圖1 L80型齒輪測量中心
采用直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)與直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)的齒輪測量中心，不但減少了運(yùn)動(dòng)噪聲并降低了損耗，更重要的是大大提高了系統(tǒng)的剛性，提升了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了測量速度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小了測量不確定性。
在機(jī)械加工與檢測設(shè)備上，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸有著多種傳動(dòng)方式，如旋轉(zhuǎn)軸的蝸輪蝸桿副傳動(dòng)、直線軸的絲杠傳動(dòng)以及同步帶傳動(dòng)等。這些電動(dòng)機(jī)加傳動(dòng)部件的傳動(dòng)方式的缺點(diǎn)是剛性低、效率損耗大且噪聲高等。如今越來越多的機(jī)械設(shè)備上開始采用直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)與直線電動(dòng)機(jī)的直聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，其具有剛性高、響應(yīng)速度快和控制精度高等特點(diǎn)。
齒輪測量中心的發(fā)展
齒輪測量中心是目前齒輪生產(chǎn)及使用企業(yè)用于齒輪及齒輪刀具精度指標(biāo)檢測的一種高精度和高自動(dòng)化的檢測設(shè)備。其通常的結(jié)構(gòu)是一個(gè)高精度旋轉(zhuǎn)主軸和3個(gè)高精度直線軸組成，以往的直線軸多采用旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)加絲杠或同步帶的驅(qū)動(dòng)方式，對于大型齒輪測量中心的主軸驅(qū)動(dòng)也多采用高精度蝸輪蝸桿副機(jī)構(gòu)。這些傳統(tǒng)傳動(dòng)方式的缺點(diǎn)是系統(tǒng)的剛性低，采用閉環(huán)控制時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，運(yùn)動(dòng)精度受蝸輪蝸桿副與絲杠的影響大，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)噪聲高，系統(tǒng)穩(wěn)定性低，增加了測量不確定性。隨著直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)與直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，齒輪測量中心采用直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)與直線電動(dòng)機(jī)的技術(shù)也日趨成熟，這些使用新電動(dòng)機(jī)技術(shù)驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用，不但減少了運(yùn)動(dòng)噪聲，降低了損耗，更重要的是大大提高了系統(tǒng)的剛性，提升了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了測量速度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并減小了測量不確定性。
圖2 科爾摩根KBMS-79X03直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)
科爾摩根電動(dòng)機(jī)在L系列齒輪測量中上的應(yīng)用
比較市場上不同品牌電動(dòng)機(jī)的性能與價(jià)格，基于科爾摩根公司在市場知名度以及產(chǎn)品的高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，哈量集團(tuán)精密量儀公司（以下簡稱“哈量集團(tuán)”）在L系列齒輪測量中心產(chǎn)品上選用了KBM無框直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)系列和ICD直線電動(dòng)機(jī)系列配以AKD驅(qū)動(dòng)器，并取得了很好的效果。
圖3 L45型齒輪測量中心
1、KBM直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用
在開發(fā)L80型齒輪測量中心（圖1）過程中，由于在測量外徑達(dá)到800mm的工件時(shí)，旋轉(zhuǎn)主軸負(fù)載的工件重量最大可達(dá)1000kg，慣量最大時(shí)可達(dá)90kg.m2，以往采用的是步進(jìn)或伺服電動(dòng)機(jī)加高精度蝸輪蝸桿副驅(qū)動(dòng)的方式，但這種驅(qū)動(dòng)存在著一些無法解決的缺點(diǎn)。而測量儀器要求主軸軸系的精度較高，徑向跳動(dòng)要求不大于0.0008mm，采用這種傳動(dòng)方式對蝸輪蝸桿副的要求很高，而且指標(biāo)保證比較難。因此哈量集團(tuán)通過技術(shù)分析選用了科爾摩根KBMS-79X03直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)（圖2）作為主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，主軸采用直接驅(qū)動(dòng)方式。KBMS-79X03直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)的持續(xù)扭矩為134N.m，峰值扭矩更達(dá)637N.m，可以適應(yīng)測量機(jī)的頻繁啟停工作時(shí)對扭矩的要求，而其轉(zhuǎn)子的慣量為0.125kg.m2，也適合測量大慣量工件的要求，KBMS-79X03直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)磁極采用磁能積較高的釹鐵硼稀土永磁材料，其高效能和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)適用于齒輪測量機(jī)。在實(shí)際生產(chǎn)的調(diào)試中，主軸直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)直聯(lián)的應(yīng)用，大大提高了軸系系統(tǒng)剛性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性快，響應(yīng)曲線上升時(shí)間和峰值時(shí)間明顯減少，控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)也更加簡便。KBMS直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)的使用，不但設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化，而且提高了測量速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其主軸的定位不大于3個(gè)分辨力（儀器主軸的分辨力0.0001°），重復(fù)定位精度不大于0.0002°。這些優(yōu)點(diǎn)使儀器在實(shí)際的生產(chǎn)過程中縮短了調(diào)試周期，提高了生產(chǎn)效率，儀器銷售后，經(jīng)多家用戶的使用驗(yàn)證，儀器的故障率降低。基于這些優(yōu)點(diǎn)，哈量集團(tuán)在L30和L100型齒輪測量中心以及3080型和3060A型齒輪測量機(jī)等多款產(chǎn)品上開始應(yīng)用KBMS系列直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)。
圖4 科爾摩根直線電動(dòng)機(jī)的IDC系列
2、ICD直線電動(dòng)機(jī)系列應(yīng)用
L45型齒輪測量中心（圖3）是哈量集團(tuán)精密量儀公司一款中規(guī)格的產(chǎn)品，為了提升產(chǎn)品的性能指標(biāo)，在研發(fā)時(shí)決定三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式的方案，通過對市場上多款直線電動(dòng)機(jī)的性價(jià)比以及供貨周期的對比，最終確定選用科爾摩根直線電機(jī)的IDC系列（圖4）。此款直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單且安裝方便，從而簡化了測量中心直線軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過實(shí)際的調(diào)試，直線軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)噪聲減小，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行幾乎為靜音，定位不大于3個(gè)分辨力（儀器直線運(yùn)動(dòng)軸分辨力0.0001mm），重復(fù)定位精度不大于0.0002mm。對系統(tǒng)比動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，采用科爾摩根直線電動(dòng)機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)軸的剛性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等主要指標(biāo)比采用電動(dòng)機(jī)帶絲杠及同步帶的直線軸有著大幅度提高，其階躍響應(yīng)快速性對比如圖5：
圖5 采用絲杠傳動(dòng)直線軸與采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線軸時(shí)的階躍響應(yīng)快速性對比圖
通過對直線軸采用兩種驅(qū)動(dòng)方式設(shè)備測量結(jié)果的比對，采用直線電動(dòng)機(jī)的儀器在測量螺旋線樣板時(shí)形狀誤差示值減小了近20%。
綜上所述，哈量集團(tuán)精密量儀公司采用科爾摩根直驅(qū)力矩電動(dòng)機(jī)和直線電機(jī)的L系列齒輪測量中心具有測量精度高、測量速度高和可靠穩(wěn)定性高的技術(shù)特點(diǎn)。
