通过人工进行精加工作业不仅费力、重复性高，且容易对工作人员造成伤害，因此制造商尝试通过柔性臂端机械手夹持刀具，以恒定的压力作用于工件以实现自动化操作。柔性机械臂通常需要有一个电机驱动倒角、磨削或抛光刀具。基本要求是要将机械臂端的重量最小化，使机械臂能够实现快速动态响应，以达到高生产率和高质量。

PushCorp公司通过使用科尔摩根的新型无框伺服电机，以“罐头”大小的尺寸提供高达5马力的功率，进一步提高了由伺服电机驱动的臂端设备产品线的性能。这一独一无二的高功率密度使PushCorp能够制造出满足工业用户高性能需求的机械臂，以改善操作员的安全性、生产率和工作质量。

图1 机器人抛光工作单元内融合了科尔摩根无框电机和柔顺工装的PushCorp伺服电机换刀器

磨削力柔性的精加工挑战

通常，各个零件通过机械加工、铸造、锻压、制模和类似的制造过程而获得精确的净尺寸形状。这些零件通常能够满足规格要求，但是需要进一步的表面精加工工艺。加工零件上的刀痕和飞边需要去掉。通过压铸成型和铸锻加工而成的零件需要去除毛刺、浇口和分型线。这些精加工作业需要一个磨削力控制过程，而这种柔性是基于位置控制的“僵硬”机床所不能提供的，因此这些操作几乎总是由操作员手持电动工具，或者直接由人工接触提供合适的力来完成。但是由于工具的重量和进入角落和缝隙对零件进行完整表面加工的操控需要，这些工作对于操作者而言很难完成。例如，一个铸铝汽车轮毂供应商曾经雇了好几百个工人使用磨砂机抛光轮毂，但是公司遇到了工人受伤、企业生产效率低、培训成本高和产品质量有影响等问题。

使这些作业自动化领先的解决方案是使用机械手进行定位和运动控制，由臂端工具提供自动化表面加工所需的柔性。由于柔性的轴会发生变化，将磨削力控制装置安装到机械手的手腕上需要深思熟虑。设备、介质和底座的重量总是垂直向下作用的，而运动的柔性轴会随着机械手在空中的移动不断变化。执行机构的力必须根据重力相对于柔性轴的方向增加或减小。

通过使用独立的控制器，主动磨削力控制可以持续监控作用力的测压元件的输入，以纠正错误来实现整个系统的闭环。加速度计跟踪柔性主轴的定向角，从而对因重力作用而引起的偏差进行纠正。

图2 机器人研磨工作单元中集成了科尔摩根无框电机和柔顺工装的PushCorp伺服电机换刀器

高功率密度电机设计的需求

PushCorp是为各种磨光和精加工应用开发定制的柔性臂端工具领导者。这种工具需要使用高功率密度的电机设计，因为机器人的性能取决于臂端工具的大小和重量。PushCorp使用由独立转子和定子组成的无框直驱旋转系统，没有轴承、外壳和反馈装置。这些部件构成了一个套件，并被设计为PushCorp工具的直驱部件。该系统通过在臂端柔顺工装中集的成力矩传感器、加速度计及伺服电机实现系统闭环，反馈装置和电机是由电子驱动器来驱动的。

PushCorp的产品逐渐推广到大型企业中。他们在随后的工作中发现，许多用户希望将其柔性臂端工具连接到这些工厂中常用的480VAC电源上。但是早期无框电机的驱动无法支持这样高的电压值，因此用户被迫安装了变压器，但这必然会增加解决方案的成本和复杂性，并额外扩大了占地空间。PushCorp向科尔摩根进行咨询，了解是否能够开发一个解决方案来处理用户的高压供电需求。经过详细的工程讨论，科尔摩根确信能够提供优化的无框电机解决方案，可在480VAC的环境下运行，且超越了当前工具的性能。同一型号电机和驱动还能向后兼容低电压水平的应用工况，使PushCorp能够通过一种电机和驱动器的组合应对用户的所有需求。

PushCorp的工程师们在应用中强调了水冷对高功率密度电机的重要性，以及从前几代电机改进性能的需求。科尔摩根的工程师们开发了一个5马力、6000rpm转速的无刷直流伺服电机，其重量仅为6磅，直径为3.2in(1in=2.54mm)，长4.6in。科尔摩根还为不同的精加工应用提供相同外观的3马力、15000rpm转速的电机。这些科尔摩根电机提供了更高的功率密度，运行温度明显降低了8%，这使PushCorp柔性臂端工具能够以更高的可靠性和更好的性能运行。科尔摩根将优化的电磁设计和拥有专利的绝缘系统整合起来，使产品在480V的应用中具备更长的寿命。PushCorp称其用户过去两年一直使用该工具，没有遇到电机方面的问题。

