直驅(qū)技術(shù)及在五軸工具磨床上的應(yīng)用

大連光洋科技工程有限公司 （遼寧 116000）丁云飛 金 蒙

隨著對機(jī)床產(chǎn)能、精度和動態(tài)性能要求的增加，直接驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)越來越多地被采用以滿足以上多種需求。特別是直接驅(qū)動力矩電動機(jī)，能夠為機(jī)床的性能提高帶來重大的改變。直驅(qū)力矩電動機(jī)的應(yīng)用，還具有降低客戶的綜合使用成本，簡化機(jī)器的設(shè)計及減少維修維護(hù)等優(yōu)點。

在齒輪傳動下，機(jī)床分度工作臺使用標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)電動機(jī)連接到直角齒輪箱上。齒輪嚙合時齒面間會留有間隙，稱為齒隙，即一個齒輪在不影響與它嚙合的齒輪的情況下可以承受的振動。當(dāng)加速傳動時齒隙會變大，減速傳動時會減小。因此它對系統(tǒng)會產(chǎn)生不良作用，影響輸出軸的精度。當(dāng)工件進(jìn)行精密加工時，傳動系中的齒隙就會將其固有的精確性差的問題暴露出來。

直驅(qū)是直接驅(qū)動的簡稱，即電動機(jī)直接與執(zhí)行部件連接，消除了齒輪箱、蝸桿蝸輪、同步帶等機(jī)械傳動裝置，實現(xiàn)了機(jī)械負(fù)載與電動機(jī)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，消除傳動的間隙與延遲，提供機(jī)床加工需要的極高剛性。

1.直驅(qū)技術(shù)的優(yōu)點

（1）低成本 省去了機(jī)械傳動裝置，簡化了機(jī)械設(shè)計，使機(jī)床的機(jī)械零件數(shù)量降低，并且伺服力矩電動機(jī)免維護(hù)。

（2）長壽命、高可靠性和高剛度 力矩電動機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，移動部件數(shù)量少，各部件都沒有受到磨損。

（3）精度高和可重復(fù)性好 直驅(qū)系統(tǒng)避免了機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的機(jī)械間隙和機(jī)械彈性變形等影響，消除了機(jī)械傳動裝置的反向間隙和滯回現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)控制精度。

（4）高效率 沒有能量用于驅(qū)動重型動力傳動部件。系統(tǒng)傳動效率高，比傳統(tǒng)系統(tǒng)效率提高20%～60%，節(jié)能明顯。

2.直驅(qū)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的接口問題

（1）電氣連接技術(shù)如圖1所示。

（2）溫度傳感器連接 為了保護(hù)力矩電動機(jī)定子避免出現(xiàn)不允許的高溫負(fù)荷并能夠在開機(jī)調(diào)試和運行中進(jìn)行溫度觀測，力矩電動機(jī)定子上裝有溫度監(jiān)控回路，如西門子1FW6就裝有如下兩種溫度檢測開關(guān)：①溫度斷開回路，由熱敏電阻溫度傳感器（PTC元件）構(gòu)成。在三相繞組（U、V和W）的每種都有一個熱敏電阻溫度傳感器（PTC元件）。各PTC元件串聯(lián)連接。②溫度傳感器回路，由一個溫度傳感器構(gòu)成（KTY84）。在帶有集成冷卻的力矩電動機(jī)上，型號KTY 84 的溫度傳感器位于兩個相繞組之間。

（3）冷卻連接 力矩電動機(jī)運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生熱量，處理得不好，會影響轉(zhuǎn)臺和機(jī)床的精度和穩(wěn)定性。為此，需要在轉(zhuǎn)臺電動機(jī)定子套上開槽用于循環(huán)冷卻，工作時通入循環(huán)冷卻水或油帶走熱量。電動機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力與電動機(jī)的冷卻相關(guān)聯(lián)，只有電動機(jī)得到有效冷卻才能達(dá)到其標(biāo)定轉(zhuǎn)矩。但是過度冷卻又會產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，降低電動機(jī)的絕緣性，因此推薦采用室溫跟蹤式冷卻系統(tǒng)。

相對而言，水冷卻的效果比油冷卻的效果要好，油冷卻情況下電動機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩最大將會損失20%。但在水冷卻的情況下，須考慮防銹問題，因此需要根據(jù)不同的要求和側(cè)重點來做出選擇。

