TWI417165B - 工作機械之旋轉主軸頭 - Google Patents

Description

工作機械之旋轉主軸頭

本發明係有關於一種多軸加工機械之旋轉主軸頭的技術領域，尤指一種兼具高轉速與高扭力的工作機械之旋轉主軸頭。

近年來，隨著風力發電等能源產業的興起，使得大型多軸化、複合化加工設備的需求與日俱增，而這些加工設備的旋轉主軸頭技術，對於扭力與速度的要求也變得更加嚴苛。

請參閱第1圖，其係傳統大型多軸加工機械之結構示意圖。其係於一機台80上設置一第一滑軌組81，並於該第一滑軌組81設置一工作台82，該工作台82係供工件設置，另於該機台80高架一架體83，並於該架體83上設置一第二滑軌組84，再於該第二滑軌組84上設置一第三滑軌組85，而該第一滑軌組81、第二滑軌組84與該第三滑軌組85三者係相互垂直，而構成一個可以進行X、Y、Z三軸向位移之系統，並且於該第三滑軌組85上設置一座體86，再於該座體86設置一旋轉主軸頭9。

該旋轉主軸頭9具有一主軸單元91與一叉式軸座92，該主軸單元91係由一旋轉座911、一主軸912與被夾持於該主軸912之刀具913所構成，使該刀具913能被該主軸912帶動旋轉，且該旋轉座911可於叉式軸座92的兩端支撐部位921、922內進行A軸向旋轉，且該旋轉主軸頭9可相對於該座體86進行C軸向之旋轉，即可實現多軸向加工之功能。

而前述的旋轉主軸頭設計大致可以區分為伺服馬達搭配減速機構、扭矩馬達直接驅動以及扭矩馬達搭配減速機構三大類。

以伺服馬達搭配減速機構之技術概如美國專利US5,257,883、US5,996,329等專利。其中US5,257,883號專利係揭示一種採用雙支撐叉式結構，並利用伺服馬達驅動斜齒輪來驅動主軸頭旋轉之結構；而US5,996,329號專利則是利用兩顆伺服馬達分別驅動蝸輪蝸桿與斜齒輪減速機構，用以控制主軸的兩個正交方向之旋轉運動。

由於伺服馬達輸出之扭力值較小，因此其所使用之減速機構必須選用高減速比(數十倍至百倍)之設計，才能將扭力值放大，以符合旋轉主軸頭之工作所需，但是使用高減速比的機械傳動方式，會導致較多機械效能損失，並且會導致轉速大幅降低，而無法應用於高速加工，再者高減速比之減速機構通常具有較大的體積，而會影響到旋轉主軸頭之設計自由度。

而以扭矩馬達直接驅動之技術概如我國專利公告第I314075號專利(即美國專利US7,293,340)，其係於雙叉式之叉臂結構的兩側分別設置一扭矩馬達，而由該二扭矩馬達直接且共同地驅動主軸頭作旋轉運動。

由於扭矩馬達具有較高扭力輸出之能力，因此由扭矩馬達直接驅動的方式具有低動力耗損與高轉速等特性。但是，採用兩顆扭矩馬達之成本較高，而且從設計觀點來看，當扭矩馬達規格需要提高時，體積與成本也會隨之增加，使得設計較不具彈性。

另外，以扭矩馬達搭配減速機構之技術係揭露於美國專利US7,470,095號專利，其係於一雙叉式結構之叉座中由一扭矩馬達經由一個一階齒輪傳動機構來帶動主軸頭旋轉，意欲藉此提高扭力輸出。

但是在US7,470,095號專利中，該扭矩馬達與該主軸頭之旋轉軸心並非同軸設置，其所能選用之扭矩馬達的規格與傳動機構的可配置空間受限，導致輸出扭力仍僅適用於輕度與中度切削應用場合。再者，由於輸入與輸出並非同軸設計，因此其動態平衡性仍有再加以改進之必要。

有鑑於此，本發明之主要目的在於解決上述的問題而提供一種兼具高轉速與高扭力性能的工作機械之旋轉主軸頭。

本發明之次一目的係在於提供一種具有良好的動態平衡特性之旋轉主軸頭。

為達上述之目的，本發明工作機械之旋轉主軸頭主要係由一主軸旋轉單元、一叉式軸座與一驅動單元所構成，該主軸旋轉單元係由一夾持切削刀具之主軸與一旋轉座所組成；該叉式軸座係供結合於工作機械，且供該主軸旋轉單元樞設；而該驅動單元係由一扭矩馬達與一行星齒輪式減速機構所組成，該扭矩馬達與該行星齒輪式減速機構係同軸設置於該叉式軸座，且該行星齒輪式減速機構係與該主軸旋轉單元連結，俾以帶動該主軸旋轉單元於該叉式軸座中旋轉。

