承擔(dān)弧齒錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪減材切削的現(xiàn)代螺旋錐齒輪機(jī)床群與素有“工業(yè)母機(jī)”美譽(yù)的其他高端數(shù)控裝備一樣，為能實(shí)現(xiàn)3D曲面的高精度、高速度和高穩(wěn)定性加工，除選用性能卓越的智慧大腦——硬件和軟件組成的CNC系統(tǒng)外，還得配裝零傳動(dòng)環(huán)節(jié)的具有高剛度快響應(yīng)、高效低耗無(wú)潤(rùn)滑特性的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Direct Drive System，簡(jiǎn)寫(xiě) DDS)。

　　一、直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)理分析

　　直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是以直驅(qū)電機(jī)為載體，區(qū)別于常規(guī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新形式，現(xiàn)被越來(lái)越多地應(yīng)用到各行業(yè)中。

　　兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性對(duì)比

　　在常規(guī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載(工作臺(tái)或主軸等機(jī)械本體)與電機(jī)之間，制造商通常增設(shè)滾珠絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副、齒輪齒條副、齒輪箱、皮帶 /皮帶輪、聯(lián)軸節(jié)、鏈條等機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)(見(jiàn)圖1)，用以大幅度提升負(fù)載終端的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。然而，這些中間環(huán)節(jié)既會(huì)引起齒隙/間隙、機(jī)械損失與運(yùn)行噪音，也增加了數(shù)控裝備的體積重量與運(yùn)維復(fù)雜程度，還降低了整機(jī)性能(負(fù)載慣量不超過(guò)電機(jī)慣量的5～10倍)。

圖1 常規(guī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意

　　在圖2所示的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，制造商將DDR(Direct Drive Rotary)電機(jī)或DDL(Direct Drive Linear)電機(jī)直接耦合/聯(lián)接至從動(dòng)負(fù)載上，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)裝置中數(shù)字化電信號(hào)的濾波、整流、放大與脈寬調(diào)制等控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的直接驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式通過(guò)剔除很多的中間組件和傳動(dòng)部件，使得傳動(dòng)鏈縮短為零，也使得整機(jī)制造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化緊湊、位置保持能力提高60倍以上(DDR 分度精度近乎1弧分及重復(fù)定位精度小于1弧秒)、工作效率提高1倍以上、恒速特性非常好(DDL速度波動(dòng)小于±0.01%及速度1μm/s下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng))，甚至不 再考慮負(fù)載與電機(jī)的慣量匹配要求(二者慣量比超過(guò)11000:1)。

圖2 直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意

　　直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)

　　又被稱為直驅(qū)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的DDR電機(jī)由同步伺服電機(jī)演化而來(lái)，通常具有較多的磁極對(duì)數(shù)和較高的功率密度，可在低轉(zhuǎn)速下提供超大的輸出轉(zhuǎn)矩。DDR電機(jī)細(xì)分為有框、無(wú)框和模塊化三類(lèi)，見(jiàn)表1。

表1 直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)分類(lèi)與構(gòu)成

　　直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)

　　DDL電機(jī)類(lèi)似平鋪結(jié)構(gòu)的無(wú)刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)，即其原理相當(dāng)于中心剖開(kāi)后平鋪擺放的同步伺服電機(jī)，一次側(cè)是將基本部件的初級(jí)端定子繞組平鋪為線圈組件(也稱滑塊)，二次側(cè)是將基本部件的次級(jí)端轉(zhuǎn)子永磁體平鋪為磁體軌道(也稱磁路)，如圖2b所示。DDL電機(jī)細(xì)分為有鐵芯結(jié)構(gòu)和無(wú)鐵芯結(jié)構(gòu)兩類(lèi)，見(jiàn)表2。

