牵动机床的“神经”——传动与控制系统

如果刀具称作机床的“牙齿”，那么传动与控制系统就是机床尤其是数控机床的“神经”。机床的一举一动，均受制于此。随着数控机床向高速化、自动化等方向的发展，传动与控制系统的重要性更加显现。
For a machine tool, if cutting tools are the “teeth”, the drive and control systems can be viewed as the “nerves”. This saying is especially true for CNC machine tools. Every operation of the machine tool is controlled by this “nerve” system. Following the development of CNC machine tools for higher speeds and higher degrees of automation, the drive and control systems are becoming more and more important.

博世力士乐IndraMotion MTX micro系统

近年来，机床技术的发展突飞猛进——数控机床的精度和速度大约8年就提高一倍。机床制造技术的发展和市场对机床的性能要求不断提高。机床的结构也变得越来越简单，机床的精度、速度和产品的可靠性要求也越来越高。与此同时，机床行业的节能、环保、绿色制造等理念也愈加深入人心。这些未来趋势将运动控制产品的品质水准要求提高到了新的高度。

机床行业使用的运动控制产品非常广泛，单片机、PLC、定位模块、数控系统、伺服系统等都有涉及，更有厂家自主研发了电气设备。在一些高端应用领域，如高精度的磨床、旋转刀库、伺服冲压送料机、自动化专机流水线等，对于控制和工艺都有特殊的需求，这些都不是普通的脉冲发生产品或者定位产品可以简单应对的。运动控制产品的制造商们，正在加大研发，为机床行业提供传动于控制系统的解决方案。

博世力士乐：IndraMotion MTX micro系统

早在2009年，博世力士乐公司基于紧凑、简单和高效的设计理念，面向全球推出了一款紧凑型的CNC系统解决方案——IndraMotion MTX micro 数控系统。整套系统由VDP系列操作面板、HCT/HCQ一体化系统与多轴伺服驱动模块单元（集成CNC、PLC、IO、多轴伺服驱动、总线、以太网等）和QSK/MAD系列高性能伺服及主轴电机组成。系统提供最多双通道，最高至6轴4联动机床应用，适用于车削、铣削、钻孔、冲压等，并为不同的机床应用方案提供统一的硬件平台。

IndraMotion MTX micro 数控系统使用独一无二的系统与多轴伺服驱动器一体化设计以及集成式操作面板，使得系统结构得到最大简化，设计十分紧凑，由此可以减少电气柜的空间要求和节省元器件，进而减少接线，提高系统的稳定性。

紧凑的设计以及全套phoenix直插式端子，有助于实现简单的系统安装与接线；USB一键式备份和还原，使得机床的调试简单易行；Windows风格的人机界面以及辅助的编程界面，则让快速编程和操作成为可能。

此外，MTX micro系统沉淀了四十年力士乐领先的驱动与电机技术。最高至5,000rpm/min，百万级分辨率的高动态伺服电机，以及最高至百兆Sercos III驱动总线通讯技术和免三相220V变压器，820V高储能直流母线设计，配合多种系统补偿，从而在保证加工精度的同时实现高效节能加工。

博世力士乐“紧凑、简单和高效”的设计理念，在IndraMotion MTX micro 数控系统上得到了最佳的体现，也成为过去两年的应用中用户对MTX micro系统的第一认识和评价。同时，MTX micro继承了高端MTX系统的优势，凭借其丰富的系统功能和稳定的品质而能胜任多种不同机床行业应用。目前MTX micro的应用领域，已由通用机床如经济型平床身/斜床身数控车、车削中心、倒置立车、钻床、加工中心、龙门铣，成功扩展到磨床、齿轮加工机床、木材加工机床和专机领域，包括万能磨床、外圆磨床、刀具磨床、铣齿机、旋分倒角机等。

例如，使用滚切法的数控弧锥齿轮铣齿机采用MTX micro数控系统以后，在保证齿面加工光洁度的前提下，单件的加工效率提升20%。在众多应用案例中，MTX micro系统也显示了其强大的兼容能力：直接驱动了包括内装力矩电机，高速电机以及第三方伺服主轴电机，第三方标准变频电机，第三方中空谐波减速电机等，兼容从低端TTL方波到高端1Vpp正余弦编码器。

鉴于应用领域如此广泛，两年以来博世力士乐持续对MTX micro进行完善，优化了人机界面，使其更显人性化，并适时推出通用型面板以满足不同的需求。

三菱电机：高性能伺服系统

三菱在运动控制和伺服驱动方面具有丰富的产品线，可以对应各种类型的机床设备。在特种机床和专机越来越多的今天，三菱的运动控制和伺服产品在机床行业中崭露头角，更多地体现出其在同步高速高精度方面的优势。