图3  机器人抛光工作单元内集成了科尔摩根无框电机和柔顺工装的PushCorp伺服电机换刀器

在多个行业中成功应用

PushCorp将科尔摩根无框伺服电机系列应用到臂端工具上，成功地满足了各种制造商的需求。生产铸铝轮毂的汽车供应商使用PushCorp的臂端工具，在镀铬之前除去了表面上可见的100%的刮痕和瑕疵。利用刀具变换器，可以使用不同磨料类型的工具，而这些工具可以用来处理所有复杂表面特征。该汽车供应商目前有8个机器人可实现7天×24h的进行该应用工作，从而将几百名操作员换到了较为简单、安全的工作环境中。该系统的伺服换刀器中包含一个轻型的、高功率密度的科尔摩根无框电机。而当其与主动磨削力柔性装置配合时能够迅速、准确地抛光工作表面(图1)，该过程需要用多种不同的磨料类型来处理高度复杂的表面特征。

一家1级汽车供应商使用了PushCorp磨削力控制工具和带砂磨鼓轮的伺服换刀器，而后者采用了科尔摩根伺服电机，其目的是进行模压成型(SMC)车体嵌板的边缘处理。这个工作单元负责除去嵌板边缘的飞边，然后压弯，以提高其上漆能力。此工作单元还让员工远离了有害环境，且提高了质量、可重复性和生产能力。

PushCorp还向一家生产自动取款机(ATM)钢制箱体的公司提供了由科尔摩根无框伺服电机驱动的柔性臂端工具。该系统负责拼接箱体表面的焊缝、除去箱体表面污点。将ATM箱体放置在一张旋转桌上，使机器人能够方便地接触所有金属片接缝。在所有磨料用完后，机器人会旋转到自动分配盘以获得新的磨料(图2)。这个自动化系统取代了极其耗时且危险的手工操作。

一家大型的摩托车制造商使用集成了科尔摩根伺服电机的PushCorp设备对车架进行倒角、打线和修饰性打磨。压铸成型的车架的边缘上会存在飞边和粗糙的平面。左右机器人单元负责去除飞边、钻出安装孔，然后使用细砂介质打磨宽阔的表面。准备工作由PushCorp柔性工具完成，该工具内的伺服换刀器配备了一个轻型、高功率密度科尔摩根无框电机，工作单元使用了硬质合金钻头和安装在轴上的旋转砂磨盘(图3)。

图4 PushCorp STC 1503-BT30高速伺服刀架集成了科尔摩根无框电机

图5 集成了科尔摩根无框电机的稳固安装的PushCorp STC0605-BT30高转矩伺服刀架

通过伺服电机技术的优化解决工业挑战

对高度自动化的机械加工、模塑及铸锻操作中生产的零件进行磨砂、倒角、研磨和抛光通常是通过耗时、高成本、危险性高的人工操作完成。通过机器人实现这些精加工操作的自动化，需要功率密度非常高的电机设计，以减小臂端设备的尺寸和重量，从而实现机器人性能的最大化。

科尔摩根与PushCorp合作，为PushCorp的臂端工具产品优化了多个不同类型的高转矩伺服电机。科尔摩根的电磁设计知识和高压绝缘专业知识帮助PushCorp制造了能实现其工业用户最高生产率要求的工具。

PushCorp STC 1503-BT30高速伺服刀架是重载应用的理想解决方案，其拥有强大的3马力(2.2kW)科尔摩根无框伺服电机和集成刀架，具备执行任何操作所需的力量、速度控制和恒定转矩(图4);PushCorp STC0605-BT30高转矩伺服刀架则是重载应用的理想解决方案，其拥有强大的5马力(3.8kW)科尔摩根无框伺服电机和集成刀架，具备执行任何操作所需的力量、速度控制和保持转矩(图5);而PushCorp STC1503高速伺服换刀器是全自动工作单元的理想解决方案，15000rpm的转速拥有强大的3马力(2.2kW)科尔摩根无框伺服电机和集成的Collect钳位，具备轻松执行磨砂、研磨、钻孔和打线操作所需的力量、速度控制和恒定转矩。小型尺寸和低重量使该装置非常适于机器人应用。

通过使用柔性臂端机械手实现自动化之后，制造过程中各种磨光和精加工操作能够得到显著优化，而这需要一个电机来驱动倒角、磨削和抛光设备。用户的实际应用证明，使用适用于多种电压范围的科尔摩根无框伺服电机，机器生产商能够有效改善其伺服驱动的臂端工具产品线的性能。这些高功率密度的电机能够以“罐头”大小的尺寸实现5马力的功率，使机器生产商能够达到工业用户所需的性能，提高操作员的安全性、生产率和工作质量。

根据用户的具体应用优化的无框电机，使机器开发商能够获得最高效的嵌入式电机技术。通过应用科尔摩根的电磁设计知识和利用现有生产电机中的部件，无框电机的高价值将成为用户下一代机器开发中的强大要素。