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          技術(shù)文獻
          力矩電動機技術(shù)在機床上的應(yīng)用2015-09-10

          西泰克(CyTec)公司的名字是最近幾年隨著力矩電動機雙擺頭一起進入中國市場的,CyTec憑借其獨特的力矩電動機直接驅(qū)動專利技術(shù),以及外轉(zhuǎn)子力矩電動機技術(shù), 這個只有200人的德國小公司,讓機床行業(yè)深深記住了他的名字,也讓電動機行業(yè)的幾大工業(yè)巨人深深地栽了一個跟斗。 除了雙擺頭 CyTec的產(chǎn)品還包括系列化的力矩電動機轉(zhuǎn)臺 

          一、力矩電動機基本知識  

              力矩電動機Torque Motor, 也有人翻譯為扭矩電動機,它本質(zhì)上是低速大扭矩的伺服電動機,與我們熟悉的伺服電動機分類相同,分為直流、 無刷直流、正弦交流交流幾種;為提高扭矩,力矩電動機的極數(shù)較多,所以轉(zhuǎn)速一般只有一百轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn),以下是西泰克(CyTec)力矩電動機與普通伺服電動機參數(shù)的比較(見表1)

          表1

           


            普通伺服電動機 CyTec力矩電動機 

           最大扭矩/Nm 120 10000

           最高轉(zhuǎn)速/r•min-1 3000~6000 3000~6000

           電極極數(shù) 4 60

           額定電流 10Nm電動機為10A 1700Nm電動機為11.8A

           電壓等級 230V, 400V 400V

           電極類型 直流、 無刷直流正弦交流正弦交流 正弦交流

          由以上參數(shù)可以看出,力矩電動機額定電流很小,用很小的伺服模塊就可以驅(qū)動扭矩很大的力矩電動機力矩電動機的結(jié)構(gòu)形式,由外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子兩種;內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢因為相同扭矩的電動機體積可以更小,在機床行業(yè),相同的性能,體積小就有很大的優(yōu)勢CyTec采用的是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(見圖1)。



          圖1  CyTec 外轉(zhuǎn)子機構(gòu)的力矩電機

           力矩電動機其實是一種很早就有的技術(shù),我所了解的力矩電動機最早的應(yīng)用是導(dǎo)彈上的陀螺電動機, 但扭矩相對很小,在機床上的應(yīng)用是最近10年才出現(xiàn)的。 隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展,市場需要一種高精度、高加速度的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),而齒輪或蝸輪蝸桿傳動,事實證明是達不到要求的。隨著交流伺服技術(shù)的進步, 力矩電動機的扭矩很快達到了實用的程度,力矩電動機直接驅(qū)動在機床上很快得到了應(yīng)用。

          二、力矩電動機直接驅(qū)動是實現(xiàn)高速高精度旋轉(zhuǎn)運動的最佳選擇


          圖2 力矩電動機直接驅(qū)動的擺頭 

              機床上的旋轉(zhuǎn)運動,例如擺頭和轉(zhuǎn)臺(見圖2和圖3),傳統(tǒng)的解決方法是采用伺服電動機+蝸輪蝸桿或齒輪實現(xiàn),這種方式的缺點也很明顯:首先是磨損,機械部件長期連續(xù)運行的磨損是不可避免的,尤其是蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺的耐用性是很大的問題, 精度保持性很差; 其次是速度與加速度低,在加工高速曲面時,如果旋轉(zhuǎn)軸的速度低于曲面的加速度,就會出現(xiàn)過切現(xiàn)象。

           


          圖3 采用力矩電動機的雙軸轉(zhuǎn)臺

              力矩電動機的轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)部件的運動,它沒有中間的傳動環(huán)節(jié),是一種不接觸的傳動,沒有反向間隙,沒有磨損,配合高精度編碼器,可以實現(xiàn)編碼器級別的精度;力矩電動機一般可以實現(xiàn)60r/min的轉(zhuǎn)速,這對擺動機構(gòu)來說,已經(jīng)是很高的速度了。

             都采用±2.5”的編碼器反饋情況下, 力矩電機與齒輪、蝸輪蝸桿傳動的比較(見表2):

          表2

           力矩電動機 蝸輪蝸桿 齒輪

          定位精度 ±3” ±10” ±7”

          速度 360°/s 60°/s 120°/s

          加速度 1300°/s2 300°/s2 400°/s2

          精度保持性 精度不變 精度易損 精度保持性較好

          擺動扭矩 小 中 大

          三、 力矩電機的應(yīng)用

          采用力矩電機的機床部件,主要有擺頭和轉(zhuǎn)臺,圖4為這兩種產(chǎn)品的典型結(jié)構(gòu)圖。

           

          圖4

              CyTec的產(chǎn)品在國內(nèi)主要用于五軸龍門銑擺頭、 臥式工中心轉(zhuǎn)臺、齒輪磨床、葉片磨床擺動軸、 曲線磨床頭架、萬能磨床砂輪架轉(zhuǎn)位等(見圖5、圖6)。


          圖5 采用力矩電動機擺頭的五軸龍門銑


          圖6 采用雙軸力矩電機轉(zhuǎn)臺的葉片磨床


          圖7  臥式加工中心轉(zhuǎn)臺


          圖8 落地鏜床

          四、 力矩電動機的發(fā)展與應(yīng)用走向

              力矩電動機在國外已是成熟產(chǎn)品,國內(nèi)尚處于萌芽狀態(tài)。采用力矩電動機的產(chǎn)品目前在國內(nèi)應(yīng)用還不是很多,價格是最大的制約因素, 其次受制于某些系統(tǒng)參數(shù)不開放。降低價格最好的辦法是提高產(chǎn)量;目前國內(nèi)已有幾家公司在致力于力矩電動機的生產(chǎn),會迫使國外產(chǎn)品降價,從而推動消費市場。 

              國外產(chǎn)品的研制生產(chǎn)體制可以借鑒,例如CyTec與Achen大學(xué)合作,成立專門的力矩電動機研究機構(gòu),將技術(shù)直接注入企業(yè)去生產(chǎn),企業(yè)將利潤返回研究機構(gòu)作進一步的研究。CyTec之所以能夠與一些大企業(yè)抗衡,主要是由于有Achen大學(xué)這樣一個技術(shù)背景。


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