CN105562726A - 一种超声切削加工专用伺服电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声切削加工专用伺服电主轴，其中，轴承压盖安装在电主轴外壳的底面上，拉刀机构安装在前端主轴转子上，超声振动装置安装在拉刀机构的中心孔里，后端主轴转子安装在前端主轴转子的顶面上，过渡壳体安装在电主轴外壳的顶端，主轴电机外壳安装在过渡外壳的顶端，主轴电机转子安装在后端主轴转子上，压盖安装在后端主轴转子和主轴电机转子上，主轴电机定子安装在主轴电机外壳的中心安装孔里，绝缘法兰安装在电主轴外壳顶端，冷却喷头安装在绝缘法兰的底部，后端罩壳安装在绝缘法兰上，正电极碳刷安装在绝缘法兰的中心安装孔里，负电极碳刷和温度传感器都安装在绝缘法兰的安装孔里。

Description

一种超声切削加工专用伺服电主轴

技术领域

本发明涉及伺服电主轴技术领域，具体涉及一种超声切削加工专用伺服电主轴。

背景技术

在航空航天领域，弱刚度复合材料的加工是一个难题，常用的加工方法是高速铣削，在加工过程中存在的撕裂、毛刺缺陷以及刀具磨损快、粉尘污染严重等问题。

和传统的高速铣削不同，超声切削加工的原理是在切削刀具上附加16～40kHz的高频超声振动，以刀具的切削运动和超声振动的复合作用切断/去除材料。超声切削加工复合材料时可采用直刃尖刀和圆片刀两种刀具。和传统高速切削加工相比，超声切削加工可极大减小切削力，降低切削温度，有效避免工件变形和加工缺陷，保证加工质量。加工效率高，无加工粉尘。超声切削加工还能有效减小切削刀具的磨损，提高刀具寿命。

A/C双摆头和伺服电主轴是五轴联动超声切削加工机床上的关键功能部件。伺服电主轴夹持超声振动装置的锥柄套，刀具安装在超声振动装置的最下端的螺纹孔内，伺服电主轴为刀具提供连续扭矩，使圆片刀具做高速回转运动实现切削，或者在低速回转时精确控制直刃尖刀的转角实现切削。

在直刃尖刀超声切削加工复合材料时，需要实时控制刀具姿态和转角，通过旋转轴A轴和C轴控制直刃尖刀在空间的姿态；同时要求电主轴具有伺服控制功能，精确控制直刃尖刀的转角，此时要求电主轴转速小于10r/min、扭矩大于10Nm。直刃尖刀主要用于下料以及平面或单圆弧曲面的切削加工。

超声振动装置总长约400mm、其中长度约有300mm需要插入到伺服电主轴的中心孔内，并与电极炭刷接触，伺服电主轴能够给超声振动装置供电。超声振动装置的锥柄套最大外径约120mm，因此要求要求伺服主轴的中心孔最大直径为120mm左右。每种刀具需要匹配特定频率的一个超声振动装置，每台机床需要配多种刀具，满足多种不同的加工需求，因此要求机床和伺服主轴具有自动更换超声振动装置的功能。市场现有的伺服电主轴无法直接应用在超声切削加工上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种超声切削加工专用伺服电主轴，其结构简单紧凑，换刀迅速可靠；能有效提高加工的效率，降低换刀的时间成本，精度和稳定性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声切削加工专用伺服电主轴，包含油封、前端轴承、后端轴承、编码器、主轴电机转子、主轴电机定子、主轴电机外壳、负电极碳刷、正电极碳刷、温度传感器、压盖、绝缘法兰、冷却喷头、气管接头、后端罩壳、后水冷接头、前水冷接头、罩壳、后端主轴转子、编码器读数头、过渡壳体、电主轴外壳、隔套、前端主轴转子、轴承压盖、拉刀机构、超声振动装置、冷却风扇和手动换刀锁死装置；所述前端轴承内圈安装在前端主轴转子上，前端轴承外圈安装在电主轴外壳底端安装孔里，所述轴承压盖通过螺钉固定安装在电主轴外壳的底面上且轴承压盖的顶端顶在前端轴承外圈的底面上，所述拉刀机构通过螺钉固定安装在前端主轴转子上，所述轴承压盖与拉刀机构之间安装有油封，所述超声振动装置安装在拉刀机构的中心孔里，所述隔套安装在前端主轴转子上且隔套底面顶在前端轴承内圈的顶面上，所述后端轴承内圈安装在前端主轴转子上且后端轴承内圈底面顶在隔套的顶面上，所述后端轴承外圈安装在电主轴外壳顶端的安装孔里，所述后端主轴转子通过螺钉固定安装在前端主轴转子的顶面上，所述编码器通过螺钉固定安装在后端主轴转子上，所述过渡壳体通过螺钉固定安装在电主轴外壳的顶端且过渡壳体的底面顶在后端轴承外圈的顶面上，所述编码器读数头通过螺钉固定安装在过渡壳体中心孔里且与编码器正对，所述主轴电机外壳通过螺钉固定安装在过渡外壳的顶端，所述主轴电机转子安装在后端主轴转子上且靠近后端主轴转子的顶端，所述压盖通过螺钉固定安装在后端主轴转子和主轴电机转子上，所述主轴电机定子安装在主轴电机外壳的中心安装孔里，所述主轴电机外壳中心孔里设有螺旋凹槽，所述罩壳通过螺钉固定安装在电主轴外壳上，所述后水冷接头和前水冷接头都安装在主轴电机外壳上且都与主轴电机外壳上的螺旋凹槽相通，所述手动换刀锁死装置安装在电主轴外壳的外表面上，所述罩壳上安装有冷却风扇，所述绝缘法兰安装在主轴电机外壳顶端，所述冷却喷头通过螺钉固定安装在绝缘法兰的底部且位于后端主轴转子中心孔内，所述后端罩壳通过螺钉固定安装在绝缘法兰上且后端罩壳罩在罩壳上，所述正电极碳刷安装在绝缘法兰的中心安装孔里，所述负电极碳刷和温度传感器都安装在绝缘法兰的安装孔里，所述绝缘法兰的径向安装孔里安装有气管接头。