表2 直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)分類(lèi)與構(gòu)成

　　二、螺旋錐齒輪機(jī)床群的性能需求

　　在軌道、汽車(chē)、風(fēng)電、冶金礦山、工程機(jī)械、減速機(jī)等行業(yè)，兩個(gè)相交軸之間的傳動(dòng)元件絕大多數(shù)采用格里森圓弧收縮齒制或奧林康擺線等高齒制的螺旋錐齒輪。由于用戶對(duì)重載齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度高、噪聲低、承載力大、生產(chǎn)高效、綠色環(huán)保、成本最佳等特性的剛需，包括切齒機(jī)、研齒機(jī)、配對(duì)機(jī)、磨刀機(jī)、裝刀機(jī)、測(cè)量機(jī)等數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的集設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)一體的智能制造閉環(huán)系統(tǒng)的需求量迅猛激增。

　　(1)錐齒輪切齒機(jī)在SINUMERIK 840Dsl等系統(tǒng)及與之配套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(如SINAMICS S120)提供的數(shù)字化邏輯電信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)6個(gè)坐標(biāo)軸(見(jiàn)圖3)的聯(lián)動(dòng)，載著條形硬質(zhì)合金刀條組成的尖齒刀盤(pán)，沿預(yù)定程序軌跡進(jìn)行干式持續(xù)分度切削，獲得用戶所需的弧齒錐齒輪或準(zhǔn)雙面齒輪。工件主軸A、刀具主軸B和基角軸C為直接驅(qū)動(dòng)的高剛性電主軸，DDR電機(jī)采用西門(mén)子1FW6230等系列。銑削深度軸X、刀具定位軸Y、工件定位軸Z為閉環(huán)伺服直線運(yùn)動(dòng)，DDL電機(jī)采用SIMOTICS L等系列。高精度的角度編碼器和直線光柵尺滿足產(chǎn)品精度DIN/ISO 4級(jí)甚至更高，如海德漢ERA4800C。CNC系統(tǒng)內(nèi)嵌齒制加工控制軟件，如奧林康COP32、中大創(chuàng)遠(yuǎn)HCS等。

圖3 錐齒輪切齒機(jī)的坐標(biāo)軸

　　(2)錐齒輪研齒機(jī)在FANUC FS160i-M等系統(tǒng)及與之配套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(如FANUC αiSP+SV)提供的數(shù)字化邏輯電信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)5個(gè)坐標(biāo)軸(見(jiàn)圖4)的聯(lián)動(dòng)及4區(qū)位研齒法，沿預(yù)編程的研齒軌跡進(jìn)行V、H、J軸的振蕩研磨，獲得用戶所需良好嚙合區(qū)的錐齒輪副。主動(dòng)輪軸 B、從動(dòng)輪軸C為直接驅(qū)動(dòng)的高剛性電主軸，DDR電機(jī)采用發(fā)那科DiS-B等系列。從動(dòng)輪頭架垂直軸X(V)、主動(dòng)輪頭架水平軸Y(H)、主動(dòng)輪頭架插入式間隙調(diào)整軸 Z(J)為閉環(huán)伺服直線運(yùn)動(dòng)，DDL電機(jī)采用發(fā)那科LiS-B 等系列。高精度的角度編碼器和直線光柵尺滿足產(chǎn)品精度 DIN/ISO 4級(jí)甚至更高，如海德漢LC193F。CNC系統(tǒng)內(nèi)嵌研齒控制軟件，如中大創(chuàng)遠(yuǎn)HLS等。

圖4 錐齒輪研齒機(jī)的坐標(biāo)軸

　　(3)刀條刃磨機(jī)(又稱磨刀機(jī))在MITSUBISHI M800等系統(tǒng)及與之配套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(如三菱MDS系列)提供的數(shù)字化邏輯電信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)5個(gè)坐標(biāo)軸(見(jiàn)圖 5)的聯(lián)動(dòng)，載著鈍化的條形三面刃尖齒刀條，借助電鍍金剛石砂輪進(jìn)行雙工磨削處理——擺動(dòng)方式粗磨削和展成方式精磨削。旋轉(zhuǎn)軸C、擺動(dòng)軸A與砂輪主軸為直接驅(qū)動(dòng)的高剛性電主軸，DDR電機(jī)采用科爾摩根D(H)等系列。磨削臺(tái)面往復(fù)軸X、垂直磨削周Y、水平磨削軸Z以及裝卸站軸B、U、V、W為閉環(huán)伺服直線運(yùn)動(dòng)，DDL 電機(jī)采用三菱LM等系列等系列。高精度的角度編碼器和直線光柵尺滿足產(chǎn)品精度DIN/ISO 4級(jí)甚至更高，如海德漢RCN2390F。CNC系統(tǒng)內(nèi)嵌刀條磨削控制軟件，如 TWINCAT BGS等。

