CN103934481B - 一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，包括：机体，所述机体内部设有定子、转子轴、弹簧预紧机构以及前轴承和后轴承，还包括：固定于机体一端的连接座、与连接座旋转连接的油缸组件、设置于油缸组件端部的后端盖、连接于机体另一端的前端盖，转子轴前端设有一具有中心出水孔的刀具组。本发明舍弃了复杂的接触式密封结构，采用压缩空气进行非接触式密封，能够获得更高的主轴转速，此外还采用了迷宫式密封获得了更好的密封效果；主轴结构简单紧凑但功能强大，在高速转动的同时，融合了中心出水、自动换刀、主轴及电机冷却等多种功能，能够广泛应用于各种材料的高速加工，尤其适合深孔型腔类零件的加工。

Description

一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴

技术领域

本发明涉及一种电主轴，具体涉及一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，属于机电工程领域。

背景技术

高速电主轴是将主轴电机内装，从而实现高转速、高精度及高效率等功能的机电一体化的动力部件，主要应用于高速加工机床，实现对不同材料的高转速加工，提高加工效率。

目前市面上具有中心出水功能的自动换刀的高速电主轴比较少见，主要原因在于：传统的用于中心出水的旋转接头，一般都是接触式密封，转速低寿命短，价格昂贵且可靠性不足并且体积大不利于主轴多功能的集成。要想实现高转速、长寿命就必须设计一种非接触式的、密封结构可靠、性价比高并且结构紧凑的旋转接头结构用在高速电主轴上，才能实现高速电主轴高转速下中心出水的可靠性，并且容易实现电主轴的多功能集成。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非接触式的中心出水、高速转动的、能够实现自动换刀的电主轴。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，包括：机体，所述机体内部设有定子、转子轴、弹簧预紧机构以及分设于转子轴两端的前轴承和后轴承，还包括：固定于机体一端的连接座、固定在连接座上带有旋转接头的油缸组件、设置于油缸组件端部的后端盖、通过前锁紧螺母连接于机体另一端的前端盖，所述转子轴前端设有一具有中心出水孔的刀具组，所述转子轴内部设有一拉刀机构，所述拉刀机构包括：夹住刀具组的卡爪、形成于远离卡爪的一端的拉杆帽，所述油缸组件内设有驱动拉刀机构运动以实现自动换刀的活塞，所述拉杆帽的端部容纳于活塞内；

所述连接座上形成有：前端气封入口、旋转接头气封入口，所述油缸组件上形成有用于排水和排气的溢流口，所述后端盖上形成有中心出水进水接口；

所述连接座、机体及前端盖内形成有与前端气封入口连通的第一压缩空气流道，所述前端盖内第一压缩空气流道的末端形成有均压槽，压缩空气经均压槽进行均压后进入前端盖与前锁紧螺母之间的缝隙形成气膜；

所述后端盖向拉刀机构方向延伸形成一进水头，进水头的端部容纳于拉杆帽内，进水头及拉刀机构内形成有与中心出水进水接口相连通的中心出水流道，所述中心出水流道与刀具组的中心出水孔对接，冷却刀具组的冷却水一部分经中心出水流道从刀具组的中心出水孔排出，另一部分经进水头与拉杆帽之间的缝隙流入油缸组件内的溢流腔最后从溢流口排出；

所述连接座及油缸组件内形成有与旋转接头气封入口连通的第二压缩空气流道，所述油缸组件内第二压缩空气流道的末端形成有均压腔和若干圆周均布的均压孔，压缩空气由第二压缩空气流道经均压腔进入均压孔，最后进入拉杆帽和活塞之间的缝隙形成气膜以防止冷却水进入机体内部。

进一步地，前述前端盖与前轴承之间还设有内隔套和外隔套形成的隔套组，内隔套和外隔套之间留有迷宫式缝隙，迷宫式缝隙与前端盖、前锁紧螺母之间的缝隙相连通，极大地保证了密封的可靠性。

进一步地，前述连接座上还形成有：冷却液出口、冷却液入口，所述连接座及机体内形成有与冷却液出口、冷却液入口连通的冷却液流道；冷却液经冷却液入口进入冷却液流道，对定子、前轴承进行冷却，最后从冷却液出口排出。