进一步的是：所述负电极碳刷由负极接线柱、负极弹簧、负极碳刷和负极导向套组成，所述负极接线柱、负极弹簧和负极导向套都采用铜材制成，所述负极接线柱通过螺纹连接安装在负极导向套中心孔里，所述负极碳刷安装在负极导向套中心孔底端，所述负极弹簧安装在负极导向套的中心孔里，负极弹簧顶端顶在负极接线柱的底面上，负极弹簧底端顶在负极碳刷的顶端，所述负极碳刷底面顶在超声振动装置的顶端。

进一步的是：所述正电极碳刷由正极接线柱、正极弹簧、正极碳刷和正极导向套组成，所述正极接线柱、正极弹簧和正极导向套都采用铜材制成，所述正极接线柱通过螺纹连接安装在正极导向套中心孔里，所述正极碳刷安装在正极导向套中心孔底端，所述正极弹簧安装在正极导向套的中心孔里，正极弹簧顶端顶在正极接线柱的底面上，正极弹簧底端顶在正极碳刷的顶端，所述正极碳刷底面顶在超声振动装置的顶端。

进一步的是：所述电主轴外壳左侧和右侧都设有法兰盘，电主轴外壳左侧法兰盘上设有安装通孔。

进一步的是：所述绝缘法兰上设有径向气孔和轴向气孔且径向气孔和轴向气孔相通。

进一步的是：所述主轴电机外壳的底面上设有环形凸台，主轴电机外壳上的环形凸台定位安装在过渡壳体的中心孔里。

进一步的是：所述前端主轴转子顶端外圆柱定位安装在后端主轴转子的中心孔里。

进一步的是：所述后端主轴转子的底面顶在后端轴承内圈的顶面上。

进一步的是：所述绝缘法兰上的气孔和冷却喷头上的环形槽相通，环形槽内均布8个直径为1～5mm的气孔，向超声振动装置的顶端喷气冷却。

该超声切削加工专用伺服电主轴的工作原理：

超声切削加工专用伺服电主轴主要由主轴外壳、主轴电机、轴承、超声振动装置、拉刀机构、编码器、传感器、碳刷电极、罩壳等构成。主轴外壳左右各有一个连接法兰，用螺栓将连接法兰固定安装到A/C双摆头上。一对角接触球轴承为“背对背”布置，可使主轴承受较大的轴向和径向载荷。超声振动装置固定连接在锥柄套上，当锥柄套进入伺服电主轴的锥孔后，拉刀机构自动拉紧，使超声振动装置和伺服电主轴结合成为一个整体。刀具固定连接在超声振动装置最下端的螺纹接口上。超声振动装置产生16～40kHz的高频超声振动，实现刀具的轴向振动。每个机床配有多种不同的超声振动装置和刀具，根据实际加工需要控制机床进行更换。通过主轴电机的回转来驱动主轴转动，在主轴内部安装有编码器一个，实时反馈主轴的转角，并发送给主轴驱动器，实现全闭环伺服控制。在超声切削加工专用伺服电主轴的后端，有2个碳刷电极，外部的电源通过电缆给碳刷电极供电，碳刷将电接入超声振动装置内部，在刀具旋转过程中为超声振动装置连续供电。在超声切削加工过程中，碳刷会磨损发热，因此在每个碳刷电极附近，布置有1个温度传感器，实时测量碳刷的温度。