·机械制造研究·刘磊，等·几种双摆式铣头的结构分析及精度保持性研究
几种双摆式铣头的结构分析及精度保持性研究
刘磊．杨庆东
（北京信息科技大学机电工程学院，北京１００１９２）
摘要：对几种双摆式铣头的结构进行了比较和研究，重点研究了蜗轮蜗杆传动、锥齿轮和扇
形齿轮传动、力矩电机直接驱动３种结构形式的铣头，并分析了它们的精度保持性，总结了该
种结构的优缺点。
关键词：双摆式；精度保持性；动态性能
中图分类号：ＴＧＳ０２．１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－５２７６（２００９）０３－００１３４）３
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ＬＩＵＬｅｉ，ＹＡＮＧＱｉｎｇ－ｄｏｎｇ
（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｍｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９２，Ｃｈｉｎａ）
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０引言
五轴机床的５根轴通常是由３根直线轴外加２根回
转轴组成，其结构有多种形式，如铣头双摆式、工作台摆动
式、头摆工作台回转式等。由于在航空、航天、汽车、模具
以及军工产品等生产领域的需要，具有高精度、高性能、高
速以及重载能力的双摆式五轴机床已成为国内外有关机
构和厂家研究的热点…。目前，国内双摆式五轴机床一
般采用龙门式结构，其关键部件是铣头。高速双摆式铣头
一般采用内装式电动机直接驱动，实现了机床主运动的
“零传动”，并把两个回转轴都设计到铣头上。双摆式铣
头（图１）实现其回转运动即双向摆动的传动结构主要有
３种形式：１）蜗轮蜗杆传动；２）锥齿轮和扇形齿轮传动；３）
力矩电机直接驱动。
１蜗轮蜗杆传动的双摆铣头
蜗轮蜗杆传动这种铣头的结构研究在国内开展较早，技术比较成熟。目前国内各类铣头式五轴机床铣头的转动／摆动大都采用伺服电机驱动的蜗轮蜗杆结构，如沈阳机床集团生产的ＧＭＢ３０８０ｗｍ型龙门镗铣加工中心，济南二机床生产的龙门移动式大型五轴联动数控铣床，南京四开电子有限公司生产的ＳＫｌ２１６高速数控雕铣机都是采用蜗轮蜗杆传动结构。其结构原理如图２所示¨Ｊ。
整个铣头被安装在一个万向架上，万向架又被安装在滑枕上，通过滑枕的移动来实现３个直线坐标的运动。电
图１五轴联动双摆头式铣头
主轴ｌ直接驱动机床主切削运动。伺服电机７驱动小齿轮８转动，小齿轮８与大齿轮６啮合，由大齿轮６转动带动整个铣头回转，实现铣头沿Ｃ轴的旋转运动。伺服电机９驱动安装在电机输出轴上的皮带轮，通过皮带传动到另一带轮，带动蜗杆３转动，蜗杆３与蜗轮２配合，蜗轮与电主轴套连接在一起，这样蜗轮转动就可实现铣头Ａ轴的摆动。
Ｃ轴的一级减速利用同步带齿形带。同步齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动
作者简介：刘磊（１９８２一）．女，吉林省永吉县人，北京信息科技大学硕士研究生，研究方向为机械设计及自动化。
·１３· 万方数据
万方数据
·机械制造研究·刘磊，等·几种双摆式铣头的结构分析及精度保持性研究
于机床的轻量化和动态性能的提高。
３力矩电机直接驱动
随着电机传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，为了实现高速、高效和高精的机械；ｂｎ－ｒ目标，数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，除了机床主轴由内装式电动机直接驱动，双摆式铣头的两个旋转轴都由力矩电机直接驱动，实现了“零传动”【４】。德国直线电机系统ＣＹＴＥＣ公司为了实现万能自动镗铣头高速驱动，采用先进的力矩电机直接驱动技术，把机床进给传动链的长度缩短为零。图４为ＣＹＴＥＣ的Ｓ８系列矩电机驱动双摆头结构原理图。
