承擔弧齒錐齒輪和準雙曲面齒輪減材切削的現代螺旋錐齒輪機床群與素有“工業母機”美譽的其他高端數控裝備一樣，為能實現3D曲面的高精度、高速度和高穩定性加工，除選用性能卓越的智慧大腦——硬件和軟件組成的CNC系統外，還得配裝零傳動環節的具有高剛度快響應、高效低耗無潤滑特性的直接驅動系統(Direct Drive System，簡寫 DDS)。
一、直接驅動系統的機理分析
直接驅動系統是以直驅電機為載體，區別于常規驅動系統的一種驅動技術的創新形式，現被越來越多地應用到各行業中。
兩種驅動系統的特性對比
在常規驅動系統的負載(工作臺或主軸等機械本體)與電機之間，制造商通常增設滾珠絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副、齒輪齒條副、齒輪箱、皮帶 /皮帶輪、聯軸節、鏈條等機械傳動環節(見圖1)，用以大幅度提升負載終端的驅動轉矩。然而，這些中間環節既會引起齒隙/間隙、機械損失與運行噪音，也增加了數控裝備的體積重量與運維復雜程度，還降低了整機性能(負載慣量不超過電機慣量的5～10倍)。
圖1 常規驅動系統示意
在圖2所示的直接驅動系統中，制造商將DDR(Direct Drive Rotary)電機或DDL(Direct Drive Linear)電機直接耦合/聯接至從動負載上，經由驅動裝置中數字化電信號的濾波、整流、放大與脈寬調制等控制，實現負載的直接驅動。這種驅動方式通過剔除很多的中間組件和傳動部件，使得傳動鏈縮短為零，也使得整機制造簡單、結構簡化緊湊、位置保持能力提高60倍以上(DDR 分度精度近乎1弧分及重復定位精度小于1弧秒)、工作效率提高1倍以上、恒速特性非常好(DDL速度波動小于±0.01%及速度1μm/s下平穩運動)，甚至不 再考慮負載與電機的慣量匹配要求(二者慣量比超過11000:1)。
圖2 直接驅動系統示意
直接驅動旋轉電機
又被稱為直驅轉矩電機的DDR電機由同步伺服電機演化而來，通常具有較多的磁極對數和較高的功率密度，可在低轉速下提供超大的輸出轉矩。DDR電機細分為有框、無框和模塊化三類，見表1。
表1 直接驅動旋轉電機分類與構成
直接驅動直線電機
DDL電機類似平鋪結構的無刷旋轉電機，即其原理相當于中心剖開后平鋪擺放的同步伺服電機，一次側是將基本部件的初級端定子繞組平鋪為線圈組件(也稱滑塊)，二次側是將基本部件的次級端轉子永磁體平鋪為磁體軌道(也稱磁路)，如圖2b所示。DDL電機細分為有鐵芯結構和無鐵芯結構兩類，見表2。
表2 直接驅動直線電機分類與構成
二、螺旋錐齒輪機床群的性能需求
在軌道、汽車、風電、冶金礦山、工程機械、減速機等行業，兩個相交軸之間的傳動元件絕大多數采用格里森圓弧收縮齒制或奧林康擺線等高齒制的螺旋錐齒輪。由于用戶對重載齒輪傳動強度高、噪聲低、承載力大、生產高效、綠色環保、成本最佳等特性的剛需，包括切齒機、研齒機、配對機、磨刀機、裝刀機、測量機等數控機床在內的集設計、制造和檢測一體的智能制造閉環系統的需求量迅猛激增。
(1)錐齒輪切齒機在SINUMERIK 840Dsl等系統及與之配套驅動系統(如SINAMICS S120)提供的數字化邏輯電信號驅動下，通過6個坐標軸(見圖3)的聯動，載著條形硬質合金刀條組成的尖齒刀盤，沿預定程序軌跡進行干式持續分度切削，獲得用戶所需的弧齒錐齒輪或準雙面齒輪。工件主軸A、刀具主軸B和基角軸C為直接驅動的高剛性電主軸，DDR電機采用西門子1FW6230等系列。銑削深度軸X、刀具定位軸Y、工件定位軸Z為閉環伺服直線運動，DDL電機采用SIMOTICS L等系列。高精度的角度編碼器和直線光柵尺滿足產品精度DIN/ISO 4級甚至更高，如海德漢ERA4800C。CNC系統內嵌齒制加工控制軟件，如奧林康COP32、中大創遠HCS等。
圖3 錐齒輪切齒機的坐標軸(2)錐齒輪研齒機在FANUC FS160i-M等系統及與之配套驅動系統(如FANUC αiSP+SV)提供的數字化邏輯電信號驅動下，通過5個坐標軸(見圖4)的聯動及4區位研齒法，沿預編程的研齒軌跡進行V、H、J軸的振蕩研磨，獲得用戶所需良好嚙合區的錐齒輪副。主動輪軸 B、從動輪軸C為直接驅動的高剛性電主軸，DDR電機采用發那科DiS-B等系列。從動輪頭架垂直軸X(V)、主動輪頭架水平軸Y(H)、主動輪頭架插入式間隙調整軸 Z(J)為閉環伺服直線運動，DDL電機采用發那科LiS-B 等系列。高精度的角度編碼器和直線光柵尺滿足產品精度 DIN/ISO 4級甚至更高，如海德漢LC193F。CNC系統內嵌研齒控制軟件，如中大創遠HLS等。
