CN106141415B - 旋转摩擦连接装备的电主轴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置，包括：芯轴、前轴承、后轴承、旋转编码器、电磁制动器、由定子和转子构成的永磁同步电机；所述前轴承和后轴承分别安装在芯轴的前端和后端；所述永磁同步电机驱动所述芯轴、前轴承和后轴承及其配件；冷却套套在定子外部，通过密封圈与定子上自带的螺旋冷却槽形成循环通道，并通过冷却套的打斜孔将循环通道贯穿到前轴承冷却套和前轴承座内部，使急停时受力和温升最大的一对前轴承获得最佳冷却效果；旋转编码器用于转速读取和闭环控制，电磁制动器用于提供开关量控制的快速急停制动力。本发明所提供的电主轴装置具有转速高、轴向力大、快速急停、集成度好、工作可靠等特点。

Description

旋转摩擦连接装备的电主轴装置

技术领域

本发明特种电主轴领域，尤其涉及一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置。

背景技术

在产品装配领域，如何实现工件间又快又好又轻量化的连接十分重要。现有的装配连接，包括螺栓联接、胶接、传统铆接、点焊等，均具有各自优缺点。铝合金、镁合金、复合材料等热塑性材料是航空航天及高档汽车方面应用广泛的材料，为了配合这些材料构件的设计使用，一些新工艺如搅拌摩擦焊接、摩擦拉塞焊以及摩擦铆均被广泛研究应用。然而，以摩擦拉塞焊以及摩擦铆工艺为代表，对于设备主轴要求具有高速、大轴向力，并且能够从高速快速急停。工程领域没有一款电主轴能够满足其使用需求，特别是高速、大轴向力与快速急停性能的耦合，在本发明实施之前，国内外无此特种电主轴。这对工艺的简便化、实用化以及生产线化的推广应用，造成了重大的阻碍。

因此，需要一种可以满足高速、大轴向力，并且能够从高速快速急停的“零传动”的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置，具有集成度高、便于安装、工作可靠、精度高、使用方便等特点。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中缺乏一种可以实现高速、大轴向力的，应用于旋转摩擦连接装备的电主轴装置；为解决所述问题，本发明提供一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置。

本发明提供的旋转摩擦连接装备的电主轴装置包括：芯轴、前轴承、后轴承、永磁同步电机；所述前轴承和后轴承分别安装在芯轴的前端和后端；所述永磁同步电机驱动所述前轴承和后轴承。

进一步，还包括：前轴承内挡圈、前轴承外压盖、前轴承内压盖、前轴承冷却套；所述的前轴承内挡圈、前轴向限位圈以及芯轴前端轴肩限定前轴承的内圈；前轴承外压盖、前轴承内压盖以及前轴承冷却套的法兰肩限定前轴承的外圈。

进一步，所述的前轴承包括一对背对背布置的角接触球轴承。

进一步，所述的后轴承包括一对背对背布置的角接触球轴承。

进一步，还包括：后轴承内挡圈、后轴承限位圈、后轴承内压盖、后轴承座、螺旋预紧弹簧；后轴承内挡圈、后轴承限位圈以及芯轴后端轴肩限定后轴承的内圈；在后轴承内压盖和后轴承座间连接螺钉上装螺旋预紧弹簧使后轴承内压盖压紧后轴承的一个角接触球轴承的外圈，并通过后轴承内挡圈传递到后轴承另外一个角接触球轴承的外圈，保证后轴承内压盖和后轴承座间的两个角接触球轴承保持一定预紧并可根据温升自适应调整。

进一步，永磁同步电机包括转子和定子；所述转子通过弹簧胀紧套装在芯轴上，所述弹簧胀紧套两端侧面分别安装前平衡盘和后平衡盘；所述的定子装在前轴承座和后轴承座之间，通过内六角螺钉与冷却套紧固，所述定子径向采用过盈胀紧配合；前轴承座套在前轴承冷却套外部，与前轴承冷却套密封配合构成前轴承冷却水路，并起到前轴承外圈固定的作用。

