近年來，直接驅(qū)動技術(shù)在國際上發(fā)展很快，因其傳動系剛性好，無傳動間隙、無磨損和可用性高等諸多優(yōu)點，在高速加工中心和工業(yè)母機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。直接驅(qū)動技術(shù)有旋轉(zhuǎn)運動和直接運動兩種基本方式。直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸（A、B、C軸）的伺服電機(jī)稱為直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)（DDR）電機(jī)，通常要求低轉(zhuǎn)速、大扭矩、轉(zhuǎn)角高分辨率。直接驅(qū)動數(shù)控系統(tǒng)直線軸（X、Y、Z軸）的伺服電機(jī)稱為直接驅(qū)動直線（DDL）電機(jī)，直線電機(jī)主要由以下幾部分組成：線圈總成（通常是動子）、永磁體總成（通常是靜子）和直線編碼器以及直線導(dǎo)軌、軸承等框架設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)等。

西門子公司自動化與驅(qū)動集團(tuán)在這個過程中，一直致力于將先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)創(chuàng)新的機(jī)床設(shè)計上，拓展機(jī)床設(shè)計的思路，提高機(jī)床的性能，為此向中國的機(jī)床市場提供了全系列的數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動產(chǎn)品，其中包括直線電機(jī)、力矩電機(jī)和內(nèi)裝主軸/電主軸等直接驅(qū)動產(chǎn)品。

2005年公司著手開發(fā)新一代數(shù)控成型磨齒機(jī)YK7340，鑒于以往的中小規(guī)格成型磨齒機(jī)的頭架傳動部分一般采用普通伺服電機(jī)，傳動鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并需配置專門的消隙機(jī)構(gòu)，成本較高，傳動精度卻仍難以保證。我公司通過廣泛調(diào)研，最終決定選用西門子力矩電機(jī)直接驅(qū)動頭架，嘗試在成型磨齒機(jī)的頭架驅(qū)動設(shè)計方面探索出一條新路。

相關(guān)理論

目前，力矩電機(jī)在成型磨齒機(jī)開發(fā)中的應(yīng)用在國內(nèi)尚屬空白，無相關(guān)的技術(shù)資料和經(jīng)驗可供借鑒和參考。力矩電機(jī)的構(gòu)造和原理比較特殊，因此在考慮電機(jī)防護(hù)等級，熱敏保護(hù)及循環(huán)冷卻等問題的同時，尤其需要通過反復(fù)的研究和實驗對電機(jī)的選型、控制方法及驅(qū)動參數(shù)的配置等相關(guān)的控制技術(shù)加以驗證和優(yōu)化。

圖1 電機(jī)的控制原理框圖
1.電機(jī)的控制原理

電機(jī)的控制原理框圖如圖1所示。電流環(huán)是為伺服電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩的電路。一般情況下它與電動機(jī)的匹配調(diào)節(jié)已由制造者作好了或者指定了相應(yīng)的匹配參數(shù)，其反饋信號也在伺服系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)接完成，因此不需接線與調(diào)整。速度環(huán)是控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速亦即坐標(biāo)軸運行速度的電路。速度調(diào)節(jié)器是比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，其P、I調(diào)整值完全取決于所驅(qū)動坐標(biāo)軸的負(fù)載大小和機(jī)械傳動系統(tǒng)（導(dǎo)軌、傳動機(jī)構(gòu)）的傳動剛度與傳動間隙等機(jī)械特性。位置環(huán)是控制坐標(biāo)軸按指令位置精確定位的控制環(huán)節(jié)。位置環(huán)將最終影響坐標(biāo)軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的因素：一是位置測量元件的精度與CNC系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的匹配問題。測量元件單位移動距離發(fā)出的脈沖數(shù)目經(jīng)過外部倍頻電路和/或CNC內(nèi)部倍頻系數(shù)的倍頻后要與數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的分辨率相符；二是位置環(huán)增益系數(shù)Kv值的正確設(shè)定與調(diào)節(jié)。在速度環(huán)最佳化調(diào)節(jié)后Kv值的設(shè)定則成為反映機(jī)床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機(jī)床運動坐標(biāo)自身性能優(yōu)劣的直接表現(xiàn)而并非可以任意放大。關(guān)于Kv值的設(shè)置要注意兩個問題，首先要滿公式Kv=v/Δ，式中v為坐標(biāo)運行速度（m/min），Δ為跟蹤誤差（mm）。

