数控机床中直接驱动技术的应用研究
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[摘 要]随着新技术、新材料、新工艺的不断涌现，直接驱动技术的性能不断提高，体积越来越小，成本大幅度降低。阐述了直接驱动技术的典型形式及其技术优势，总结了应用直接驱动技术的典型功能部件，分析了典型功能部件在数控机床上的应用。
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0371-01
0 引言
目前，随着汽车模具、消费电子、医疗器械等行业的不断发展，对数控机床提出了更高的要求，高速化、高精度化、高效率已经成为了数控机床发展的必然趋势。直接驱动技术以其响应快、无传动间隙、速度高等特点在数控机床中得到了广泛的应用，大大提高了零件加工效率、表面质量，延长了刀具使用寿命，最重要的是提高了数控机床的平均无故障时间。
1 直接驱动技术
直接驱动技术是电动机直接与运动部件结合，取消了机械传动的滚珠丝杠副、齿轮传动、皮带传动等传动方式，响应快，大大减少了机械传动中的传动链误差、零件磨损、反向间隙。直接驱动技术的典型应用包括直线电动机和力矩电动机。
1.1 直线电动机
直线电动机可认为是将旋转电动机轴向剖开，然后将转子与定子展开，形成如图1所示的由定子与转子组成的直线电动机。
1.2 力矩电动机
力矩电动机由定子与转子组成，主要驱动回转运动元件，外部连接有冷却套，如图2所示。力矩电动机具有低转速、大转矩；控制精度高；结构紧凑、体积小、质量轻；高效率、低能耗的优点。
2 直接驱动技术在机床中的应用
2.1 直线轴的应用
在数控机床中，直线电动机主要用来驱动直线运动部件，如数控机床的直线轴X、Y、Z轴。
1）高速度。目前，由直线电动机驱动的直线轴快进速度可达200m/min
以上，而伺服电动机加滚珠丝杠的传动方式快进速度小于60m/min，大多为20～30m/min。
2）高加速度。直线电动机最大加速度可达30g，加工中心的加速度已达3.24g，而传统机床进给加速度在1g以下，一般为0.3g。
3）定位精度高。减少机械传动链，采用光栅闭环控制，精度可以是丝杆的10倍甚至100倍，定位精度可达0.1～0.01μm。由于运动部件的动态特性好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。
4）长行程。采用丝杠传动的数控机床，当长度大于6m时，丝杠由于自重的问题就会出现大挠度，再加上传动热会使丝杠变形更加严重。而采用直线电动机驱动，由于电动机与基础件紧密结合，无悬垂现象，定子可无限加长，目前已有应用长达40m以上。目前，国外的直线电动机厂家主要由德国西门子、美国的BALDOR、荷兰TECNOTION公司等，国内的主要厂家有深圳大族精密机电有限公司、郑州微纳科技有限公司等。
2.2 回转轴的应用
1）电主轴。电主轴主要由定子、转子、主轴支撑单元、主轴等组成。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快，且转速高、功率大等优点。数控机床采用电主轴可实现对工件的高效、高精加工，尤其在医疗、模具、消费电子等领域的应用。目前，电主轴的转速达到40000r/min以上，典型的如沈阳机床的i5M1.1智能高速钻攻中心，电主轴转速为40000r/min，可实现对手机中框、按键、外壳等的高光加工。
目前，国外的电主轴厂家主要有瑞士ibag、意大利PS、德国GMN等，国内厂家主要有广州昊志、北京精雕、北京超同步等，其中昊志与精雕的电主轴主要应用于消费电子行业的加工，产量较大。
2）转台。力矩转台主要由定子及转子、支撑轴承、转台、转台夹紧装置、角度检测系统组成，如图3所示。
具有结构紧凑、无磨损、精度高、动态特性好、承载能力大等优势，被广泛应用于车铣复合加工中心上。目前，国外的力矩电动机转台厂家主要有德国的CyTec、意大利LCM、德国的peiseler等。国内厂家主要有大连光洋、凯奇电气、华中数控，其中大连光洋与高校联合开发出了一系列产品，完成了系列化直驱功能部件的样机制造，部分已经量产。典型的机床厂家有国外哈默的C62A/C轴直驱摇篮转台加工中心、德国德玛吉NMV3000DCGB/C轴直驱立式五轴加工中心。国内典型的厂家有沈阳机床i5M8的A/CS双摆智能立式五轴加工中心，用来加工叶轮、医疗关节等曲面零件。
3）双摆头。双摆头采用力矩电动机直接驱动，具有高速、高精和更好的动态性能。结构简单、传动链短、传动精度高，传动平稳、噪声低，因此具有良好的精度保持性。双摆头为五轴联动龙门加工中心的关键功能部件。特别适合复杂空间曲面的加工。如加工客机庞大的机身、大直径叶轮、叶片等要求效率和精度的零件。典型的机床应用有意大利Breton的五轴联动龙门加工中心TITAN系列（车铣复合），德国handtmann海德曼五轴龙门加工中心HSCPBZ、UBZ、GANTRY系列产品覆盖钛、钢、铝等复合材料，确保精度、生产率和成本效益方面的峰值性能。德国兹默曼Zimmermann公司的FZ100和3轴铣头M3ABC成功地实现了6轴加工。适合于铝合金、复合材料、模型材料钢件和铸铁的高速加工。除上述外，力矩电动机还应用在旋转刀架、动态刀库、动力头上等。
3 结论
综上所述，直接驱动技术在数控机床上的应用，大大提高了零件的加工精度和加工效率，符合当前数控机床向高精度、高效率、复合化、智能化、绿色化发展的趋势，在数控机床领域的应用范围将不断拓展。所以，直接驱动技术将是高速、高精、高效数控机床未来发展的方向。
参考文献
[1] 王红旭，魏巍.直接驱动技术的发展及其应用前景[J].制造技术与机床，2008（6）：150-154.
[2] 李绪成.直线电动机在数控机床中的应用及发展趋势[J].世界制造技术与装备市场，2008（12）：71-74.
[3] 刘磊，杨庆东.几种双摆式铣头的结构分析及精度保持性研究[J].机械制造研究，2009，38（3）：13-15.