圖5 刀條刃磨機(jī)的坐標(biāo)軸

　　三、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

　　數(shù)控裝備的綜合精度不僅取決于CNC系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)匹配和最小分辨率，也離不開(kāi)執(zhí)行部件的精心裝配和最優(yōu)調(diào)整。

　　DDR電機(jī)1FW6230在切齒機(jī)的應(yīng)用

　　DDR電機(jī)作為一種高轉(zhuǎn)矩輸出的同步傳動(dòng)技術(shù)，現(xiàn)已成為數(shù)控裝備旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)必不可少的利器，被廣泛用于車(chē)床、加工中心、磨床等數(shù)控裝備以及新能源汽車(chē)等場(chǎng)合，如配置SINUMERIK 840Dsl PCU50.5-C系統(tǒng)和SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的C50錐齒輪切齒機(jī)(下稱 C50)的刀具主軸A和工件主軸B裝用西門(mén)子DDR電機(jī)1FW6230-0wX15-0QC2。圖6為電機(jī)1FW6230在C50刀具主軸A的結(jié)構(gòu)示意，其裝配調(diào)試步驟如下：

　　(1)裝配轉(zhuǎn)子永磁體與轉(zhuǎn)臺(tái)軸承等零部件。結(jié)合圖樣核查電機(jī)尺寸φ418H8、φ4630 -1、φ576h8→用兆歐表校驗(yàn)電機(jī)三相對(duì)地絕緣電阻不少于10MΩ→清理主軸體、法蘭盤(pán)、轉(zhuǎn)子法蘭等零件(去毛刺、擦拭干凈)→安裝轉(zhuǎn)子法蘭于主軸體上并經(jīng)30M8×55內(nèi)六角螺釘緊固→將1件尺寸395×5的O形圈NBR70套入轉(zhuǎn)子法蘭盤(pán)的凹槽內(nèi)→將定子永磁體裝至主 軸體并經(jīng)24條M8×25內(nèi)六角螺釘在19N·m轉(zhuǎn)矩下緊固→將1組德國(guó)FEY公司雙疊片金屬密封環(huán)FK6 ASD 337/10/3套入主軸體的已涂抹潤(rùn)滑脂的下環(huán)槽處→裝入法蘭盤(pán)→裝配推力向心轉(zhuǎn)臺(tái)軸承YRTS260至主軸體→經(jīng)34條M8×60內(nèi)六 角螺釘緊固YRTS260內(nèi)圈于主軸體并經(jīng)36條M8×30內(nèi)六角螺釘緊固外圈于法 蘭盤(pán)上→將1件德國(guó)FEY公司單片密封環(huán)FK3 AS 255套入主軸體的已涂抹潤(rùn)滑脂的上環(huán)槽處→安裝頂部密封蓋并經(jīng)8條M8×30內(nèi)六角螺釘緊固于法蘭盤(pán)上。

　　(2)主軸體調(diào)頭安裝定子線圈。將主軸體上下端顛倒并固定于專用臺(tái)架 上→經(jīng)3件M5×10內(nèi)六角螺釘緊固冷卻管路適配器于定子線圈上→置定子線圈的出線端在底部并禁止彎折電纜、碰傷冷卻管路適配器→定子線圈的頂部加裝防吊裝變形的定子加強(qiáng)環(huán)→轉(zhuǎn)子永磁體外側(cè)包裹1圈厚0.5寬200的尼龍墊條→三點(diǎn)水平吊裝定子線圈及定子加強(qiáng)環(huán)緩慢套入轉(zhuǎn)子永磁體并時(shí)刻保持尼龍墊條的豎直完好性以及定子與轉(zhuǎn)子的間隙均勻→在法蘭盤(pán)底部穿入23條M8×130內(nèi)六角螺釘并在19N·m轉(zhuǎn)矩下緊固于法蘭盤(pán)上→自定子線圈上拆掉定子加強(qiáng)環(huán)并移至主軸體外側(cè)→輔助杠桿作用力抽出尼龍墊條→徒手轉(zhuǎn)動(dòng)主軸體輕盈無(wú)阻滯。

