王卫朝
【摘 要】The paper briefly introduces actuality application of torque motor direct drive technology at home and a-broad, working requirement and typical structure; The needing solved technology problems and obstacles of application of torque motor in milling head with two rotary axes are expounded importantly; At last, two typical application examples are represented.%简要介绍了国内外力矩电动机直驱技术的应用现状,双摆角铣头的使用要求和典型结构；重点阐述了力矩电动机在双摆角铣头应用中需要解决的技术问题和障碍；最后给出了两个典型应用实例. 【期刊名称】《制造技术与机床》
电动卷帘门结构图【年(卷),期】2013(000)002
【总页数】6页(P17-22)
【关键词】力矩电动机;直驱技术;双摆角铣头
【作 者】王卫朝
【作者单位】北京航空制造工程研究所,北京100024
【正文语种】中 文
洗衣篓【中图分类】TG547
随着现代社会科学技术的进步，驱动技术正在朝着新的方向发展。在众多的现代先进驱动中，直接驱动（简称直驱）是高速高精数控机床采用的理想驱动［1］，因此其受到机床行业的重视，技术发展迅速。 通常在机床领域，直驱装置主要包括直线伺服驱动装置和力矩伺服驱动装置［2］。直接驱动直线轴（X、Y、Z轴）的伺服电动机称为直接驱动直线（DDL）电动机，简称直线电动机;直接驱动旋转轴（A、B、C轴）的伺服电动机称为直接驱动旋转（DDR）电动机，简称力矩电动机。
力矩电动机为多极永磁交流同步电动机，带空心轴转子，可作为直接驱动器，与 SIMODRI
VE 611digital/universal HR变频器系统配套使用。采用力矩电动机直接驱动的主要优点有:
（1）机械部件减少，驱动结构紧凑:采用力矩电动机直接驱动，不再需要联轴器或齿轮等机械传动部件，从而大大减少了驱动装置的安装空间，使得结构更加紧凑。
（2）无反向间隙，高加工精度［3］:采用力矩电动机直接驱动，解决了齿轮传动存在反向间隙的问题，从原
* 航空科学基金资助项目（编号:20121625010）理上排除了机械传动引起的误差和摩擦生热产生的弹性变形，实现了更高的加工精度。
（3）高动态性，高伺服性［4］:采用力矩电动机直接驱动的旋转轴可以提供与线性轴相匹配的进给速度和加速度，实现真正意义上的高速多轴联动加工，且具备更高的伺服性能和更大的带宽。
防爆钟1 力矩电动机直驱技术的研究与应用现状
国外力矩电动机直驱技术的研究起步较早，目前可以提供成熟产品的力矩电动机厂家有很
多，既有著名的数控系统制造商，也有专业的电动机制造商，如SIEMENS、REXROTH、CYTEC、SCHAEFFLER、MORI SEIKI等。上述的多数厂商都面向中国销售其产品，同时提供伺服控制的全套解决方案。国外力矩电动机直驱技术已广泛应用于机床、造纸、包装等多个领域，著名的机床制造商，像CYTEC、JOBS、MORI SEIKI等，都已推出技术成熟的力矩电动机直驱产品。
与国外相比，我国缺乏自主研制生产力矩电动机的技术和相关成熟产品的电动机厂家，力矩电动机在数控机床上推广应用尚存在较大差距，一直局限于科研院所的试验阶段。国家教育部“春晖计划”把“低速大扭矩力矩电动机直接驱动数控转台”和“数控机床复合A/C轴直接驱动技术的研究”列入研究计划，希望海外留学生帮助解决满足多轴联动机床进行配合加工的高速高精性能要求的环形力矩伺服电动机及伺服控制器和复合A/C轴直接驱动控制的高响应矢量控制（HRVC）理论研究。
大连光洋科技工程有限公司进行了“基于外转子力矩电动机直接驱动的单、双轴转台和双摆铣头”项目研究，并在CCMT2008上展出了自主研制的力矩电动机直接驱动的双轴转台加工中心VWG 400和带A/C摆角头的数控龙门五轴机床LKW2530［5］（如图2）。
