摘 要：将大型数控花键磨床MK8632/H 的头架为研究对象，分析了磨床头架的构成。根据系统运行精度的要求以及采用低转速、大扭矩、惯性矩小、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小的力矩电机的特点，详细介绍了力矩电机的安装要点、注意事项、安装时容易出现的错误和力矩电机的选择方法。结果表明，通过一定的工艺规程进行安装力矩电机，可以提高花键轴磨床头架的分度精度和累计分度精度，从而达到花键轴表面精度的磨削要求。
MK8632/H 数控曲面成形磨床是上海机床厂有限公司最新开发的具有国内一流水平的大型数控专用花键磨床，适用于汽车、拖拉机、航空、军工、机械及工具制造等行业。以磨削普通花键和渐开线形、摆线形、圆弧形、矩形、三角形等具有特殊复杂曲面形状的特种花键。
机床可磨削工件主要参数：
最大磨削直径 320 mm
最大工件长度 3 000 mm
最大磨削长度 2 750 mm
最大机床承载工件质量 2 000 kg
工件精度要求如下：
(1)分度相邻误差为 0.005 mm；
(2)分度累计误差为 0.010 mm；
(3)键侧对轴线的平行度，在300 mm 测量长度上允差0.006 mm；
(4)相邻键侧间的平行度，在300 mm 测量长度上允差0.006 mm。
本磨床头架使用的是1FW6130-OPB10-JC2 484 N.M内装式力矩电机，来代替数控花键磨的头架驱动和分度机构。原来头架分度机构是采用液压传动，每次分度都是通过复杂的机械传动；插销插入分度盘的分度槽来进行的。相比之下，分度机构使用力矩电机的头架具有以下优点：一、可直接驱动负载省去传动组件使头架整体结构简单化，便于安装。 结构紧凑且安装体积很小，却可以实现很大的转矩，提高了系统的运行精度。具有无摩擦、无机械间隙、高刚性、低转速、寿命长和可靠性好，将受磨损影响的传动部件分摊到驱动电机中，所以可用性非常高。二、力矩电机具有低转速、大扭矩、惯性矩很小、过载能力强、响应快、特性线性度好和力矩波动小等特点。三、可省去控制分度的零件。
1 力矩电机的构成及特点
所谓的力矩电机是一种扁平型多极永磁直流电机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。其中，直流力矩电动机的自感电抗很小，所以响应性很好；其输出力矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关；它可以在接近堵转状态下直接和负载连接低速运行而不需要采用齿轮减速，所以在负载的轴上能产生很高的力矩对惯性比，并能消除由于使用减速齿轮而产生的系统误差。
图1 内装式扭矩电机零件示意图
内装式扭矩电机如图1 所示 ，由下列组件构成：
1） 定子（Stator）
由一个铁心和一个三相交流电绕组构成。为了能更好的排出损耗热量绕组用浇注方法制成，电机使用液体冷却装置（主冷却器）进行冷却。
2） 转子（Rotor）
这是电机的反应部件。它由一个钢制圆柱体空心轴构成，轴的周围装有永磁铁。转子被运输保险装置和间隔薄膜固定在定子中。
3） 冷却连接适配器
在带有集成冷却装置的电机上，用主冷却器和精密冷却器并联驱动冷却装置时，可以选购冷却连接适配器。
2 力矩电机的安装要点
图2 所示，头架主轴由前后两组高精度角接触球轴承支撑，其前端台阶面上安装卡盘，用于安装拨动工件用的夹头。头架主轴旋转由力矩电机直接驱动， 力矩电机的转子通过过渡套与主轴相连，定子固定在与头架体壳相连的法兰盘上。头架主轴尾端安装有角度编码器。数控系统通过角度编码器反馈的信号控制力矩电机的动作，从而实现头架的分度。
图2 头架装配示意图
装配力矩电机前，先将主轴及相关零件安装入头架完成轴系装配。拆除力矩电机两侧保护装置，转子从定子中拆出，转子与连接套通过螺钉连接。因为扭矩电机的转子有强磁场所以在现场绝对禁止使用心脏起搏器、金属移植器官和导磁或导电异物的人员来处理扭矩电机或转子。操作过程中请不要携带磁性或电子数据存储器（比如：信用卡和磁盘等）以及测量仪器！决不能将磁力面对着金属放置，也不能反向放置。人类没有可以感知强磁场的感觉器官，一般情况下也不会有这方面的经验。因而不会考虑到，在感应区中可磁化材料与磁铁间会产生冲击式的吸力。因此在转子安装入头架体壳前，在头架安装体壳内安装一圈橡胶皮用以隔绝磁场，减少转子装入时所产生的磁力影响。
