李世盛（大連海天國(guó)華（精工）機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116000）

伺服五軸頭典型結(jié)構(gòu)分析

李世盛（大連海天國(guó)華（精工）機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116000）

在機(jī)床產(chǎn)品中銑頭式五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床是機(jī)床中的尖端技術(shù)產(chǎn)品。本文對(duì)當(dāng)今幾種典型的五軸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了講解，分析，對(duì)比各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

五軸頭；雙導(dǎo)程渦輪蝸桿副；諧波減速器機(jī)構(gòu)；力矩電機(jī)

在國(guó)內(nèi)機(jī)床市場(chǎng)上,五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的高額豐厚利潤(rùn)向來為國(guó)外廠商所獨(dú)享,國(guó)內(nèi)機(jī)床廠家由于無法獲得多軸數(shù)控系統(tǒng)和高精度五軸頭這兩大關(guān)鍵部件,而只能望洋興嘆。在國(guó)外機(jī)床市場(chǎng)上，五軸頭作為五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的關(guān)鍵部件，已經(jīng)有20余年的發(fā)展歷程，因此技術(shù)比較成熟。目前，伺服五軸頭主要有下面三種結(jié)構(gòu)。

1 諧波減速器式+消隙齒輪式

圖一

圖一所示結(jié)構(gòu)是“諧波減速器+消隙齒輪”式五軸頭的典型結(jié)構(gòu)，主傳動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)床主軸傳遞到“主傳動(dòng)齒輪1”上，然后經(jīng)過兩組斜齒輪將動(dòng)力傳到“主傳動(dòng)齒輪2”上，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。C軸轉(zhuǎn)位由“C軸伺服電機(jī)”通過一組“同步皮帶輪”帶動(dòng)“諧波減速器”旋轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過一組降速“消隙齒輪副”最終驅(qū)動(dòng)C軸轉(zhuǎn)位。A軸轉(zhuǎn)位由“A軸伺服電機(jī)”驅(qū)動(dòng)直聯(lián)的“諧波減速器”旋轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過一組降速“消隙齒輪副”帶動(dòng)“A軸轉(zhuǎn)位齒輪”旋轉(zhuǎn)，最終完成A軸轉(zhuǎn)位。

該種結(jié)構(gòu)是早期伺服五軸頭比較常用的一種結(jié)構(gòu)，具有減速比大，可靠性較高，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。由于諧波減速器本身有齒側(cè)間隙，因此必須配合消隙齒輪組使用，這樣使得轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且諧波減速器本身的額定扭矩不大。一定程度上限制了五軸頭的性能。主軸很難實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。因此現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用的較少。

2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)式

圖二所示結(jié)構(gòu)是用蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的伺服五軸頭結(jié)構(gòu)。主傳動(dòng)部分與“諧波減速器”式的五軸頭結(jié)構(gòu)相似。都是由機(jī)床主軸通過一系列的齒輪驅(qū)動(dòng)主軸。C軸轉(zhuǎn)位由“C軸伺服電機(jī)”通過一組齒輪帶動(dòng)“C軸蝸桿”旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過“C軸蝸輪”最終達(dá)到C軸轉(zhuǎn)位的目的。A軸轉(zhuǎn)位由“A軸伺服電機(jī)”通過一組齒輪帶動(dòng)“A軸蝸桿”旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過“A軸蝸輪”驅(qū)動(dòng)A軸轉(zhuǎn)位。

蝸輪蝸桿式的五軸頭在我國(guó)起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟。國(guó)內(nèi)各大機(jī)床廠多采用此種結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，精度較高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

蝸輪蝸桿副的側(cè)隙對(duì)加工的精度和平穩(wěn)性影響很大，因此，通常采用雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿來減小側(cè)隙。但是，蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率低，發(fā)熱量大，磨損嚴(yán)重等問題也是比較明顯的。目前，蝸輪蝸桿式的擺頭在國(guó)內(nèi)仍然是主流。

圖二

3 力矩電機(jī)式

力矩電機(jī)應(yīng)用在機(jī)床領(lǐng)域是最近10年才出現(xiàn)的。由于內(nèi)部沒有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此噪音較小，特別是在高速條件下，優(yōu)勢(shì)明顯。另外它還具有精度高，可靠性好，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。力矩電機(jī)式五軸頭也有自身的缺點(diǎn)，在使用的時(shí)候要防止液體進(jìn)入力矩電機(jī)，以免造成電機(jī)的損壞。另外，在工作時(shí)候，力矩電機(jī)發(fā)熱量較大，會(huì)引起周圍部件的熱變形，影響性能和精度。再加上力矩電機(jī)價(jià)格高昂，也制約了它的普及與推廣。

4 伺服五軸頭發(fā)展趨勢(shì)

伺服五軸頭在未來的發(fā)展中，依然會(huì)保持機(jī)械結(jié)構(gòu)和直驅(qū)結(jié)構(gòu)并行的狀態(tài)，在中，低轉(zhuǎn)速、大扭矩、精度要求不高等領(lǐng)域，機(jī)械結(jié)構(gòu)仍然是首選。各大機(jī)床企業(yè)正在研發(fā)新的結(jié)構(gòu)來替代蝸輪蝸桿，從而避免其缺點(diǎn)。

在高轉(zhuǎn)速，高精度等高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的加工領(lǐng)域，力矩電機(jī)直驅(qū)有明顯的優(yōu)勢(shì)。各大企業(yè)會(huì)在提高可靠性和降低成本方面加大研發(fā)力度。

隨著伺服五軸頭關(guān)鍵技術(shù)被一個(gè)一個(gè)攻破，五軸頭必將朝著更高檔次發(fā)展。

在不久的將來，將會(huì)出現(xiàn)電主軸自動(dòng)更換、三軸擺動(dòng)等更高端的產(chǎn)品。滿足航空，造船，風(fēng)電，核電等領(lǐng)域發(fā)展的需要。

［1］張伯霖.超高速傳動(dòng)與機(jī)床的零傳動(dòng)［J］中國(guó)機(jī)械工程 1996.7(5);37-41.

［2］張伯霖.楊慶東、陳長(zhǎng)年高速切削技術(shù)及其應(yīng)用［M］機(jī)械工業(yè)出版社2002.9.

［3］易剛五軸頭技術(shù)水平分析及關(guān)鍵技術(shù)［J］金屬加工（冷加工）2011.05.