在运动控制器方面，从8轴同步控制到32轴同步控制，甚至1,280轴同步控制都有对应方法。并且，三菱的运动控制器通过不同的操作系统软件，可适应不同的机床行业应用。如SV13的操作系统，以专用的SFC的编程语言，多应用于高精度的磨床设备进行插补的动作，而SV22的操作系统，以机械支持语言，则广泛应用于多轴高速高精度同步控制的机床设备中。在伺服产品方面，具有各种惯量等级，满足各种设备的定位控制要求，而且从功率上来说，小到50W，大到110kW。对于110kW以上的需求，也有各种对应方式来实现控制。

高性能伺服冲压及送料系统

前面已经说过，今后的机床行业将朝着高端的市场转移，那么对机床的复合化、智能化提出了更高的要求，以普通的冲压设备为例，以往设备是将冲压好的工件由人工操作拿取，随着国内人力成本的不断上升，由机器替代人工操作将是一个必然的趋势。高性能的冲压机床将会由自动送料取料系统取代人的操作。那么冲压设备如何根据不同的工件运行不同的冲压曲线？送料系统如何和冲压系统相配合？如何保证模具的安全性等？——将是高端冲压设备所需要考虑的，无疑使用运动控制器是最优选的方案，它要求运动控制器产品能根据不同的工件加工要求来变化冲压曲线，送料设备与冲压设备的同步控制。

动作概要如下：该系统由伺服冲压机和配套的送料机所构成，冲压机在冲压完成的同时，送料系统进行送料的动作，在冲压头非工作的区域，完成送料，并且送料系统回到初始位置，等待冲压机再次进行冲压，依次循环，此系统要求送料系统动作和冲压机的动作能相互配合，进行同步的控制。该设备需要冲压轴一个，传送轴六个。

该系统的伺服冲压机与送料机都是由三菱的运动控制器QD系列MOTION来进行控制，系统配置结构如下图。

三菱的运动控制器QD系列系统配置图

由于该设备使用了三菱最新的Q170M型运动控制器产品，最多可控16根轴，所以如果今后需要控制更多冲压机的话，只需要相应增加伺服产品即可，控制产品无需增加。另外，该运动控制产品内置电源，PLC和运动控制CPU，节约了客户的一部分成本。同时，它基于IQ Platform的高速通信基板，实现无缝的链接通信，运动控制器与伺服放大器之间采用了三菱自主开发的SSCNETⅢ伺服总线网络，使各轴的时钟频率达到一致，保证了所有的轴在同一时刻接受到同一指令并开始动作。这些特性对于这种同步要求很高的设备来说，是非常必要的功能。另外，该运动控制器使用光纤总线连接，网络通讯速度更达到了50Mbps，不但提高了抗干扰能力，减少了现场布线操作的错误率，还能实现海量控制数据的高速传输。nextpage

通过一台运动控制器可同时控制伺服冲压机和送料机构的动作。使用三菱特有的机械结构程序，简单地编写程序就可以将冲压头的动作和送料的各轴完美结合在一起，实现同步控制的要求。通过调整下图中主轴的运行，就可以简单控制所有的轴按照固定的时序完成各自的动作。

同时，客户可通过运动控制器，根据实际冲压工件，选择适合的冲压曲线，减小了冲压过程中对模具的损耗，延长了模具的寿命。如果客户有多台冲压设备的话，更可通过一台运动控制器（最多32轴）控制多个压力机的动作，对于客户而言节约了电气上的成本。

高精度内研磨机

内研磨机用于加工轴承内壁。在加工时主要使用两轴插补运动。其中X轴在径向方向上做恒速运动，加工时最低速度为0.2μm/s。Z轴负责磨轮的往复运动，其总行程为410mm，最高频率为520次每分钟。

该系统使用了QD系列运动控制器以及与其相对应的MR-J3-B系列伺服。该系列伺服电机的分辨率达到了262,144p/r，高分辨率的电机满足了对机床的高精度的定位要求。除此之外，该伺服先进的自动震动抑制功能，能自动抑制加工过程中所产生的震动，减少了加工的误差，并且减少了现场手动调整的操作，方便了编程人员的调试。电机的尺寸更比原来减少了23%，大大减小了机械设备的安装尺寸。最后，由于所有的参数都是由运动控制器来管理的，所以一旦出现伺服产品损坏的话，只需要更换相应的伺服产品，而无需其他任何参数和程序的变更。

该设备由于使用三菱的Q172H运动控制器和J3-B系列的伺服控制，可以实现高精度地磨修砂轮，以实现磨削工件的更高精度。

Thomson：更加环保的滚珠丝杠

当今社会，以环保为主题的资源节约、复用和回收已经成为主旋律。在滚珠丝杠领域采用这些方法，也有助于改善环境。滚珠丝杠作为机床传送动力及定位的关键部位，对机床的性能起着至关重要的作用。随着机床制造水平的提高，对丝杠的精度、速度、寿命等的要求也越来越高。

