DD Motor转台设计技术综述

zpc64

DD Motor（Direct Drive Motor，直接驱动电机）是伺服电机技术发展的产物，由其驱动的转台是直接驱动技术在加工中心上的又一次革命性应用。其结构特点是，电机转子直接与旋转工作台连接，电机定子则与安装基座固定在一起，直接驱动转台实现旋转运动。它省却了齿轮、蜗轮蜗杆等复杂的传动件，具有如下多项优点：结构简单、输出扭矩大、噪声低、速度和精确度高、控制容易、维护方便，可靠性高等。
8 d/ a" C2 a( @2 O3 S
5 |. C; W# F, z/ t由于电机结构的特殊设计，可实现低速大扭矩输出，满足加工中心机床用转台切削进给的需要；电机具有很好的伺服刚性和动态特性，可使转台加速度增大，回转速度大幅度提高。由于DD Motor电机直接与转动负载相连，因此在电机和负载之间实现了“零”传动。基于此，DD Motor转台应用于加工中心将是一种较好的选择。
1 F8 k# K: l$ }) [! k
目前，国外已有许多厂家生产和销售此类电机和转台，如德国SIEMENS、Cytec；日本FANUC、津田驹等，中国也有部分单位购买了配置有类似转台的机床，主要用于齿轮加工等。
4 `! ~/ W  M+ o
$ R! D6 ]. n6 I) K7 fDD Motor转台常见的基本结构 图1所示为DD Motor转台所常见的结构型式示意图，它主要由以下几部分组成：（1）电机定子及转子；（2）轴承；（3）编码器；（4）转台及旋转部分；（5）基座、外套及固定部分；（6）DD Motor转台所需要的密封和防尘结构；（7）循环冷却结构。
4 Z9 ^8 Q% x" n. [$ G! E: Z

图1 DD Motor转台所常见的结构型式

关键部件的配置及选用

# ~* U, U) a4 V1.直接驱动电机

目前像SIEMENS、FANUC等公司均有可用于转台的直接驱动电机，其在功率、扭矩及转速方面各有特色，安装尺寸也各有不同，可根据需要进行选择。为满足转台的使用要求，在电机的选择上应重点考虑以下三项内容：
) Z% X. K+ F: y  k' a. B; X
1） 最大扭矩

2 G7 h6 p9 }) S5 t# @2 I- W) O7 p最大扭矩需满足负载和转动部分加速度的目标要求。即：最大扭矩≧移动部分的惯量×目标加速度+负载扭矩。

1 N! ^6 D% {0 H2） 连续扭矩

连续扭矩为转台在不过热的情况下连续旋转的扭矩，计算连续扭矩时应考虑摩擦扭矩和切削扭矩。同时，如果转台倾斜或者垂直使用而且没有制动或夹紧结构时，需要考虑重力产生的扭矩影响。由于电机的性能与机械结构的热态性能及冷却状况有很大关系，选择时须留有足够余量。

3） 惯量

. ^- C9 r& h0 R# b9 R+ _为了充分发挥电机的性能，转台的转动惯量应尽可能小，需严格计算转台转动部分的惯量（包括负载的惯量），满足电机允许的转动惯量要求。

转台的惯量和刚性是一对矛盾，只能依据用户要求进行取舍。在实际选用中，应和电机厂家进行交流，基于严密计算以确保得出最好的选择。
9 ?1 u: h/ [6 e+ S6 b( n1 b3 @) `2 t
6 Z1 B4 s( n/ |- S$ ?2.轴承

DD Motor转台的支承通常采用交叉滚子轴承、推力/向心滚子轴承或推力角接触球轴承。图2分别为三种轴承的示意图，实际设计选用时可根据安装尺寸、载荷、寿命等来综合权衡。

图 2 转台支承轴承示意图
（由左至右分别是a、b、c）

图2a为推力/向心滚子轴承。它能双向承受轴向载荷和附加径向载荷以及安装力矩，特别适于承受大倾覆力矩，具有较高旋转精度。
+ }8 u: M/ n; @9 u5 @5 q. s; I# ?
图2b为交叉滚子轴承。该轴承的圆柱滚子在呈90°的V型沟槽滚动面上通过间隔保持器实现了相互垂直方向的排列，一个轴承便能承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷。