在理论研究上，北京机械工业学院的高平［6］等在“力矩电动机驱动双摆头的结构设计”一文中研究了一种力矩电动机直接驱动的A/C摆角头结构（如图3）。摆角头由C摆箱体、A摆叉形头、电主轴箱体、3台力矩电动机和电主轴组成。C摆箱体内有1台力矩电动机驱动叉形头旋转，叉形头两侧各有1台力矩电动机驱动电主轴箱体摆动。为了扩大机床的工艺范围，采用嵌入式电主轴更换系统，用换轴代替换头，快速、简洁、定位更准确。南京农业大学工学院的薛兆云［7］等在“基于力矩电动机的双摆动铣头设计”中简要介绍了力矩电动机的结构、基本参数及其选用，给出五轴联动高速雕铣机的总体方案设计以及双摆动高速铣头结构和其关键件的设计，并用Pro/E对设计进行实体建模（如图4）。B轴可以绕与Z轴成45°的轴线360°旋转，A轴在ZOY平面内±90°摆动。力矩电动机与传动轴之间采用键联接，用螺钉联接轮毂与力矩电动机的转子，这样转子就会带动轮毂一起转动，从而通过键将动力传输给轴。
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2 双摆角铣头的使用要求及典型结构
双摆角铣头结构是实现大型数控机床五轴联动的主要形式，一般分A（B）/C摆角和A/B摆角2种，典型结构如图5。
精密电主轴A（B）/C摆角结构紧凑，摆动范围大（A（B）摆角可达百余度，C摆角可达n×360°），制造成本也不高。但由于结构的限制，摆角的驱动扭矩较小。在高速高精加工中，切削力较小，因此带A（B）/C摆角铣头的机床更具有优势。图6为某桥式高速数控龙门铣床配置的传统驱动A（B）/C摆角铣头结构图，两个摆角均由西门子的伺服电动机驱动。其中，C摆角传动链为伺服电动机+一级谐波减速+一级齿轮副，A（B）摆角传动链为伺服电动机+一级谐波减速+两级齿轮副。通过齿轮副消除结构传动间隙，提高传动精度。在不联动加工时，通过液压锁紧机构，增大摆角夹紧扭矩。充气攀岩
A/B摆角结构的机械驱动系统能够提供较大摆角力矩，是A（B）/C摆角结构的数倍，且不需要摆角锁紧机构，因此在进行钛合金、高强度合金钢等结构件重载加工时，具有较大的优势。另外，A/B摆角结构在刀位计算中具有唯一解，从当前位置到目标位置的运动轨迹也是唯一的，而且运动位置明确、直观，易于操作者理解和掌握。而A/B摆角结构的缺点是传动系统复杂，传动链长，导致结构庞大，摆角范围有限（一般为±30°），主轴悬伸量大，要求机床有较高的刚性。如果垂向行程较大时，A/B摆角结构就不适合龙门移动机床，而只能设计为立柱移动机床。图7为某五坐标数控龙门铣床配置的传统驱动A/B摆角铣头结构图，两个摆角均由西门子的伺服电动机驱动。其中，A摆角传动链为伺服电动机+一级皮带
+双蜗杆蜗轮副+双齿轮弧形齿条副;与A摆角相比，B摆角传动链少一级皮带传动，通过双齿轮与弧形齿条啮合消除传动间隙，蜗杆轴向设有预载调整机构。
分析传统驱动双摆角铣头的结构（图6、7），由于采用传统的旋转伺服电动机驱动，使得双摆角铣头的结构非常复杂，传动链长，传动惯量大，由于存在机械间隙使得加工精度受到限制;由于存在多个传动环节给设计、制造以及装配调试带来了许多麻烦。另外，由于对谐波减速器、大弧形齿条、蜗轮蜗杆副等机械结构的精度要求较高，而国内只有少数几家企业能够生产，且生产能力有限，大部分依靠进口，除了成本高以外，更重要的是供货周期不能保证，因此严重影响整台机床的设计制造周期。
与传统驱动双摆角铣头相比，力矩电动机驱动的双摆角铣头极大地简化了回转轴传动链的结构，避免了高精密齿轮、大半径精密弧形齿条、精密蜗轮蜗杆副等部件制造困难和精度保持短的问题，并且回转轴的动态响应得到了很大提高。
3 力矩电动机在双摆角铣头应用中需要解决的技术问题和障碍
尽管力矩电动机直接驱动技术在机床应用中存在诸多的优点，但是作为一项新的应用技术，
不可避免地要面临许多新的技术问题和障碍，在实际应用中，设计者需要特别地注意，并采取有效的解决方案和必要的预防措施。
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