CN101011795A - 由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头 - 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摆铣头，铣头的电主轴插入一个十字空心轴；十字空心轴的两端固定在A轴两端卧式力矩电机的转子上。而十字空心轴、两端的卧式力矩电机、铣头作为一个整体单元固定于C轴立式力矩电机的转子上。从而立式电机带动铣头绕C轴转动，A轴卧式电机带动铣头绕A轴来回摆动。通过在两个方向的复合运动，配合电主轴自身的高速旋转，完成工件复杂形面的加工。本发明的双摆铣头，具有结构紧凑、传动结构简单、刚性好、机械零部件较少、反应灵敏度高、无磨损、无反向间隙的特点，能够进行高精度地五面体加工，可以广泛应用于高档数控机床尤其是龙门式加工中心。

Description

由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头

技术领域

本发明涉及一种在两个方向摆动的铣头，更具体地说，涉及一种由内装式力矩电机替代结构复杂的机械结构实现双摆铣头两个方向动作以便实现工件复杂边面加工的组合机构。

背景技术

如图1所示双摆铣头的传统机械式传动方案，动力源通过传动机构实现铣头的驱动。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。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，久而久之使得双摆铣头系统的精度和稳定性下降。此外，本就复杂的机械传动结构再加上为消除传动间隙而采取的机械设施，使传动结构更加复杂。因为有传动间隙的存在，使其定位精度不会很高，满足不了更高加工精度的要求，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摆铣头的方案。在采用力矩电机直接驱动的双摆铣头方案中，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摆铣头的方案)。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摆铣头，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、结构简单的由交流永磁同步外转子式力矩电机直接驱动的双摆铣头，用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，从而提高了双摆铣头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摆铣头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、夹紧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摆铣头，包括上下两单元。其中，上单元包括立式设置的交流永磁同步外转予电机C1、与电机C1转子固连的零件104，以及零件104的下端固定的快装组件101；电机C1的转子还关联有用于限定转动角度以便驱使电机往复转动的传感单元。上述下单元包括铣头、用于固定铣头电主轴2的十字空心轴3；十字空心轴3在A轴方向的两端对称设置交流永磁同步外转子电机A1、A2并且两卧式电机的绕组同步通电从而同步驱动十字空心轴3带动铣头绕A轴摆动；下单元还包括与卧式立矩电机A1、A2定子分别固定连接的左耳件103’、右耳件103；左、右耳件103’、103固连于上端的下快装组件102；此外，卧式立矩电机A1、A2中一台电机的转子还关联一个用于精确定位铣头绕A轴摆动摆角的编码器106。上快装组件101与下快装组件102固定连接。

本发明由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其进一步改进在于，下快装组件102包括零件108以及在零件108上端面设置的电线、水/油公接头。零件108上端面设有用于定位的锥/平面62；相应的，上快装组件101包括零件107以及用于配合上述公接头的母接头，这些接头应为一组实现双摆铣头正常工作的接头，因此应该为多个。零件107下端面设有配合锥/平面62的定位面，并且零件107、108依靠螺栓孔、螺纹孔以及双头螺栓相互连接；此外零件108还设置有用于插入位于零件107上柱孔的长销65，长销65比电线、水/油公接头的顶面高。在零件108的外缘开设槽体并固定有端面键61，端面键61卡于零件107边缘的槽内以便传递扭矩。

本发明由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其进一步改进还在于，用于限定C轴转角的传感单元包括螺旋式限位档块和传感器。

而上述卧式、立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，转子的内壁排布有永磁体，转子位于环形定子的外部；转子外部设置有刹车机构，定子内部设置有环形冷却套。刹车机构包括套在转子外部夹紧套73；夹紧套73与外部壳体74之间设有凹槽78，凹槽78两端在夹紧套73与外部壳体74之间设有密封；所述外部壳体74设置有进油孔75和出油孔76，通过进油孔75和出油孔76由凹槽78构成的腔体连通于液压单元。夹紧套73由弹簧钢60Si2CrA材料制成。冷却套套体上设有用于冷却液循环的螺旋式冷却槽或曲折式冷却槽。优选方式下，冷却套上冷却槽为双导程螺旋式冷却槽。

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摆铣头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，因此提高双摆铣头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更加适合用于驱动双摆铣头。

