力矩電動機及直線電動機在齒輪磨床數(shù)控改造中的應(yīng)用

漢江工具有限責(zé)任公司（陜西 漢中 723002) 趙 榕

大平面砂輪齒輪磨床的齒廓形成機構(gòu)主要由機械分度裝置、凸輪靠模板及滾圓盤為展成運動件構(gòu)成。Y7125、Y7420和Y7432型號均屬于該類機床。該類機床主要用于插齒刀及剃齒刀齒形面的磨削加工。

大平面砂輪齒輪磨床，在使用中問題集中在分齒和漸開線展成運動上。分齒通過掛輪驅(qū)動等分板定位，精度由等分板保證;漸開線展成運動通過凸輪靠模板或基圓盤做純滾動實現(xiàn)。不同規(guī)格插齒刀的磨削需要更換相對應(yīng)的等分板、凸輪靠模板及基圓盤。等分板、凸輪靠模板及基圓盤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。由于結(jié)構(gòu)限制使得機床調(diào)整過程時間長，且依賴操作工人的熟練程度。

機床的分齒機構(gòu)定位精度直接決定著被磨削刀具等分精度，漸開線展成運動精度直接決定著被磨削刀具漸開線齒形面精度，該兩項精度是刀具的重要精度指標(biāo)。

1.直線電動機的性能

直線電動機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需通過中間任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電動機，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、噪聲低、組合性強及維護方便等優(yōu)點。

直線電動機是將傳統(tǒng)圓筒形電動機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，使旋轉(zhuǎn)電動機的定子部分變?yōu)橹本€電動機的初級，旋轉(zhuǎn)電動機的轉(zhuǎn)子變?yōu)橹本€電動機的次級。在電動機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，在初級和次級間產(chǎn)生氣隙磁場，氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動機相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時間變化時，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，這個氣隙磁場稱為行波磁場。當(dāng)次級的感應(yīng)電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生了電磁推力，如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動。把直線電動機的初級和次級分別直接安裝在機床的工作臺與床身上，即可實現(xiàn)機床的直線電動機直接驅(qū)動的進給方式。

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

2.直線電動機的特點

(1)高速響應(yīng)。系統(tǒng)中取消了響應(yīng)時間常數(shù)較大的滾珠絲杠、聯(lián)軸器等機械傳動件，使得整個閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)非常靈敏快捷，定位精度高。系統(tǒng)取消了由于機械機構(gòu)引起的傳動誤差，減少了插補過程因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟隨誤差。同時也消除了傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，提高了傳動系統(tǒng)的傳動剛度。

(2)定位精度高。通過直線位置檢測反饋 (全閉環(huán))控制，可大大提高機床的定位精度及重復(fù)定位精度。

(3)加速度大。由于電動機結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，響應(yīng)速度快，因而可靈敏實現(xiàn)加速和減速。

(4)低噪聲。由于系統(tǒng)中取消了響應(yīng)時間常數(shù)較大的滾珠絲杠、聯(lián)軸器等機械傳動件，采用滾動直線導(dǎo)軌，使得整個運動噪聲大大降低。

(5)效率高。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦?xí)r的能量損耗。

3.力矩電動機

交流力矩電動機與一般籠型交流異步電動機的運轉(zhuǎn)原理是完全相同的，只是結(jié)構(gòu)上有所不同，電動機特性不同，是低速大轉(zhuǎn)矩的伺服電動機，與我們熟悉的伺服電動機分類相同。

力矩電動機反應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速波動小，能在高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，機械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好，具有高耦合剛度。

力矩電動機可設(shè)計成直接驅(qū)動連接方式，力矩電動機的轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)部件的運動，它沒有中間傳動環(huán)節(jié)，取消了齒輪箱、蝸輪蝸桿及同步帶等機械傳動裝置，沒有反向間隙，沒有磨損，實現(xiàn)了機械負載與電動機轉(zhuǎn)子的直接連接。這樣的連接方式能夠提供高動態(tài)性能，消除了傳動的間隙與傳動系統(tǒng)滯后現(xiàn)象，可提供機床加工需要的高剛性，從而提高了機床系統(tǒng)的運行精度。

力矩電動機軸系配合高精度編碼器做位置檢測反饋控制，可以實現(xiàn)高的回轉(zhuǎn)定位精度及高的回轉(zhuǎn)跟隨精度。

4.齒輪磨床的數(shù)控改造

利用先進的直線電動機、力矩電動機成熟技術(shù)，漢江工具有限責(zé)任公司成功地對Y7125、Y7420及Y7432型號的齒輪磨床進行了數(shù)控改造。

(1)數(shù)控系統(tǒng)。采用德國博世力士樂公司的Micro全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)采用百兆以太網(wǎng)高速通信連接;采用通用的CF存儲卡保存所有機床數(shù)據(jù);擁有面板USB接口，用于傳輸和備份數(shù)據(jù);擁有標(biāo)準(zhǔn)雙向螺距補償及軸間交叉補償功能;擁有CPL高級語言編程 (宏程序編寫);擁有標(biāo)準(zhǔn)雙通道功能，內(nèi)部插補計算是納米級別插補。該數(shù)控系統(tǒng)配有電子手持操作單元，配有電子手輪﹑軸選擇開關(guān)和倍率開關(guān)等。

(2)交流伺服驅(qū)動部分。①分齒機構(gòu)采用力矩電動機直接驅(qū)動，力矩電動機型號為:MST160E—0050(額定轉(zhuǎn)矩為105N·m，最大轉(zhuǎn)矩為270N·m)。配置西班牙發(fā)格公司圓光柵尺，型號:HP36000D 200，測量精度±2角秒。②展成滑座機構(gòu)采用直線電動機驅(qū)動，直線電動機的型號為:MLP100A—0090(額定轉(zhuǎn)矩為1180N，最大轉(zhuǎn)矩為3750N)。有效行程240mm。配置西班牙發(fā)格公司長度光柵尺，型號:SP270—3，測量精度0.001mm。

(3)機械機構(gòu)配置。①分齒機構(gòu)采用高精度、高剛性機械主軸結(jié)構(gòu)，內(nèi)置力矩電動機。②展成滑座機構(gòu)采用高強度鑄鐵，選配高精度、高剛性的德國博世力士樂公司直線導(dǎo)軌。

(4)機床大修。對機床進行大修，按出廠精度要求恢復(fù)各項幾何精度。

5.結(jié)語

利用先進的機構(gòu)及成熟的數(shù)控技術(shù)對機床進行數(shù)控改造，可大大改善機床性能，提高精度，提高加工效率。

采用德國博世力士樂公司的Micro全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)，直線電動機、力矩電動機控制技術(shù)，對齒輪磨床分齒和展成運動機構(gòu)進行數(shù)控改造，是提高機床運動精度的重要途徑，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)對齒輪磨床進行了數(shù)控改造。經(jīng)過2年的使用，該機床能滿足插齒刀精磨工序各項精度指標(biāo)，機床各項性能及精度情況良好。