圖1

3.直驅(qū)技術(shù)給設(shè)計及控制帶來的變革

傳統(tǒng)的傳動技術(shù)是由電動機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力，通過機(jī)械傳動環(huán)節(jié)（如變速箱、減速器、絲杠、蝸桿蝸輪），將動力放大，傳遞給執(zhí)行部分，于是機(jī)器運轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)的機(jī)械傳動發(fā)展到今天已經(jīng)接近極致，遇到技術(shù)上的瓶頸。主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）速度瓶頸 傳統(tǒng)的機(jī)械傳動速度提升已經(jīng)到了極限，高速度帶來的問題包括噪聲高，摩擦損耗高，能量損失大等。

（2）精度瓶頸 傳統(tǒng)機(jī)械傳動在精度上存在間隙、彈性變形等很多影響精度的環(huán)節(jié)。很多零件制造誤差積累起來直接使整機(jī)的精度降低。

（3）成本的瓶頸 為了在精度上、速度上取得進(jìn)步，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動裝置不得不付出更高的制造成本，而且成本的提高和性能的提高不是成比例的。

4.直驅(qū)技術(shù)的突破

直驅(qū)技術(shù)作為近十年來世界范圍內(nèi)新興的傳動技術(shù)，具有傳統(tǒng)傳動無法比擬的優(yōu)越性。直驅(qū)技術(shù)突破了這些瓶頸：

（1）速度 在制造裝備中，傳統(tǒng)運動可實現(xiàn)15m/min的直線運動速度和十幾到幾十轉(zhuǎn)每分鐘的分度速度。而直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用后，直線運動速度可以提升到150m/min以上，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速可以達(dá)到幾百轉(zhuǎn)每分鐘。這就意味著生產(chǎn)效率可以提升10倍以上。

（2）精度 直驅(qū)技術(shù)可以在設(shè)備上輕松地實現(xiàn)幾千分之一毫米或角秒級的靈敏度，而傳統(tǒng)的機(jī)械傳動大多只能實現(xiàn)幾百分之一毫米或角分級的靈敏度。直驅(qū)可以使設(shè)備的綜合精度提升一倍以上。

（3）設(shè)備壽命 直驅(qū)技術(shù)減少了機(jī)械傳動零件，減少了磨損，提高了設(shè)備壽命，還節(jié)約了能源。

此外，直驅(qū)技術(shù)取消了機(jī)械傳動，節(jié)約了零件的原材料和制造成本，從而降低了設(shè)備整體的成本。

5.KBM力矩電動機(jī)在五軸工具磨床上的應(yīng)用

近年來，結(jié)構(gòu)緊湊的直驅(qū)電動機(jī)在砂輪主軸和工件主軸上的使用日漸增加。直驅(qū)主軸可避免機(jī)械傳動上的間隙，替代原來成本高昂的精密蝸桿蝸輪系統(tǒng)，節(jié)省了安裝體積，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定均衡的精度。

經(jīng)過前期的選型、安裝方式確定、安裝、水冷材料選擇及效率分析，到型號的最終確認(rèn)。我們選取了科爾摩根KBM系列無框電動機(jī)（見圖2），KBM無框電動機(jī)系列采用了科爾摩根公司最新的直接驅(qū)動技術(shù)，具有以下特點：完全密封的定子繞組、155內(nèi)部繞組溫度持續(xù)能力、PTC 熱敏電阻（雪崩式）過載保護(hù)、稀土釹鐵硼永磁體、轉(zhuǎn)子磁體的自動防故障頻帶（兼容RoHS）、UL（CE）認(rèn)證、可定制的轉(zhuǎn)子輪轂尺寸。

圖2 KBM系列無框套件無刷電動機(jī)

選用KBM力矩電動機(jī)帶來的好處顯而易見：維護(hù)工作少、維修成本低、停機(jī)時間短、使用壽命長，效率至少比機(jī)械傳動裝置，如變速箱和同步帶系統(tǒng)高10%。結(jié)構(gòu)緊湊，性能好，占用空間小。另外，這些電動機(jī)可以驅(qū)動轉(zhuǎn)子與負(fù)載之間具有較大慣性比的高慣性負(fù)載。同時它們具有優(yōu)異的動態(tài)性能，加速和減速時間極短，大幅提升機(jī)床性能。六軸五聯(lián)動數(shù)控刀具磨床如圖3所示。

圖3 科爾摩根KBM電動機(jī)在該機(jī)型上的應(yīng)用

由于該機(jī)型填補(bǔ)了國內(nèi)空白，在2011年的北京機(jī)床展上引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注及市場的積極響應(yīng)。