內置式力矩電機在數控干式滾齒機設計中的應用

莊如洪

摘要：數控干式滾齒機不需要冷卻液，既環保，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。內置式力矩電機具有軟機械特性，且是可進行寬速范圍調整的特種電機，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。文章分析了內置式力矩電機在數控干式滾齒機設計中的應用，并提出了實用性應用策略。

關鍵詞：內置式力矩電機；數控干式滾齒機；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

現代化社會發展對數控行業有著更高的要求，其間更強調數控機床及其程序與電機技術水平的提高。傳統數控機床設計均是采用伺服電機驅動，其電動機與主軸之間會存在諸多傳動機構，比如蝸輪蝸桿傳動和齒輪傳動等。機械傳動中的各環節速度及其加速度的變化，極易影響傳動機構精確度，從而導致其傳動間隙及其非線性出現誤差，且機械傳動時亦會出現相應的振動及噪聲，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系，為了滿足現代高速、高精度等加工要求，對工作臺電機轉矩特性要求很高，不但能做大承載力的可控回轉，還能提供高分辨率的精密低速運動，由于機床尺寸限制，工作臺轉動慣量較大，這時可以選擇內置式力矩電機轉子與工作臺主軸直聯，實現“零傳動”用來保證工作臺高精度旋轉。因此，分析內置式力矩電機在數控干式滾齒機設計中的應用，對我國數控干式滾齒機設計水平提升有著極大現實意義。

1 數控干式滾齒機工作臺設計概論

1.1 什么是零傳動

零傳動指取消了常見的傳動機構，如蝸輪蝸桿、齒輪，而是將電機轉子直接驅動最終執行元件。它大大縮短了傳動鏈，減少了制造、安裝、調試、傳動誤差，節省了蝸輪、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，可以實現編碼器級別的精度，提高機床的動態靈敏度、加工精度和工作可靠性。此類傳動方式可充分滿足現代化社會發展需求，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 數控干式滾齒機工作臺具體設計方案

工件裝在工作臺上，由內置式力矩電機轉子與主軸直接相聯帶動旋轉，與滾刀的運動一起構成展成運動。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構，在設計時更有利于提高機床的剛性，進而保持了精度的穩定性。

傳統滾齒機工作時，工作臺由分度蝸輪副或者高精度齒輪副帶動旋轉，與滾刀的旋轉運動一起構成展成運動。不管蝸輪蝸桿或者齒輪機構，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，運行亦不穩定，極易降低整個機床的運轉精確度，更加影響工件的加工精度和表面質量，最終造成機床使用效率下降，使用費用增加。

2 數控干式滾齒機工作臺驅動方案技術

2.1 技術性分析

直流力矩電機本質上是低速大扭矩的伺服電動機，為提高扭矩，力矩電動機的極數較多，所以轉速一般只有一百轉到幾百轉。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減速，轉子直接與主軸相連帶動相關負載，主軸尾部同時安裝一個旋轉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 經濟性分析

目前的滾齒機工作臺常規由蝸輪蝸桿或者齒輪分度，這些結構會產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，環境保護和廢件處理費用等。

內置式力矩電機轉子與主軸直接相聯，節約了不少零件、標準件、外購件，機床總體尺寸減少，結構更加緊湊，機床故障率減少，工作臺能保證高精度高速旋轉，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

無框架直接驅動旋轉電機使用獨立轉子及定子，其間并未采用軸承，轉子一般會與旋轉的主軸相連，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對總重量有要求時應用非常有效。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計。如果系統出現問題，則電機及其反饋設備更換亦是非常復雜的。

3.2 封閉式DDR電機

直接驅動旋轉電機均是帶外殼的，即封閉式DDR電機，也就是把轉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臺中。

4 機床方案選擇

封閉式DDR電機是將轉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的限制，此類問題關乎到封閉式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，這時就需要通過聯軸器或者漲緊套等連接，這樣就增加了聯結環節，從而增加了成本，加重了安裝工作和調試難度。可以說非常合理的結構應是將電機及其執行部件充分連接，從而盡可能地發揮直接驅動能力及其優勢，這也說明無框架DDR電機更具應用優勢，鑒于數控干式滾齒機結構緊湊，安裝調試方便，故數控干式滾齒機工作臺選用內置式力矩電機。

5 結語

干式切削技術是為適應全球日益高漲的環保要求和可持續發展戰略而發展起來的一項綠色切削加工技術。經對本公司的YD3122CNC數控干式滾齒機試驗論證，內置式力矩電機用于滾齒機完全符合干式滾齒機設計要求，加工精度等要求也完全符合行業標準。內置式力矩電機轉子與主軸直接相聯，突破了傳統齒輪加工機床的結構，簡化了機械結構，大幅提高機床精度和效率，節約了成本。這也說明分析內置式力矩電機在數控滾齒機設計中的應用，對我國數控滾齒機設計水平提升有著極大的現實意義。

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（責任編輯：蔣建華）