承担弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮减材切削的现代螺旋锥齿轮机床群与素有“工业母机”美誉的其他高端数控装备一样，为能实现3D曲面的高精度、高速度和高稳定性加工，除选用性能卓越的智慧大脑——硬件和软件组成的CNC系统外，还得配装零传动环节的具有高刚度快响应、高效低耗无润滑特性的直接驱动系统(Direct Drive System，简写 DDS)。
一、直接驱动系统的机理分析
直接驱动系统是以直驱电机为载体，区别于常规驱动系统的一种驱动技术的创新形式，现被越来越多地应用到各行业中。
两种驱动系统的特性对比
在常规驱动系统的负载(工作台或主轴等机械本体)与电机之间，制造商通常增设滚珠丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副、齿轮齿条副、齿轮箱、皮带 /皮带轮、联轴节、链条等机械传动环节(见图1)，用以大幅度提升负载终端的驱动转矩。然而，这些中间环节既会引起齿隙/间隙、机械损失与运行噪音，也增加了数控装备的体积重量与运维复杂程度，还降低了整机性能(负载惯量不超过电机惯量的5～10倍)。
图1 常规驱动系统示意
在图2所示的直接驱动系统中，制造商将DDR(Direct Drive Rotary)电机或DDL(Direct Drive Linear)电机直接耦合/联接至从动负载上，经由驱动装置中数字化电信号的滤波、整流、放大与脉宽调制等控制，实现负载的直接驱动。这种驱动方式通过剔除很多的中间组件和传动部件，使得传动链缩短为零，也使得整机制造简单、结构简化紧凑、位置保持能力提高60倍以上(DDR 分度精度近乎1弧分及重复定位精度小于1弧秒)、工作效率提高1倍以上、恒速特性非常好(DDL速度波动小于±0.01%及速度1μm/s下平稳运动)，甚至不 再考虑负载与电机的惯量匹配要求(二者惯量比超过11000:1)。
图2 直接驱动系统示意
直接驱动旋转电机
又被称为直驱转矩电机的DDR电机由同步伺服电机演化而来，通常具有较多的磁极对数和较高的功率密度，可在低转速下提供超大的输出转矩。DDR电机细分为有框、无框和模块化三类，见表1。
表1 直接驱动旋转电机分类与构成
直接驱动直线电机
DDL电机类似平铺结构的无刷旋转电机，即其原理相当于中心剖开后平铺摆放的同步伺服电机，一次侧是将基本部件的初级端定子绕组平铺为线圈组件(也称滑块)，二次侧是将基本部件的次级端转子永磁体平铺为磁体轨道(也称磁路)，如图2b所示。DDL电机细分为有铁芯结构和无铁芯结构两类，见表2。
表2 直接驱动直线电机分类与构成
二、螺旋锥齿轮机床群的性能需求
在轨道、汽车、风电、冶金矿山、工程机械、减速机等行业，两个相交轴之间的传动元件绝大多数采用格里森圆弧收缩齿制或奥林康摆线等高齿制的螺旋锥齿轮。由于用户对重载齿轮传动强度高、噪声低、承载力大、生产高效、绿色环保、成本最佳等特性的刚需，包括切齿机、研齿机、配对机、磨刀机、装刀机、测量机等数控机床在内的集设计、制造和检测一体的智能制造闭环系统的需求量迅猛激增。
(1)锥齿轮切齿机在SINUMERIK 840Dsl等系统及与之配套驱动系统(如SINAMICS S120)提供的数字化逻辑电信号驱动下，通过6个坐标轴(见图3)的联动，载着条形硬质合金刀条组成的尖齿刀盘，沿预定程序轨迹进行干式持续分度切削，获得用户所需的弧齿锥齿轮或准双面齿轮。工件主轴A、刀具主轴B和基角轴C为直接驱动的高刚性电主轴，DDR电机采用西门子1FW6230等系列。铣削深度轴X、刀具定位轴Y、工件定位轴Z为闭环伺服直线运动，DDL电机采用SIMOTICS L等系列。高精度的角度编码器和直线光栅尺满足产品精度DIN/ISO 4级甚至更高，如海德汉ERA4800C。CNC系统内嵌齿制加工控制软件，如奥林康COP32、中大创远HCS等。