安装前将转子、主轴及连接套仔细地擦拭干净，以免碎屑油渍影响安装精度。起吊时只允许端面起吊（如图3所示），不允许侧面及交叉起吊，并保持好转子平衡。将转子安装入头架体壳内，连接套与主轴上8－－M6 螺孔螺钉紧固。力矩电机固定到主轴上时只许使用全新的固定螺钉。定子和转子上固定螺钉的最大允许旋进深度可参见安装图纸。固定螺钉在转子法兰中的最小旋进深度： 1.0 × d （在钢质材料中）d 为螺丝的额定直径 （比如 M8螺丝：d ＝8 mm）。参照图4所示，使用杠杆式指示器测量连接套与主轴的同轴度要求≤0.005 mm。即转子安装完毕。将力矩电锯定子与法兰盘组合，注意定子冷却线从法兰盘缺口处引出。O型密封圈装入定子后擦净定子涂润滑脂。头架体壳安装口修毛倒角，注意体壳内侧面冷却管安装孔也需修平以免在配置时对O型密封圈产生损伤。装配时定子垂直平衡，O型密封圈均匀的装入体壳内。已经装配在轴承上的扭矩电机在转动时会在电机的电缆末端上因感应而产生电压，这可能会造成生命危险。对电缆末端露出的端子和芯线进行绝缘处理，或者防止已经装在轴承上的扭矩电机发生转动。
图3 安装转子
图4 测量连接套与主轴的同轴度
3 选择合适的力矩电机
一般情况下选择电机是一个不断叠加计算的过程，因为在高动力直接驱动时要按电机型号自身的惯性来确定所需的转矩。主要是通过以下力矩的计算和经验累积比较进行选择。
1）惯性矩
一个旋转物体的运动能量与其惯性矩成比例，其比例关系为[kgm2]。惯性矩要考虑到旋转的质量以及它以旋转轴为参照物在整个物体体积中的空间分布。旋转的质量由旋转的机械结构（比如刀具和支柱）质量与转子的自身质量共同组成。
2）摩擦力矩
摩擦力矩Mr与转子的旋转方向相反。可以由一个恒定的“附着摩擦分量”MRH和一个与转速成比例的“滑动摩擦分量”MRG相加近似的计算出摩擦力矩。此外这两个分量都取决于所用轴承及其负载大小。
3）负载循环的设定值
除了摩擦力矩外，负载循环在选择电机时也有非常重要的作用。负载循环包含有关驱动轴运动过程的数据以及有关当时所出现加工力矩的数据。
由运动过程计算出的转矩与角加速度a以及惯性矩J成比例，并且与加速度的方向相反。
M a= J × a (1)
所需要的电机力矩 Mm在任何时候都是单个力矩的总和。
Mm= M a+M r (2)
所需要的峰值力矩（最大力矩）MmMAX 直接得出除了峰值力矩外还需要设定用于电机标注振幅的持续力矩Mm，而该值不允许超过额定力矩
4）选择电机
根据推算出的峰值力矩MmMAX和持续力矩Mef的值，可以找出合适的扭矩电机。对于峰值力矩MmMAX，电机要按所需值MmMAX留有10%的控制余量，避免在超出控制范围时出现不必要的限制作用。电机的持续力矩MN必须至少与测出的负载循环持续力矩Mef大小相同。只要还有一些边界条件比如：加工力矩和摩擦力矩还不明确，设计需保留较大的余量。
4 编码器的选择
角度编码器的选择决定了扭矩电机进行直接驱动时的分度精度。编码器选择由机械安装尺寸，包括定位止口，轴径，安装孔位；电缆出线方式；安装空间体积；工作环境防护等级是否满足要求。分辨率，即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足设计使用精度要求。编码器有以下3 种不同的机械结构:
(1)带内置轴承、空心轴和内置定子联轴节的角度编码器。结构紧凑适合于有限的安装空间，便于安装。定子联轴节的作用是在轴作角加速运动时，仅仅接收由轴承摩擦引起的扭矩，具有较好的动态特性。
(2)带内置轴承的角度编码器，用于分离式联轴节。适用于转速较高或装配公差要求较大的地方。
(3)不带内置轴承的角度编码器。适用于较大空心轴直径（达10 m），转速高达40 000 r/min。
图5 增量式编码器
图2 所示的MK8632/H 花键轴磨床头架结构紧凑，安装空间有限、且花键磨床不需要较高的转速，故选择了RON200 系列带内置轴承空心轴和内制定子联轴节的编码器。根据图5 所示选择符合头架分度最小值0.000 1"的RON285 编码器。
5 结语
综上所述，在头架上使用力矩电机并且执行了以上工艺规程后，将会取得明显效果。从表1 可以看出，头架使用力矩电机后比以前使用的分度机构在分度相邻误差上有了明显的改善。
按照以上工艺规程在头架上安装力矩电机，还可以避免许多容易发生的错误，有效地提高了头架的分度精度，替代了以前使用的那种复杂的机械传动分度机构，使磨床的磨削精度得到很大的提高。