综上，本发明选用外转子力矩电机直接驱动双摆铣头，具有结构紧凑、传动结构简单、刚性好、机械零部件较少、反应灵敏度高、无磨损、无反向间隙的特点，能够进行高精度地五面体加工，可以广泛应用于高档数控机床中尤其是龙门式加工中心。

附图说明

图1是现有技术中设置中间传动环节驱动双摆铣头的方案流程示意图；

图2是内、外转子式力矩电机分别驱动双摆铣头方案的对比图；

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摆铣头的局部剖视图；

图4是图3中下半部分铣头的左视图，显示出双摆铣头A轴的摆角范围；

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摆铣头的半剖图；

图6是本发明由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头上下两部分的分解图，显示出双摆铣头的简易快换结构；

图7是图6中M处的放大图；

图8是用于本发明双摆铣头的液压夹紧套的结构原理图；

图9是图5中N处的放大图；

图10是螺旋式限位挡块的外观图；

图11是图10的剖视图；

图12是双导程螺旋式冷却套的螺旋展开图；

图13是双导程螺旋式冷却套的外观图；

图14和图15分别是双导程螺旋式冷却套从两个方向剖切的结构示意图；

图16是由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的单轴转台的剖视图。

图17是本发明双摆铣头的结构原理示意图。

具体实施方式

为了说明本发明的双摆铣头，参考图16说明由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的单轴转台，旨在说明交流永磁同步外转子式力矩电机的结构和工作方式，通过对电机结构的说明，有利于理解本发明双摆铣头的驱动结构。如图16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)。

转子5’的内壁上排布有永磁体，在转子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，选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。为了检测转子的位置，在轴承上设置有编码器7’；也可以在转子驱动的轴上设置编码器7’，或者以其他方式设置传感元件，只要能够监测转动的角度即可。图16中，由于轴承上自带编码器，无需再在轴上另装编码器，因此可以利用轴承内环的空间进行穿线和水路油路的分配。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’。

参考图8说明在交流永磁同步外转子式力矩电机中刹车机构的结构，包括套在转子外部夹紧套73；夹紧套73与外部壳体74之间设有凹槽78，凹槽78两端在夹紧套73与外部壳体74之间设有密封；外部壳体74设置有进油孔75和出油孔76；通过进油孔75和出油孔76由凹槽78构成的腔体连通于液压单元。为了保证夹紧套不发生塑性变形，并且较高的刚性，我们选择弹簧钢中的60Si2CrA，这种材料综合力学性能好，强度高，冲击韧度好，弹性变形恢复能力强，很适合作为夹紧套的材料。在液压作用下，夹紧套收缩，实现其内部转子的制动。

此外，参考图12-15说明在交流永磁同步外转子式力矩电机中冷却套的结构，冷却套套体上设有用于冷却液循环的螺旋式冷却槽或曲折式冷却槽。优选方式下，冷却套上冷却槽为双导程螺旋式冷却槽，其结构如图13-15。通过图12可知双导程螺旋式冷却槽的原理，两条螺旋槽的升角相等，并排开设于套体上，并且在一个端部互相连通。工作时，冷却液从套体一个端部进入一个槽内，在流到另一端部的位置进入另一个槽内，以相反方向流回冷却液的进入端，从而构成一个回路。

下文参考图3、图4、图5，说明本发明的优选实施方式。通常将图3和5中位于上部的立式电机的轴心设定为C轴，将下部卧式电机的轴心设定为A轴。图中，铣头的电主轴2插入并固定在一个十字空心轴3的内部，在铣削工作时，铣头的电主轴由同步电机驱动的，运动刚性极佳。在A轴方向上，十字空心轴3的两端对称设置卧式力矩电机A1、A2，电机A1、A2的定子线圈串连，从而实现同步转动，也因此带动十字空心轴绕A轴转动，进而带动铣头绕A轴转动。在电机A1、A2中有一台电机的转子还关联一个用于精确定位铣头绕A轴摆动摆角的编码器106，其安装方式如图5中，转轴111与十字空心轴3与电机A1、A2的转子同步转动，编码器装于转轴111上，该编码器106可用于限定电机A1、A2在±110°角度内正反转，从而限定铣头在±110°角度内绕A轴转动。