由於行星齒輪式減速機構具有較低之減速比，並且為輸入與輸出同軸之減速設計，因此使用單顆扭矩馬達配合行星齒輪式減速機構可放大數倍扭力並維持高轉速，而達到兼具高轉速與高扭力性能之需求，且可適用於高速輕切削與高扭力重切削等工作條件。

再者，由於扭矩馬達與該行星齒輪式減速機構同軸設置之方式，可使機構之配置緊湊且對稱，而可提昇扭矩密度與分散動力負載，更可讓主軸旋轉單元運作時，具有良好的動態平衡特性。

於一較佳實施例中，該行星齒輪式減速機構主要是由一太陽齒輪、複數個行星齒輪、一環形齒輪與一行星架所組成，該太陽齒輪係由該扭矩馬達帶動，而各行星齒輪係等間隔地環繞於該太陽齒輪外緣，並分別與該太陽齒輪囓合，該環形齒輪係與該太陽齒輪同軸設置而鎖固於該叉式軸座，並且該環形齒輪係與各行星齒輪相囓合，而各行星齒輪分別樞設於一軸件上，各軸件係固定於該行星架，並且該行星架係與該主軸旋轉單元連結，俾以帶動該主軸旋轉單元旋轉。

於一較佳實施例中，該行星架相對於該扭矩馬達之一側結合有一連結件，且該連結件係供與該主軸旋轉單元連結，而可帶動該主軸旋轉單元旋轉。

於一較佳實施例中，該叉式軸座對應該扭矩馬達凸出有一固定座，該扭矩馬達對應具有一馬達座，而可相互結合鎖固該扭矩馬達，該扭矩馬達設有一馬達定子，該馬達定子係呈環狀，且該扭矩馬達於該馬達定子內部樞設有一馬達轉子，該馬達轉子則與一心軸結合，俾由該心軸驅動該行星齒輪式減速機構。

於一較佳實施例中，該馬達定子外緣與該馬達座之間設有複數個冷卻流道，以供冷卻流體流通來帶走該扭矩馬達工作時所產生之熱。

於一較佳實施例中，該叉式軸座於兩側分別具有一第一支撐部與一第二支撐部，且該主軸旋轉單元係樞設於該第一支撐部與該第二支撐部之間。

於一較佳實施例中，該第一支撐部與該第二支撐部均係為一中空狀結構，而分別具有一第一容置部與一第二容置部，該第一容置部係供該驅動單元設置。

於一較佳實施例中，該叉式軸座具有複數個鎖固孔以形成一鎖固介面，而可用以與立式或臥式工具機等工作機械結合固定。

於一較佳實施例中，該主軸旋轉單元具有一旋轉座，該旋轉座係樞設該叉式軸座，該旋轉座係供該主軸設置，且該主軸向下突伸出該旋轉座而可供夾持刀具，俾以對工件進行切削工作。

於一較佳實施例中，該叉式軸座相對於該驅動單元設置之一側係供一煞車裝置與一角度編碼器設置，用以對該主軸旋轉單元提供緊密夾持與精密定位之作用。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖示，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。

請參考第2圖至第6圖，第2圖係本發明之立體外觀圖；第3圖係本發明另一角度之立體外觀圖；第4圖係本發明之剖視結構示意圖；第5圖係本發明行星齒輪式減速機構部份之剖視結構示意圖；第6圖係本發明行星齒輪式減速機構之平面結構示意圖。

本發明之旋轉主軸頭1係運用於工作機械上，該旋轉主軸頭1主要係由一叉式軸座10、一主軸旋轉單元2以及一驅動單元3所組成。

該叉式軸座10之結構概呈一倒U形，而於兩側分別具有一第一支撐部11與一第二支撐部12，且該主軸旋轉單元2係設置於該第一支撐部11與該第二支撐部12之間，而該叉式軸座10之頂面具有複數個鎖固孔131以形成一鎖固介面13，用以與立式或臥式工具機等工作機械的固定式座體或旋轉式座體結合固定。

而該主軸旋轉單元2具有一旋轉座21，該旋轉座21係樞設於該第一支撐部11與該第二支撐部12之間，該旋轉座21中設有一主軸22，該主軸22向下突伸出該旋轉座21並且夾持一刀具23，俾以對工件進行切削。

該叉式軸座10之第一支撐部11與第二支撐部12均係為一中空狀結構，而分別具有一第一容置部111與一第二容置部121，該第一容置部111係供該驅動單元3設置，用以驅動該主軸旋轉單元2產生旋轉運動，而該第二支撐部12則係供一煞車裝置6與一角度編碼器7設置，用以對該主軸旋轉單元2提供緊密夾持與精密定位之功能，該煞車裝置6與該角度編碼器7之技術並非本發明首創之特徵部份，因此不予詳述。

