一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，包括機體，所述機體內部設有定子、轉子、轉子軸、彈簧預緊機構以及前軸承和后軸承，還包括：固定于機體后端的連接座、與連接座固連的連接體，與連接體固連的汽缸組件、設置于汽缸組件端部的后蓋、連接于機體前端的前端蓋；轉子軸中心有松拉刀機構，前端配有拉爪，中間裝有碟簧組件，結合高性能傳感器使自動換刀更方便、準確、快捷。后端采用磁電式編碼器使低速轉矩輸出更均衡；采用壓縮空氣進行非接觸式氣密封，可獲得更高的旋轉速度；本發明主軸結構簡單緊湊但功能強大，不但比相同功率的常規電主軸體積小，而且具有低速大轉矩的特點，能夠廣泛應用于各種材料的高速、低速的精密加工。
【專利說明】
一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸
技術領域
[0001]本發明屬于機電一體化工程技術領域，具體涉及一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸。
【背景技術】
[0002]常用自動換刀電主軸是將主軸高速異步電機內裝，另加一套汽缸和松拉刀機構，從而實現高轉速、高精度及高效率等功能的機電一體化的動力部件，主要應用于高速加工機床，實現對不同材料的高轉速加工，提高加工效率。
[0003]目前市場上自動換刀的高速電主軸比較常見，但既能高速運轉，又能低速運轉且有大轉矩輸出的電主軸很少，主要原因是傳統的自動換刀電主軸采用高速異步變頻電機為基礎設計，不適合低速加工，且低速輸出轉矩小。近年來隨著市場對低速大轉矩電主軸的需求，一種用永磁同步作為內置式電機結合自動換刀的電主軸應運而生，但由于轉子設計緣于普通同步電機，使高速電磁弱化明顯突出，發熱大增，加之使用表貼永磁體加工工藝，使高速運轉更加困難;另外傳統的自動換刀電主軸在換刀時，其換刀軸向力全部作用在高速精磨軸承上，大大縮短了軸承的使用壽命。針對上述電主軸存在問題，本領域技術人員亟需提供一種既能低速大扭矩加工，又能高速切削的低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸。
【發明內容】
[0004]針對上述現有技術中的不足，本發明提供了一種既能低速大扭矩加工、又能高速切削，且性能穩定、軸承使用壽命長、能夠實現自動換刀的低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸。
[0005]為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:
[0006]—種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，包括機體，所述機體內部設有定子、轉子、轉子軸、彈簧預緊機構以及分設于轉子軸兩端的前軸承和后軸承，還包括:固定于機體后端的連接座、與連接座固連的連接體，與連接體固連的汽缸組件、設置于汽缸組件端部的后蓋、連接于機體前端的前端蓋;所述前端蓋靠近刀具的前側還貼設有前蓋，所述前蓋與轉子軸之間設有形成迷宮式密封的密封蓋，所述前蓋前側還設有密封罩;所述前軸承安裝于機體前端蓋上;所述前端蓋在靠近轉子軸的軸肩處設有擋板;所述轉子采用內嵌式永久磁體；
[0007]所述轉子軸中心有松拉刀機構，所述松拉刀機構包括拉桿、固定在拉桿輸出端用于夾住刀具組的的拉爪;在拉桿上遠離拉爪的一端還套設有壓套；固定在拉桿上遠離拉爪一端的壓套;所述汽缸組件包括并聯的多級汽缸和活塞，其中第一級汽缸和活塞固定于連接體上，最后一級氣缸與后蓋連接;所述壓套的端部容納于活塞內構成驅動松拉刀機構運動以自動換刀的配合關系；
[0008]所述連接座上形成有前端氣封入口AS、電源輸入線接口 ；所述連接座、機體、前端蓋及前蓋內形成有與前端氣封入口 AS連通的第一壓縮空氣流道，所述前端蓋內第一壓縮空氣流道的末端在密封罩內形成微正壓；