进一步，所述的定子与电主轴装置的外壳加工螺旋槽、冷却套间通过第一美标O形圈、第二美标O形圈、第三美标O形圈、第四美标O形圈、第五美标O形圈和日标O形圈进行密封。

进一步，还包括：旋转编码器；所述旋转编码器的磁栅编码盘安装于芯轴后端的后轴承限位圈的轴肩上，旋转编码器采用双读数头，两个读数头均使用螺钉安装在后轴承座上；旋转编码器其中一个读数头读出的磁栅编码盘的转速，用于反馈转子转速信息，从而对电主轴芯轴及其附件如轴承、电磁制动器盘等部件进行闭环控制，另一个读数头读出的转速用于检测转速从而获取急停时间。

进一步，还包括：电磁制动器，所述电磁制动器安装于后座。

本发明还提供采用所述的电主轴装置的旋转摩擦连接装备。

本发明的优点包括：

本发明通过选择恰当的转子、定子、轴承，并其组合，从而获取大驱动扭矩和大轴向力，并且利用“零传动”转动惯量小的本质，特别加入电磁制动器提供辅助机械制动扭矩，充分利用冲量定理和惯性原理，从而获得较大的减加速度。

进一步地，本发明采用轻量化材料，不仅有利于急停目标的实现，还可以减少工艺装备的总体重量，具有良好集成开放性。

最后，本发明采用标准BT刀具接口，利于实现通用化主轴及其刀夹具更换。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的三视图；

图2为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的A-A（1）剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的A-A（2）剖视图；

图4为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的B-B剖视图；

图5为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的C-C剖视图；

图6为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的D-D剖视图；

图7为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的E-E剖视图；

图8为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的F-F剖视图；

图9为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的G-G剖视图；

图10为本发明实施例提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置的H-H剖视图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置包括：芯轴1、前轴承2、后轴承24、永磁同步电机；所述前轴承和后轴承分别安装在芯轴1的前端和后端；所述永磁同步电机驱动所述前轴承2和后轴承24。

结合参考图1至图10，在本发明的优选实施例中，为了增加有效作用点，承受双向轴向载荷，并提高动态刚度；所述的前轴承2采用一对背对背安装的角接触球轴承，比如 25度低发热超高速角接触球轴承；同理，所述后轴承24也采用一对背对背安装的角接触球轴承，比如一对15度低发热超高速角接触球轴承。所述前轴承2安装在芯轴1的前端，所述后轴承24安装在芯轴的后端；芯轴的前、后端为本领域内约定俗成。

为增加前端轴向受力能力和轴向刚度，所述的前轴承2采用限位预紧，通过前轴承内挡圈3、前轴向限位圈4以及芯轴1前端轴肩限定前轴承2的内圈；通过前轴承外压盖11、前轴承内压盖12以及前轴承冷却套5的法兰肩限定前轴承2的外圈。

参考图2，所述的后轴承24采用弹簧预紧，通过后轴承内挡圈26、后轴承限位圈27以及芯轴1后端轴肩限定后轴承24的内圈；通过在后轴承内压盖23和后轴承座30间连接螺钉上装螺旋预紧弹簧32使后轴承内压盖23压紧后轴承24（后轴承有两颗轴承，背对背安装）的一个角接触球轴承的外圈并通过后轴承内挡圈26传递到后轴承24的另一个角接触球轴承的外圈，保证后轴承内压盖23和后轴承座30间的两个后轴承24保持一定预紧并可根据温升自适应调整。

所述的前轴承2和后轴承24，滚动体均采用SiN4陶瓷材料，重量比同直径钢球轻60%，不仅具有很小离心力，而且急停工况时产生的冲击载荷小，从而延长寿命。前轴承2和后轴承24的内外圈采用轴承钢，强度刚度好，有利于耐受急停和轴向载荷。前轴承2和后轴承24的保持架是轴承耐急停的最主要部件，选择定制钛合金保持架，避免一般陶瓷轴承保持架聚四氟乙烯PTFE急停轴承寿命短的缺点。

