直驱电动机在圆盘锯石机头中的应用研究

孙宏伟，张海波

（科德数控股份有限公司，辽宁 大连 116000）

0 引言

圆盘锯石机是石材加工行业中非常重要的机械产品之一，主要用于石材、石块的切割。使用场地通常为石场、石山等地，使用环境和工况都比较恶劣。圆盘锯石机现有技术普遍采用减速机加皮带轮的间接传动方式[1]，伺服电动机输入动力，经减速机皮带传动，转化为大转矩、低转速，传递到锯片上进行作业。传统的间接驱动方式中，从作为动力源的伺服电动机到进行切割工作的圆锯片要通过齿轮、皮带、联轴器、离合器等中间传动环节，这些环节产生大转动惯量、弹性形变、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损等负面效果，带来了功率的巨大损耗，由于特有的传动方式，使得圆盘锯石机头体积比较大、防护比较复杂，而且很难实现智能圆盘锯石机头互换功能，缺乏智能化可扩展性。因此针对以上技术问题，提出了将直驱电动机技术应用到机械设计中，简化结构，缩小圆盘锯石机头体积，并能更好地与不同的机架设备兼容互换，使圆盘锯石机具备智能可扩展性。采用直驱电动机可以进行高转速控制，改善切割面的粗糙度；采用直驱技术，需要角度测量装置——编码器配合，可以精确定位转动角度，因此也可以增加锯片刀片磨损检测功能[2]；可降低由于磨损带来的振动、噪声以及机器寿命的损失，进而提高锯石机各部件的可靠性。

1 直驱圆盘锯石机结构特点

采用直驱电动机作为圆盘锯石机的动力来源，此圆盘锯石机主要由圆盘锯石机头、安装机架、控制平台、冷却系统等结构组成，一种直驱圆盘锯石机头外形如图1所示。

图1 直驱圆盘锯石机头方案图

圆盘锯石机头的轴系结构主要包括直驱力矩电动机、角度测量装置、圆锯片、轴承、安装壳体、芯轴等。

圆锯片通过旋转轴、轴承与安装壳体相连，同时旋转轴与力矩电动机和角度测量装置——控制编码器相连，实现回转轴与动力源直连的结构形式，具体方案如图2所示。

如图2所示，圆锯片由圆锯顶座和圆锯底座夹紧，通过锁紧螺母固定到芯轴，此种固定方式处于回转轴系最外侧，可以自由更换多种直径的圆锯片[3]，不影响整体轴系的安装结构。在力矩电动机的选型过程中，需要确定所支持的最大圆锯片直径，满足在最大圆锯片直径范围内使用。圆锯片的安装通过2个螺纹装配叠加的方式，达到机械防松的目的，同时圆锯片的旋转方向与螺纹的旋向严格标定，在旋转轴安装锯片端正视圆锯片，当圆锯片顺时针旋转为工作方向时，螺纹采用左旋，逆时针旋转时采用右旋，以确保圆锯片的安装可靠性。

图2 圆盘锯石机剖面结构示意图

回转芯轴是由前后两个调心滚子轴承支撑，调心滚子轴承对称的鼓形滚子在外圈球面滚道里可以自由调位，进而补偿轴受力弯曲时的不对中；而且调心滚子轴承具有双向轴向承载能力和高径向承载能力，它们更适合重载荷、长寿命的需求工况。直驱圆锯机头轴承支撑位置通过前后轴承密封盘进行密封，结构更简单紧凑。

力矩电动机位于芯轴中间位置，直接与芯轴连接，使得芯轴与力矩电动机同步运行，提高了效率及控制性能，简化了结构和体积。

刀头基座是所有零件的安装基体，也作为力矩电动机的水冷套使用，进一步缩小了体积，简化了结构。对刀头基座与工程设备连接接口可进行统一化设计，在常见的锯石设备上进行互换安装。

角度测量装置——控制编码器安装在整个轴系的后端, 由一个读数头和一个精密测量齿轮组成的磁感应式编码器，其中：读数头部分安装在后轴承密封盘上；齿轮部分安装在芯轴的后端。读数头以磁铁为基础，整合感磁元件，对精密测量齿轮进行非接触式扫描，检测旋转轴的转速和位置，采取一体式封装，通过全屏蔽式金属壳体实现最高的抗干扰强度，与旋转部分之间无机械磨损。

在可以精确控制回转角度的情况下，外置刀具磨损检测设备，可以对圆锯机刀片的磨损情况进行详细的监测，避免过度磨损。

2 直驱圆盘锯石机应用前景

这种单元式圆锯机头在圆盘锯石机中的应用很广泛，可应用于各种形式的锯石机。

龙门式圆盘锯石机在中小型石材加工厂使用比较多[4]，通过对锯片刀头进行升降移动控制，进行石材切割加工，通常应用于花岗石、大理石及型材等石材生产。锯石机头传统结构设计为伺服电动机带动皮带轮通过齿轮传动，实现锯片转动。当采用直驱电动机后，缩小了锯石机锯片刀头的体积。两种情况对比如图3所示。而且采用直驱力矩电动机可以进一步提高切割转速，根据不同材质特点采用更高的切割速度，提高了加工效率及切割后的表面质量。

图3 轨道式圆盘锯石机头对比示意图

图3 龙门式圆盘锯石机头对比示意图

轨道式圆盘锯石机通常应用在户外矿山[5]，在石材上布置轨道，进行石材切割，可配置单锯片或双锯片。在这种机型上采用力矩电动机直驱圆锯刀头，可以缩小箱体尺寸，结构更轻巧，使用更灵活，更能适用于复杂的户外切割环境，如图4所示。

将直驱圆盘锯石机头与常用的挖掘机组合使用，提高了切石机的灵活性，可以应对不同环境的户外作业，如图4所示。

图4 挖掘机与直驱圆盘锯石机组合图

从以上产品的应用对比，数控锯石机类产品采用直驱圆盘锯石机头的优势更明显，通过系统控制锯片实现了更精准的控制。使用力矩电动机轴系结构，实现了锯石机性能的提升，具有高转速、大转矩、零磨损等结构特点。因此，在锯石机类产品中，采用直驱技术设计的圆盘锯石机头的应用前景很好，结构优势明显。

3 结语

直驱技术常用于精密数控机床等产品，其专有的特点适合很多行业回转结构产品的设计。本文采用直驱电动机对锯片刀头进行结构设计，与现行方案相比，有很多优点：1）产品结构更紧凑。采用模块化的设计理念，简单改变锯片刀头的接口即可安装在多种载体上。可以应用于多种场合，如传统的石材切割轨道车、龙门式切石机、施工用挖掘机的前段液压臂上等工程类机械。2）采用直接驱动方式，省去了复杂繁琐的驱动链，减小了转动惯量及弹性形变，消除了反向间隙及运动滞后，极大地改善了传统传动方式带来的摩擦、振动、噪声及磨损等负面因素。3）直驱式力矩电动机的应用，减少了传统驱动链的功率损耗，从而降低了电功率，节省电能。4）角度测量系统的应用为智能化控制圆锯机的进步协同性、刀头磨损测量提供了条件。