当温度超过上限时，会自动报警。在伺服电主轴旋转过程中，主轴电机的线圈会发热，因此采用循环液体/气体冷却的方式来带走热量，循环冷却液体从前水冷接头进入，经主轴电机外壳内的螺旋凹槽后从后水冷接头流出。在主轴的内部，采用压缩空气来带走碳刷和超声振动系统上的热量，压缩空气从气管接头进入，经绝缘法兰上的径向气孔和轴向气孔进入冷却喷头，通过冷却喷头上的气孔进入后端主轴转子中心孔内，最后从拉刀机构上的径向孔排出。在主轴外壳上，安装了4个电风扇，来冷却外壳。在超声切削加工过程中，机床从刀库中自动换刀。在断电、出现故障维修等特殊情况下，需要借助工装手动换刀。在主轴上设计有手动换刀锁死装置，使手动换刀简单易操作，并对主轴进行保护，防止误操作。

本发明的有益效果如下：通过将超声振动装置内置在前端主轴转子和后端主轴转子内，缩小了伺服电主轴的外形尺寸；独特的负电极碳刷和正电极碳刷设计，实现了给超声振动装置供电；碳刷电极附近安装的温度传感器提高了伺服电主轴的稳定性和可靠性；气管接头将冷却气体从绝缘法兰气管接头上经径向圆柱孔和轴向圆柱孔进入后端主轴转子的中心孔里，提高了超声振动装置的冷却效率，提高了伺服电主轴的工作效率和使用寿命。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明的一种具体实施方式的结构主视图；

图3为本发明的一种具体实施方式的结构左视图；

图4为本发明的一种具体实施方式的结构俯视图；

图5为本发明的一种具体实施方式的A-A剖示图；

图6为本发明的一种具体实施方式的结构仰视图；

图7为本发明的一种具体实施方式负电极碳刷的结构示意图；

图8为本发明的一种具体实施方式正电极碳刷的结构示意图；

图9为本发明的一种具体实施方式冷却喷头的结构示意图。

附图标记说明：

1-油封，2-前端轴承，3-后端轴承，4-编码器，5-主轴电机转子，6-主轴电机定子，7-主轴电机外壳，8-负电极碳刷，9-正电极碳刷，10-温度传感器，11-压盖，12-绝缘法兰，13-气管接头，14-后端罩壳，15-后水冷接头，16-前水冷接头，17-罩壳，18-后端主轴转子，19-冷却喷头，20-编码器读数头，21-过渡壳体，22-电主轴外壳，23-隔套，24-前端主轴转子，25-轴承压盖，26-拉刀机构，27-超声振动装置，28-冷却风扇，29-手动换刀锁死装置；

801-负极接线柱，802-负极弹簧，803-负极碳刷，804-负极导向套；

901-正极接线柱，902-正极弹簧，903-正极碳刷，904-正极导向套。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