参考图17本发明的结构原理，可以分为上、下两个单元。上单元设置有立式电机，驱动下单元绕C轴转动。而下单元包括上述电机A1、A2、十字空心轴和铣头构成一个整体。

为了实现这一原理，参考图5和图17，上单元中，电机C1转子驱动零件104和转轴零件112转动，零件104的下端连接快装组件101。为了限定绕C轴的转动，图5中转轴零件112上端关联有用于限定转动角度以便驱使电机往复转动的传感单元(在下文中有详细描述)。该传感单元包括螺旋式限位档块7和与之配合的传感器，保证其回转角为±360°。

上下两单元的连接是通过图1 7中配合的上快装组件101和下快装组件102实现的(如图6和图7)。其中上快装组件101包括图5中的零件107，零件107连接于零件104。而下快装组件102包括零件108以及在零件108上端面设置的一组电线、水/油公接头，零件108上端面还设有用于定位的锥/平面62。相应的，零件107上设置有用于配合公接头的母接头以及配合锥/平面62的定位面。

将卧式电机A1、A2的定子通过连接件与零件108固定为一体，这个连接件在图17中给以示意性表示，称之为左耳件103’、右耳件103。其具体结构如图5所示。以C轴对称设置的左、右耳件103’、103在A轴并非对称，其作用主要是作为卧式电机的基座与定子相连，同时固定于零件108上。

下面，参考图6和图7，着重说明零件108和107之间的连接关系。零件108还设置有用于插入位于零件107上柱孔的长销65，长销65比电线、水/油公接头的顶面高。其目的不但可以起到对接、导向作用，更重要的用于电气接头和油路、冷却水路接头的对接保护。因为，如果双摆铣头A轴轴体位置不正确，长销65无法插进零件2上的柱孔，则A轴轴体无法与C轴对接，长销由于较接头的顶面高，因此长销也起到保护接头的作用。长销下部尺寸较上部小，是由于当电气接头63和油路、冷却水路接头64对接完成后，长销的导向就不存在了，此时长销的粗定位作用已完成。接下来进行精确定位，本发明采用短锥面和平面62的定位方式。短锥面采用7∶24常用锥度。由于短锥面和平面已经实现除C轴回转以外的全部约束，因此长销65必须下部尺寸较上部小，避免了过定位的出现。

零件101与102之间的夹紧问题，技术关键在于选有双头螺柱/螺栓66，螺柱的一端直接拧在零件101连接面上而另一端穿过零件102的的通孔，在另一面用螺母拧紧，将两零件紧密连接，这样不仅简易而且稳定性好。

零件101向零件102传递扭矩，端面键61是关键。同时端面键61也限制了零件102回转方向的自由度。为了便于双摆铣头的快速更换，同时避免键间的反向间隙影响本发明双摆铣头下半部分在C轴方向的运动精度，所以，要采用配合加工形式。即在双摆铣头加工时，就将端面键加工出来，然后待双摆铣头装配完成后，将上下两部分连接好后，用双头螺柱将两体锁紧，将整体置入机床，按照以加工完成的端面键尺寸在两体结合面的径向加工出键槽，这样来保证传动精度，消除键间的反向间隙。

此外，在图3、图4、图5中，其他元件的功能无需再作解释，在此只给出零件名称。如下：

502表示壳体、31表示C1电机的夹紧套、6表示C1电机的转子、33表示C1电机的定子，34表示C1电机的冷却套、35表示轴向/径向轴承(转盘轴承)、36表示A1力矩电机的夹紧套、5表示A1电机的转子、38表示A1电机的定子、39表示表示A1电机的冷却套、10表示交叉滚子轴承、3表示十字空心轴。

图5中的标号501表示外转子式旋转接头，用于油路、气路分配，例如图中分别为卧式电机和电主轴分配油路、气路。

力矩电机C1带动铣头绕C轴转动，实现±360°回转角主要依靠螺旋式限位挡块7实现。如图9，参考图10和11，本挡块是以一个薄壁圆柱体为基本体，外壁是矩形螺纹。立式力矩电机C1转子6驱动套接于轴上并随轴转动的螺旋式限位挡块7。工作时非接触式传感器沿着螺纹导程面上升或下降，传感器的另一端设置在一个C轴方向的导槽8内，从而当限位挡块7旋转时，传感器沿着螺纹导程面上升或下降，只要它感应到的有效面积不发生变化，它就不会发出指令。当在螺纹两端感应到的有效面积不满足要求时，传感器发出指令使机构马上停止运动或反转。因此，这里要求在螺纹两端必须有截面的变化，螺纹切入端在制作螺纹时自动形成渐变的截面，另一端是不允许做成通螺纹的。这样要要求螺纹的横截面有变化，必须切一个与螺纹同轴的矩形截面的环行切口。这样就解决了上述问题。当然根据需要也可以设置其他常规方式的角度传感器、编码器，只要保证±360°回转即可。

