CN101011794A - 由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，包括位于中部具有竖向主轴的转台(102)和位于转台(102)一侧具有横向主轴的转台(101)，其中转台(101、102)分别与卧式力矩电机和立式力矩电机相关联，并且分别在卧式力矩电机带动下实现摆动、在立式电机带动下实现旋转动作。本发明由外转子式力矩电机驱动转台可以省略中间传动环节，从而提高了转台的运转精度和平稳性；同时电机可以输出较大的扭矩，提高了机械效益；此外，通过采用液压式刹车机构，简化了刹车机构，而且夹紧面积增加，刹车力较大，使得夹持平稳，对系统及传动影响小；在相同性能条件下，外转子力矩电机的体积更小，更加适于转台的驱动使用。

Description

由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台

技术领域

本发明涉及一种转台机构，更具体地说，涉及一种实现双轴转台任意角度转位、夹紧以便实现工件切削加工的组合机构。

背景技术

如图1所示双轴转台的传统机械式传动方案，动力源通过传动机构实现转台的驱动。其中，动力源采用伺服电机(伺服液压马达)，并将其作为一个独立的单元，无需考虑转台内部的冷却。中间传动环节采用齿轮式传动、齿轮齿条式传动或蜗轮蜗杆式传动。尽管在这种传统方案中，电气接线较少，整个产品的成本较低，但问题在于，对于齿轮、齿条或蜗轮蜗杆的加工精度通常要求较高；而且由于中间传动环节的存在，产生了转动惯量、弹性形变、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损，久而久之使得双轴转台系统的精度和稳定性下降，因此降低了加工质量。

图2给出了内、外转子式力矩电机分别驱动双轴转台的方案。在采用力矩电机直接驱动的双轴转台方案中，现有技术基本上采用内转子的力矩电机(如图2中内转子力矩电机连接双轴转台的方案)。内转子结构和外转子结构的力矩电机相比，在相同体积的条件下，内转子式的力矩电机产生的扭矩较小。从磁力线特性而言，内转子的转动平稳性差；此外，由于转子在内，定子在外，转子的直径较小，刹车结构设计较为复杂，并且相同的刹车力作用在较小的平面上，制动效果不明显。尽管选用了液压油缸夹紧双轴转台，但为了消除传动间隙保证传动精度而设计的结构更加复杂，这些结构已经不能满足机床数控化的要求。

发明内容

本发明针对上述问题，为机械制造业提供一种崭新、高精度、高效的由交流永磁同步外转子式力矩电机直接驱动的数控双轴转台，用两个内装式力矩电机取代了传统的驱动、传动结构，其目的在于解决在伺服电机通过传动机构实现转台驱动的现有技术中由于中间传动环节的存在而产生转动惯量、弹性形变、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损等问题，从而提高了双轴转台的运转精度和平稳性。本发明还解决了在内转子式力矩电机驱动双轴转台的现有技术中存在的输出扭矩小、刹车机构复杂、制动效果差以及力矩电机体积较大的问题。为了实现上述目的，在本发明方案的设计中，本发明还设计了用于力矩电机定子和转子的精密转角刹车定位和夹紧的液压夹紧套结构，也随之解决了一些如利用双导程螺旋式冷却结构实现力矩电机转子、定子的冷却等问题，以及内部走管、力矩电机的走线、运动件的密封、胀套材料的选择和热处理等问题。

为了解决上述问题，本发明构造了一种由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，包括位于中部具有竖向主轴的立式转台和位于立式转台一侧具有横向主轴的卧式转台。其中，卧式转台的台面直接固定于卧式力矩电机的转子端部，而卧式转台的固定壳体、卧式力矩电机的定子以及整体双轴转台的基座固定构成一体。立式转台的台面直接固定于立式力矩电机的转子端部，立式转台的固定壳体与立式力矩电机的定子固定为一体。此外，立式转台的壳体作为摇臂又固定于卧式转台的台面上。为了保证稳定，立式转台的壳体成型结构，另一端可以固定于旋转轴上。

