科尔摩根直驱电机在齿轮测量中心上的应用
- 关键词：齿轮 测量 电机 齿轮测量中心
- 摘要：齿轮测量中心是目前齿轮生产及使用企业用于齿轮及齿轮刀具精度指标检测的一种高精度、高自动化的检测设备。
在机械加工与检测设备上，各个运动轴有着多种的传动方式，如旋转轴的蜗轮蜗杆副传动，直线轴的丝杠传动、同步带传动等等。这些电机加传动部件的传动方式的缺点是刚性低、效率损耗大、噪音高等。如今越来越多的机械设备上开始采用直驱力矩电机与直线电机的直联驱动方式，其具有刚性高、响应速度快、控制精度高等特点。
一、齿轮测量中心的发展
齿轮测量中心是目前齿轮生产及使用企业用于齿轮及齿轮刀具精度指标检测的一种高精度、高自动化的检测设备。其通常的结构是一个高精度旋转主轴和三个高精度直线轴组成，以往的直线轴多采用旋转伺服电机加丝杠或同步带的驱动方式，对于大型齿轮测量中心的主轴驱动也多采用高精度蜗轮蜗杆副机构。这些传统传动方式的缺点是系统的刚性低，采用闭环控制时的动态响应慢，运动精度受蜗轮蜗杆副与丝杠的影响大，高速运动时噪音高，系统稳定性低，增加了测量不确定性。随着直驱力矩电机与直线电机的发展，齿轮测量中心采用直驱力矩电机与直线电机的技术也日趋成熟，这些使用新电机技术驱动方式的应用，不但减少了运动噪音、降低了损耗，更重要的是大大提高了系统的刚性，提升了控制系统的响应速度，提高了测量速度与系统的稳定性，减小了测量不确定性。
二、科尔摩根电机在L系列齿轮测量中上的应用
比较市场上不同品牌电机的性能与价格，基于科尔摩根公司在市场知名度以及产品的高性价比的优点，哈量集团精密量仪公司在L系列齿轮测量中心产品上选用了科尔摩根公司的KBM无框直驱力矩电机系列和ICD直线电机系列配以AKD驱动器作为应用，并取得了很好的效果。
1、KBM直驱力矩电机的应用
 |  |
图1 | 图2 |
在开发L80型齿轮测量中心（图1）过程中，由于在测量外径达到800mm的工件时，旋转主轴负载的工件重量最大可达1000KG，惯量最大时可达90 kg.m2，以往采用的是步进或伺服电机加高精度蜗轮蜗杆副驱动的方式，但这种驱动存在着一些无法解决的缺点。而测量仪器要求主轴轴系的精度较高，径向跳动要求不大于0.0008mm，采用这种传动方式对蜗轮蜗杆副的要求很高，而且指标保证比较难。因此我们通过技术分析选用了科尔摩根KBMS-79X03直驱力矩电机（图2）作为主轴驱动电机，主轴采用直接驱动方式。KBMS-79X03直驱力矩电机的持续扭矩为134Nm，峰值扭矩更达637Nm，可以适应测量机的频繁启停工作时对扭矩的要求，而其转子的惯量为0.125 kg.m2，也适合测量大惯量工件的要求，KBMS-79X03直驱力矩电机磁极采用磁能积较高的钕铁硼稀土永磁材料，其高效能、高可靠性的优点适用于齿轮测量机。在实际生产的调试中，主轴直驱力矩电机直联的应用，大大提高了轴系系统刚性，动态响应特性快，响应曲线上升时间和峰值时间明显减少，控制系统的PID调节也更加简便，KBMS直驱力矩电机的使用，不但设备结构简化，而且提高了测量速度，增强了系统的稳定性，其主轴的定位不大于3个分辨力（仪器主轴的分辨力0.0001°），重复定位精度不大于0.0002°。这些优点使得仪器在实际的生产过程中缩短了调试周期，提高了生产效率，仪器销售后，经多家用户的使用验证，仪器的故障率降低。基于这些优点，我们在L30、L100型齿轮测量中心、3080型、3060A型齿轮测量机等多款产品上开始应用KBMS系列直驱力矩电机。
2、ICD直线电机系列应用
 |  |
图3 | 图4 |
L45型齿轮测量中心是哈量集团精密量仪公司一款中规格的产品，为了提升产品的性能指标，在研发时决定三个直线运动轴采用直线电机直接驱动方式的方案，通过对市场上多款直线电机的性价比以及供货周期的对比，最终确定选用科尔摩根直线电机的IDC系列。此款直线电机的结构简单、安装方便，从而简化了测量中心直线轴的结构设计。通过实际的调试，直线轴在运动时噪音减小，电机运行几乎为静音，定位不大于三个分辨力（仪器直线运动轴分辨力0.0001mm），重复定位精度不大于0.0002mm。对比动态响应曲线（图5），采用科尔摩根直线电机的直线运动轴的刚性、动态响应、运动平稳性等主要指标比采用电机带丝杠、同步带的直线轴有着大幅度提高，其阶跃响应快速性对比为：
采用丝杠传动直线轴
RiseTime （上升时间）0.036 S
PeakTime （峰值时间）0.499 S
采用直线电机驱动的直线轴
RiseTime（上升时间）0.011 S
PeakTime （峰值时间）0.022 S
通过对直线轴采用两种驱动方式设备测量结果的比对，采用直线电机的仪器在测量螺旋线样板时形状误差示值减小了近20%。
综上所述，哈量集团精密量仪公司采用科尔摩根直驱力矩电机和直线电机的L系列齿轮测量中心具有测量精度高、测量速度高、可靠稳定性高的技术特点。