优选的冷却液为水或者低粘度的油。

更进一步地，前述后端盖上还形成有一前端锥孔除尘进气接口，所述前端锥孔除尘进气接口与中心出水流道相连通。

再进一步地，前述后端盖上形成有卸刀进油接口和活塞复位进气接口，所述卸刀进油接口贯通至活塞的后端部，所述活塞复位进气接口连通至活塞的前端部；当向卸刀进油接口中注入液压油时，活塞受压向靠近刀具组的方向运动，压下拉刀机构使卡爪张开释放刀具组；当向活塞复位进气接口中通入压缩空气时，压缩空气进入油缸下腔推动活塞向远离刀具组的方向运动，拉刀机构复位使卡爪夹紧刀具组。

更进一步地，还包括：用于使拉刀机构自动复位的碟簧组。

更进一步地，还包括：用于检测刀具位置的接近开关，接近开关引线从连接座引出与外部控制系统相连接。

更进一步地，还包括：一增量式编码器，编码器引线从连接座引出与外部控制系统相连接。

本发明的有益之处在于：（1）、中心出水密封舍弃了复杂的接触式密封结构，采用压缩空气进行非接触式密封，无摩擦，延长了使用寿命，振动小，运动精度高，而且能够获得更高的主轴转速，在轴承油脂润滑的情况下转速可达34000rpm以上，此外还采用了迷宫式密封获得了更好的密封效果；（2）、主轴结构简单紧凑但功能强大，在高速转动的同时，融合了中心出水、自动换刀、主轴及电机冷却等多种功能，且对中心出水流道、自动换刀方式、冷却液流道进行了优化设计，在实现大扭矩的同时，提高了工作时换刀的快速和便利，保证了主轴和刀具的热稳定性，进而提高了加工精度；（3）、本发明的主轴在制作上无特殊的材料或工艺，成本低、性能可靠，同时还集成了编码器、接近开关等功能，能够广泛应用于各种材料的高速加工，尤其适合深孔型腔类零件的加工。

附图说明

图1是本发明的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴的一个优选实施例的剖面结构示意图；

图2是图1所示实施例的侧面结构示意图；

图3是图1所示实施例处于卸刀状态的结构示意图；

图4是图1所示实施例的第二个角度的剖面结构示意图；

图5是图4中A处的放大结构示意图；

图6是图4中B处的放大结构示意图；

图7是图1所示实施例的第三个角度的剖面结构示意图。

图中附图标记的含义：1、机体，2、定子，3、转子轴，4、弹簧预紧机构，5、前轴承，6、前轴承座，7、后轴承，8、连接座，9、油缸组件，10、后端盖，1001、进水头，11、前端盖，12、前锁紧螺母，13、刀具组，1301、中心出水孔，14、拉刀机构，1401、卡爪，1402、拉杆帽，15、活塞，16、碟簧组，17、内隔套，18、外隔套，19、第一压缩空气流道，20、均压槽，21、第二压缩空气流道，22、均压腔，23、均压孔，24、冷却液流道，25、中心出水流道，26、接近开关，27、增量式编码器，28、溢流腔，EC、内置电机引线，TO、卸刀进油接口，TI、活塞复位进气接口，AS、前端气封入口，ASI、旋转接头气封入口，WA1、冷却液出口，WA2、冷却液入口，DWA、溢流口，TCW、中心出水进水接口，CL、前端锥孔除尘进气接口，SE、接近开关引线，SEI、编码器引线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参见图1-图4，本发明的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，主体结构包括：机体1，在机体1内部设有定子2、转子轴3、弹簧预紧机构4、前轴承5及后轴承7，其中，前轴承5和后轴承7分设于转子轴3两端并且前轴承5安装于一前轴承座6上。定子2与转子轴3集成于机体1的内部，外部驱动机构输出的高频三相电通过内置电机引线EC供电给电机，驱动主轴高速运转，所能运转的最高转速取决于前轴承5、后轴承7、转子轴3、弹簧预紧机构4所组成的轴系的最高转速。本发明中，通过对主轴的结构进行优化设计，采用非接触式密封结构，主轴达到了34000rpm以上的稳定工作转速，在目前市场上的自动换刀电主轴中处于领先地位。

为了实现自动换刀，除了上述主体结构外，如图1至图4所示，电主轴还包括：固定于机体1一端的连接座8、固定在连接座上的带有旋转接头的油缸组件9、设置于油缸组件9端部的后端盖10、固定在机体1另一端的前端盖11，其中，转子轴3前端设有一具有中心出水孔1301的刀具组13，转子轴3内部设有一拉刀机构14，拉刀机构14包括：夹住刀具组13的卡爪1401、形成于远离卡爪1401的一端的拉杆帽1402，油缸组件9内设有驱动拉刀机构14运动以实现自动换刀的活塞15，拉杆帽1402的端部容纳于活塞15内。