　　(3)主軸體調(diào)頭至頂部密封蓋朝上后裝入鞍座孔中。清理鞍座孔(去毛刺、擦拭干凈)→經(jīng)1件吊環(huán)螺釘和2件U形吊環(huán)垂直吊起主軸體放入鞍座孔內(nèi)→待法蘭盤(pán)底部外圓面與鞍座孔即將進(jìn)入配合時(shí)改用4件M12×500的絲桿對(duì)稱拴接完成兩者的裝配→拆掉絲桿后經(jīng)18條M12×40內(nèi)六角螺釘緊固法蘭盤(pán)于鞍座上→將2件φ12×1.5水管連接至冷卻管路適配器并配裝2件M40×1.5的過(guò)線螺母。

　　(4)鞍座孔內(nèi)裝入NNU4964軸承。清理NNU4964軸承及主軸體配合面、鞍座孔→經(jīng)4件M12×250絲桿和外壓環(huán)將NNU4964軸承裝配至主軸體配合面與鞍座孔內(nèi)→1件尺寸330×4 的O形圈NBR70O和1組雙疊片金屬密封環(huán)FK6 ASD 395/10/3裝至內(nèi)壓環(huán)對(duì)應(yīng)凹槽處→自鞍座上拆掉4件絲桿和外壓環(huán)→內(nèi)壓環(huán)與外壓環(huán)配合后經(jīng)4件絲桿裝至鞍座上并用18條M12×40內(nèi)六角螺釘緊固→經(jīng)6條M16×60內(nèi)六角螺釘緊固刀盤(pán)安裝座于主軸體上。緊固安裝座時(shí)，務(wù)必使用磁座千分表測(cè)量刀具主軸A的軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)(見(jiàn)圖7)，邊測(cè)量邊調(diào)整刀盤(pán)安裝座，使這兩個(gè)公差均不超4μm。

圖7 刀具主軸A的軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)

　　(5)安裝海德漢光柵鼓和讀數(shù)頭。清理法蘭盤(pán)和主軸體上端→棉花球蘸無(wú)水酒精擦拭光柵鼓 ERA4880C→經(jīng)6條M5×20內(nèi)六角螺釘緊固光柵鼓于主軸體上并保證定向環(huán)的徑向跳動(dòng)不超10μm→經(jīng)2條M6×30內(nèi)六角螺釘和平墊圈緊固支座于頂部密封蓋上→經(jīng)3條M3×25內(nèi)六角螺釘緊固讀數(shù)頭于支座上→借助PWT18快調(diào)儀調(diào)測(cè)光柵鼓與讀數(shù)頭的間隙0.15±0.01確保柵格幅值1+0.1 -0.1Vss以及原點(diǎn)信號(hào)的黑條兩端時(shí)刻處于2個(gè)方括號(hào)內(nèi)→拆掉 PWT18并經(jīng)6條M5×20內(nèi)六角螺釘緊固防塵罩于法蘭盤(pán)上。

　　(6)將鞍座固定于試驗(yàn)臺(tái)上，連接好電氣線路與冷卻管路。隨后在空載與加載下，分別進(jìn)行跑合、溫升測(cè)試。數(shù)據(jù)合格后，刀具主軸A整部部件裝機(jī)待用。

　　DDL電機(jī)1FN3在磨刀機(jī)的應(yīng)用

　　DDL電機(jī)作為一種直線輸出的同步傳動(dòng)技術(shù)，高速時(shí)擁有高精度和高重復(fù)定位精度，低速甚至靜止時(shí)也能產(chǎn)生大推力。它被廣泛用于過(guò)程控制、測(cè)試/控制設(shè)備、沖壓/激光切割、醫(yī)療器械等場(chǎng)合，如配置SINUMERIK 840Dsl NCU720.3B PN系統(tǒng)和SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的B27刀條刃磨機(jī)(下稱B27)的X/Y/Z軸裝用 SIMOTICS 1FN3直線電機(jī)。圖8為1FN3直線電機(jī)與SINAMICS S120連接示意，其驅(qū)動(dòng)調(diào)試流程如下：