图1～图9示出了本发明的具体实施方式，一种超声切削加工专用伺服电主轴，包含油封1、前端轴承2、后端轴承3、编码器4、主轴电机转子5、主轴电机定子6、主轴电机外壳7、负电极碳刷8、正电极碳刷9、温度传感器10、压盖11、绝缘法兰12、气管接头13、后端罩壳14、后水冷接头15、前水冷接头16、罩壳17、后端主轴转子18、冷却喷头19、编码器读数头20、过渡壳体21、电主轴外壳22、隔套23、前端主轴转子24、轴承压盖25、拉刀机构26、超声振动装置27、冷却风扇28和手动换刀锁死装置29；所述前端轴承2内圈安装在前端主轴转子24上，前端轴承2外圈安装在电主轴外壳22底端安装孔里，所述轴承压盖25通过螺钉固定安装在电主轴外壳22的底面上且轴承压盖25的顶端顶在前端轴承2外圈的底面上，所述拉刀机构26通过螺钉固定安装在前端主轴转子24上，所述轴承压盖25与拉刀机构26之间安装有油封1，所述超声振动装置27安装在拉刀机构26的中心孔里，所述隔套23安装在前端主轴转子24上且隔套23底面顶在前端轴承2内圈的顶面上，所述后端轴承3内圈安装在前端主轴转子24上且后端轴承3内圈底面顶在隔套23的顶面上，所述后端轴承3外圈安装在电主轴外壳22顶端的安装孔里，所述后端主轴转子18通过螺钉固定安装在前端主轴转子24的顶面上，所述编码器4通过螺钉固定安装在后端主轴转子18上，所述过渡壳体21通过螺钉固定安装在电主轴外壳22的顶端且过渡壳体21的底面顶在后端轴承3外圈的顶面上，所述编码器读数头20通过螺钉固定安装在过渡壳体21中心孔里且与编码器4正对，所述主轴电机外壳7通过螺钉固定安装在过渡外壳21的顶端，所述主轴电机转子5安装在后端主轴转子18上且靠近后端主轴转子18的顶端，所述压盖11通过螺钉固定安装在后端主轴转子18和主轴电机转子5上，所述主轴电机定子6安装在主轴电机外壳7的中心安装孔里，所述主轴电机外壳7中心孔里设有螺旋凹槽，所述罩壳17通过螺钉固定安装在电主轴外壳22上，所述后水冷接头15和前水冷接头16都安装在主轴电机外壳6上且都与主轴电机外壳6上的螺旋凹槽相通，所述手动换刀锁死装置29安装在电主轴外壳22的外表面上，所述罩壳17上安装有冷却风扇28，所述绝缘法兰12安装在主轴电机外壳7顶端，所述冷却喷头19通过螺钉固定安装在绝缘法兰12的底部且位于后端主轴转子18中心孔内，所述后端罩壳14通过螺钉固定安装在绝缘法兰12上且后端罩壳罩14在罩壳17上，所述正电极碳刷9安装在绝缘法兰12的中心安装孔里，所述负电极碳刷8和温度传感器10都安装在绝缘法兰12的安装孔里，所述绝缘法兰12的径向安装孔里安装有气管接头13。

优选的，所述负电极碳刷8由负极接线柱801、负极弹簧802、负极碳刷803和负极导向套804组成，所述负极接线柱801、负极弹簧802和负极导向套804都采用铜材制成，所述负极接线柱801通过螺纹连接安装在负极导向套804中心孔里，所述负极碳刷803安装在负极导向套804中心孔底端，所述负极弹簧802安装在负极导向套804的中心孔里，负极弹簧802顶端顶在负极接线柱801的底面上，负极弹簧802底端顶在负极碳刷803的顶端，所述负极碳刷803底面顶在超声振动装置27的顶端。

优选的，所述正电极碳刷9由正极接线柱901、正极弹簧902、正极碳刷903和正极导向套904组成，所述正极接线柱901、正极弹簧902和正极导向套904都采用铜材制成，所述正极接线柱901通过螺纹连接安装在正极导向套904中心孔里，所述正极碳刷903安装在正极导向套904中心孔底端，所述正极弹簧902安装在正极导向套904的中心孔里，正极弹簧902顶端顶在正极接线柱901的底面上，正极弹簧902底端顶在正极碳刷903的顶端，所述正极碳刷903底面顶在超声振动装置27的顶端。