圖4 錐齒輪研齒機的坐標軸
(3)刀條刃磨機(又稱磨刀機)在MITSUBISHI M800等系統及與之配套驅動系統(如三菱MDS系列)提供的數字化邏輯電信號驅動下，通過5個坐標軸(見圖 5)的聯動，載著鈍化的條形三面刃尖齒刀條，借助電鍍金剛石砂輪進行雙工磨削處理——擺動方式粗磨削和展成方式精磨削。旋轉軸C、擺動軸A與砂輪主軸為直接驅動的高剛性電主軸，DDR電機采用科爾摩根D(H)等系列。磨削臺面往復軸X、垂直磨削周Y、水平磨削軸Z以及裝卸站軸B、U、V、W為閉環伺服直線運動，DDL 電機采用三菱LM等系列等系列。高精度的角度編碼器和直線光柵尺滿足產品精度DIN/ISO 4級甚至更高，如海德漢RCN2390F。CNC系統內嵌刀條磨削控制軟件，如 TWINCAT BGS等。
圖5 刀條刃磨機的坐標軸
三、直接驅動技術的應用
數控裝備的綜合精度不僅取決于CNC系統、驅動系統與測量系統的動態匹配和最小分辨率，也離不開執行部件的精心裝配和最優調整。
DDR電機1FW6230在切齒機的應用
DDR電機作為一種高轉矩輸出的同步傳動技術，現已成為數控裝備旋轉傳動必不可少的利器，被廣泛用于車床、加工中心、磨床等數控裝備以及新能源汽車等場合，如配置SINUMERIK 840Dsl PCU50.5-C系統和SINAMICS S120驅動系統的C50錐齒輪切齒機(下稱 C50)的刀具主軸A和工件主軸B裝用西門子DDR電機1FW6230-0wX15-0QC2。圖6為電機1FW6230在C50刀具主軸A的結構示意，其裝配調試步驟如下：
(1)裝配轉子永磁體與轉臺軸承等零部件。結合圖樣核查電機尺寸φ418H8、φ4630 -1、φ576h8→用兆歐表校驗電機三相對地絕緣電阻不少于10MΩ→清理主軸體、法蘭盤、轉子法蘭等零件(去毛刺、擦拭干凈)→安裝轉子法蘭于主軸體上并經30M8×55內六角螺釘緊固→將1件尺寸395×5的O形圈NBR70套入轉子法蘭盤的凹槽內→將定子永磁體裝至主 軸體并經24條M8×25內六角螺釘在19N·m轉矩下緊固→將1組德國FEY公司雙疊片金屬密封環FK6 ASD 337/10/3套入主軸體的已涂抹潤滑脂的下環槽處→裝入法蘭盤→裝配推力向心轉臺軸承YRTS260至主軸體→經34條M8×60內六 角螺釘緊固YRTS260內圈于主軸體并經36條M8×30內六角螺釘緊固外圈于法 蘭盤上→將1件德國FEY公司單片密封環FK3 AS 255套入主軸體的已涂抹潤滑脂的上環槽處→安裝頂部密封蓋并經8條M8×30內六角螺釘緊固于法蘭盤上。
(2)主軸體調頭安裝定子線圈。將主軸體上下端顛倒并固定于專用臺架 上→經3件M5×10內六角螺釘緊固冷卻管路適配器于定子線圈上→置定子線圈的出線端在底部并禁止彎折電纜、碰傷冷卻管路適配器→定子線圈的頂部加裝防吊裝變形的定子加強環→轉子永磁體外側包裹1圈厚0.5寬200的尼龍墊條→三點水平吊裝定子線圈及定子加強環緩慢套入轉子永磁體并時刻保持尼龍墊條的豎直完好性以及定子與轉子的間隙均勻→在法蘭盤底部穿入23條M8×130內六角螺釘并在19N·m轉矩下緊固于法蘭盤上→自定子線圈上拆掉定子加強環并移至主軸體外側→輔助杠桿作用力抽出尼龍墊條→徒手轉動主軸體輕盈無阻滯。
(3)主軸體調頭至頂部密封蓋朝上后裝入鞍座孔中。清理鞍座孔(去毛刺、擦拭干凈)→經1件吊環螺釘和2件U形吊環垂直吊起主軸體放入鞍座孔內→待法蘭盤底部外圓面與鞍座孔即將進入配合時改用4件M12×500的絲桿對稱拴接完成兩者的裝配→拆掉絲桿后經18條M12×40內六角螺釘緊固法蘭盤于鞍座上→將2件φ12×1.5水管連接至冷卻管路適配器并配裝2件M40×1.5的過線螺母。