作为一家拥有60多年运动控制创新和制造经验的厂商，Thomson多年来一直在探讨一个问题：如何逐渐减少液压部件的用量，采用更环保的机电式驱动装置取而代之，从而避免因为泵的不停运转而造成浪费，最重要的是避免因为液压流体的泄露而损坏系统甚至是最严密的系统。为此就产生了如下问题：如何调整滚珠丝杠的使用方式，从而为创造更清洁、更安全的环境？
nextpage
减少浪费，避免生产有害的废品，成为Thomson关注的焦点。对于滚珠丝杠来说，要实现这个目标，首先必须选择合适的材料。对于滚动零部件类产品（包括滚珠丝杠），腐蚀和磨损是使用过程中面临的最大的两个问题。在过去的若干年中已经开发了多种保护涂层和镀层，但是这些涂层等的成本较高，并使用有害的化学物质，其中含镉、锌、铅、铬的物质危害最大。Thomson在过去的十年中，推出了很多新型不锈钢产品，这些产品不仅能够给滚动零部件材料带来出色的性能，而且不需要采用有害的镀层工艺。但是不锈钢产品并不能解决所有问题，Thomson始终在努力减少含有害化学物质的涂层和镀层的用量，寻找符合ROHS（《危害性物质限制指令》）要求的材料和工艺。不含酸的锌、镍和黑氧化层就是具有良好环保效果的涂层。在机床行业，长期以来一直比较喜欢使用高光泽抛光工艺来取代可能影响滚珠丝杠表面硬度的涂层或镀层。这种精细抛光技术可以最大限度减少腐蚀原生点，另外使用具有耐腐蚀添加剂的润滑产品，也能起到良好的防腐作用。

机械制造商理想的运动控制解决方案并不是要求最快、最强、最精确、最经济的选择，而是性能、寿命和成本的最佳的平衡Thomson认为，如果能够采用合理的预防性维护管理程序，在合适的时间更换应用系统中的滚珠丝杠，可以显著增加丝杠的使用寿命，同时避免因为出现永久性损坏而导致重要元件失效，从而大大减少了全寿命周期成本；并将用过的产品进行清洁处理，然后通过简单的方式进行重复利用，这无疑将是节能环保方面一个不错的方案。在所有退役的滚珠丝杠中，50%只需通过彻底清洁、重新整平、并更换合适尺寸的钢珠，即可重新恢复正常的操作功能。滚珠的磨损速度一般快于螺母。丝杠结构本身因为分布在整个长度上，其磨损速度极慢，除非在机器或应用系统中出现“焦点”。在成本结构中，丝杠占的比例通常最大，而更换滚珠和螺母（根据需要）能够最大限度降低维修成本。另外，对丝杠和螺母进行二次研磨，能够进一步增加其寿命。经过翻修和翻新的滚珠丝杠，其功能可以达到新部件的水平，使用寿命能达到70%。在使用或拆卸的过程中，对于轴颈和其他安装表面可能出现的受损情况，Thomson建议采用不锈钢添加剂为原料的金属喷镀技术翻新轴颈，避免使用有害的铬镀层。金属喷镀工艺也可以在翻修单位的车间内完成，从而加快维修速度。

而对于那些产品寿命已经耗尽无法进行翻修，但滚珠丝杆零部件仍具有剩余价值的，则通常可将丝杆中的钢材、反向器和挂刷片等进行回收处理。

易格斯：创新功能部件提升整机性能

用来保护机床所用电缆、油管、气管等的拖链，对于机床的高速、高效运行也起着十分重要的作用。

易格斯针对机床领域不断推出适用的创新产品，例如：密封性更好的RX系列拖管，适用于加工碎屑非常多的工况；新型Guidelok拖链系统，满足几十米长行程架空使用；结合多年研发经验的全能E4.1系列拖链，性能更好，选择更容易；结合滑动和滚动运行方式的DryLin®WJRM轴承，非常适用于机床防护门使用。

RX系列托管曾获得“2010iF产品设计奖”，突破了以往的全封闭标准。从两年前首次研发出来以后，易格斯又对产品的封闭性进行了进一步优化。它通过了在高碎屑环境中长期使用的各种测试。这款拖管的创新设计确保了所有的碎屑能轻松的脱落，不管颗粒大小都不会附着在拖管表面。“RX”拖管边缘或开口处甚至缝隙也完全不会被划伤。它特殊的弧形设计和光滑的外壳，能直接让碎片和碎屑掉落。另外，孔销连接和限位块被隐藏在内部，因此没有任何碎屑会卡在里面。