[0009]所述連接座內還安裝有磁電式編碼器，編碼器引線從連接座引出與外部控制系統相連接。
[0010]優選的，所述前軸承、后軸承均采用兩組配對并聯軸承;軸承配對形式設為DT組合形式。
[0011 ]優選的，所述連接座上還形成冷卻液入口 WAl、冷卻液出口 WA2，所述連接座及機體內形成有與冷卻液入口 WA1、冷卻液出口 WA2連通的冷卻液通道;所述冷卻液入口 WA1、冷卻液出口 WA2、冷卻液通道在機體內形成雙螺旋通道。
[0012]進一步的，所述雙螺旋通道中增設有檢修孔。
[0013]進一步的，所述冷卻液為水或者低粘度的油。
[0014]優選的，所述汽缸組件包括并聯的四級汽缸和活塞。
[0015]進一步的，所述后蓋上形成有卸刀進氣接口TO和活塞復位進氣接口 TI，所述卸刀進氣接口 TO貫通至第一級活塞的后端部，活塞復位進氣接口 TI連通至第一級活塞的前端部；當向卸刀進氣接口TO中注入空氣時，第一級活塞受壓向靠近刀具的方向運動，壓下松拉刀機構使拉爪張開釋放刀具；當向活塞復位進氣接口 TI中通入壓縮空氣時，壓縮空氣進活塞下腔推動活塞向遠離刀具的方向運動，松拉刀機構復位使拉爪夾緊刀具。
[0016]進一步的，所述拉桿設為中空管，拉桿上裝有抗疲勞的碟簧組件;碟簧組件固定在壓套作用端。
[0017]進一步的，所述連接座上還形成與拉桿中心孔、拉爪及前端主軸錐孔相通的除塵進氣接口 CL;除塵進氣接口 CL在卸刀時，壓縮空氣會通過活塞前移與連接體、壓套、拉桿及拉爪形成第二壓縮空氣通道b。
[0018]進一步的，還包括傳感器，所述傳感器通過從連接座引出的傳感器引線SE與外部的控制系統相連接。
[0019]本發明的有益效果在于:
[0020]I)、本發明通過容納于活塞內的壓套端部驅動松拉刀機構運動，配合高性能傳感器實現自動換刀，具體的，當壓縮空氣進入活塞后腔四活塞運動時，活塞前腔空氣由排氣孔自行排出，松拉刀機構碟簧壓縮，拉爪自行張開，刀具脫落。當新刀具裝刀時，活塞復位進氣接口連通至活塞的前端部，此時在活塞前腔通入壓縮空氣加速活塞后移，活塞前腔自行從排氣口補充空氣，活塞后腔排出空氣，同時被壓縮的碟簧迅速復位，刀具自行拉緊。如此往復加之與高性能傳感器配合可以實現自動更換刀具，并且換刀方便、快速、可靠。
[0021]2)、本發明舍棄了轉子表貼永久磁性材料的設計理念，改用轉子內嵌永久磁性材料，減少高速磁場弱化，降低轉子發熱，能夠獲得更高的主軸轉速和足夠的轉矩，特別在低速時獲得大轉矩的效果并穩定性好。
[0022]3)、本發明主軸結構簡單緊湊但功能強大，通過控制軸肩與擋板的尺寸來支撐自動換刀時承受的軸向力，由此改變常規電主軸的軸承裝配形式，軸承配對形式由傳統的DB組合形式設計成DT組合形式，避免了每次因換刀帶來的軸向力作用在軸承上，從而減少自動換刀時軸向力對軸承的傷害，同時DT組合形式比DB組合形式的極限轉速更高，大大提高了軸承的使用壽命。
[0023]4)、本發明對冷卻液流道進行了優化設計，在整個冷卻流道的中間增加了檢修口，便于清理冷卻液中沉淀的雜質，確保電主軸定子、軸承等關鍵部位的冷卻效果，保證了主軸和刀具的熱穩定性，進而提尚了加工精度。
[0024]5)、本發明的主軸在制作上無特殊的材料或工藝，成本低、性能可靠，同時還集成了磁電編碼器、傳感器等功能，能夠廣泛應用于各種材料的低速切削、高速加工，尤其適合加工中心、鉆攻加工。
[0025]6)、本發明中連接座上還形成與拉桿中心孔、拉爪及前端主軸錐孔相通的除塵進氣接口，除塵進氣接口在卸刀時，壓縮空氣會通過活塞前移與連接體、壓套、拉桿及拉爪形成另一壓縮空氣通道，可去除刀柄、拉爪、主軸內孔的雜質，提高刀柄與主軸內孔的接觸精度，滿足高精度零件的加工要求。
[0026]7)、本發明中采用四連體氣缸組件配合松拉刀機構實現換刀，具體的連接體與汽缸組件連接，后蓋設有卸刀進氣接口和活塞復位進氣接口，使用四聯活塞聯動卸刀，滿足氣壓不穩定的工況，適用氣壓范圍廣。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明一個優選實施例的剖面結構示意圖。