(4)鞍座孔內裝入NNU4964軸承。清理NNU4964軸承及主軸體配合面、鞍座孔→經4件M12×250絲桿和外壓環將NNU4964軸承裝配至主軸體配合面與鞍座孔內→1件尺寸330×4 的O形圈NBR70O和1組雙疊片金屬密封環FK6 ASD 395/10/3裝至內壓環對應凹槽處→自鞍座上拆掉4件絲桿和外壓環→內壓環與外壓環配合后經4件絲桿裝至鞍座上并用18條M12×40內六角螺釘緊固→經6條M16×60內六角螺釘緊固刀盤安裝座于主軸體上。緊固安裝座時，務必使用磁座千分表測量刀具主軸A的軸向跳動和徑向跳動(見圖7)，邊測量邊調整刀盤安裝座，使這兩個公差均不超4μm。
圖7 刀具主軸A的軸向跳動和徑向跳動
(5)安裝海德漢光柵鼓和讀數頭。清理法蘭盤和主軸體上端→棉花球蘸無水酒精擦拭光柵鼓 ERA4880C→經6條M5×20內六角螺釘緊固光柵鼓于主軸體上并保證定向環的徑向跳動不超10μm→經2條M6×30內六角螺釘和平墊圈緊固支座于頂部密封蓋上→經3條M3×25內六角螺釘緊固讀數頭于支座上→借助PWT18快調儀調測光柵鼓與讀數頭的間隙0.15±0.01確保柵格幅值1+0.1 -0.1Vss以及原點信號的黑條兩端時刻處于2個方括號內→拆掉 PWT18并經6條M5×20內六角螺釘緊固防塵罩于法蘭盤上。
(6)將鞍座固定于試驗臺上，連接好電氣線路與冷卻管路。隨后在空載與加載下，分別進行跑合、溫升測試。數據合格后，刀具主軸A整部部件裝機待用。
DDL電機1FN3在磨刀機的應用
DDL電機作為一種直線輸出的同步傳動技術，高速時擁有高精度和高重復定位精度，低速甚至靜止時也能產生大推力。它被廣泛用于過程控制、測試/控制設備、沖壓/激光切割、醫療器械等場合，如配置SINUMERIK 840Dsl NCU720.3B PN系統和SINAMICS S120驅動系統的B27刀條刃磨機(下稱B27)的X/Y/Z軸裝用 SIMOTICS 1FN3直線電機。圖8為1FN3直線電機與SINAMICS S120連接示意，其驅動調試流程如下：
圖8 1FN3電機與SINAMICS S120連接示意
(1)DDL電機與S120的連接。DDL電機相對于標準電機與驅動系統的連接相比，添加1個SME125模塊，它的速度、位置檢測系統僅有1個外接的測量系統。為有效降低調試中飛車的風險，測量系統選用絕對值光柵尺LC185。
(2)DDL電機調測的有效條件。DDL電機的相關參數不能被CNC系統自動識別，只能進行手動設定。此前需要完成電機調測的有效條件。例如：機械限位硬擋塊、硬件限位開關及急停按鈕均有效，電機制動機構、熱保護的溫度傳感器及冷卻系統均正常，機械安裝尺寸正常，通電前電機能否推動，位置反饋計數、驅動正方向(相序)、反饋正方向(極性)均正確，磁極位置辨識設為基于電流飽和(p1980=1、p1982=1)，電機溫度報警閥值設定(p0604= 65、p0605=75)…
(3)DDL電機驅動配置。第1次使能前，務必經驅動參數p0640限定電機最大電流為缺省值的1/10或更小;磁極位置識別后，修改p0640為原值。通電后，配置DDL電機：[配置-電機]界面選擇“輸入電機數據”，電機類型選擇 “直線同步電機”;單擊[下一步]進入[配置-其他電機數據]界面，電機溫度傳感器類型選擇“通過多個溫度通道分析SME12x”;單擊[下一步]進入[配置-電機數據]界面1，將對應參數填入系統(見圖9左上);單擊[下一步]進入[配置-電機數據]界面2，將對應參數填入系統(見圖9右下);單擊[下一步]進入[配置-BICO連接]界面，此后設定與標準電機的調試配置相同。配置完畢后，驗看電機運動方向與測量系統是否相同，相反時設定參數p410=3。
圖9 1FN3電機驅動配置畫面
(4)經SINUMERIK Operate進行驅動優化，借助電子濾波器來消除波特圖尋找到的共振點。對電流環進行手動優化，測試電流環頻率響應，做到不超調。對速度環、位置環進行自動優化，經階躍響應和擾動響應尋求適合的比例增益和匹配的時間常數，獲得最優的產品表面光潔度。
四、結束語
工信部聯規〔2021〕207號 《‘十四五’智能制造發展規劃》通過一個融合、三個能力提升及三化持續推進，給出制造業五年內深入實施智能制造工程的綱領性要求。未來的螺旋錐齒輪機床的制造應大量采用直接驅動技術在內的新工藝、新手段， 廣泛采取節能環保新措施，有效控制CO2排放量，成為綠色低碳智能制造系統必不可少的裝備主力軍。