圖8 1FN3電機(jī)與SINAMICS S120連接示意

　　(1)DDL電機(jī)與S120的連接。DDL電機(jī)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接相比，添加1個(gè)SME125模塊，它的速度、位置檢測(cè)系統(tǒng)僅有1個(gè)外接的測(cè)量系統(tǒng)。為有效降低調(diào)試中飛車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)量系統(tǒng)選用絕對(duì)值光柵尺LC185。

　　(2)DDL電機(jī)調(diào)測(cè)的有效條件。DDL電機(jī)的相關(guān)參數(shù)不能被CNC系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別，只能進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定。此前需要完成電機(jī)調(diào)測(cè)的有效條件。例如：機(jī)械限位硬擋塊、硬件限位開(kāi)關(guān)及急停按鈕均有效，電機(jī)制動(dòng)機(jī)構(gòu)、熱保護(hù)的溫度傳感器及冷卻系統(tǒng)均正常，機(jī)械安裝尺寸正常，通電前電機(jī)能否推動(dòng)，位置反饋計(jì)數(shù)、驅(qū)動(dòng)正方向(相序)、反饋正方向(極性)均正確，磁極位置辨識(shí)設(shè)為基于電流飽和(p1980=1、p1982=1)，電機(jī)溫度報(bào)警閥值設(shè)定(p0604= 65、p0605=75)…

　　(3)DDL電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置。第1次使能前，務(wù)必經(jīng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)p0640限定電機(jī)最大電流為缺省值的1/10或更小;磁極位置識(shí)別后，修改p0640為原值。通電后，配置DDL電機(jī)：[配置-電機(jī)]界面選擇“輸入電機(jī)數(shù)據(jù)”，電機(jī)類(lèi)型選擇 “直線同步電機(jī)”;單擊[下一步]進(jìn)入[配置-其他電機(jī)數(shù)據(jù)]界面，電機(jī)溫度傳感器類(lèi)型選擇“通過(guò)多個(gè)溫度通道分析SME12x”;單擊[下一步]進(jìn)入[配置-電機(jī)數(shù)據(jù)]界面1，將對(duì)應(yīng)參數(shù)填入系統(tǒng)(見(jiàn)圖9左上);單擊[下一步]進(jìn)入[配置-電機(jī)數(shù)據(jù)]界面2，將對(duì)應(yīng)參數(shù)填入系統(tǒng)(見(jiàn)圖9右下);單擊[下一步]進(jìn)入[配置-BICO連接]界面，此后設(shè)定與標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的調(diào)試配置相同。配置完畢后，驗(yàn)看電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與測(cè)量系統(tǒng)是否相同，相反時(shí)設(shè)定參數(shù)p410=3。

圖9 1FN3電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置畫(huà)面

　　(4)經(jīng)SINUMERIK Operate進(jìn)行驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，借助電子濾波器來(lái)消除波特圖尋找到的共振點(diǎn)。對(duì)電流環(huán)進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化，測(cè)試電流環(huán)頻率響應(yīng)，做到不超調(diào)。對(duì)速度環(huán)、位置環(huán)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，經(jīng)階躍響應(yīng)和擾動(dòng)響應(yīng)尋求適合的比例增益和匹配的時(shí)間常數(shù)，獲得最優(yōu)的產(chǎn)品表面光潔度。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　工信部聯(lián)規(guī)〔2021〕207號(hào) 《‘十四五’智能制造發(fā)展規(guī)劃》通過(guò)一個(gè)融合、三個(gè)能力提升及三化持續(xù)推進(jìn)，給出制造業(yè)五年內(nèi)深入實(shí)施智能制造工程的綱領(lǐng)性要求。未來(lái)的螺旋錐齒輪機(jī)床的制造應(yīng)大量采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在內(nèi)的新工藝、新手段， 廣泛采取節(jié)能環(huán)保新措施，有效控制CO2排放量，成為綠色低碳智能制造系統(tǒng)必不可少的裝備主力軍。