[0028]圖2為圖1所示實施例的側面結構示意圖。
[0029]圖3為本發明刀具的放大圖。
[0030]圖4是圖1所示實施例處于卸刀狀態的結構示意圖。
[0031]圖5是圖1所示實施例的剖面結構示意圖。
[0032]圖中標注符號的含義如下:
[0033]1-刀具2-密封罩3-前蓋4-密封蓋
[0034]5-前軸承6-前軸承隔圈 7-前端蓋8-擋板
[0035]9-轉子軸I O-轉子11-定子12-機體
[0036]13-碟簧組件 14-松拉刀機構140-拉桿141-拉爪
[0037]15-彈簧預緊機構16-后軸承 17-連接座18-磁電式編碼器
[0038]19-鎖緊螺母 20-壓套21-傳感器22-連接體
[0039]23-第一級活塞 24-汽缸25-最后一級活塞26-后蓋
[0040]TO-卸刀進氣接口 T1-活塞復位進氣接口
[0041 ] AS-前端氣封入口 WAl-冷卻液入口 WA2-冷卻液出口
[0042]CL-前端錐孔除塵進氣接口SE-傳感器引線
[0043]SE1-編碼器引線 a-第一壓縮空氣流道b-第二壓縮空氣通道
【具體實施方式】
[0044]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
[0045]參見圖1?圖5，為一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，主體結構包括:機體12，在機體12內部設有定子11、轉子10、轉子軸9、彈簧預緊機構15、前軸承5及后軸承16，其中，前軸承5和后軸承16分設于轉子軸9兩端并且前軸承5安裝于機體前端蓋7上，前軸承5、后軸承16均采用兩組配對并聯軸承，在配對的前軸承之間設有前軸承隔圈6;軸承配對形式設為DT組合形式。定子11與轉子軸9集成于機體12的內部，轉子軸9遠離刀具I的后端零部件通過鎖緊螺母19進行緊固，外部驅動機構輸出的高頻三相電源通過內置電機引線(U、V、W)供電給電主軸，驅動主軸高速運轉，所能運轉的最高轉速取決于前軸承5、后軸承16、轉子軸9、彈簧預緊機構15所組成的軸系的最高轉速。本發明中，通過對主軸的結構進行優化設計，主軸達到了低速轉矩大，高速24000rpm的穩定工作轉速，在目前市場上的自動換刀電主軸中處于領先地位。
[0046]為了實現自動換刀，除了上述主體結構外，如圖1至圖5所示，電主軸還包括:固定于機體12后端的連接座17、固定在連接座上的連接體22，與連接座17固連的連接體22，與連接體22固連的汽缸組件、設置于汽缸組件端部的后蓋26、連接于機體12前端的前端蓋7;前端蓋7靠近刀具I的前側還貼設有前蓋3，前蓋3與轉子軸9之間設有形成迷宮式密封的密封蓋4，前蓋3前側還設有密封罩2;前軸承5安裝于機體前端蓋7上，具體的位于前端蓋7、前蓋3及轉子軸9三者之間；前端蓋7在靠近轉子軸9的軸肩處設有擋板8，通過控制軸肩與擋板8的尺寸來支撐自動換刀時承受的軸向力，從而減少自動換刀時軸向力對軸承的傷害;轉子10采用內嵌式永久磁體，減少高速磁場弱化，降低轉子發熱，能夠獲得更高的主軸轉速和足夠的轉矩，特別在低速時獲得大轉矩的效果并穩定性好。
[0047 ]轉子軸9中心有松拉刀機構14，松拉刀機構14包括拉桿140、固定在拉桿140輸出端用于夾住刀具組的拉爪141;在拉桿140上遠離拉爪141的一端還套設有壓套20;汽缸組件包括并聯的多級汽缸24和活塞，其中第一級汽缸和活塞固定于連接體22上，最后一級氣缸25與后蓋26連接;作為一種優選的實施方式，拉桿140設為中空管，拉桿140上裝有抗疲勞的碟簧組件13;碟簧組件13固定在壓套20作用端。壓套20的端部容納于活塞內構成驅動松拉刀機構14運動以自動換刀的配合關系，具體的:汽缸24通過進入壓縮空氣推動活塞組件前移，使碟簧組件13壓縮，拉爪141前移并自行張開，刀具I離開錐孔，從而實現更換刀具;本發明電主軸還包括傳感器21，傳感器21通過從連接座17引出的傳感器引線SE與外部的控制系統相連接，配合傳感器21可實現自動換刀的目的。