作为一种具体的优选实施例，如图2和图3所示，在后端盖10上形成有卸刀进油接口TO和活塞复位进气接口TI，卸刀进油接口TO贯通至活塞15的后端部，活塞复位进气接口TI连通至活塞15的前端部。当向卸刀进油接口TO中注入一定压力的液压油时，活塞15受压向靠近刀具组13的方向运动，压迫拉刀机构14使卡爪1401张开，刀具组13被释放，便可实现卸刀，更换了新的刀具组13后，外部控制系统控制卸刀进油接口TO卸压，同时向活塞复位进气接口TI中通入0.6MPa的压缩空气，压缩空气进入油缸下腔推动活塞15向远离刀具组13的方向运动，拉刀机构14复位使卡爪1401夹紧刀具组13。优选地，还包括一个使拉刀机构14自动复位的碟簧组16，碟簧组16使卡爪1401自动合拢，将刀具组13夹紧，回复至图1所示的状态，实现换刀。

本发明很重要的一个发明点在于非接触式密封，主要包括前端盖11与前锁紧螺母12之间、内隔套17外隔套18之间及活塞15与拉杆帽1402之间的气膜密封，正是由于采用了这种非接触式密封，才使主轴达到了34000rpm以上的最高转速。具体地，如图2所示，在连接座8上形成有：前端气封入口AS、旋转接头气封入口ASI，如图1所示，连接座8、机体1及前端盖11内形成有与前端气封入口AS连通的第一压缩空气流道19，在前端盖11内第一压缩空气流道19的末端形成有均压槽20，压缩空气经均压槽20进行均压后进入前端盖11与前锁紧螺母12之间的缝隙形成气膜，由于气膜压力远高于大气压，所以能够阻止外部杂质进入主轴内部，保护主轴内部结构。为了加强密封效果，如图6所示，前端盖11与前轴承5之间还设有内隔套17和外隔套18形成的隔套组，内隔套17和外隔套18之间留有迷宫式缝隙，迷宫式缝隙与前端盖11、前锁紧螺母12之间的缝隙相连通，极大地保证了密封的可靠性。需要特别说明的是，所谓迷宫式缝隙是指形如迷宫的曲折通道，即图6中内隔套17与外隔套18之间的曲折的缝隙。

如图7所示，连接座8及油缸组件9内形成有与旋转接头气封入口ASI连通的第二压缩空气流道21，如图5所示，油缸组件9内第二压缩空气流道21的末端形成有均压腔22和若干圆周均布的均压孔23，压缩空气由第二压缩空气流道21经均压腔22进入均压孔23，最后进入拉杆帽1402和活塞15之间的缝隙形成气膜。

为了使主轴具有良好的热稳定性，确保加工过程的不间断进行，如图3所示，连接座8上还形成有：冷却液出口WA1、冷却液入口WA2，连接座8及机体1内形成有与冷却液出口WA1、冷却液入口WA2连通的冷却液流道24；冷却液经冷却液入口WA2进入冷却液流道24，对定子2、前轴承5进行冷却，最后从冷却液出口WA1排出，完成循环换热，使主轴的热稳定性得以保证，极大地提高了加工精度。作为一种优选，冷却液为水或者低粘度的油。

前面我们说过，本主轴结构实际巧妙，巧妙地设计了中心出水功能，具体地，如图4所示，该功能的实现依赖于下述结构：油缸组件9上形成有用于排水和排气的溢流口DWA，后端盖10上形成有中心出水进水接口TCW；后端盖10向拉刀机构14方向延伸形成一进水头1001，进水头1001的端部容纳于拉杆帽1402内，进水头1001及拉刀机构14内形成有与中心出水进水接口TCW相连通的中心出水流道25，中心出水流道25与刀具组13的中心出水孔1301对接，冷却刀具组13的冷却水一部分经中心出水流道25从刀具组13的中心出水孔1301排出，另一部分经进水头1001与拉杆帽1402之间的缝隙流入油缸组件9内的溢流腔28最后从溢流口DWA排出。不得不强调的是，拉杆帽1402和活塞15之间缝隙内形成的气膜有效地防止冷却水进入机体1的内部，确保了机体1的使用寿命。