所述的前轴承2和后轴承24，前轴承2使用冷却剂冷却，后轴承24采用空心轴内强制风冷，以避免轴承热损伤。前轴承2和后轴承24采用脂润滑，保证轴承的最高转速。所述的前轴承2和后轴承24，采用油气润滑可提高最高转速。

如附图所示，所述的永磁同步电机包括转子16和定子18；所述的转子16通过弹簧胀紧套15装在芯轴1上，弹簧胀紧套15上两端分别安装第一平衡盘14和第二平衡盘17；通过调节第一锥头紧定螺钉46拧入前平衡盘14的深度、第二锥头紧定螺钉拧入后平衡盘17的深度可以调整动运动部分动平衡量。弹簧胀紧套15的作用是便于更换轴承和芯轴，起到轴承失效和刀具接口失效的维护效果。所述的定子18装在前轴承座7和后轴承座30之间，通过内六角螺钉与冷却套22紧固，其径向采用过盈胀紧配合，可选用油浴加热或液氮冷却进行冷热装配。所述的转子16、定子18，转子16、定子18的额定功率和额定扭矩以及转动惯量需经过冲量定理进行建模计算，确保实现快速急停的目标可行性。

进一步，所述的定子18，外壳加工螺旋槽与冷却套22间通过第一美标O形圈8、第二美标O形圈9、第三美标O形圈10、第四美标O形圈13、第五美标O形圈21和日标O形圈19进行密封。通过热功率计算，进行定子18的冷却系统配置。

为提高旋转摩擦连接装备的工艺质量能力，本实施例提供的电主轴装置还包括旋转编码器29，所述旋转编码器29的磁栅编码盘安装于芯轴1后端的后轴承限位圈27的轴肩上，旋转编码器29采用双读数头，两个读数头均使用螺钉安装在后轴承座上30；旋转编码器29其中一个读数头读出的磁栅编码盘的转速，用于反馈转子转速信息，从而对电主轴芯轴及其附件如轴承、电磁制动器盘等部件进行闭环控制，另一个读数头读出的转速用于检测转速从而获取急停时间。

为大幅减少急停时间，保证旋转摩擦连接装备的工作能力，本实施例提供的电主轴装置还包括电磁制动器57，用于增加机械制动扭矩。

本实施例提供的旋转摩擦连接装备的电主轴装置还包括:改制螺钉20，冷却套22，后轴承内压盖23，后轴承24，后轴承外挡圈25，后轴承内挡圈26，后轴承限位圈27，锁紧弹性螺母28，旋转编码器29，后轴承座30，后座31，预紧弹簧32，航插33，第一至第十内六角螺钉34，35，36，37，38，39，40，41，42，43，平头紧定螺钉44，第一锥头紧定螺钉45，第二锥头紧定螺钉46，第三锥头紧定螺钉47，锁紧螺母48，第一弹垫49，第二弹垫50，第三弹垫51，第一平垫52，第二平垫53，第三平垫54，制动器限位圈55，制动器外罩56，电磁制动器57，堵头58，接管咀59和宝塔咀60组成。

其中，前轴承2的规格是7007，后轴承24的规格是7005，第六美标O形圈6的规格是82.22×1.78，第一美标O形圈8的规格是171.12×2.62，第二美标O形圈9的规格是202.87×2.62，第三美标O形圈10的规格是94.92×2.62，第四美标O形圈13的规格是133.07×1.78，第五美标O形圈21的规格是148.82×3.53，日标O形圈19的规格是149.5×2，转子16和定子18的规格是1FE1072-4WH31-1BA0-西门子，旋转编码器29的规格是ERM2900-海德汉，第一内六角螺钉34的规格是螺钉M3×30-A2-70-GB/T70.1，第二内六角螺钉35的规格是螺钉M4×10-A2-70-GB/T70.1，第三内六角螺钉36的规格是螺钉M4×20-A2-70-GB/T70.1，第四内六角螺钉37的规格是螺钉M4×40-A2-70-GB/T70.1，第五内六角螺钉38的规格是螺钉M5×12-A2-70-GB/T70.1，第六内六角螺钉39的规格是螺钉M5×30-A2-70-GB/T70.1，第七内六角螺钉40的规格是螺钉M5×35-A2-70-GB/T70.1，第八内六角螺钉41的规格是螺钉M5×45-A2-70-GB/T70.1，第九内六角螺钉42的规格是螺钉M5×50-A2-70-GB/T70.1，第十内六角螺钉43的规格是螺钉M6×12-A2-70-GB/T70.1，平头紧定螺钉44的规格是M3×5-GB/T77，第一锥头紧定螺钉45的规格M2×3-GB/T78，第二锥头紧定螺钉46的规格M4×3-GB/T78，第三锥头紧定螺钉47的规格M5×5-GB/T78，第一弹垫49的规格是3号，第二弹垫50的规格是4号，第三弹垫51的规格是5号，第一平垫52的规格是3号，第二平垫53的规格是4号，第三平垫54的规格是5号，电磁制动器57的规格是101-06-15G-三木普利。