如第4圖與第5圖所示，該驅動單元3係由一扭矩馬達4與一行星齒輪式減速機構5所組成。而該第一支撐部11於該第一容置部111中對應該扭矩馬達4與該行星齒輪式減速機構5凸出有一階級狀之固定座112，該扭矩馬達4則對應具有一馬達座40，使該馬達座40係鎖固於該固定座112上來固定該扭矩馬達4，該扭矩馬達4於該馬達座40內緣設有一馬達定子41，該馬達定子41係呈環狀，且該扭矩馬達4於該馬達定子41內部樞設有一馬達轉子42，俾於電磁作用下產生扭矩輸出，該馬達轉子42則藉由一固定板43與一中空狀之心軸44結合，並且該心軸44與該馬達座40之間係由一第一軸承45連結，而可由該心軸44驅動該行星齒輪式減速機構5。另外，在該馬達定子41外緣與該馬達座40之間設有複數個冷卻流道46以供冷卻流體流通，而可帶走該扭矩馬達4工作時所產生之熱。

請配合參考第4圖至第6圖，該行星齒輪式減速機構5主要是由一太陽齒輪51、複數個行星齒輪52、一環形齒輪53與一行星架55所組成，該太陽齒輪51係結合固定於該扭矩馬達4之心軸44，而各行星齒輪52則係等間隔地環繞於該太陽齒輪51外緣，並分別與該太陽齒輪51囓合，該環形齒輪53係與該太陽齒輪51同軸設置而鎖固於該固定座112，並且該環形齒輪53係供各行星齒輪52相囓合，而各行星齒輪52分別樞設於一軸件54上，各軸件54則固定於該行星架55，並且該行星架55相對於該扭矩馬達4之一側結合有一連結件56，該連結件56與該第一支撐部11之間係由一第二軸承57連結，且該連結件56係供與該旋轉座21結合，而可由該連結件56帶動該主軸旋轉單元2進行旋轉運動。

實務上，該扭矩馬達4之馬達轉子42亦可直接與該心軸44結合，而不需使用該固定板43；而該行星架55亦可直接與該旋轉座21結合，不需使用連結件56，如此可進一步減少構成元件之數量。

本發明利用前述之配置方式，當太陽齒輪51受驅動時，各行星齒輪52除了本身自轉外，亦會產生減速之公轉運動，而使該行星架55旋轉，再由該連結件56帶動該主軸旋轉單元2之旋轉座21進行旋轉運動。

該行星齒輪式減速機構5之減速比例，是決定於太陽齒輪51與該環形齒輪53的尺寸關係，若兩者節圓直徑分別為D1與D2，則輸入輸出轉速比為output /input =D 1/(D 1+D 2)；亦即，假設環形齒輪53節圓直徑為太陽齒輪51的五倍，則可以將扭矩馬達4的扭力放大六倍，如此即可大幅提昇主軸旋轉單元2之加工能力。

再者，該行星齒輪式減速機構5之減速比例較低，其所產生之機械效能損耗也較低。

本發明前述之扭矩馬達4若採用市售ETEL Motion Technology公司生產，編號：TMK0360-070-3UFS之扭矩馬達，其最大扭力1,044Nm，轉速393rpm，配合本發明之行星齒輪式減速機構5可使該主軸旋轉單元2之旋轉座21產生最高扭力6,264Nm、轉速65.5rpm之輸出，使本發明可同時應用於如航太或能源相關領域之低速輕切削與高扭力重切削場合。

藉由上述說明可知，由於本發明之扭矩馬達4與該行星齒輪式減速機構5係以同軸心之方式結合設置，如此緊湊且對稱的配置方式，除了可提昇扭矩密度與分散動力負載外，更可讓主軸旋轉單元運作時，具有良好的動態平衡特性。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1．．．旋轉主軸頭