ｌ—Ｃ轴：液压制动的力矩电机；２一增量编码器；
３—轴向，径向轴承；４．Ａ轴：液压制动的力矩电机；
５—绝对编码器；６一刀具接１２１
图４力矩电机直接驱动铣头的结构原理图
该机构主要由一个能使主轴绕各轴旋转的万向架、４个接在万向架上的力矩电机和电主轴组成。万向架和电主轴都采用力矩电机直接驱动。万向架由第一对力矩电机直接驱动实现Ｃ轴的转动。第二对力矩电机通过一对叉头连接在万向架上，可随万向架绕ｃ轴转动，转子通过电主轴套连接在电主轴上，直接驱动电主轴实现Ａ轴的摆动。
零传动机床是现在机床的一个发展趋势。采用低速大扭矩的力矩电机直接驱动代替传统的机械传动结构有诸多优势：
ａ）转速低，运转平稳，噪声小。机械传动链中机械噪声不复存在，高速旋转部件旋转动不平衡带来的振动噪声大为降低。
ｂ）控制精度高，机床的加工精度提高。减速机构的传动间隙加大了传动控制误差，降低ｒ系统的结构谐振频率。由于间隙的存在，控制系统的响应频带严重受限．不稳定区频率降低，运动控制易出现振荡乃至失效。采用低速大力矩电机后，系统增益可以进一步提高，控制对象的动态、静态误差都得到有效控制。从而显著提高了运动方向改变时的轮廓精度，并且其重复性精度也得到显著改善。
Ｃ）结构紧凑，体积小，质量轻。普通电机一般要经２—３级减速机减速才能达到低转速大扭矩的要求，机构庞大笨重。低速大力矩电机体积和质量通常不到同类型电
Ｍａｄｇ埘Ｂｕｉｌｄｉｎ霄ｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，３．ｎ２００９．３８（３）：１３一Ｄ机与减速机之和的一半，而且结构简单零部件少，拆装维修较为方便。
ｄ）高效节能。直接驱动简化了传动链，减少了能量损耗，综合效率远高于传统的普通电机加配减速机的综合效率。同时，低速大力矩电机多为永磁电机，因而具备效率高功率因数高等永磁电机的独特优点。
ｅ）可靠性高。润滑油泄漏『口Ｊ题不复存在，设备对安装、调试、维护的要求也大为降低。同时，由于高速转动和振动导致的磨损、机件松动、变形、疲劳失效等故障大为降低。
力矩电机也有自身的缺点。在使用力矩电机时，要保证切削和冷却液不会进人电机工作区域，否则会影响电机正常工作，缩短电机的寿命。电机工作时，电机绕组产生大量热量，电机定子部件直接与机床连接在一起，因此电机产生的热量会传递到机械部分，引起变形和机械变化，影响机械的性能，在机械结构设计时要考虑散热问题等。而且大扭矩、高刚度的力矩电机和高精度测量系统技术含量高，国产化程度还比较差，进口的力矩电机直驱双摆铣头价格昂贵，严重影响了普及应用ｐ
４总结
随着电机传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善和内装式电主轴的应用，数控机床逐渐向着高速、高效和高精度方向发展。双摆式铣头也有其自身的缺点。铣头被安装在滑枕上，随滑枕移动实现３个直线坐标的运动。铣头套承载铣头内部所有的零部件，属于箱体类零件，它的结构、尺寸与铣头内部所有零件的大小、位置分布和支撑形式有关。铣头套的结构设计为上圆下方的形式，铣头套的支撑联结和容纳零件的功能决定了铣头套结构的不规则性，在铣头套的结构设计时还要注意铣头套本身的易加工性、精度和刚度要求，同时铣头套本身的精度和动态性能也是影响整个铣头部件性能的重要部分。本文所介绍的几种双摆式铣头的结构各有性能优劣，在设计机床时应根据条件限制和实际需要适当选用。
参考文献：
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收稿日期：２００８—１０—３１
·１５· 万方数据