如附图1所示，为本发明的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置三视图，外形设置法兰和螺栓孔，同时外形法兰后部轴颈精加工，为电主轴提供了法兰安装和卡箍抱紧两种安装方式；

如附图2、图3、图6、图8和图10所示，为本发明的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置A-A1、A-A2剖视图，剖视图可见大部分结构细节，如轴承、定转子、冷却部位、后部电路航插，整体结构紧凑；电主轴前端、中部、后部三段采用第一至第十不锈钢内六角螺钉34，35，36，37，38，39，40，41，42，43紧固，可避免急停产生热量导致的温度变化带来的水汽凝结，减缓腐蚀；密封系统的堵头采用标准螺钉改制并塞焊和检漏，合格后进入下一道装配工序。

如附图4所示，为本发明的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置B-B剖视图，图中所示弹簧处于未压缩时长度，经装配的跑合工序后确定具体压缩量；

如附图5、图7和图9所示，为本发明的一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置C-C剖视图，图中示出了冷却管路系统，该管路为两进一出并在电主轴前端交汇附图5和附图9所示，两路通过斜孔进行贯通附图7所示，电主轴前部采用第一至第四美标O形圈8，9，10，13进行前轴承2的部件的端面静密封、三角静密封和2处径向密封，利用日标O形圈19和第五美标O形圈21进行电主轴中部定子18冷却管路的2处径向静密封。

本装置完成摩擦拉塞焊、摩擦铆点连接工艺的旋转驱动的方法，是利用电主轴高速优势，兼以恰当的转子、定子选择、轴承选用和轴承组合设计，从而获取大驱动扭矩和大轴向力，并且利用“零传动”转动惯量小的本质，特别加入电磁制动器提供辅助机械制动扭矩，充分利用冲量定理和惯性原理，从而获得较大的减加速度,发明了一种旋转摩擦连接装备的电主轴，提供给摩擦拉塞焊、摩擦铆点连接工艺装备使用。