图3 锥齿轮切齿机的坐标轴(2)锥齿轮研齿机在FANUC FS160i-M等系统及与之配套驱动系统(如FANUC αiSP+SV)提供的数字化逻辑电信号驱动下，通过5个坐标轴(见图4)的联动及4区位研齿法，沿预编程的研齿轨迹进行V、H、J轴的振荡研磨，获得用户所需良好啮合区的锥齿轮副。主动轮轴 B、从动轮轴C为直接驱动的高刚性电主轴，DDR电机采用发那科DiS-B等系列。从动轮头架垂直轴X(V)、主动轮头架水平轴Y(H)、主动轮头架插入式间隙调整轴 Z(J)为闭环伺服直线运动，DDL电机采用发那科LiS-B 等系列。高精度的角度编码器和直线光栅尺满足产品精度 DIN/ISO 4级甚至更高，如海德汉LC193F。CNC系统内嵌研齿控制软件，如中大创远HLS等。
图4 锥齿轮研齿机的坐标轴
(3)刀条刃磨机(又称磨刀机)在MITSUBISHI M800等系统及与之配套驱动系统(如三菱MDS系列)提供的数字化逻辑电信号驱动下，通过5个坐标轴(见图 5)的联动，载着钝化的条形三面刃尖齿刀条，借助电镀金刚石砂轮进行双工磨削处理——摆动方式粗磨削和展成方式精磨削。旋转轴C、摆动轴A与砂轮主轴为直接驱动的高刚性电主轴，DDR电机采用科尔摩根D(H)等系列。磨削台面往复轴X、垂直磨削周Y、水平磨削轴Z以及装卸站轴B、U、V、W为闭环伺服直线运动，DDL 电机采用三菱LM等系列等系列。高精度的角度编码器和直线光栅尺满足产品精度DIN/ISO 4级甚至更高，如海德汉RCN2390F。CNC系统内嵌刀条磨削控制软件，如 TWINCAT BGS等。
图5 刀条刃磨机的坐标轴
三、直接驱动技术的应用
数控装备的综合精度不仅取决于CNC系统、驱动系统与测量系统的动态匹配和最小分辨率，也离不开执行部件的精心装配和最优调整。
DDR电机1FW6230在切齿机的应用
DDR电机作为一种高转矩输出的同步传动技术，现已成为数控装备旋转传动必不可少的利器，被广泛用于车床、加工中心、磨床等数控装备以及新能源汽车等场合，如配置SINUMERIK 840Dsl PCU50.5-C系统和SINAMICS S120驱动系统的C50锥齿轮切齿机(下称 C50)的刀具主轴A和工件主轴B装用西门子DDR电机1FW6230-0wX15-0QC2。图6为电机1FW6230在C50刀具主轴A的结构示意，其装配调试步骤如下：
(1)装配转子永磁体与转台轴承等零部件。结合图样核查电机尺寸φ418H8、φ4630 -1、φ576h8→用兆欧表校验电机三相对地绝缘电阻不少于10MΩ→清理主轴体、法兰盘、转子法兰等零件(去毛刺、擦拭干净)→安装转子法兰于主轴体上并经30M8×55内六角螺钉紧固→将1件尺寸395×5的O形圈NBR70套入转子法兰盘的凹槽内→将定子永磁体装至主 轴体并经24条M8×25内六角螺钉在19N·m转矩下紧固→将1组德国FEY公司双叠片金属密封环FK6 ASD 337/10/3套入主轴体的已涂抹润滑脂的下环槽处→装入法兰盘→装配推力向心转台轴承YRTS260至主轴体→经34条M8×60内六 角螺钉紧固YRTS260内圈于主轴体并经36条M8×30内六角螺钉紧固外圈于法 兰盘上→将1件德国FEY公司单片密封环FK3 AS 255套入主轴体的已涂抹润滑脂的上环槽处→安装顶部密封盖并经8条M8×30内六角螺钉紧固于法兰盘上。
(2)主轴体调头安装定子线圈。将主轴体上下端颠倒并固定于专用台架 上→经3件M5×10内六角螺钉紧固冷却管路适配器于定子线圈上→置定子线圈的出线端在底部并禁止弯折电缆、碰伤冷却管路适配器→定子线圈的顶部加装防吊装变形的定子加强环→转子永磁体外侧包裹1圈厚0.5宽200的尼龙垫条→三点水平吊装定子线圈及定子加强环缓慢套入转子永磁体并时刻保持尼龙垫条的竖直完好性以及定子与转子的间隙均匀→在法兰盘底部穿入23条M8×130内六角螺钉并在19N·m转矩下紧固于法兰盘上→自定子线圈上拆掉定子加强环并移至主轴体外侧→辅助杠杆作用力抽出尼龙垫条→徒手转动主轴体轻盈无阻滞。
(3)主轴体调头至顶部密封盖朝上后装入鞍座孔中。清理鞍座孔(去毛刺、擦拭干净)→经1件吊环螺钉和2件U形吊环垂直吊起主轴体放入鞍座孔内→待法兰盘底部外圆面与鞍座孔即将进入配合时改用4件M12×500的丝杆对称拴接完成两者的装配→拆掉丝杆后经18条M12×40内六角螺钉紧固法兰盘于鞍座上→将2件φ12×1.5水管连接至冷却管路适配器并配装2件M40×1.5的过线螺母。
