DD Motor转台设计技术综述

DD Motor转台设计技术综述

作者：北京机床所精密机电有限公司常文芬黄韶娟来源：雅式工业专网

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。

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。

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。

DD 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。

图1 DD Motor转台所常见的结构型式

关键部件的配置及选用

1.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：

1）最大扭矩

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。

2）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

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。

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。

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。

3.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。

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。

转台结构设计中应注意的问题

1.密封防尘结构

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。

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。

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。

3.制动

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。

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。