上述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，其进一步改进为，用于

型壳体另一端固定的旋转轴为空心轴，在其内部可以设置高压冷却水管和电机走线。

当然，由于上述立式转台的壳体成 型结构，另一端也可以对称设置第二个卧式力矩电机，具体方式为，在立式转台相对卧式转台的另一侧对称设置主轴横向的第三转台，第二个卧式力矩电机与第三转台的关联方式完全与上述卧式转台与力矩电机的关联方式相同，并且以相互对应的方式设置。

通过上述技术方案，本发明由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台省略了传统伺服电机驱动转台的方案中设置的中间传动环节，从而消除中间环节产生的转动惯量、弹性形变、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损，因此提高双轴转台的运转精度和平稳性。

同时本发明与内转子力矩电机实现转台驱动的方案相比，其有益效果在于，因为在设计力矩电机时，利用永磁体作为外转子可以使永磁体的磁场正切力作用在更大的直径上，从而比同体积的内转子力矩电机具有更高的扭矩，具有机械效益高的特点。由于转子环的直径较大可以放置更多的永磁体，就磁力线特性而言，更能实现平稳转动。另外，由于外转子结构的力矩电机能够得到较大的扭矩，因此刹车机构的设计较为容易，选用液压式刹车机构，结构简单，夹紧作用面积大，具有更大的刹车力，提高了制动效果，而且夹持平稳，对系统及传动影响小。同时，相对相同扭矩的其他种类电机，外转子力矩电机的体积较小。在相同性能条件下小体积的外转子力矩电机尤为适合用于驱动转台。

综上，本发明选用外转子力矩电机直接驱动双轴转台，具有结构紧凑、传动结构简单、机械零部件较少、反应灵敏度高、无磨损、无反向间隙的特点，是高档数控机床中的关键的功能部件。

附图说明

图1是现有技术中设置中间传动环节驱动双轴转台的方案流程示意图；

图2是内、外转子式力矩电机分别驱动双轴转台方案的对比图；

图3是本发明由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台结构的正视图。

图4是图3的俯视图；

图5是本发明由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台的主剖视图；

图6是由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的单轴转台的主剖视图。

具体实施方式

参考图6说明由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的单轴转台。通过单轴转台的结构说明，有利于理解本发明双轴转台的驱动结构。如图6所示，电机的转子5’直接和转台台面2’相连，通常台面2’利用螺栓固定于转子5’的端部。。同时，位于转子5’内圈的定子6’与定子的内冷却套8’和转台固定的壳体9’通过螺栓相连接。转台的旋转角度为360°×n(n表示转数)。

在由永磁体构成的转子5’外部，设置有刹车机构4’。此外，为了有效地对电机发热源定子线圈绕组进行冷却，设计了外转子力矩电机的内冷套8’，位于由矽钢片和线圈绕组构成的定子6’的内部。冷却回路可以采用螺旋式冷却槽，也可以采用曲折式冷却槽。为了使得转台的高度降低，我们采用了转台专用的轴向/径向轴承1’，该轴承选用INA公司的YRT系列轴向/径向轴承，该轴承能同时承受轴向和径向力以及倾斜力矩，轴承宽度非常小。为了保证密封性能，在转台与力矩电机壳体之间设置有唇式密封圈3’。为了检测转子的位置，还设置有编码器7’。

如图3和4所示本发明双轴转台的外观结构，其中，101为主轴方向水平(称为A轴方向)、台面竖直的卧式转台；102表示竖向主轴(称为C轴方向)、水平台面的立式转台。本发明利用外转子力矩电机驱动双轴转台的方案中，将A轴电机的转子直接和双轴转台的摇臂相联，定子和双轴转台固定的壳体相联，C轴转台安装在摇臂上。由C轴旋转和A轴的摆动组合而成双轴转台。C轴旋转角度为360°×n，A轴的摆角为±95°。