(4)鞍座孔内装入NNU4964轴承。清理NNU4964轴承及主轴体配合面、鞍座孔→经4件M12×250丝杆和外压环将NNU4964轴承装配至主轴体配合面与鞍座孔内→1件尺寸330×4 的O形圈NBR70O和1组双叠片金属密封环FK6 ASD 395/10/3装至内压环对应凹槽处→自鞍座上拆掉4件丝杆和外压环→内压环与外压环配合后经4件丝杆装至鞍座上并用18条M12×40内六角螺钉紧固→经6条M16×60内六角螺钉紧固刀盘安装座于主轴体上。紧固安装座时，务必使用磁座千分表测量刀具主轴A的轴向跳动和径向跳动(见图7)，边测量边调整刀盘安装座，使这两个公差均不超4μm。
图7 刀具主轴A的轴向跳动和径向跳动
(5)安装海德汉光栅鼓和读数头。清理法兰盘和主轴体上端→棉花球蘸无水酒精擦拭光栅鼓 ERA4880C→经6条M5×20内六角螺钉紧固光栅鼓于主轴体上并保证定向环的径向跳动不超10μm→经2条M6×30内六角螺钉和平垫圈紧固支座于顶部密封盖上→经3条M3×25内六角螺钉紧固读数头于支座上→借助PWT18快调仪调测光栅鼓与读数头的间隙0.15±0.01确保栅格幅值1+0.1 -0.1Vss以及原点信号的黑条两端时刻处于2个方括号内→拆掉 PWT18并经6条M5×20内六角螺钉紧固防尘罩于法兰盘上。
(6)将鞍座固定于试验台上，连接好电气线路与冷却管路。随后在空载与加载下，分别进行跑合、温升测试。数据合格后，刀具主轴A整部部件装机待用。
DDL电机1FN3在磨刀机的应用
DDL电机作为一种直线输出的同步传动技术，高速时拥有高精度和高重复定位精度，低速甚至静止时也能产生大推力。它被广泛用于过程控制、测试/控制设备、冲压/激光切割、医疗器械等场合，如配置SINUMERIK 840Dsl NCU720.3B PN系统和SINAMICS S120驱动系统的B27刀条刃磨机(下称B27)的X/Y/Z轴装用 SIMOTICS 1FN3直线电机。图8为1FN3直线电机与SINAMICS S120连接示意，其驱动调试流程如下：
图8 1FN3电机与SINAMICS S120连接示意
(1)DDL电机与S120的连接。DDL电机相对于标准电机与驱动系统的连接相比，添加1个SME125模块，它的速度、位置检测系统仅有1个外接的测量系统。为有效降低调试中飞车的风险，测量系统选用绝对值光栅尺LC185。
(2)DDL电机调测的有效条件。DDL电机的相关参数不能被CNC系统自动识别，只能进行手动设定。此前需要完成电机调测的有效条件。例如：机械限位硬挡块、硬件限位开关及急停按钮均有效，电机制动机构、热保护的温度传感器及冷却系统均正常，机械安装尺寸正常，通电前电机能否推动，位置反馈计数、驱动正方向(相序)、反馈正方向(极性)均正确，磁极位置辨识设为基于电流饱和(p1980=1、p1982=1)，电机温度报警阀值设定(p0604= 65、p0605=75)…
(3)DDL电机驱动配置。第1次使能前，务必经驱动参数p0640限定电机最大电流为缺省值的1/10或更小;磁极位置识别后，修改p0640为原值。通电后，配置DDL电机：[配置-电机]界面选择“输入电机数据”，电机类型选择 “直线同步电机”;单击[下一步]进入[配置-其他电机数据]界面，电机温度传感器类型选择“通过多个温度通道分析SME12x”;单击[下一步]进入[配置-电机数据]界面1，将对应参数填入系统(见图9左上);单击[下一步]进入[配置-电机数据]界面2，将对应参数填入系统(见图9右下);单击[下一步]进入[配置-BICO连接]界面，此后设定与标准电机的调试配置相同。配置完毕后，验看电机运动方向与测量系统是否相同，相反时设定参数p410=3。
图9 1FN3电机驱动配置画面
(4)经SINUMERIK Operate进行驱动优化，借助电子滤波器来消除波特图寻找到的共振点。对电流环进行手动优化，测试电流环频率响应，做到不超调。对速度环、位置环进行自动优化，经阶跃响应和扰动响应寻求适合的比例增益和匹配的时间常数，获得最优的产品表面光洁度。
四、结束语
工信部联规〔2021〕207号 《‘十四五’智能制造发展规划》通过一个融合、三个能力提升及三化持续推进，给出制造业五年内深入实施智能制造工程的纲领性要求。未来的螺旋锥齿轮机床的制造应大量采用直接驱动技术在内的新工艺、新手段， 广泛采取节能环保新措施，有效控制CO2排放量，成为绿色低碳智能制造系统必不可少的装备主力军。