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力矩電動(dòng)機(jī)技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用

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西泰克（CyTec）公司的名字是*近幾年隨著力矩電動(dòng)機(jī)雙擺頭一起進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的，CyTec憑借其獨(dú)特的力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)**技術(shù)，以及外轉(zhuǎn)子力矩電動(dòng)機(jī)技術(shù)，這個(gè)只有200人的德國(guó)小公司，讓機(jī)床行業(yè)深深記住了他的名字，也讓電動(dòng)機(jī)行業(yè)的幾大工業(yè)巨人深深地栽了一個(gè)跟斗。除了雙擺頭 CyTec的產(chǎn)品還包括系列化的力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)
一、力矩電動(dòng)機(jī)基本知識(shí)
力矩電動(dòng)機(jī)Torque Motor, 也有人翻譯為扭矩電動(dòng)機(jī)，它本質(zhì)上是低速大扭矩的伺服電動(dòng)機(jī)，與我們熟悉的伺服電動(dòng)機(jī)分類相同，分為直流、無(wú)刷直流、正弦交流交流幾種；為提高扭矩，力矩電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)與普通伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)的比較（見表１）
表１

	普通伺服電動(dòng)機(jī)	CyTec力矩電動(dòng)機(jī)
*大扭矩/Nm	120	10000
*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(dòng)機(jī)為10A	1700Nm電動(dòng)機(jī)為11.8A
電壓等級(jí)	230V, 400V	400V
電極類型	直流、無(wú)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(dòng)機(jī)額定電流很小，用很小的伺服模塊就可以驅(qū)動(dòng)扭矩很大的力矩電動(dòng)機(jī)力矩電動(dòng)機(jī)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(shì)因?yàn)橄嗤ぞ氐碾妱?dòng)機(jī)體積可以更小，在機(jī)床行業(yè)，相同的性能，體積小就有很大的優(yōu)勢(shì)CyTec采用的是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（見圖１）。

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

力矩電動(dòng)機(jī)其實(shí)是一種很早就有的技術(shù)，我所了解的力矩電動(dòng)機(jī)*早的應(yīng)用是導(dǎo)彈上的陀螺電動(dòng)機(jī)，但扭矩相對(duì)很小，在機(jī)床上的應(yīng)用是*近10年才出現(xiàn)的。隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需要一種高精度、高加速度的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，而齒輪或蝸輪蝸桿傳動(dòng)，事實(shí)證明是達(dá)不到要求的。隨著交流伺服技術(shù)的進(jìn)步，力矩電動(dòng)機(jī)的扭矩很快達(dá)到了實(shí)用的程度，力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)在機(jī)床上很快得到了應(yīng)用。

二、力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)高速高精度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的*佳選擇

圖２　力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的擺頭

機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，例如擺頭和轉(zhuǎn)臺(tái)（見圖２和圖３），傳統(tǒng)的解決方法是采用伺服電動(dòng)機(jī)+蝸輪蝸桿或齒輪實(shí)現(xiàn)，這種方式的缺點(diǎn)也很明顯：首先是磨損，機(jī)械部件長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的磨損是不可避免的，尤其是蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺(tái)的耐用性是很大的問(wèn)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(shí)，如果旋轉(zhuǎn)軸的速度低于曲面的加速度，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)切現(xiàn)象。

圖３　采用力矩電動(dòng)機(jī)的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)

力矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)，它沒(méi)有中間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，是一種不接觸的傳動(dòng)，沒(méi)有反向間隙，沒(méi)有磨損，配合高精度編碼器，可以實(shí)現(xiàn)編碼器級(jí)別的精度；力矩電動(dòng)機(jī)一般可以實(shí)現(xiàn)60r/min的轉(zhuǎn)速，這對(duì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，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(jī)與齒輪、蝸輪蝸桿傳動(dòng)的比較（見表２）：
表２
力矩電動(dòng)機(jī) 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(dòng)扭矩小中大
三、力矩電機(jī)的應(yīng)用
采用力矩電機(jī)的機(jī)床部件，主要有擺頭和轉(zhuǎn)臺(tái)，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(guó)內(nèi)主要用于五軸龍門銑擺頭、臥式工中心轉(zhuǎn)臺(tái)、齒輪磨床、葉片磨床擺動(dòng)軸、曲線磨床頭架、萬(wàn)能磨床砂輪架轉(zhuǎn)位等（見圖５、圖６）。

圖５　采用力矩電動(dòng)機(jī)擺頭的五軸龍門銑

圖６　采用雙軸力矩電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的葉片磨床

圖７　　臥式加工中心轉(zhuǎn)臺(tái)

圖８　落地鏜床

四、力矩電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用走向
力矩電動(dòng)機(jī)在國(guó)外已是成熟產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)尚處于萌芽狀態(tài)。采用力矩電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還不是很多，價(jià)格是*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(jià)格*好的辦法是提高產(chǎn)量；目前國(guó)內(nèi)已有幾家公司在致力于力矩電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)，會(huì)迫使國(guó)外產(chǎn)品降價(jià)，從而推動(dòng)消費(fèi)市場(chǎng)。
國(guó)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(dòng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)，將技術(shù)直接注入企業(yè)去生產(chǎn)，企業(yè)將利潤(rùn)返回研究機(jī)構(gòu)作進(jìn)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(gè)技術(shù)背景。

	普通伺服電動(dòng)機(jī)	CyTec力矩電動(dòng)機(jī)
*大扭矩/Nm	120	10000
*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(dòng)機(jī)為10A	1700Nm電動(dòng)機(jī)為11.8A
電壓等級(jí)	230V, 400V	400V
電極類型	直流、無(wú)刷直流正弦交流正弦交流	正弦交流