的升級(jí)換代幾乎是伴隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)同步發(fā)展起來(lái)的，特別是近些年來(lái)，隨著技術(shù)結(jié)構(gòu)的成熟及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格的不斷降低，在國(guó)外數(shù)控車床產(chǎn)品上，配置伺服刀架已成為主流。

當(dāng)前，伺服刀架主要采用的是高速伺服電動(dòng)機(jī)＋齒輪驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式，由于存在著機(jī)械傳動(dòng)鏈，雖有較好的靜態(tài)剛度，但是這種傳動(dòng)方式要完成起動(dòng)、加速、減速、定位及制動(dòng)等運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)鏈自身產(chǎn)生的彈性變形、摩擦和反向間隙等會(huì)造成傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)剛度差及其他非線性誤差，因而不易實(shí)現(xiàn)刀架的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而制約了機(jī)床向高速、高效加工的發(fā)展。

1. 新型直驅(qū)刀架的開(kāi)發(fā)

針對(duì)上述傳動(dòng)方式的不足，我公司采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款直驅(qū)刀架，該款刀架為立式刀架，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用了內(nèi)轉(zhuǎn)子三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，工位位置由編碼器檢測(cè)，精確定位由三聯(lián)端齒盤(pán)實(shí)現(xiàn)，刀架的松開(kāi)、鎖緊采用液壓缸機(jī)構(gòu)，松開(kāi)、鎖緊狀態(tài)由壓力開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2. 刀架基本工作原理

由系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，液壓系統(tǒng)松開(kāi)電磁閥動(dòng)作（電磁鐵a上電），刀架松開(kāi)油腔進(jìn)油，雙聯(lián)齒盤(pán)脫開(kāi)嚙合（與定齒盤(pán)、動(dòng)齒盤(pán)）；松開(kāi)壓力開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，直驅(qū)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，在編碼器的控制下帶動(dòng)刀臺(tái)快速旋轉(zhuǎn)到指定位置并停止；液壓系統(tǒng)鎖緊電磁閥動(dòng)作（電磁鐵b上電），刀架鎖緊油腔進(jìn)油，雙聯(lián)齒盤(pán)嚙合實(shí)現(xiàn)精定位，鎖緊壓力開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)確認(rèn)后進(jìn)行切削，完成整個(gè)換刀動(dòng)作。液壓控制原理如圖2所示。

圖1 刀架結(jié)構(gòu)

圖2 液壓控制原理

3. 刀架關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

刀架關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用如下所述。

（1）直接驅(qū)動(dòng)技術(shù) 直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，簡(jiǎn)單地講，就是對(duì)環(huán)形力矩電動(dòng)機(jī)的伺服控制技術(shù)，環(huán)形力矩電動(dòng)機(jī)是一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)伺服單元，通過(guò)與數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）結(jié)合，并在控制系統(tǒng)的相互調(diào)控下，實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元的位置、速度及轉(zhuǎn)矩的控制。目前大部分高檔的數(shù)控系統(tǒng)都已經(jīng)集成了相應(yīng)模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元的控制。環(huán)形力矩電動(dòng)機(jī)形式可以是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，也可以是三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，目前多采用后者，圖3是環(huán)形永磁力矩電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，圖3所示結(jié)構(gòu)是內(nèi)轉(zhuǎn)子型，也可做成外轉(zhuǎn)子型，本文所述的直驅(qū)刀架選定的是內(nèi)轉(zhuǎn)子型（見(jiàn)圖1）。這種環(huán)形力矩電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是（直徑/長(zhǎng)度）比大，軸向長(zhǎng)度短，轉(zhuǎn)軸是中空的，轉(zhuǎn)子呈薄環(huán)狀；可提供高轉(zhuǎn)矩，即使在靜止時(shí)也能提供很高的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速低。我公司研發(fā)的這款直驅(qū)刀架基于此技術(shù)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了刀架的“零傳動(dòng)”，省略了傳統(tǒng)伺服刀架的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，將負(fù)載（刀臺(tái)）與三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接相連，把刀臺(tái)（裝刀部件）與電動(dòng)機(jī)做成了一體化結(jié)構(gòu)。

利用此技術(shù)，從根本上解決了傳統(tǒng)的“高速伺服電動(dòng)機(jī)＋齒輪驅(qū)動(dòng)”方式在刀架換刀（轉(zhuǎn)位）時(shí)存在的響應(yīng)速度慢、動(dòng)態(tài)剛度差、振動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)等問(wèn)題。該型直驅(qū)刀架選定的三相永磁同步電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 環(huán)形永磁力矩電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 刀架所選用的電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)

