力矩電動機及直線電動機在齒輪磨床數控改造中的應用

漢江工具有限責任公司（陜西 漢中 723002) 趙 榕

大平面砂輪齒輪磨床的齒廓形成機構主要由機械分度裝置、凸輪靠模板及滾圓盤為展成運動件構成。Y7125、Y7420和Y7432型號均屬于該類機床。該類機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動上。分齒通過掛輪驅動等分板定位，精度由等分板保證;漸開線展成運動通過凸輪靠模板或基圓盤做純滾動實現。不同規格插齒刀的磨削需要更換相對應的等分板、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量，并且該誤差很難修正。由于結構限制使得機床調整過程時間長，且依賴操作工人的熟練程度。

機床的分齒機構定位精度直接決定著被磨削刀具等分精度，漸開線展成運動精度直接決定著被磨削刀具漸開線齒形面精度，該兩項精度是刀具的重要精度指標。

1.直線電動機的性能

直線電動機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需通過中間任何轉換裝置的新穎電動機，它具有系統結構簡單、磨損少、噪聲低、組合性強及維護方便等優點。

直線電動機是將傳統圓筒形電動機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，使旋轉電動機的定子部分變為直線電動機的初級，旋轉電動機的轉子變為直線電動機的次級。在電動機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，在初級和次級間產生氣隙磁場，氣隙磁場的分布情況與旋轉電動機相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當三相電流隨時間變化時，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，這個氣隙磁場稱為行波磁場。當次級的感應電流和氣隙磁場相互作用便產生了電磁推力，如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動。把直線電動機的初級和次級分別直接安裝在機床的工作臺與床身上，即可實現機床的直線電動機直接驅動的進給方式。

機床采用直線電動機驅動技術，克服了傳統驅動方式的許多缺陷，使機床精度性能指標得以提高。

2.直線電動機的特點

(1)高速響應。系統中取消了響應時間常數較大的滾珠絲杠、聯軸器等機械傳動件，使得整個閉環系統動態響應性能大大提高，反應非常靈敏快捷，定位精度高。系統取消了由于機械機構引起的傳動誤差，減少了插補過程因傳動系統滯后帶來的跟隨誤差。同時也消除了傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現象，提高了傳動系統的傳動剛度。

(2)定位精度高。通過直線位置檢測反饋 (全閉環)控制，可大大提高機床的定位精度及重復定位精度。

(3)加速度大。由于電動機結構簡單，質量輕，響應速度快，因而可靈敏實現加速和減速。

(4)低噪聲。由于系統中取消了響應時間常數較大的滾珠絲杠、聯軸器等機械傳動件，采用滾動直線導軌，使得整個運動噪聲大大降低。

(5)效率高。由于沒有中間傳動環節，消除了機械摩擦時的能量損耗。

3.力矩電動機

交流力矩電動機與一般籠型交流異步電動機的運轉原理是完全相同的，只是結構上有所不同，電動機特性不同，是低速大轉矩的伺服電動機，與我們熟悉的伺服電動機分類相同。

力矩電動機反應速度快，轉速波動小，能在高轉矩、低轉速下穩定運行，機械特性和調節特性線性度好，具有高耦合剛度。

力矩電動機可設計成直接驅動連接方式，力矩電動機的轉子直接驅動旋轉部件的運動，它沒有中間傳動環節，取消了齒輪箱、蝸輪蝸桿及同步帶等機械傳動裝置，沒有反向間隙，沒有磨損，實現了機械負載與電動機轉子的直接連接。這樣的連接方式能夠提供高動態性能，消除了傳動的間隙與傳動系統滯后現象，可提供機床加工需要的高剛性，從而提高了機床系統的運行精度。

力矩電動機軸系配合高精度編碼器做位置檢測反饋控制，可以實現高的回轉定位精度及高的回轉跟隨精度。

4.齒輪磨床的數控改造

利用先進的直線電動機、力矩電動機成熟技術，漢江工具有限責任公司成功地對Y7125、Y7420及Y7432型號的齒輪磨床進行了數控改造。

(1)數控系統。采用德國博世力士樂公司的Micro全數字數控系統，該數控系統采用百兆以太網高速通信連接;采用通用的CF存儲卡保存所有機床數據;擁有面板USB接口，用于傳輸和備份數據;擁有標準雙向螺距補償及軸間交叉補償功能;擁有CPL高級語言編程 (宏程序編寫);擁有標準雙通道功能，內部插補計算是納米級別插補。該數控系統配有電子手持操作單元，配有電子手輪﹑軸選擇開關和倍率開關等。

(2)交流伺服驅動部分。①分齒機構采用力矩電動機直接驅動，力矩電動機型號為:MST160E—0050(額定轉矩為105N·m，最大轉矩為270N·m)。配置西班牙發格公司圓光柵尺，型號:HP36000D 200，測量精度±2角秒。②展成滑座機構采用直線電動機驅動，直線電動機的型號為:MLP100A—0090(額定轉矩為1180N，最大轉矩為3750N)。有效行程240mm。配置西班牙發格公司長度光柵尺，型號:SP270—3，測量精度0.001mm。

(3)機械機構配置。①分齒機構采用高精度、高剛性機械主軸結構，內置力矩電動機。②展成滑座機構采用高強度鑄鐵，選配高精度、高剛性的德國博世力士樂公司直線導軌。

(4)機床大修。對機床進行大修，按出廠精度要求恢復各項幾何精度。

5.結語

利用先進的機構及成熟的數控技術對機床進行數控改造，可大大改善機床性能，提高精度，提高加工效率。

采用德國博世力士樂公司的Micro全數字數控系統，直線電動機、力矩電動機控制技術，對齒輪磨床分齒和展成運動機構進行數控改造，是提高機床運動精度的重要途徑，有利于插齒刀及剃齒刀齒形面的磨削加工精度的提高。

漢江工具有限責任公司利用該技術對齒輪磨床進行了數控改造。經過2年的使用，該機床能滿足插齒刀精磨工序各項精度指標，機床各項性能及精度情況良好。