内置式力矩电机在数控滚齿机设计中的应用研究.pdf

内置式力矩电机在数控滚齿机设计中的应用研究1 1，2 1 2 黄强 张根保 罗辑 1重庆大学，（400030） 2 重庆工学院，（400050） E-mail ：oldhuangqiang@ 摘 要：在介绍零传动概念和基本特点的基础上，对传统模式和零传动模式的数控滚齿机工 件轴进行了技术经济比较。最后，讨论了两种形式的 DDR 电机的选型问题。 关键词：数控滚齿机 内置式力矩电机 零传动 DDR 1． “零传动” 以往的机床，不论是普通机床还是数控机床，从动力源( 电动机)到执行部件(主轴、工作 台等) ，往往要经过一系列的带、齿轮、离合器、联轴器、丝杠、螺母等中间机械传动环节， 这些机械环节会带来一系列的问题，如：造成很大的转动惯量，使工作部件的运动无法达到 高速加工所要求的速度和加速度；当工作部件在起动、加减速、反向和停车时，这些机械元 件中发生的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙等，会产生工作部件运动的滞后现象及其他许多 非线性误差，影响了对运动指令的快速反应；这个传动链在高速运转时还会造成巨大的振动 与噪声，影响高速加工的精度、表面质量，并对生产环境造成严重的噪声污染。另外，机械 传动环节的磨损和更换会降低机床的精度保持性和运行可靠性，增加维护、维修的时间和成 本，最终造成机床的使用效率下降，使用费用增加。上述问题的症结主要产生于机床的传动 链。机床数控化使机床的传动链大为缩短，使问题得到一定程度的缓解，如要从根本上解决 问题，则最好取消从电动机到工作部件之间的一切中间传动环节，使电动机和机床的工作部 件合二为一，从而使传动链的长度等于零，即实现所谓机床的“零传动”。 “零传动”是现代机床的基本特征，它不但大大简化了机床的传动与结构，更重要的 是提高了机床的动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。这是为满足现代高速、高精度加工要 求而出现的一种新型传动方式，是近十年来机床设计理论和制造技术的一个重大创新。 电 主轴是实现机床主运动系统 “零传动”的典型结构，而直线电动机高速进给单元则是高速机 床进给运动系统实现 “零传动”的典型代表，两者以适合高速加工机床而著名。在高精度低 速回转伺服驱动场合，内置式力矩电机 （以下简称DDR 电机）则是零传动技术的又一探索 性应用。 2．数控滚齿机中工件轴驱动方案的技术经济分析 数控滚齿机工件轴的两种驱动方案如图 1 所示。 1高等学校博士学科点专项科研基金（20020611004）资助 - 1 - a) “电机+减速器”方案 b) 零传动（DDR ）方案 图 1 滚齿机工件轴两种驱动方案示意图 2．1 技术性 就电机本身的特点来看，直流力矩电机可以不经过齿轮减速而直接带动负载，反应速 度快，机械特性的线性度好，能在很低的转速下稳定运行，在堵转状态下能产生较大转矩， 转矩和转速的波动小，因此，这种电机特别适用于对位置和速度的控制精度要求较高的系统 中。从滚齿加工原理可知。滚齿机工件轴必须精确从动于滚刀转速和轴向进给速度，且转速 低、力矩大、要求精度高，对滚齿质量的影响非常大。为提高其性能，使用 DDR 电机是值得 研究的。 在精度控制方面。现在的流行方案为 “电机+减速器”（如图1a），由于传动副的制造 及装配调试误差、传动的柔性和无效间隙等原因，使整个系统的定位误差、速度误差控制以 及调谐困难成为不可避免的问题。而采用 DDR 电机，通过消除机械传动副，从根本上消除了 机械传动副本身的传动误差、传动副本身产生的振动、机械传动带来的柔性。同时避免了对 电机和负载进行惯性匹配的麻烦，使定位和速度精度得以大幅提高，听觉噪声降低。其减少 磨损环节的特点还从根本上提高了机床的精度保持性。