CN106984836A - 一种高速高精度内置式动静压电主轴 - Google Patents

一种高速高精度内置式动静压电主轴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高速高精度内置式动静压电主轴，其特征在于，包括箱体，前轴承及后轴承分别通过前轴承端盖及后轴承端盖设于箱体内，由前轴承和后轴承共同支承内部带有在线动平衡头的主轴，在箱体上设有进油孔及出油孔，进油孔经由油路与出油孔相通，油路分为2部分，一部分通过进油孔进入前轴承和后轴承中，将主轴悬浮在前轴和后轴承的间隙中形成纯液体润滑，另一部分供给前轴承和前轴承端盖，使主轴实现轴向定位，砂轮通过法兰盘设于前轴承端盖上本发明结构简单，动态性能好，主轴转数高、回转精度高、热变形小，可广泛应用于精密磨床的砂轮电主轴、数控加工中心以及精密车床的主轴等。

Description

一种高速高精度内置式动静压电主轴
技术领域
本发明涉及精密数控机床技术领域，尤其涉及一种高速高精度内置式动静压电主轴。
背景技术
随着中国制造2025的提出，对制造业提出了更高的要求，要求数控机床向精密化、高速化、智能化方向发展，主轴作为数控机床的核心部件，其动态性能直接决定着机床的加工精度。目前，越来越多的高档数控机床主轴开始采用电主轴结构，电主轴是将机床主轴与内置电机转子通过过盈配合而融为一体，不再使用皮带或齿轮传动，省去了中间机械传动环节，并且将主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，从而实现机床的“零传动”，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、调速范围宽、振动噪声小等优点，因此被广泛应用于各种精密与超精密机床。轴承是电主轴系统的核心支承部件，对轴承的要求，除了需要高的精度、高刚度、高承载能力、润滑性能好和发热量小外，更重要的是必须适于高速运行。目前，可用于电主轴支承的轴承主要有：滚动轴承、动静压轴承和气浮轴承等，由于动静压轴承利用油膜的动压效应承载，具有误差均化和缓冲吸振的作用，承载力大回转精度高、刚度大、磨损小、寿命长。因此，精密数控机床普遍采用动静压轴承作为主轴支承部件。
动静压轴承在高速工作过程中由于摩擦生热，其中大部分热量被润滑油带走，剩下的热量向轴承座和主轴传导，主轴在轴向和径向都会产生一定的热变形，一般主轴单元前轴承负荷比后轴的大，所以前轴承的发热量也比后轴承大，从而造成前、后轴承温度差，导致主轴产生热变形，热变形的结果使主轴前端会出现“抬头”现象，且机床主轴转速越高，轴承发热越严重，主轴单元热变形也越大，当发热量过大或温升超过一定值时，由主轴热变形引起的误差将会影响机床的加工精度。因此，必须采取有效措施来降低前、后轴承的温差，降低主轴单元热变形对数控机床加工精度的影响。此外，由于主轴系统的受力变形、热变形以及砂轮磨损不均匀等造成主轴系统不平衡所引发的振动也严重影响着数控机床的加工精度和加工效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速高精度内置式动静压电主轴，以提主轴系统在高速下动态性能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种高速高精度内置式动静压电主轴，其特征在于，包括箱体，前轴承及后轴承分别通过前轴承端盖及后轴承端盖设于箱体内，由前轴承和后轴承共同支承内部带有在线动平衡头的主轴，在箱体上设有进油孔及出油孔，进油孔经由油路与出油孔相通，油路分为2部分，一部分通过进油孔进入前轴承和后轴承中，将主轴悬浮在前轴和后轴承的间隙中形成纯液体润滑，另一部分供给前轴承和前轴承端盖，使主轴实现轴向定位，砂轮通过法兰盘设于前轴承端盖上；
在主轴露于箱体外的部分外设有电机转子，电机转子外设有电机定子，电机定子安装在电机壳体上，电机壳体与箱体连接固定在，电机壳体上设有电机定子冷却油进口和电机定子冷却油出口，电机定子冷却油进口经由电子冷却油路与电机定子冷却油出口相通，由电机端盖将电机壳体密封，主轴的端部露于电机端盖外，在主轴的该端部上设有在线动平衡头接收器及编码器。
优选地，在所述前轴承和所述后轴承的内壁面均布有五个静压油腔，且在一端的出油口分别安装有温度传感器一和温度传感器二。
优选地，所述砂轮通过螺钉安装在所述法兰盘上。
优选地，所述油路上设有流量调节阀。
