在国内机床市场上, 五轴联动机床的高额丰厚利润向来为国外厂商所独享, 国内机床厂家由于无法获得多轴数控系统和高精度五轴头这两大关键部件, 而只能望洋兴叹。在国外机床市场上, 五轴头作为五轴联动机床的关键部件, 已经有20余年的发展历程, 因此技术比较成熟。目前, 伺服五轴头主要有下面三种结构。
图一所示结构是“谐波减速器+消隙齿轮”式五轴头的典型结构, 主传动系统由机床主轴传递到“主传动齿轮1”上, 然后经过两组斜齿轮将动力传到“主传动齿轮2”上, 带动主轴旋转。C轴转位由“C轴伺服电机”通过一组“同步皮带轮”带动“谐波减速器”旋转, 然后经过一组降速“消隙齿轮副”最终驱动C轴转位。A轴转位由“A轴伺服电机”驱动直联的“谐波减速器”旋转, 然后经过一组降速“消隙齿轮副”带动“A轴转位齿轮”旋转, 最终完成A轴转位。
该种结构是早期伺服五轴头比较常用的一种结构, 具有减速比大, 可靠性较高, 结构紧凑等优点。由于谐波减速器本身有齿侧间隙, 因此必须配合消隙齿轮组使用, 这样使得转位机构结构复杂, 而且谐波减速器本身的额定扭矩不大。一定程度上限制了五轴头的性能。主轴很难实现高转速。因此现在这种结构应用的较少。
图二所示结构是用蜗轮蜗杆驱动的伺服五轴头结构。主传动部分与“谐波减速器”式的五轴头结构相似。都是由机床主轴通过一系列的齿轮驱动主轴。C轴转位由“C轴伺服电机”通过一组齿轮带动“C轴蜗杆”旋转, 经过“C轴蜗轮”最终达到C轴转位的目的。A轴转位由“A轴伺服电机”通过一组齿轮带动“A轴蜗杆”旋转, 经过“A轴蜗轮”驱动A轴转位。
蜗轮蜗杆式的五轴头在我国起步较早, 技术相对成熟。国内各大机床厂多采用此种结构, 它具有结构紧凑, 体积小, 精度较高, 运动平稳等优点。
蜗轮蜗杆副的侧隙对加工的精度和平稳性影响很大, 因此, 通常采用双导程蜗轮蜗杆来减小侧隙。但是, 蜗轮蜗杆传动效率低, 发热量大, 磨损严重等问题也是比较明显的。目前, 蜗轮蜗杆式的摆头在国内仍然是主流。
力矩电机应用在机床领域是最近10年才出现的。由于内部没有传动机构, 因此噪音较小, 特别是在高速条件下, 优势明显。另外它还具有精度高, 可靠性好, 重量轻等优点。力矩电机式五轴头也有自身的缺点, 在使用的时候要防止液体进入力矩电机, 以免造成电机的损坏。另外, 在工作时候, 力矩电机发热量较大, 会引起周围部件的热变形, 影响性能和精度。再加上力矩电机价格高昂, 也制约了它的普及与推广。
伺服五轴头在未来的发展中, 依然会保持机械结构和直驱结构并行的状态, 在中, 低转速、大扭矩、精度要求不高等领域, 机械结构仍然是首选。各大机床企业正在研发新的结构来替代蜗轮蜗杆, 从而避免其缺点。
在高转速, 高精度等高强度轻质材料的加工领域, 力矩电机直驱有明显的优势。各大企业会在提高可靠性和降低成本方面加大研发力度。
随着伺服五轴头关键技术被一个一个攻破, 五轴头必将朝着更高档次发展。
在不久的将来, 将会出现电主轴自动更换、三轴摆动等更高端的产品。满足航空, 造船, 风电, 核电等领域发展的需要。
摘要：在机床产品中铣头式五轴联动机床是机床中的尖端技术产品。本文对当今几种典型的五轴头结构进行了讲解, 分析, 对比各种结构的优缺点。
关键词：五轴头,双导程涡轮蜗杆副,谐波减速器机构,力矩电机
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