位置反饋一種是半閉環(huán)控制，即位置測量元件不在坐標(biāo)軸最終運動部件上，也就是說還有部分傳動環(huán)節(jié)在位置閉環(huán)控制之外，這種情況要求環(huán)外傳動部分應(yīng)有相當(dāng)?shù)膫鲃觿偠群蛡鲃泳龋尤敕聪蜷g隙補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償之后，可以得到很高的位置控制精度；第二種是全閉環(huán)控制，即位置測量元件安裝在坐標(biāo)軸的最終運動部件上，理論上這種控制的位置精度情況最好，但是它對整個機(jī)械傳動系統(tǒng)的要求更高而不是低，如若不然，則會嚴(yán)重影響兩坐標(biāo)的動態(tài)精度，而使得機(jī)床只能在降低速度環(huán)和位置精度的情況下工作。

前饋控制與反饋相反，它是將指令值取出部分預(yù)加到后面的調(diào)節(jié)電路，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動態(tài)響應(yīng)特性從而提高位置控制精度。

2.SIEMENS DOConCD

SIMODRIVE Linear Motors 1FN1 and 1FN3(PJLM)（選型/安裝/參數(shù)）

SINUMERIK 840D Installation and Start-Up Guide(IAD)（調(diào)試）

Build-in torque motor 1FW6 planning guide (2003.5)

整體控制方案

YK7340數(shù)控成型磨齒機(jī)最終選擇了西門840Dpower line,611digital drive驅(qū)動力矩電機(jī)1FW6090，需滿足：Fmax應(yīng)用 < Fmax電機(jī)；F有效應(yīng)用齒輪傳動機(jī)構(gòu)，簡化了設(shè)計，降低了機(jī)床成本，提高了回轉(zhuǎn)和插補(bǔ)精度。

低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩：由于直接驅(qū)動沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)（齒輪箱、絲杠/螺母、齒輪/齒條、齒輪/齒形帶、皮帶/皮帶輪、聯(lián)軸器）的降低轉(zhuǎn)速/放大轉(zhuǎn)矩的作用，要求直接驅(qū)動電機(jī)低轉(zhuǎn)速/大轉(zhuǎn)矩，故又稱直接驅(qū)動電機(jī)為力矩電機(jī)。

免維護(hù)：由于直接驅(qū)動沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)（齒輪箱、絲杠-螺母、齒輪-齒條、齒輪-齒形帶、皮帶-皮帶輪、聯(lián)軸器等），無需對中間傳動環(huán)節(jié)進(jìn)行機(jī)械維護(hù)。只有直接驅(qū)動直流無刷電機(jī)一個驅(qū)動部件，由于直流無刷電機(jī)沒有電刷也不需要維護(hù)。

零間隙、高剛度（低柔性）：由于直接驅(qū)動沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，不存在中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的傳動間隙（齒輪間隙、絲杠/螺母間隙），沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)存在的柔性的問題。

極好的伺服性能：由于直接驅(qū)動具有零間隙、高剛度、伺服環(huán)（速度環(huán)、位置環(huán)）可有較高的閉環(huán)帶寬。高帶寬使系統(tǒng)有極快的響應(yīng)速度和抗負(fù)載擾動的能力。

具有較大的加/減速負(fù)載的能力：電機(jī)的加速能力全部用來加速負(fù)載，無需加速中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)。

極好的低速和高速性能：直接驅(qū)動直線電機(jī)可以獲得低于1μm/s的低速和獲得5m/s以上的高速。

極高的精度：由于沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的傳動誤差，直接驅(qū)動可以獲得極高的位置精度。定位精度（絕對位置精度）取決于反饋裝置的精度，重復(fù)定位精度取決于系統(tǒng)的分辨率。

緊湊、堅實的外形：無框架直接驅(qū)動電機(jī)是機(jī)器的一部分，使機(jī)器的外形更加美觀。

靜音運行：運行時沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的運行噪聲。

力矩電機(jī)1FW6090為液體冷卻，多級永磁交流同步電機(jī)，帶空心轉(zhuǎn)子。

1.直接驅(qū)動參數(shù)的配置及優(yōu)化

（1）配置驅(qū)動：選擇驅(qū)動類型SLM，根據(jù)訂貨號選擇功率模塊。

（2）修改軸數(shù)據(jù)：如MD30130、MD30240驅(qū)動生效，速度等。

（3）選擇電機(jī)：根據(jù)訂貨號選擇電機(jī)，比較早HMI沒有力矩電機(jī)的訂貨號，必須手動輸入電機(jī)參數(shù)。

（4）選擇測量系統(tǒng)：選擇測量系統(tǒng)（根據(jù)實際使用光柵尺選擇），選擇轉(zhuǎn)子位置識別方式，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置識別，確定速度實際值是否取反，輸入光柵尺的柵距。