（2）溫控技術(shù) 直驅(qū)刀架的驅(qū)動(dòng)元件——三相永磁同步電動(dòng)機(jī)是高發(fā)熱元件，由于安裝于刀架體內(nèi)，如果散熱處理不好，將極易引起熱量累積，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)自身和相關(guān)聯(lián)部件的溫升過(guò)大，進(jìn)而將引起：①刀架精密定位元件——端齒盤(pán)以及活塞組件的熱變形，造成刀架的定位精度變差，回轉(zhuǎn)阻尼增大。②電動(dòng)機(jī)的有效推力損失變大，甚至?xí)龤щ妱?dòng)機(jī)。基于此，在這款直驅(qū)刀架的研發(fā)中，我們根據(jù)發(fā)熱源和部件的熱敏感性，在定子和殼體之間集成了水冷系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)之間的強(qiáng)迫對(duì)流換熱來(lái)控制刀架溫升，以此保證刀架的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)和精度保持，同時(shí)，在控制系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)自帶的三個(gè)PTC電阻和一個(gè) KTY 84 130電阻（見(jiàn)圖4）的阻值變化來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升進(jìn)行監(jiān)控，以防止電動(dòng)機(jī)高溫運(yùn)行發(fā)生危險(xiǎn)。

圖4 同步電動(dòng)機(jī)電阻

利用此技術(shù)，確保了直驅(qū)刀架同步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和連續(xù)轉(zhuǎn)矩能在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)有效輸出，同時(shí)也保障了刀架內(nèi)部關(guān)鍵部件的尺寸穩(wěn)定性以及刀架的安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）端齒盤(pán)定位以及防錯(cuò)位技術(shù) 在當(dāng)前的市場(chǎng)中，用于刀架精定位的技術(shù)有弧面分度凸輪定位技術(shù)、定位銷定位技術(shù)和端齒盤(pán)定位技術(shù)等幾種型式，其中弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)因需要專用設(shè)備加工，工藝性差，且在刀架工位數(shù)多時(shí)，刀架外形尺寸無(wú)法實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)等原因，使該技術(shù)無(wú)法在刀架設(shè)計(jì)中得到較好的推廣使用；而定位銷定位技術(shù)因存在小尺寸設(shè)計(jì)時(shí)定位精度不易保證等原因，同樣存在使用場(chǎng)合少的情況。更為不利的一點(diǎn)是，以上兩種機(jī)構(gòu)在刀架使用一段時(shí)間后，刀架的定位精度會(huì)有一定程度的喪失，要想恢復(fù)刀架的初始精度就需要在刀架結(jié)構(gòu)上增加調(diào)整環(huán)節(jié)，加大了刀架設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。而端齒盤(pán)定位技術(shù)能較好地適應(yīng)直驅(qū)刀架設(shè)計(jì)所需要的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、嚙合剛性好、定位精度高和精度保持性好等特性，它的特點(diǎn)是多齒嚙合，利用誤差均化效應(yīng)，在端齒盤(pán)小尺寸設(shè)計(jì)時(shí)也較易實(shí)現(xiàn)刀架的定位精度，同時(shí)刀架的松開(kāi)、鎖緊過(guò)程也是端齒盤(pán)不斷研合的過(guò)程，端齒盤(pán)齒面的磨損不僅不會(huì)使定位精度降低，反而會(huì)有所提高，因而可有效保障刀架的精度保持性。綜上，本直驅(qū)刀架采用了端齒盤(pán)機(jī)構(gòu)作為刀架的精密定位元件。其結(jié)構(gòu)型式如圖5所示。

另外，本直驅(qū)刀架的端齒盤(pán)機(jī)構(gòu)還采用了一種新穎的、非常規(guī)的設(shè)計(jì)——防錯(cuò)位技術(shù)（見(jiàn)圖6、圖7），就是把定齒盤(pán)、動(dòng)齒盤(pán)按齒高不等高設(shè)計(jì)，這樣在齒盤(pán)脫開(kāi)時(shí)（定齒盤(pán)齒高大于齒盤(pán)脫開(kāi)的尺寸），定齒盤(pán)的部分齒高始終保持在雙聯(lián)齒盤(pán)的齒槽內(nèi)，避免了定齒盤(pán)與雙聯(lián)齒盤(pán)在轉(zhuǎn)位完成后再次嚙合發(fā)生頂齒的可能。

圖5 端齒盤(pán)機(jī)構(gòu)

圖6 齒盤(pán)嚙合

圖7 齒盤(pán)脫開(kāi)

利用此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)刀架定位機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，提高了刀架的定位精度以及精度保持性等，也保障了刀架鎖緊時(shí)的可靠嚙合。

4. 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在高速度、高精度發(fā)展趨勢(shì)下，直驅(qū)刀架的設(shè)計(jì)意義重大，本篇所介紹的直驅(qū)刀架，通過(guò)采用先進(jìn)的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，且相較于普通伺服刀架，摒棄了傳動(dòng)鏈的許多弊端，因此在定位精度、響應(yīng)速度、機(jī)械磨損和能量損失等方面都具有較大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)制造成本也能進(jìn)行有效控制，具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的雙重優(yōu)勢(shì)。