优选的，所述电主轴外壳22左侧和右侧都设有法兰盘，电主轴外壳22左侧法兰盘上设有通孔。

优选的，所述绝缘法兰上设有径向气孔和轴向气孔且径向气孔和轴向气孔相通。

优选的，所述主轴电机外壳的底面上设有环形凸台，主轴电机外壳上的环形凸台定位安装在过渡壳体的中心孔里。

优选的，所述前端主轴转子顶端外圆柱定位安装在后端主轴转子的中心孔里。

优选的，所述后端主轴转子的底面顶在后端轴承内圈的顶面上。

优选的，所述绝缘法兰上的气孔和冷却喷头上的环形槽相通，环形槽内均布8个直径为1～5mm的气孔，向超声振动装置的顶端喷气冷却。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：包含油封、前端轴承、后端轴承、编码器、主轴电机转子、主轴电机定子、主轴电机外壳、负电极碳刷、正电极碳刷、温度传感器、压盖、绝缘法兰、气管接头、后端罩壳、后水冷接头、前水冷接头、罩壳、后端主轴转子、冷却喷头、编码器读数头、过渡壳体、电主轴外壳、隔套、前端主轴转子、轴承压盖、拉刀机构、超声振动装置、冷却风扇和手动换刀锁死装置；所述前端轴承内圈安装在前端主轴转子上，前端轴承外圈安装在电主轴外壳底端安装孔里，所述轴承压盖通过螺钉固定安装在电主轴外壳的底面上且轴承压盖的顶端顶在前端轴承外圈的底面上，所述拉刀机构通过螺钉固定安装在前端主轴转子上，所述轴承压盖与拉刀机构之间安装有油封，所述超声振动装置安装在拉刀机构的中心孔里，所述隔套安装在前端主轴转子上且隔套底面顶在前端轴承内圈的顶面上，所述后端轴承内圈安装在前端主轴转子上且后端轴承内圈底面顶在隔套的顶面上，所述后端轴承外圈安装在电主轴外壳顶端的安装孔里，所述后端主轴转子通过螺钉固定安装在前端主轴转子的顶面上，所述编码器通过螺钉固定安装在后端主轴转子上，所述过渡壳体通过螺钉固定安装在电主轴外壳的顶端且过渡壳体的底面顶在后端轴承外圈的顶面上，所述编码器读数头通过螺钉固定安装在过渡壳体中心孔里且与编码器正对，所述主轴电机外壳通过螺钉固定安装在过渡外壳的顶端，所述主轴电机转子安装在后端主轴转子上且靠近后端主轴转子的顶端，所述压盖通过螺钉固定安装在后端主轴转子和主轴电机转子上，所述主轴电机定子安装在主轴电机外壳的中心安装孔里，所述主轴电机外壳中心孔里设有螺旋凹槽，所述罩壳通过螺钉固定安装在电主轴外壳上，所述后水冷接头和前水冷接头都安装在主轴电机外壳上且都与主轴电机外壳上的螺旋凹槽相通，所述手动换刀锁死装置安装在电主轴外壳的外表面上，所述罩壳上安装有冷却风扇，所述绝缘法兰安装在主轴电机外壳顶端，所述冷却喷头通过螺钉固定安装在绝缘法兰的底部且位于后端主轴转子中心孔内，所述后端罩壳通过螺钉固定安装在绝缘法兰上且后端罩壳罩在罩壳上，所述正电极碳刷安装在绝缘法兰的中心安装孔里，所述负电极碳刷和温度传感器都安装在绝缘法兰的安装孔里，所述绝缘法兰的径向安装孔里安装有气管接头。

2.如权利要求1所述的一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：所述负电极碳刷由负极接线柱、负极弹簧、负极碳刷和负极导向套组成，所述负极接线柱、负极弹簧和负极导向套都采用铜材制成，所述负极接线柱通过螺纹连接安装在负极导向套中心孔里，所述负极碳刷安装在负极导向套中心孔底端，所述负极弹簧安装在负极导向套的中心孔里，负极弹簧顶端顶在负极接线柱的底面上，负极弹簧底端顶在负极碳刷的顶端，所述负极碳刷底面顶在超声振动装置的顶端。

3.如权利要求1所述的一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：所述正电极碳刷由正极接线柱、正极弹簧、正极碳刷和正极导向套组成，所述正极接线柱、正极弹簧和正极导向套都采用铜材制成，所述正极接线柱通过螺纹连接安装在正极导向套中心孔里，所述正极碳刷安装在正极导向套中心孔底端，所述正极弹簧安装在正极导向套的中心孔里，正极弹簧顶端顶在正极接线柱的底面上，正极弹簧底端顶在正极碳刷的顶端，所述正极碳刷底面顶在超声振动装置的顶端。

4.如权利要求1所述的一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：所述电主轴外壳左侧和右侧都设有法兰盘，电主轴外壳左侧法兰盘上设有安装通孔。

5.如权利要求1所述的一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：所述绝缘法兰上设有径向气孔和轴向气孔且径向气孔和轴向气孔相通。

6.如权利要求1所述的一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：所述主轴电机外壳的底面上设有环形凸台，主轴电机外壳上的环形凸台定位安装在过渡壳体的中心孔里。

7.如权利要求1所述的一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：所述前端主轴转子顶端外圆柱定位安装在后端主轴转子的中心孔里。

8.如权利要求7所述的一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：所述后端主轴转子的底面顶在后端轴承内圈的顶面上。

9.如权利要求1所述的一种超声切削加工专用伺服电主轴，其特征在于：所述绝缘法兰上的气孔和冷却喷头上的环形槽相通，环形槽内均布8个直径为1～5mm的气孔，向超声振动装置的顶端喷气冷却。