伺服五軸頭典型結構分析

李世盛（大連海天國華（精工）機械有限公司，遼寧 大連 116000）

伺服五軸頭典型結構分析

李世盛（大連海天國華（精工）機械有限公司，遼寧 大連 116000）

在機床產品中銑頭式五軸聯動機床是機床中的尖端技術產品。本文對當今幾種典型的五軸頭結構進行了講解，分析，對比各種結構的優缺點。

五軸頭；雙導程渦輪蝸桿副；諧波減速器機構；力矩電機

在國內機床市場上,五軸聯動機床的高額豐厚利潤向來為國外廠商所獨享,國內機床廠家由于無法獲得多軸數控系統和高精度五軸頭這兩大關鍵部件,而只能望洋興嘆。在國外機床市場上，五軸頭作為五軸聯動機床的關鍵部件，已經有20余年的發展歷程，因此技術比較成熟。目前，伺服五軸頭主要有下面三種結構。

1 諧波減速器式+消隙齒輪式

圖一

圖一所示結構是“諧波減速器+消隙齒輪”式五軸頭的典型結構，主傳動系統由機床主軸傳遞到“主傳動齒輪1”上，然后經過兩組斜齒輪將動力傳到“主傳動齒輪2”上，帶動主軸旋轉。C軸轉位由“C軸伺服電機”通過一組“同步皮帶輪”帶動“諧波減速器”旋轉，然后經過一組降速“消隙齒輪副”最終驅動C軸轉位。A軸轉位由“A軸伺服電機”驅動直聯的“諧波減速器”旋轉，然后經過一組降速“消隙齒輪副”帶動“A軸轉位齒輪”旋轉，最終完成A軸轉位。

該種結構是早期伺服五軸頭比較常用的一種結構，具有減速比大，可靠性較高，結構緊湊等優點。由于諧波減速器本身有齒側間隙，因此必須配合消隙齒輪組使用，這樣使得轉位機構結構復雜，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。主軸很難實現高轉速。因此現在這種結構應用的較少。

2 蝸輪蝸桿傳動式

圖二所示結構是用蝸輪蝸桿驅動的伺服五軸頭結構。主傳動部分與“諧波減速器”式的五軸頭結構相似。都是由機床主軸通過一系列的齒輪驅動主軸。C軸轉位由“C軸伺服電機”通過一組齒輪帶動“C軸蝸桿”旋轉，經過“C軸蝸輪”最終達到C軸轉位的目的。A軸轉位由“A軸伺服電機”通過一組齒輪帶動“A軸蝸桿”旋轉，經過“A軸蝸輪”驅動A軸轉位。

蝸輪蝸桿式的五軸頭在我國起步較早，技術相對成熟。國內各大機床廠多采用此種結構，它具有結構緊湊，體積小，精度較高，運動平穩等優點。

蝸輪蝸桿副的側隙對加工的精度和平穩性影響很大，因此，通常采用雙導程蝸輪蝸桿來減小側隙。但是，蝸輪蝸桿傳動效率低，發熱量大，磨損嚴重等問題也是比較明顯的。目前，蝸輪蝸桿式的擺頭在國內仍然是主流。

圖二

3 力矩電機式

力矩電機應用在機床領域是最近10年才出現的。由于內部沒有傳動機構，因此噪音較小，特別是在高速條件下，優勢明顯。另外它還具有精度高，可靠性好，重量輕等優點。力矩電機式五軸頭也有自身的缺點，在使用的時候要防止液體進入力矩電機，以免造成電機的損壞。另外，在工作時候，力矩電機發熱量較大，會引起周圍部件的熱變形，影響性能和精度。再加上力矩電機價格高昂，也制約了它的普及與推廣。

4 伺服五軸頭發展趨勢

伺服五軸頭在未來的發展中，依然會保持機械結構和直驅結構并行的狀態，在中，低轉速、大扭矩、精度要求不高等領域，機械結構仍然是首選。各大機床企業正在研發新的結構來替代蝸輪蝸桿，從而避免其缺點。

在高轉速，高精度等高強度輕質材料的加工領域，力矩電機直驅有明顯的優勢。各大企業會在提高可靠性和降低成本方面加大研發力度。

隨著伺服五軸頭關鍵技術被一個一個攻破，五軸頭必將朝著更高檔次發展。

在不久的將來，將會出現電主軸自動更換、三軸擺動等更高端的產品。滿足航空，造船，風電，核電等領域發展的需要。

［1］張伯霖.超高速傳動與機床的零傳動［J］中國機械工程 1996.7(5);37-41.

［2］張伯霖.楊慶東、陳長年高速切削技術及其應用［M］機械工業出版社2002.9.

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