力矩电机在五轴刀具磨床上的应用
- 关键词：机床 科尔摩根 KBM电机 精度 动态性能
- 摘要：随着对机床产能、精度和动态性能要求的增加，直接驱动技术已经越来越多地被采用以满足以上多种需求
随着对机床产能、精度和动态性能要求的增加，直接驱动技术已经越来越多地被采用以满足以上多种需求。特别是直接驱动力矩电机，能够为机床的性能提高带来重大的改变。直驱力矩电机的应用，还具有降低客户的综合使用成本，简化机器的设计及减少维修维护等优点。
力矩电机被设计成直接驱动连接方式，即消除了齿轮箱、蜗轮蜗杆、同步带等机械传动装置，实现了机械负载与电机转子的直接连接。这样的连接方式能够提供高动态性能，消除了传动的间隙与延迟，提供机床加工需要的极高刚性。
美国科尔摩根(Kollmorgen)于二十世纪五十年代，与麻省理工学院合作开发出了世界上第一台直驱力矩电机，最早应用于惯性制导转台上。此后的 60多年其将所拥有的电磁和机电设计经验均应用于无刷永磁直驱电机的产品线中，开发出各种系列的高性能免维护直驱旋转电机和直线电机。本文介绍了 KBM电机在我公司自主研发的六轴五联动数控刀具磨床上的成功应用。
该机床是大连科德数控有限公司、大连光洋科技工程有限公司联合国内著名刀具厂商和大学共同研制的。机床床体为圆柱形，采用平衡对称设计，结构稳定性高，热场均匀分布，便于补偿。底座为人造石材料，具有阻尼减震，高精度，吸震性好，热稳定性好，耐腐蚀性等特性。砂轮主轴采用双电机串联驱动，且驱动完全对称，平衡性好。B、C轴采用直驱式力矩电机进行传递。B轴可以实现 ±360°旋转，大幅度提高加工效率，减少刀具重复装夹次数。本机可以加工 2~8刃直柄铣刀、球头铣刀、钻头、阶梯钻头、丝锥等多种标准和非标准刀具及外圆和冲头磨削加工。数控系统采用大连光洋的光纤总线式数控系统，磨削软件采用大连光洋自主开发的工艺软件。该机床已在中国、澳大利亚、美国、日本、欧盟等申请国际发明专利两项。
技术参数
最大砂轮直径：Φ200mm
最大磨削直径：Φ220mm
最大磨削长度：300mm
X/Y/Z/B轴行程：460/250/300mm/±360°
直线轴快移速度：20m/min
直线轴定位精度：0.003mm
直线轴重复定位精度：0.0015mm（高精）
砂轮主轴最高转速：8000 rpm
最大扭矩：108 Nm
最大功率：45Kw
B轴最高转速：100 rpm
最大扭矩：1200Nm
C轴最高转速：1000 rpm
最大扭矩：218 Nm
控制轴数：6轴 5联动
数控系统：大连光洋 GNC09/GNC60光纤总线式高档数控系统
磨削工艺软件：大连光洋 GTOOL刀具磨削工艺软件系统
刀具磨床
硬质合金刀具大批量、多品种、高精度磨削加工要求的不断增加，促进了高精度数控多轴联动工具磨床的推出和机床磨削功能与性能的不断发展。目前国内使用的高性能进口五轴、六轴联动数控工具磨床，主要有施利博格、WALTER、 WENDT、舒特、萨克、ANCA、德克、TTB等国际品牌。
数控工具磨床一般采用世界先进的数据电气控制软件系统、精密导轨与丝杠运动系统、精密光栅和伺服电机反馈定位系统等先进模块设计。
科尔摩根 KBM电机在该机型上的应用
近年来，结构紧凑的直驱电机在砂轮主轴和工件主轴上的使用日渐增加。直驱主轴可避免机械传动上的间隙，替代原来成本高昂的精密蜗轮蜗杆系统，节省了安装体积，并保证系统稳定均衡的精度。
经过前期的选型、安装方式确定、安装、水冷材料选择及效率分析，到型号的最终确认。我们选取了科尔摩根 KBM系列无框电机，KBM无框电机系列采用了科尔摩根公司最新的直接驱动技术，具有以下特点： ?
完全密封的定子绕组
155C 内部绕组温度持续能力
PTC 热敏电阻 (雪崩式) 过载保护
稀土钕铁硼磁体
转子磁体的自动防故障频带，兼容 RoHS
UL, CE认证
可定制的转子轮毂尺寸
选用 KBM力矩电机带来的好处显而易见：维护工作少、维修成本低、停机时间短、使用寿命长，效率至少比机械传动装置如变速箱和同步带系统高10%。结构紧凑，性能好，占用空间小。另外，这些电机可以驱动转子与负载之间具有较大惯性比的高惯性负载。同时它们具有优异的动态性能，加速和减速时间极短，大幅提升机器性能。
图一 KBM系列无框套件无刷电机
图二科尔摩根 KBM电机在该机型上的应用
由于该机型填补了国内空白，在 2011年的北京机床展上引起了业界的广泛关注及市场的积极响应。