优选地，所述前轴承与所述前轴承端盖之间设有调整垫片。
优选地，所述电机转子通过隔热套筒过盈配合安转在所述后轴承之后。
本发明的结构与现有技术相比具有如下优点：
1、采用温度传感器采集前、后轴承出油口的润滑油温度，然后将采集的温度信号传递给控制器，控制器输出信号给流量调节阀，通过控制后轴承的进油流量使得前、后轴承出油口的润滑油的温度差在2℃范围内，如此降低了主轴的热变形量，提高了电主轴系统的输出精度。
2、采用电机位于后轴承之后的安装方式，散热条件好，采用隔热套筒将电机转子和主轴分开，大大降低了电机转子的热量向主轴的传递，电机采用油冷却方式，减少了电机发热对主轴单元的影响。
3、采用五腔动静压轴承作为支撑，承载能力大，磨损小，能够均化误差、缓冲吸振，回转精度高。
4、后轴承端盖采用隔热材料，降低了电机产生的热量向后轴承的传递，降低了主轴的热变形量。
5、采用在线砂轮动平衡头，在电主轴系统工作时进行实时动平衡，平衡效率高，降低了主轴系统不平衡所引起的振动。
综上所述，本发明结构简单，动态性能好，主轴转数高、回转精度高、热变形小，可广泛应用于精密磨床的砂轮电主轴、数控加工中心以及精密车床的主轴等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为两轴承温度差控制原理图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
结合图1及图2，本发明提供的一种高速高精度内置式动静压电主轴，由砂轮1、法兰盘2、前轴承端盖3、调整垫片4、前轴承5、温度传感器一6、进油孔7、流量调节阀8、后轴承9、后轴承端盖10、温度传感器二11、电机定子冷却油进口12、电机定子冷却油出口13、编码器14、在线动平衡头接收器15、螺钉16、在线动平衡头17、箱体18、出油孔19、主轴20、电机定子21、电机转子22、隔热套筒23、电机壳体24、电机端盖25、控制器26和温度显示器27等组成。
箱体18上设有进油孔7、出油孔19和流量调节阀8。所述的主轴20由过盈配合安装在箱体18上的前轴承5和后轴承9共同支承，其内部装有在线动平衡头17，以及其末端设有在线动平衡头接收器15以及编码器14。所述的前轴承5和后轴承7均为动静压轴承，其中，前轴承5还具有端面轴承功能。前轴承5与前轴承端盖3之间设有调整垫片4。后轴承端盖10采用隔热材料。此外，在前轴承5和后轴承7的内壁面还设有均布的五个静压油腔，且在一端的出油口分别安装有温度传感器一6和温度传感器二11。所述的砂轮1通过螺钉16安装在法兰盘2上，法兰盘2采用莫氏锥度五号安装在主轴20的前端。所述的电机转子22通过隔热套筒23过盈配合安转在后轴承9之后，电机定子21安装在电机壳体24上，在电机壳体24上设有电机定子冷却油进口12和电机定子冷却油出口13，电机端盖25将电机密封，电机壳体24与后轴承端盖10一起安装在箱体18上。
电主轴系统工作时，首先开启液压油泵，采用恒流量供油，油路分为2部分，一部分润滑油通过进油孔7进入前轴承5和后轴承7中，将主轴20悬浮在前轴5和后轴承7的间隙中形成纯液体润滑；另一部分供给前轴承5和前轴承端盖3，使主轴20实现轴向定位。然后，设置转数、上电，启动电机转子22，此时在线动平衡头17、编码器14、温度传感器一6、温度传感器二11和流量调节阀8也开始工作，前轴承5和后轴承7的温度以及温差通过温度传感器一6和温度传感器二11反馈且显示在温度显示器27上，一定时间后，电机定子21的油冷却系统启动。
从图2可以看出，温度传感器一6和温度传感器二11采集到前轴承5和后轴承7的温度后，会实时显示在温度显示器27上，由于电主轴系统的重心以及工作载荷距离前轴承5较近，因此，前轴承5的承受的载荷要大于后轴承7，从而前轴承5的温升要高于后轴承7。当前轴承5的温度超过后轴承7温度2℃时，控制器25发出信号使流量调节阀8动作使得后轴承7的供油流量减少，由于采用恒流量供油，那么前轴承5的供油流量就会增加，从而使得前轴承5温度降低以及后轴承温7度升高，当前轴承5的温度和后轴承7的温度温差在2℃范围内，控制器25发出信号使流量调节阀8停止动作，从而降低了电主轴系统热变形对主轴输出端精度的影响。
本发明结构简单，电主轴系统的动态性能好，产生的热变形小，能够保证主轴在高速下的热稳定性，具有输出精度高、高速动态性能好、可靠性高、使用寿命长等优点，适用于大多数的精密数控机床的主轴。

