直驅電動機在圓盤鋸石機頭中的應用研究

孫宏偉，張海波

（科德數控股份有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

圓盤鋸石機是石材加工行業中非常重要的機械產品之一，主要用于石材、石塊的切割。使用場地通常為石場、石山等地，使用環境和工況都比較惡劣。圓盤鋸石機現有技術普遍采用減速機加皮帶輪的間接傳動方式[1]，伺服電動機輸入動力，經減速機皮帶傳動，轉化為大轉矩、低轉速，傳遞到鋸片上進行作業。傳統的間接驅動方式中，從作為動力源的伺服電動機到進行切割工作的圓鋸片要通過齒輪、皮帶、聯軸器、離合器等中間傳動環節，這些環節產生大轉動慣量、彈性形變、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損等負面效果，帶來了功率的巨大損耗，由于特有的傳動方式，使得圓盤鋸石機頭體積比較大、防護比較復雜，而且很難實現智能圓盤鋸石機頭互換功能，缺乏智能化可擴展性。因此針對以上技術問題，提出了將直驅電動機技術應用到機械設計中，簡化結構，縮小圓盤鋸石機頭體積，并能更好地與不同的機架設備兼容互換，使圓盤鋸石機具備智能可擴展性。采用直驅電動機可以進行高轉速控制，改善切割面的粗糙度；采用直驅技術，需要角度測量裝置——編碼器配合，可以精確定位轉動角度，因此也可以增加鋸片刀片磨損檢測功能[2]；可降低由于磨損帶來的振動、噪聲以及機器壽命的損失，進而提高鋸石機各部件的可靠性。

1 直驅圓盤鋸石機結構特點

采用直驅電動機作為圓盤鋸石機的動力來源，此圓盤鋸石機主要由圓盤鋸石機頭、安裝機架、控制平臺、冷卻系統等結構組成，一種直驅圓盤鋸石機頭外形如圖1所示。

圖1 直驅圓盤鋸石機頭方案圖

圓盤鋸石機頭的軸系結構主要包括直驅力矩電動機、角度測量裝置、圓鋸片、軸承、安裝殼體、芯軸等。

圓鋸片通過旋轉軸、軸承與安裝殼體相連，同時旋轉軸與力矩電動機和角度測量裝置——控制編碼器相連，實現回轉軸與動力源直連的結構形式，具體方案如圖2所示。

如圖2所示，圓鋸片由圓鋸頂座和圓鋸底座夾緊，通過鎖緊螺母固定到芯軸，此種固定方式處于回轉軸系最外側，可以自由更換多種直徑的圓鋸片[3]，不影響整體軸系的安裝結構。在力矩電動機的選型過程中，需要確定所支持的最大圓鋸片直徑，滿足在最大圓鋸片直徑范圍內使用。圓鋸片的安裝通過2個螺紋裝配疊加的方式，達到機械防松的目的，同時圓鋸片的旋轉方向與螺紋的旋向嚴格標定，在旋轉軸安裝鋸片端正視圓鋸片，當圓鋸片順時針旋轉為工作方向時，螺紋采用左旋，逆時針旋轉時采用右旋，以確保圓鋸片的安裝可靠性。

圖2 圓盤鋸石機剖面結構示意圖

回轉芯軸是由前后兩個調心滾子軸承支撐，調心滾子軸承對稱的鼓形滾子在外圈球面滾道里可以自由調位，進而補償軸受力彎曲時的不對中；而且調心滾子軸承具有雙向軸向承載能力和高徑向承載能力，它們更適合重載荷、長壽命的需求工況。直驅圓鋸機頭軸承支撐位置通過前后軸承密封盤進行密封，結構更簡單緊湊。

力矩電動機位于芯軸中間位置，直接與芯軸連接，使得芯軸與力矩電動機同步運行，提高了效率及控制性能，簡化了結構和體積。

刀頭基座是所有零件的安裝基體，也作為力矩電動機的水冷套使用，進一步縮小了體積，簡化了結構。對刀頭基座與工程設備連接接口可進行統一化設計，在常見的鋸石設備上進行互換安裝。

角度測量裝置——控制編碼器安裝在整個軸系的后端, 由一個讀數頭和一個精密測量齒輪組成的磁感應式編碼器，其中：讀數頭部分安裝在后軸承密封盤上；齒輪部分安裝在芯軸的后端。讀數頭以磁鐵為基礎，整合感磁元件，對精密測量齒輪進行非接觸式掃描，檢測旋轉軸的轉速和位置，采取一體式封裝，通過全屏蔽式金屬殼體實現最高的抗干擾強度，與旋轉部分之間無機械磨損。

在可以精確控制回轉角度的情況下，外置刀具磨損檢測設備，可以對圓鋸機刀片的磨損情況進行詳細的監測，避免過度磨損。

2 直驅圓盤鋸石機應用前景

這種單元式圓鋸機頭在圓盤鋸石機中的應用很廣泛，可應用于各種形式的鋸石機。

龍門式圓盤鋸石機在中小型石材加工廠使用比較多[4]，通過對鋸片刀頭進行升降移動控制，進行石材切割加工，通常應用于花崗石、大理石及型材等石材生產。鋸石機頭傳統結構設計為伺服電動機帶動皮帶輪通過齒輪傳動，實現鋸片轉動。當采用直驅電動機后，縮小了鋸石機鋸片刀頭的體積。兩種情況對比如圖3所示。而且采用直驅力矩電動機可以進一步提高切割轉速，根據不同材質特點采用更高的切割速度，提高了加工效率及切割后的表面質量。

圖3 軌道式圓盤鋸石機頭對比示意圖

圖3 龍門式圓盤鋸石機頭對比示意圖

軌道式圓盤鋸石機通常應用在戶外礦山[5]，在石材上布置軌道，進行石材切割，可配置單鋸片或雙鋸片。在這種機型上采用力矩電動機直驅圓鋸刀頭，可以縮小箱體尺寸，結構更輕巧，使用更靈活，更能適用于復雜的戶外切割環境，如圖4所示。

將直驅圓盤鋸石機頭與常用的挖掘機組合使用，提高了切石機的靈活性，可以應對不同環境的戶外作業，如圖4所示。

圖4 挖掘機與直驅圓盤鋸石機組合圖

從以上產品的應用對比，數控鋸石機類產品采用直驅圓盤鋸石機頭的優勢更明顯，通過系統控制鋸片實現了更精準的控制。使用力矩電動機軸系結構，實現了鋸石機性能的提升，具有高轉速、大轉矩、零磨損等結構特點。因此，在鋸石機類產品中，采用直驅技術設計的圓盤鋸石機頭的應用前景很好，結構優勢明顯。

3 結語

直驅技術常用于精密數控機床等產品，其專有的特點適合很多行業回轉結構產品的設計。本文采用直驅電動機對鋸片刀頭進行結構設計，與現行方案相比，有很多優點：1）產品結構更緊湊。采用模塊化的設計理念，簡單改變鋸片刀頭的接口即可安裝在多種載體上。可以應用于多種場合，如傳統的石材切割軌道車、龍門式切石機、施工用挖掘機的前段液壓臂上等工程類機械。2）采用直接驅動方式，省去了復雜繁瑣的驅動鏈，減小了轉動慣量及彈性形變，消除了反向間隙及運動滯后，極大地改善了傳統傳動方式帶來的摩擦、振動、噪聲及磨損等負面因素。3）直驅式力矩電動機的應用，減少了傳統驅動鏈的功率損耗，從而降低了電功率，節省電能。4）角度測量系統的應用為智能化控制圓鋸機的進步協同性、刀頭磨損測量提供了條件。