作为本发明进一步的改进，在后端盖10上还形成有一前端锥孔除尘进气接口CL，前端锥孔除尘进气接口CL与中心出水流道25相连通，卸刀时，压缩空气会通过前端锥孔除尘进气接口CL进入主轴内部的中心出水流道25，最后吹到主轴前端的锥面上，实现对主轴内锥面及刀具组13外锥面的清洁，保护锥面清洁度，从而确保主轴精度。

此外，本发明还在信号反馈方面做出了革新，包括：接近开关26和增量式编码器27，分别通过从连接座8引出的接近开关引线SE和编码器引线SEI与外部的控制系统相连接。通过接收接近开关26反馈的信号使外部的控制系统得到准确的刀具位置状态，实现机床系统控制自动换刀；同时增量式编码器27可以准确的反馈主轴的转速及转角信号，通过对该信号的接受，机床系统可以控制主轴实现准确的闭环控制及角度定位。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，包括：机体，所述机体内部设有定子、转子轴、弹簧预紧机构以及分设于转子轴两端的前轴承和后轴承，其特征在于，还包括：固定于机体一端的连接座、固定在连接座上带有旋转接头的油缸组件、设置于油缸组件端部的后端盖、通过前锁紧螺母连接于机体另一端的前端盖，所述转子轴前端设有一具有中心出水孔的刀具组，所述转子轴内部设有一拉刀机构，所述拉刀机构包括：夹住刀具组的卡爪、形成于远离卡爪的一端的拉杆帽，所述油缸组件内设有驱动拉刀机构运动以实现自动换刀的活塞，所述拉杆帽的端部容纳于活塞内；

所述连接座上形成有：前端气封入口、旋转接头气封入口，所述油缸组件上形成有用于排水和排气的溢流口，所述后端盖上形成有中心出水进水接口；

所述连接座、机体及前端盖内形成有与前端气封入口连通的第一压缩空气流道，所述前端盖内第一压缩空气流道的末端形成有均压槽，压缩空气经均压槽进行均压后进入前端盖与前锁紧螺母之间的缝隙形成气膜；

所述后端盖向拉刀机构方向延伸形成一进水头，进水头的端部容纳于拉杆帽内，进水头及拉刀机构内形成有与中心出水进水接口相连通的中心出水流道，所述中心出水流道与刀具组的中心出水孔对接，冷却刀具组的冷却水一部分经中心出水流道从刀具组的中心出水孔排出，另一部分经进水头与拉杆帽之间的缝隙流入油缸组件内的溢流腔最后从溢流口排出；

所述连接座及油缸组件内形成有与旋转接头气封入口连通的第二压缩空气流道，所述油缸组件内第二压缩空气流道的末端形成有均压腔和若干圆周均布的均压孔，压缩空气由第二压缩空气流道经均压腔进入均压孔，最后进入拉杆帽和活塞之间的缝隙形成气膜以防止冷却水进入机体内部；所述前端盖与前轴承之间还设有内隔套和外隔套形成的隔套组，内隔套和外隔套之间留有迷宫式缝隙，迷宫式缝隙与前端盖、前锁紧螺母之间的缝隙相连通；所述连接座上还形成有：冷却液出口、冷却液入口，所述连接座及机体内形成有与冷却液出口、冷却液入口连通的冷却液流道；冷却液经冷却液入口进入冷却液流道，对定子、前轴承进行冷却，最后从冷却液出口排出。

2.根据权利要求1所述的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，其特征在于，所述冷却液为水或者低粘度的油。

3.根据权利要求1所述的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，其特征在于，所述后端盖上还形成有一前端锥孔除尘进气接口，所述前端锥孔除尘进气接口与中心出水流道相连通。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，其特征在于，所述后端盖上形成有卸刀进油接口和活塞复位进气接口，所述卸刀进油接口贯通至活塞的后端部，所述活塞复位进气接口连通至活塞的前端部；当向卸刀进油接口中注入液压油时，活塞受压向靠近刀具组的方向运动，压下拉刀机构使卡爪张开释放刀具组；当向活塞复位进气接口中通入压缩空气时，压缩空气进入油缸下腔推动活塞向远离刀具组的方向运动，拉刀机构复位使卡爪夹紧刀具组。

5.根据权利要求4所述的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，其特征在于，还包括：用于使拉刀机构自动复位的碟簧组。

6.根据权利要求5所述的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，其特征在于，还包括：用于检测刀具位置的接近开关，接近开关引线从连接座引出与外部控制系统相连接。

7.根据权利要求5所述的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，其特征在于，还包括：一增量式编码器，编码器引线从连接座引出与外部控制系统相连接。