图2c则为推力角接触轴承。它能双向承受轴向载荷和附加径向载荷以及倾覆力矩，特别适于精密回转工作台和高速回转工作台。其承载能力及刚性相比上两种轴承来讲较弱，但其高速性能良好。

! P5 h1 _$ y2 N0 j/ P( x$ o# C  V3.编码器

DD Motor转台的电机不含编码器，因此实际使用中须选用相匹配的编码器，以确保电机的位置和速度反馈。在选择上应注意以下三方面问题。
/ _2 [. o/ m! p+ m0 f! F
首先，需注意目标精度及旋转编码器的分辨率，其最佳设置范围为目标精度的10~20倍。第二，需注意稳定性。因为编码器的温度会在使用过程中随机械本身温度的升高而升高，导致精度的下降，必须选择具有稳定热态功能的编码器。最后，需注意与电机和数控系统的匹配。
# |% }% n; f' ^' T1 H
转台结构设计中应注意的问题

1.密封防尘结构
4 o0 `7 ?8 b' m" A( F
% E6 o( S7 Y, t: b$ T直接驱动电机转子具有永磁性，如果工作台加工区的金属灰尘进入转台内部，会被吸附到转子上，影响电机的性能甚至会导致其失效，所以通常在设计中，需要采取迷宫结构和气密封相结合的方式，持续吹入干净干燥的气体，以保证电机安全可靠的运转。
- _; i! d) }( z# J) U
5 p  {1 @# a+ v/ ]在密封方面必须充分考虑，如果电机遭遇冷却液入侵，将引起其绝缘性的降低或退化。另外，转台上所采用的轴承和编码器皆为精密运动件和检测元件，使用中必须保证其密封结构的可靠性。

图3 DD Motor转台实例
〔由左至右分别是a 舍弗勒公司产品、b 北京机床研究所研制的DD转台（结构图）、c 北京机床所研制的DDM630转台用于TH6363产品实例〕

2.循环冷却

转台内部的电机运转时会产生热量，处理得不好，会影响转台和机床的精度稳定性。为此，需要在转台电机定子套上开槽用于循环冷却，工作时通入循环冷却水或油带走热量。电机扭矩的获得与电机的冷却相关联，只有电机得到有效冷却才能达到其标定扭矩。但是过度冷却又会产生冷凝现象，从而降低电机的绝缘性，因此推荐采用室温跟踪式冷却系统。
% i. E3 M( g0 c5 C9 C/ S
- t/ |" H. _$ x) b  K8 V6 z相对而言，水冷却的效果比油冷却的效果要好，油冷却情况下电机的连续扭矩最大将会损失20%。但是水冷却的情况下，须考虑防锈问题，因此需要根据不同的要求和侧重点来作出选择。

: _2 {$ V  |9 J& v( N( Z3.制动
+ J. V; C+ r" l
4 E. g' w" P$ t6 Z; V转台作为机床的工作台，需要有分度及准确定位的功能。DD Motor转台安装的直接驱动电机与通常伺服电机相同，当接到停止指令时由其动态制动电路来制动电机。
& G, W/ Y/ V+ a  f
7 y, e5 O7 k$ |: d8 R6 v但由于DD Motor转台电机与转台之间没有减速和传动机构，转速很高的电机，急停时会发生很小角度的过转，因而在DD Motor转台中需要有另外的机械或者液压锁紧机构以保证准确定位。在重切削情况下，也需要锁紧转台轴。如果转台倾斜或垂直使用，制动机构的作用将更为突出。


结语

鉴于DD Motor转台在转速、扭矩等方面的良好特性，更多厂家正致力于其开发和实际应用，而随着DD Motor电机的日渐成熟，国际上较为成熟的转台产品已在加工中心上得到很好应用。
) f7 l' [/ K1 \3 j
上文简要概述了DD Motor转台的技术特徵，而在实际的设计与装配过程中还会有许多的具体问题有待各个转台制作厂家进一步摸索和解决。相对国际水平，国内在这方面的技术能力上仍显滞后，极待在实际应用中不断促进DD Motor转台的成熟应用，并达成有效提升机床使用性能之功效。