本发明的双摆铣头其工作方式为，力矩电机C1带动铣头绕C轴转动，其回转角为±360°，而不是360°×n连续旋转。力矩电机A1、A2带动铣头绕A轴转动，交叉滚子轴承支撑十字空心轴，进行±110°的摆动(如图4)。当A轴摆动角指令完成后，由A轴力矩电机的夹紧套将定子、转子结合成一个整体。本发明的双摆铣头通过在两个方向复合运动，同时配合铣头自身的转动，最终完成工件复杂形面的加工。

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 (10)

1、一种由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其特征在于，包括上下两单元，其中，

上单元包括立式设置的交流永磁同步外转子电机(C1)、与电机(C1)转子固连的转轴零件(104)，以及所述转轴零件(104)的下端固定连接的快装组件(101)；所述电机(C1)的转子还关联有用于限定转动角度以便驱使电机往复转动的传感单元；

下单元包括铣头、用于安装铣头电主轴(2)的十字空心轴(3)；所述十字空心轴(3)在A轴方向的两端对称设置交流永磁同步外转子电机(A1、A2)并且两卧式电机的绕组串连从而同步驱动所述十字空心轴(3)带动铣头绕A轴摆动；下单元还包括与所述卧式力矩机(A1、A2)定子分别固定连接的左耳件(103’)、右耳件(103)；所述左、右耳件(103’、103)固连于上端的下快装组件(102)；所述卧式立矩电机(A1、A2)中一台电机的转子还关联一个用于精确定位铣头绕A轴摆动摆角的编码器(106)；

所述上快装组件(101)与下快装组件(102)固定连接。

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摆铣头，其特征在于，所述下快装组件(102)包括零件(108)以及在零件(108)上端面设置的一组电线、水/油公接头，零件(108)上端面设有用于定位的锥/平面(62)；相应的，所述上快装组件(101)包括零件(107)以及用于配合所述公接头的母接头，所述零件(107)下端面设有配合锥/平面(62)的定位面，并且所述零件(107、108)依靠螺栓孔、螺纹孔以及双头螺栓相互连接。

3、根据权利要求2所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其特征在于，所述零件(108)还设置有用于插入位于零件(107)上柱孔的长销(65)，所述长销(65)比所述电线、水/油公接头的顶面高。

4、根据权利要求3所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其特征在于，在零件(108)的外缘开设槽体并固定有端面键(61)，所述端面键(61)卡于零件(107)边缘的槽内以便传递扭矩。

5、根据权利要求1-4任一所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其特征在于，所述用于限定C轴转角的传感单元包括螺旋式限位档块和传感器。

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摆铣头，其特征在于，所述力矩电机结构包括转子、定子、刹车机构和冷却套，其中，

转子的内壁排布有永磁体，转子位于环形定子的外部；转子外部设置有刹车机构，定子内部设置有环形冷却套。

7、根据权利要求6所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其特征在于，所述刹车机构包括套在转子外部夹紧套(73)；所述夹紧套(73)与外部壳体(74)之间设有凹槽(78)，所述凹槽(78)两端在所述夹紧套(73)与外部壳体(74)之间设有密封(72)；所述外部壳体(74)设置有进油孔(75)和出油孔(76)，通过所述进油孔(75)和出油孔(76)由所述凹槽(78)构成的腔体连通于液压单元。

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摆铣头，其特征在于，所述夹紧套(73)由弹簧钢60Si2CrA材料制成。

9、根据权利要求8所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其特征在于，所述冷却套套体上设有用于冷却液循环的螺旋式冷却槽或曲折式冷却槽。

10、根据权利要求9所述由交流永磁同步外转子式力矩电机驱动的双摆铣头，其特征在于，所述冷却套上冷却槽为双导程螺旋式冷却槽。

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