内置式力矩电机在数控干式滚齿机设计中的应用

庄如洪

摘要：数控干式滚齿机不需要冷却液，既环保，又降低了滚齿加工成本，干切方式还可以采用更高的切削速度，提高加工效率。内置式力矩电机具有软机械特性，且是可进行宽速范围调整的特种电机，此类电机轴并不是恒功率输出动力，而是采用恒力矩输出动力。文章分析了内置式力矩电机在数控干式滚齿机设计中的应用，并提出了实用性应用策略。

关键词：内置式力矩电机；数控干式滚齿机；干切方式；软机械特性；特种电机 文献标识码：A

中图分类号：TG61 文章编号：1009-2374（2016）22-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.026

现代化社会发展对数控行业有着更高的要求，其间更强调数控机床及其程序与电机技术水平的提高。传统数控机床设计均是采用伺服电机驱动，其电动机与主轴之间会存在诸多传动机构，比如蜗轮蜗杆传动和齿轮传动等。机械传动中的各环节速度及其加速度的变化，极易影响传动机构精确度，从而导致其传动间隙及其非线性出现误差，且机械传动时亦会出现相应的振动及噪声，最终严重影响整个工件加工精度。

滚齿切削时工件主轴需要与刀具主轴保持严格的运动关系，为了满足现代高速、高精度等加工要求，对工作台电机转矩特性要求很高，不但能做大承载力的可控回转，还能提供高分辨率的精密低速运动，由于机床尺寸限制，工作台转动惯量较大，这时可以选择内置式力矩电机转子与工作台主轴直联，实现“零传动”用来保证工作台高精度旋转。因此，分析内置式力矩电机在数控干式滚齿机设计中的应用，对我国数控干式滚齿机设计水平提升有着极大现实意义。

1 数控干式滚齿机工作台设计概论

1.1 什么是零传动

零传动指取消了常见的传动机构，如蜗轮蜗杆、齿轮，而是将电机转子直接驱动最终执行元件。它大大缩短了传动链，减少了制造、安装、调试、传动误差，节省了蜗轮、齿轮传动元件等的制造成本，没有磨损，配合高精度轴承和编码器，可以实现编码器级别的精度，提高机床的动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。此类传动方式可充分满足现代化社会发展需求，其高速、高精度、高效率等特点，是一种新型传动方式，为干式滚齿机提供了必要的速度条件。

1.2 数控干式滚齿机工作台具体设计方案

工件装在工作台上，由内置式力矩电机转子与主轴直接相联带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动。这时传动链长度则是零及“零传动”，省去了好多传动元件，减少了传动元件的制造误差以及装配误差等对齿轮加工的影响。可以提高机床的加工精度和加工速度，由于简化了机械传动结构，在设计时更有利于提高机床的刚性，进而保持了精度的稳定性。

传统滚齿机工作时，工作台由分度蜗轮副或者高精度齿轮副带动旋转，与滚刀的旋转运动一起构成展成运动。不管蜗轮蜗杆或者齿轮机构，制造成本和各项维护及维修费用较高，传动时有噪声、振动和冲击大、污染环境、摩擦磨损大、无过载保护作用等，从而严重影响了运动指令的反应速度，运行亦不稳定，极易降低整个机床的运转精确度，更加影响工件的加工精度和表面质量，最终造成机床使用效率下降，使用费用增加。

2 数控干式滚齿机工作台驱动方案技术

2.1 技术性分析

直流力矩电机本质上是低速大扭矩的伺服电动机，为提高扭矩，力矩电动机的极数较多，所以转速一般只有一百转到几百转。但基于滚齿基本原理，完全满足干式滚齿机对工作台的速度要求。力矩电机本身无需通过齿轮机构减速，转子直接与主轴相连带动相关负载，主轴尾部同时安装一个旋转编码器反馈主轴位置，当工作台的响应速度足够灵敏时，在电子齿轮箱的控制之下，可以得到理想的分度精度，满足了干式滚齿机对工作台高速、高精度、恒扭矩输出的要求，还能提供高分辨率的精密低速运动。

2.2 经济性分析

目前的滚齿机工作台常规由蜗轮蜗杆或者齿轮分度，这些结构会产生传动件的制造成本和各项维护及维修费用，涨紧套等外购件的采购与更换费用，停机损失，环境保护和废件处理费用等。

内置式力矩电机转子与主轴直接相联，节约了不少零件、标准件、外购件，机床总体尺寸减少，结构更加紧凑，机床故障率减少，工作台能保证高精度高速旋转，所以大幅提高了机床效率。

3 力矩电机选型分析

3.1 无框架DDR电机

无框架直接驱动旋转电机使用独立转子及定子，其间并未采用轴承，转子一般会与旋转的主轴相连，而定子则与固定零件相连，其间也存在相应的反馈装置。无框架电机具备更安全有效的机械伺服处理方案，其对机械尺寸紧凑或对总重量有要求时应用非常有效。再者是输出机械接口可以定制化，更充分地满足用户个性化要求，价格会非常昂贵的，其集成所需时间最长，其通常需要几周或是几个月的设计。如果系统出现问题，则电机及其反馈设备更换亦是非常复杂的。

3.2 封闭式DDR电机

直接驱动旋转电机均是带外壳的，即封闭式DDR电机，也就是把转子和定子严格置于十分精密的轴承外壳中或是电机出厂之前就完成适宜的反馈设备集成，最终将这些均置于相应的外壳中，以此方式可更好地处理负载骑跨于电机轴承中的应用。不过其间已使用的轴承电机，用户应将电机合理连接至对应负载上，亦或者是以3个或是3个以上的轴承充分对准，这也是非常繁重且费时的工作，此类电机多用于分度及速率转台中。

4 机床方案选择

封闭式DDR电机是将转子和定子以及反馈装置等全部置于精密轴承外壳中，所以应用中要受其本身机械参数的限制，此类问题关乎到封闭式DDR电机的具体应用。固定的机械输出接口和机床要求有时并不能充分兼容，这时就需要通过联轴器或者涨紧套等连接，这样就增加了联结环节，从而增加了成本，加重了安装工作和调试难度。可以说非常合理的结构应是将电机及其执行部件充分连接，从而尽可能地发挥直接驱动能力及其优势，这也说明无框架DDR电机更具应用优势，鉴于数控干式滚齿机结构紧凑，安装调试方便，故数控干式滚齿机工作台选用内置式力矩电机。

5 结语

干式切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。经对本公司的YD3122CNC数控干式滚齿机试验论证，内置式力矩电机用于滚齿机完全符合干式滚齿机设计要求，加工精度等要求也完全符合行业标准。内置式力矩电机转子与主轴直接相联，突破了传统齿轮加工机床的结构，简化了机械结构，大幅提高机床精度和效率，节约了成本。这也说明分析内置式力矩电机在数控滚齿机设计中的应用，对我国数控滚齿机设计水平提升有着极大的现实意义。

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（责任编辑：蒋建华）