10．．．叉式軸座

11．．．第一支撐部

12．．．第二支撐部

131．．．鎖固孔

13．．．鎖固介面

111．．．第一容置部

112．．．固定座

121．．．第二容置部

2．．．主軸旋轉單元

21．．．旋轉座

22．．．主軸

23．．．刀具

3．．．驅動單元

4．．．扭矩馬達

40．．．馬達座

41．．．馬達定子

42．．．馬達轉子

43．．．固定板

44．．．心軸

45．．．第一軸承

46．．．冷卻流道

5．．．行星齒輪式減速機構

51．．．太陽齒輪

52．．．行星齒輪

53．．．環形齒輪

54．．．軸件

55．．．行星架

56．．．連結件

57．．．第二軸承

6．．．煞車裝置

7．．．角度編碼器

80．．．機台

81．．．第一滑軌組

82．．．工作台

83．．．架體

84．．．第二滑軌組

85．．．第三滑軌組

9．．．旋轉主軸頭

91．．．主軸單元

911．．．旋轉座

912．．．主軸

913．．．刀具

92．．．叉式軸座

921、922．．．支撐部位

A、B、X、Y、Z．．．軸向

第1圖係傳統大型多軸加工機械之結構示意圖；

第2圖係本發明之立體外觀圖；

第3圖係本發明另一角度之立體外觀圖；

第4圖係本發明之剖視結構示意圖；

第5圖係本發明行星齒輪式減速機構部份之剖視結構示意圖；及

第6圖係本發明行星齒輪式減速機構之平面結構配置示意圖。

11‧‧‧第一支撐部

12‧‧‧第二支撐部

131‧‧‧鎖固孔

111‧‧‧第一容置部

112‧‧‧固定座

121‧‧‧第二容置部

2‧‧‧主軸旋轉單元

21‧‧‧旋轉座

22‧‧‧主軸

23‧‧‧刀具

3‧‧‧驅動單元

4‧‧‧扭矩馬達

40‧‧‧馬達座

41‧‧‧馬達定子

42‧‧‧馬達轉子

43‧‧‧固定板

44‧‧‧心軸

45‧‧‧第一軸承

46‧‧‧冷卻流道

5‧‧‧行星齒輪式減速機構

51‧‧‧太陽齒輪

52‧‧‧行星齒輪

53‧‧‧環形齒輪

54‧‧‧軸件

55‧‧‧行星架

56‧‧‧連結件

57‧‧‧第二軸承

6‧‧‧煞車裝置

7‧‧‧角度編碼器

Claims (10)

1. 一種工作機械之旋轉主軸頭，其包括：一主軸旋轉單元，由一夾持切削刀具之主軸與一旋轉座所組成；一叉式軸座，係供結合於工作機械，且供該主軸旋轉單元樞設；及一驅動單元，其係由一扭矩馬達與一行星齒輪式減速機構所組成，該扭矩馬達與該行星齒輪式減速機構係同軸設置於該叉式軸座，且該行星齒輪式減速機構係與該主軸旋轉單元連結，俾以帶動該主軸旋轉單元於該叉式軸座中旋轉。
2. 依申請專利範圍第1項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該行星齒輪式減速機構主要是由一太陽齒輪、複數個行星齒輪、一環形齒輪與一行星架所組成，該太陽齒輪係由該扭矩馬達帶動，而各行星齒輪係等間隔地環繞於該太陽齒輪外緣，並分別與該太陽齒輪囓合，該環形齒輪係與該太陽齒輪同軸設置而鎖固於該叉式軸座，並且該環形齒輪係與各行星齒輪相囓合，而各行星齒輪分別樞設於一軸件上，各軸件係固定於該行星架，並且該行星架係與該主軸旋轉單元連結，俾以帶動該主軸旋轉單元旋轉。
3. 依申請專利範圍第2項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該行星架相對於該扭矩馬達之一側結合有一連結件，且該連結件係供與該主軸旋轉單元連結。
4. 依申請專利範圍第1項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該叉式軸座對應該扭矩馬達凸出有一固定座，該扭矩馬達對應具有一馬達座，以供結合鎖固該扭矩馬達，該扭矩馬達於該馬達座內緣設有一馬達定子，該馬達定子係呈環狀，且該扭矩馬達於該馬達定子內部心樞設有一馬達轉子，該馬達轉子則與一心軸結合，俾由該心軸驅動該行星齒輪式減速機構。
5. 依申請專利範圍第4項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該馬達定子外緣與該馬達座之間設有複數個冷卻流道，以供冷卻流體流通。
6. 依申請專利範圍第1項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該叉式軸座於兩側分別具有一第一支撐部與一第二支撐部，該主軸旋轉單元係樞設於該第一支撐部與該第二支撐部之間。
7. 依申請專利範圍第6項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該第一支撐部與該第二支撐部均係為一中空狀結構，而分別具有一第一容置部與一第二容置部，該第一容置部係供該驅動單元設置。
8. 依申請專利範圍第1項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該叉式軸座具有複數個鎖固孔以形成一鎖固介面，用以與工作機械結合固定。
9. 依申請專利範圍第1項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該主軸旋轉單元具有一旋轉座，該旋轉座係樞設該叉式軸座，該旋轉座係供該主軸設置，且該主軸向下突伸出該旋轉座而可供夾持刀具。
10. 依申請專利範圍第1項所述之工作機械之旋轉主軸頭，其中該叉式軸座相對於該驅動單元設置之一側係供一煞車裝置與一角度編碼器設置，用以對該主軸旋轉單元提供緊密夾持與精密定位之作用。