力矩電動(dòng)機(jī)及直線電動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)主要由機(jī)械分度裝置、凸輪靠模板及滾圓盤為展成運(yùn)動(dòng)件構(gòu)成。Y7125、Y7420和Y7432型號(hào)均屬于該類機(jī)床。該類機(jī)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(yùn)動(dòng)上。分齒通過掛輪驅(qū)動(dòng)等分板定位，精度由等分板保證;漸開線展成運(yùn)動(dòng)通過凸輪靠模板或基圓盤做純滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)。不同規(guī)格插齒刀的磨削需要更換相對(duì)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(jī)床調(diào)整過程時(shí)間長，且依賴操作工人的熟練程度。

機(jī)床的分齒機(jī)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(yùn)動(dòng)精度直接決定著被磨削刀具漸開線齒形面精度，該兩項(xiàng)精度是刀具的重要精度指標(biāo)。

1.直線電動(dòng)機(jī)的性能

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

直線電動(dòng)機(jī)是將傳統(tǒng)圓筒形電動(dòng)機(jī)的初級(jí)展開拉直，變初級(jí)的封閉磁場為開放磁場，使旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子部分變?yōu)橹本€電動(dòng)機(jī)的初級(jí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子變?yōu)橹本€電動(dòng)機(jī)的次級(jí)。在電動(dòng)機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，在初級(jí)和次級(jí)間產(chǎn)生氣隙磁場，氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動(dòng)，這個(gè)氣隙磁場稱為行波磁場。當(dāng)次級(jí)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(jí)是固定不動(dòng)的，次級(jí)就能沿著行波磁場運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。把直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)和次級(jí)分別直接安裝在機(jī)床的工作臺(tái)與床身上，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給方式。

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

2.直線電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

(1)高速響應(yīng)。系統(tǒng)中取消了響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的滾珠絲杠、聯(lián)軸器等機(jī)械傳動(dòng)件，使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)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(jī)械機(jī)構(gòu)引起的傳動(dòng)誤差，減少了插補(bǔ)過程因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來的跟隨誤差。同時(shí)也消除了傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)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(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度。

(3)加速度大。由于電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，響應(yīng)速度快，因而可靈敏實(shí)現(xiàn)加速和減速。

(4)低噪聲。由于系統(tǒng)中取消了響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的滾珠絲杠、聯(lián)軸器等機(jī)械傳動(dòng)件，采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)噪聲大大降低。

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

3.力矩電動(dòng)機(jī)

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

力矩電動(dòng)機(jī)反應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，能在高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)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(dòng)機(jī)可設(shè)計(jì)成直接驅(qū)動(dòng)連接方式，力矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)，它沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，取消了齒輪箱、蝸輪蝸桿及同步帶等機(jī)械傳動(dòng)裝置，沒有反向間隙，沒有磨損，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械負(fù)載與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的直接連接。這樣的連接方式能夠提供高動(dòng)態(tài)性能，消除了傳動(dòng)的間隙與傳動(dòng)系統(tǒng)滯后現(xiàn)象，可提供機(jī)床加工需要的高剛性，從而提高了機(jī)床系統(tǒng)的運(yùn)行精度。

力矩電動(dòng)機(jī)軸系配合高精度編碼器做位置檢測反饋控制，可以實(shí)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(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)成熟技術(shù)，漢江工具有限責(zé)任公司成功地對(duì)Y7125、Y7420及Y7432型號(hào)的齒輪磨床進(jìn)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(chǔ)卡保存所有機(jī)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(bǔ)償及軸間交叉補(bǔ)償功能;擁有CPL高級(jí)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(bǔ)計(jì)算是納米級(jí)別插補(bǔ)。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(dòng)部分。①分齒機(jī)構(gòu)采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，力矩電動(dòng)機(jī)型號(hào)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(hào):HP36000D 200，測量精度±2角秒。②展成滑座機(jī)構(gòu)采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直線電動(dòng)機(jī)的型號(hào)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(hào):SP270—3，測量精度0.001mm。

(3)機(jī)械機(jī)構(gòu)配置。①分齒機(jī)構(gòu)采用高精度、高剛性機(jī)械主軸結(jié)構(gòu)，內(nèi)置力矩電動(dòng)機(jī)。②展成滑座機(jī)構(gòu)采用高強(qiáng)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(jī)床大修。對(duì)機(jī)床進(jìn)行大修，按出廠精度要求恢復(fù)各項(xiàng)幾何精度。

5.結(jié)語

利用先進(jìn)的機(jī)構(gòu)及成熟的數(shù)控技術(shù)對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，可大大改善機(jī)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(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，對(duì)齒輪磨床分齒和展成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)控改造，是提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(duì)齒輪磨床進(jìn)行了數(shù)控改造。經(jīng)過2年的使用，該機(jī)床能滿足插齒刀精磨工序各項(xiàng)精度指標(biāo)，機(jī)床各項(xiàng)性能及精度情況良好。