“Guidelok”适用于碎屑区域

针对拖链在长行程应用中出现的金属碎屑问题，易格斯又研发了一款可在上端区域滑行的横向系统——Guidelok拖链，适用于行程长达50m的长行程应用和架空应用的理想解决方案。这个新系统将拖链的上端区域固定在了一个可摆动滚轮支架上，而当运动拖链的弯曲部分经过时，它会自动移开。整个系统通过一个轻型铝制导向槽进行导向，它首先会通过滚架。接着，滚架会移动到弯曲半径的后面。之后，上端拖链的运行就会由滚轮支架来支撑。借助这种设计结构，在上端拖链和底端拖链的滑行表面之间就不会嵌入碎屑。

而为了减小机械防护门中的摩擦，尤其是为了满足各类门、防护系统、分隔机构和可调式锁以及轻型搬运任务的要求易格斯研发了新型“DryLin®WJRM”轴承。聚合物滚轮免维护，可以使任何重达50千克的机械防护门，轻而易举地实现手动调节。在特定的安装点上，通过使用滚珠轴承承受主要载荷，可减少4-5倍的驱动力。这就使手动操作变得更为简便。“DryLin®W”是一款灵活的模块化系统，由硬质阳极化铝型材，压铸锌基座，精铸不锈钢或铝以及工程塑料滑动轴承制成。在这款易于安装的系统中的多种元件可使用户优化设计空间。组合不同滑块长度，可实现导轨宽度的多种组合。所有“DryLin®W”导向系统的运行都无需润滑油，被称为干运行系统，在运行过程中无需维护。

科尔摩根：KBM无框架直驱电机

随着用户对机床产能、精度和动态性能的要求增加，直接驱动技术越来越多地被应用于机床中。特别是直接驱动力矩电机，能够为机床的性能提高带来重大的改变。直驱力矩电机的应用，还具有降低客户的综合使用成本，简化机器的设计及减少维修维护等优点。力矩电机被设计成直接驱动连接方式，即消除了齿轮箱、蜗轮蜗杆、同步带等机械传动装置，实现了机械负载与电机转子的直接连接。这样的连接方式能够提供高动态性能，消除了传动的间隙与延迟，提供机床加工需要的极高刚性。

2010年5月，科尔摩根推出了KBMTM系列无框无刷电机，可以用于低压或高压操作，提供所需的转矩、功率和转速，包装经济、结构紧凑，为系统设计者提供了极大的灵活性，使电机能够满足应用的特定性能和尺寸要求，而无需高额的工程设计费用和其他成本费用。2010年11月，科尔摩根同国内一家数控机床制造商合作，为其提供了KBM电机及Platinum DDL有铁芯直线电机产品。


在CIMT2011上展出的应用了科尔摩根KBM无框架直驱电机的六轴无联动数控刀具磨床目前国内使用的高端刀具磨床全部依赖进口。硬质合金刀具大批量、多品种、高精度磨削加工要求的不断增加，促进了高精度数控多轴联动工具磨床的推出和机床磨削功能与性能的不断发展。目前国内使用的高性能进口五轴、六轴联动数控工具磨床，主要有施利博格、WALTER、WENDT、舒特、萨克、ANCA、德克、TTB等国际品牌。数控工具磨床一般采用世界先进的数据电气控制软件系统、精密导轨与丝杠运动系统、精密光栅和伺服电机反馈定位系统等先进模块设计。近年来，结构紧凑的直驱电机在砂轮主轴和工件主轴上的使用日渐增加。直驱主轴可避免机械传动上的间隙，替代原来成本高昂的精密蜗轮蜗杆系统，节省了安装体积，并保证系统稳定均衡的精度。

科尔摩根的销售和工程技术团队在前期的选型、安装方式确定、安装、水冷材料选择及效率分析，到型号的最终确认，和客户进行了高效的沟通，给予客户积极的反馈。科尔摩根中国的技术工程师与美国的设计团队通力合作，根据客户的特殊要求，在安装尺寸及公差、热敏电阻集成、额外的安装螺栓孔等几个方面进行了免费快速的定制，并根据科尔摩根在电机使用方面多年的经验为客户解决了若干个技术难题。科尔摩根美国工厂根据客户的要求缩短了供货周期，使客户能够及时收到产品，安装及调试。KBM电机的电气机械参数齐全，客户方便地把电机集成到里自行开发的高端数控及伺服驱动器系统中，并赶在2011年4月的北京机床展（CIMT）之前完成了首台样机的调试。

由于该机型填补了国内空白，在CIMT展上引起了业界的广泛关注及市场的积极响应。同时，科尔摩根的“快速反应能力”及在直驱电机的设计制造和销售等方面的努力也得到了客户的肯定。