进一步地，本发明采用轻量化材料，不仅有利于急停目标的实现，还可以减少工艺装备的总体重量，具有良好集成开放性。

最后，本发明采用标准BT刀具接口，利于实现通用化主轴及其刀夹具更换。

综上，本发明公开的旋转摩擦连接装备的电主轴装置包括：芯轴、前轴承、前轴承冷却套、前轴承座、前轴承压盖、定子、转子、平衡盘、弹簧胀紧套、冷却套、密封圈、后轴承、后轴承内压盖、后轴承挡圈、后轴承限位圈、后轴承座、后座、旋转编码器、电磁制动器和后盖；前轴承冷却套、前轴承座、前轴承压盖、定子、冷却套、密封圈、后轴承内压盖、后轴承挡圈、后轴承限位圈、后轴承座、后座、后盖等形成电主轴固定部件，并通过前轴承座和冷却套的法兰面以及轴与旋转摩擦连接装备的机体连接和固定；冷却套套在定子外部，通过密封圈与定子上自带的螺旋冷却槽形成循环通道，并通过冷却套的打斜孔将循环通道贯穿到前轴承冷却套和前轴承座内部，使急停时受力和温升最大的一对前轴承获得最佳冷却效果；通过前轴承的压盖、挡圈、限位圈等附件将前轴承固定在芯轴的前端，通过弹簧胀紧套的过盈配合将转子固定在芯轴中部，通过后轴承压盖、挡圈、限位圈将后轴承固定在芯轴的后端，并与旋转编码器和电磁制动器形成电主轴转动部件；旋转编码器用于转速精确读取和闭环控制，电磁制动器用于提供通过电磁开关量信号控制的辅助电主轴急停的机械制动力；电主轴转动部件套在电主轴固定部件内部，并通过由定子和转子构成的永磁同步电机驱动所述电主轴转动部件及芯轴上的旋转摩擦连接装备的工具附件。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种旋转摩擦连接装备的电主轴装置，该电主轴装置用于摩擦拉塞焊和摩擦铆接工艺；其特征在于，包括：芯轴(1)、前轴承(2)、后轴承（24）、由定子（18）和转子（16）构成的永磁同步电机；所述前轴承和后轴承分别安装在芯轴（1）的前端和后端；所述永磁同步电机驱动所述前轴承（2）和后轴承（24）；

所述的前轴承包括一对背对背布置的角接触球轴承；

所述的后轴承包括一对背对背布置的角接触球轴承，还包括：后轴承内挡圈（26）、后轴承限位圈（27）、后轴承内压盖（23）、后轴承座（30）、螺旋预紧弹簧（32）；后轴承内挡圈（26）、后轴承限位圈（27）以及芯轴(1)后端轴肩限定后轴承(24)的内圈；在后轴承内压盖（23）和后轴承座（30）间连接螺钉上安装有螺旋预紧弹簧（32）使后轴承内压盖（23）压紧后轴承（24）的一个角接触球轴承的外圈，并通过后轴承内挡圈（26）传递到后轴承（24）另外一个角接触球轴承的外圈，保证后轴承内压盖（23）和后轴承座（30）间的两个角接触球轴承保持一定预紧并可根据温升自适应调整；

所述旋转摩擦连接装备的电主轴装置还包括：前轴承内挡圈（3）、前轴承外压盖（11）、前轴承内压盖（12）、前轴承冷却套（5）；所述的前轴承内挡圈(3)、前轴向限位圈(4)以及芯轴(1)前端轴肩限定前轴承(2)的内圈；前轴承外压盖（11）、前轴承内压盖（12）以及前轴承冷却套(5)的法兰肩限定前轴承(2)的外圈；

永磁同步电机包括转子（16）和定子（18）；所述转子（16）通过弹簧胀紧套（15）装在芯轴上，所述弹簧胀紧套（15）两端侧面分别安装前平衡盘（14）和后平衡盘（17）；所述的定子（18）装在前轴承座(7)和后轴承座（30）之间，通过内六角螺钉与冷却套（22）紧固，所述定子（18）径向采用过盈胀紧配合；前轴承座（7）套在前轴承冷却套（5）外部，与前轴承冷却套（5）配合构成前轴承（2）冷却水路，并固定前轴承（2）外圈；

所述的定子与电主轴装置的外壳加工螺旋槽、冷却套（22）间通过第一美标O形圈（8）、第二美标O形圈（9）、第三美标O形圈（10）、第四美标O形圈（13）、第五美标O形圈（21）和日标O形圈（19）进行密封；

所述旋转摩擦连接装备的电主轴装置还包括旋转编码器（29）；所述旋转编码器（29）的磁栅编码盘安装于芯轴（1）后端的后轴承限位圈（27）的轴肩上，旋转编码器（29）采用双读数头，两个读数头均使用螺钉安装在后轴承座(30)上；旋转编码器（29）其中一个读数头读出的磁栅编码盘的转速，用于反馈转子转速信息，从而对电主轴芯轴及其附件进行闭环控制，另一个读数头读出的转速用于检测转速从而获取急停时间。

2.依据权利要求1所述的旋转摩擦连接装备的电主轴装置，其特征在于，还包括：电磁制动器，所述电磁制动器安装于后座（31）。

3.采用权利要求1至2中任意一项所提供的电主轴装置的旋转摩擦连接装备。