实施例1：

如图5所示，图中，1表示双列短圆柱棍子轴承；2表示外转子式旋转接头；3表示C轴力矩电机的外壳体；4表示C轴液压式夹紧套；5表示C轴力矩电机的转子；6表示C轴力矩电机定子；7表示C轴力矩电机定子的内冷套；8表示轴向/径向轴承；9表示轴向/径向轴承；10表示A轴力矩电机转子；11表示A轴力矩电机定子；12表示A轴液压夹紧套；13表示A轴力矩电机定子内冷套；14表示A轴用编码器。中间的单轴转台102的内部结构与上述力矩电机直接驱动的单轴转台相同(如图6)，仅仅是将其外壳3设计成

型，并使其在A轴力矩电机的驱动下实现±95°摆动，成为双力矩电机直接驱动的双轴转台。从图中可以看出本发明为单臂式驱动结构，优选方式下，另一臂由中空式心轴16带动，以便在空心轴内部通高压冷却水管和电机走线。C轴单转台的回转台面、“轴向/径向轴承”8内环分别用螺钉与C轴力矩电机的转子5相连，成为一个组件，完成C轴的旋转分度回转。C轴力矩电机的定子6用螺钉紧固在侧支架3(C轴力矩电机的壳体)上。这种崭新的结构取代了传统的各种驱动，传动结构，以最少的零件完成了C轴转台的回转动作和A轴转台的摆动动作。

该实施例还选用高压液压夹紧套夹紧结构，实施方式为弹性变形套4、12用螺钉紧固在侧支架3上，高压油通过进入胀套外环凹槽形成较大的抱紧力，完成转台的精确刹车定位抱紧。除此之外，该实施例选用了双导程螺旋冷却水套7、13、外转子旋转接头2、夹紧套的材料热处理等技术方案。

实施例2：

由于水平转台的壳体成 型结构，另一端也可以对称装夹于一个主轴横向、台面垂直的转台。并且为该转台设置一个卧式力矩电机，其关联方式与上述转台101与其力矩电机的设置完全相同即可，但需设置成相互对应的形式。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，包括位于中部具有竖向主轴的转台(102)和位于所述转台(102)一侧具有横向主轴的转台(101)，其特征在于，

所述转台(101)的台面直接固定于卧式力矩电机的转子(10)端部；此外，所述转台(101)的固定壳体、所述卧式力矩电机的定子(11)以及整体双轴转台的基座固定构成一体；

所述转台(102)的台面直接固定于立式力矩电机(202)的转子(5)端部，所述转台(102)的固定壳体与所述立式力矩电机(202)的定子(6)固定为一体；

所述转台(102)的固定壳体(3)作为摇臂又装夹于所述转台(101)的台面上。

2、根据权利要求1所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，其特征在于，所述转台(102)的壳体成

型结构，另一端可以固定于旋转的一个空心轴(16)上，在所述空心轴(16)的内部设置高压冷却水管和电机走线。

3、根据权利要求1所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，其特征在于，所述转台(102)相对所述转台(101)的另一侧对称设置第三转台，并且相对所述卧式力矩电机(101)对称设置第二卧式力矩电机，该电机与所述第三转台相关联。

4、根据权利要求1或2或3所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，其特征在于，所述立式力矩电机和卧式力矩电机的结构均包括转子、定子、刹车机构和冷却套，其中，转子位于环形定子的外部，转子内壁为永磁体贴片；转子外部设置有刹车机构，定子内部设置有环形冷却套。

5、根据权利要求4所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，其特征在于，定子由矽钢片和线圈绕组构成。

6、根据权利要求5所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，其特征在于，冷却套的内环设置有螺旋状的冷却槽。

7、根据权利要求5所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，其特征在于，冷却套的内环设置有曲折式的冷却槽。

8、根据权利要求7所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双轴转台，其特征在于，转台(101、102)的台面与壳体之间均设置有实现密封的唇式密封圈。

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