[0048]更進一步的，后端蓋26上形成有卸刀進氣接口 TO和活塞復位進氣接口 TI，卸刀進氣接口 TO貫通至第一級活塞23的后端部，活塞復位進氣接口 TI連通至第一級活塞23的前端部;如圖4所示，當向卸刀進氣接口 TO中注入空氣時，第一級活塞23受壓向靠近刀具I的方向運動，壓下松拉刀機構14使拉爪141張開釋放如圖3所示的刀具I;如圖5所示，當向活塞復位進氣接口 TI中通入壓縮空氣時，壓縮空氣進活塞下腔推動活塞向遠離刀具I的方向運動，松拉刀機構14復位使拉爪141夾緊刀具I。
[0049 ] 本發明如圖2、圖4所示，在連接座17上形成有:前端氣封入口 AS，連接座17、機體12及前端蓋7內形成有與前端氣封入口 AS連通的第一壓縮空氣流道a，在防塵罩2內產生微正壓空氣，此正壓空氣通過防塵罩2與轉子軸9之間的縫隙流出，在主軸軸端周圍形成了一定的氣膜，避免了外界的水分、雜質進入主軸而達到非接觸式密封的效果，改變了高速旋轉體不能采用接觸式密封的缺陷。
[0050]為了使主軸具有良好的熱穩定性，確保加工過程的不間斷進行，如圖2、4所示，連接座17上還形成有:冷卻液入口 WAl、冷卻液出口 WA2，連接座17及機體12內形成有與冷卻液入口 WA1、冷卻液出口 WA2連通的冷卻液通道;冷卻液入口 WA1、冷卻液出口 WA2、冷卻液通道在機體內形成雙螺旋通道，冷卻液經冷卻液入口 WAl進入冷卻液通道，對定子11、前軸承5、后軸承16進行冷卻，最后從冷卻液出口WA2排出，完成循環換熱，使主軸的熱穩定性得以保證，極大地提高了加工精度。同時在整個循環通道中增設了檢修孔，以便在檢修主軸時對因冷卻液中沉淀雜質的清理，這樣可保持冷卻水道的暢通及冷卻效果，大大延長了電主軸的壽命。冷卻液可以是水或者低粘度的油。
[0051]作為本發明進一步的改進，如圖1、2、4、5所示，在連接座17上還形成有一前端錐孔除塵進氣接口 CL，該錐孔與拉桿140中心孔、拉爪141及前端主軸錐孔相通;除塵進氣接口 CL在卸刀時，壓縮空氣會通過活塞前移與連接體22、壓套20、拉桿140及拉爪141形成第二壓縮空氣通道b，最后吹到主軸前端的錐面上，實現對主軸內錐面及刀具I外錐面的清潔，保護錐面清潔度，從而確保主軸精度。
[0052]本發明還在信號反饋方面做出了改進，包括:傳感器21和磁電式編碼器18，分別通過從連接座17引出的傳感器引線SE和編碼器引線SEI與外部的控制系統相連接。通過傳感器21反饋的信號使外部的控制系統得到準確的刀具位置狀態，實現機床系統控制自動換刀；同時磁電式編碼器18可以準確的反饋主軸的轉速及轉角信號，通過對該信號的接受，機床系統可以控制主軸實現準確的閉環控制、角度定位及確保低速大轉矩的平穩輸出，使低速轉矩輸出均衡，高速運轉平穩可靠，定位精度高，適合各類低速大扭矩切削及鉆攻加工。
[0053]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，包括機體(12)，所述機體(12)內部設有定子(11)、轉子(10)、轉子軸(9)、彈簧預緊機構(15)以及分設于轉子軸(9)兩端的前軸承(5)和后軸承(16)，其特征在于，還包括:固定于機體(12)后端的連接座(17)、與連接座(17)固連的連接體(22)，與連接體(22)固連的汽缸組件、設置于汽缸組件端部的后蓋(26)、連接于機體(12)前端的前端蓋(7);所述前端蓋(7)靠近刀具(I)的前側還貼設有前蓋(3)，所述前蓋(3)與轉子軸(9)之間設有形成迷宮式密封的密封蓋(4)，所述前蓋(3)前側還設有密封罩(2);所述前軸承(5)安裝于機體前端蓋(7)上;所述前端蓋(7)在靠近轉子軸(9)的軸肩處設有擋板(8);所述轉子(10)采用內嵌式永久磁體； 