Claims (6)

1.一种高速高精度内置式动静压电主轴，其特征在于，包括箱体(18)，前轴承(5)及后轴承(9)分别通过前轴承端盖(3)及后轴承端盖(10)设于箱体(18)内，由前轴承(5)和后轴承(9)共同支承内部带有在线动平衡头(17)的主轴(20)，在箱体(18)上设有进油孔(7)及出油孔(19)，进油孔(7)经由油路与出油孔(19)相通，油路分为2部分，一部分通过进油孔(7)进入前轴承(5)和后轴承(7)中，将主轴(20)悬浮在前轴(5)和后轴承(7)的间隙中形成纯液体润滑，另一部分供给前轴承(5)和前轴承端盖(3)，使主轴(20)实现轴向定位，砂轮(1)通过法兰盘(2)设于前轴承端盖(3)上；
在主轴(20)露于箱体(18)外的部分外设有电机转子(22)，电机转子(22)外设有电机定子(21)，电机定子(21)安装在电机壳体(24)上，电机壳体(24)与箱体(18)连接固定在，电机壳体(24)上设有电机定子冷却油进口(12)和电机定子冷却油出口(13)，电机定子冷却油进口(12)经由电子冷却油路与电机定子冷却油出口(13)相通，由电机端盖(25)将电机壳体(24)密封，主轴(20)的端部露于电机端盖(25)外，在主轴(20)的该端部上设有在线动平衡头接收器(15)及编码器(14)。
2.如权利要求1所述的一种高速高精度内置式动静压电主轴，其特征在于，在所述前轴承(5)和所述后轴承(7)的内壁面均布有五个静压油腔，且在一端的出油口分别安装有温度传感器一(6)和温度传感器二(11)。
3.如权利要求1所述的一种高速高精度内置式动静压电主轴，其特征在于，所述砂轮(1)通过螺钉(16)安装在所述法兰盘(2)上。
4.如权利要求1所述的一种高速高精度内置式动静压电主轴，其特征在于，所述油路上设有流量调节阀(8)。
5.如权利要求1所述的一种高速高精度内置式动静压电主轴，其特征在于，所述前轴承(5)与所述前轴承端盖(3)之间设有调整垫片(4)。
6.如权利要求1所述的一种高速高精度内置式动静压电主轴，其特征在于，所述电机转子(22)通过隔热套筒(23)过盈配合安转在所述后轴承(9)之后。
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