所述轉子軸(9)中心有松拉刀機構(14)，所述松拉刀機構(14)包括拉桿(140)、固定在拉桿(140)輸出端用于夾住刀具組的的拉爪(141);在拉桿(140)上遠離拉爪(141)的一端還套設有壓套(20);所述汽缸組件包括并聯的多級汽缸(24)和活塞，其中第一級汽缸和活塞固定于連接體(22)上，最后一級氣缸與后蓋(26)連接;所述壓套(20)的端部容納于活塞內構成驅動松拉刀機構(14)運動以自動換刀的配合關系； 所述連接座(17)上形成有前端氣封入口(AS)、電源輸入線接口 ；所述連接座(17)、機體(12)、前端蓋(7)及前蓋(3)內形成有與前端氣封入口(AS)連通的第一壓縮空氣流道(a)，所述前端蓋(7)內第一壓縮空氣流道(a)的末端在密封罩(2)內形成微正壓； 所述連接座(17)內還安裝有磁電式編碼器(18)，編碼器引線(SEI)從連接座(17)引出與外部控制系統相連接。2.根據權利要求1所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:所述前軸承(5)、后軸承(16)均采用兩組配對并聯軸承;軸承配對形式設為DT組合形式。3.根據權利要求1所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:所述連接座(17)上還形成冷卻液入口(WAl)、冷卻液出口(WA2)，所述連接座(17)及機體(12)內形成有與冷卻液入口(WAl)、冷卻液出口(WA2)連通的冷卻液通道;所述冷卻液入口(WAl)、冷卻液出口(WA2)、冷卻液通道在機體內形成雙螺旋通道。4.根據權利要求3所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:所述雙螺旋通道中增設有檢修孔。5.根據權利要求3所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:所述冷卻液為水或者低粘度的油。6.根據權利要求1所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:所述汽缸組件包括并聯的四級汽缸(24)和活塞。7.根據權利要求求I?6任一項所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:所述后蓋(26)上形成有卸刀進氣接口(TO)和活塞復位進氣接口(TI)，所述卸刀進氣接口(TO)貫通至第一級活塞(23)的后端部，活塞復位進氣接口(TI)連通至第一級活塞(23)的前端部；當向卸刀進氣接口(TO)中注入空氣時，第一級活塞(23)受壓向靠近刀具(I)的方向運動，壓下松拉刀機構(14)使拉爪(141)張開釋放刀具(I);當向活塞復位進氣接口(TI)中通入壓縮空氣時，壓縮空氣進活塞下腔推動活塞向遠離刀具(I)的方向運動，松拉刀機構(14)復位使拉爪(141)夾緊刀具(I)。8.根據權利要求7所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:所述拉桿(140)設為中空管，拉桿(140)上裝有抗疲勞的碟簧組件(13);碟簧組件(13)固定在壓套(20)作用端。9.根據權利要求8所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:所述連接座(17)上還形成與拉桿(140)中心孔、拉爪(141)及前端主軸錐孔相通的除塵進氣接口(CL);除塵進氣接口(CL)在卸刀時，壓縮空氣會通過活塞前移與連接體(22)、壓套(20)、拉桿(140)及拉爪(141)形成第二壓縮空氣通道(b)。10.根據權利要求7所述的一種低速大轉矩永磁同步高速自動換刀電主軸，其特征在于:還包括傳感器(21)，所述傳感器(21)通過從連接座(17)引出的傳感器引線(SE)與外部的控制系統相連接。
【文檔編號】B23Q11/12GK106041130SQ201610472657
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】翟海華, 翟會興
【申請人】江蘇華雕機械有限公司