CN109482911B - 高速静压后置式电主轴及动平衡方法 - Google Patents

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    • B23Q1/70—Stationary or movable members for carrying working-spindles for attachment of tools or work

Abstract

本发明涉及一种高速静压后置式电主轴及动平衡方法,主轴中部固定连接挡圈，后端装设电机转子，尾部装设法兰和接收器，主轴通过静压前轴承、静压后轴承和端面静压轴承支撑在体壳内；主轴上设有三组动平衡结构。第一组动平衡结构包括位于静压前轴承、静压后轴承之间设置的一圈螺纹孔以及主轴后端面设置的一圈螺纹孔；第二组动平衡结构包括主轴前端面上、法兰侧面上设置的一圈螺纹孔；第三组动平衡结构包括主轴内孔设置的动平衡头和传输线、主轴端部和罩壳上分别设置的接收器和发射器、体壳静压前轴承或静压后轴承处放置的振动传感器。通过主轴零件的动平衡、主轴系统的现场动平衡和主轴系统的在线动平衡三个动平衡步骤将主轴系统的不平衡量控制到最佳状态。

Description

高速静压后置式电主轴及动平衡方法
技术领域
本发明涉及一种机床主轴单元，尤其是一种磨床用高速静压后置式电主轴及动平衡方法。
背景技术
随着机械加工工艺的发展，体现高切削速度、高进给速度、高加工精度等特征的高速精密数控机床是装备制造业技术的发展方向。高速精密数控机床不仅具有极高的生产效率，而且可显著提高零件的加工精度和表面质量。高速精密数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴单元的性能。液体动静压轴承由于具有承载能力大、抗振性能好、使用寿命长等优点，以液体动静压轴承为支撑，再将主轴电动机与机床主轴“合二为一”形成的静压电主轴结构，具有回转精度高、刚性好、调速范围宽、转动惯量小、可快速启动和停车等特点，在精密机床结构中取得了不少的应用。
凡运转着的机械设备都普遍地存在振动，况且振动在多数场合是有害的，它大大影响了机械设备的运行状况、工作精度，缩短了使用寿命。在引发机械振动的诸多原因中，机械的旋转零部件质量分布不均衡不对称引起的不平衡离心惯性力是一个重要的激励因素。旨在调整转子的质量分布，将主轴转子在运转时由原先因质量分布不均衡不对称而引发的轴颈的振动或作用轴承上的动压力减少到允许范围内的机械平衡技术早就成为减小机械振动的一个关键技术。
后置式电主轴的电机安装在电主轴的尾部，具有结构简单、安装维修方便等优点。同时也存在不少缺点，这是由于电机安装在轴承的外侧，为悬臂端，如果动平衡精度不高，就会影响主轴的回转精度，也就无法保证工件轮廓型面的加工精度。
在上述研究背景下，从保证机械设备的安全运行、性能及精度以及人身的安全出发，就需在机床静压电主轴结构设计中，针对不同的动平衡阶段，布置不同的动平衡结构措施，以减小或消除机械振动，最终保证机床高精度加工。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种高速静压后置式电主轴及动平衡方法，在高速静压后置式电主轴机械结构设计时，就针对不同阶段可能存在的动不平衡而设计相应动平衡结构，并阐述动平衡的操作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高速静压后置式电主轴,包括主轴、静压前轴承、静压后轴承、端面静压轴承、电机定子、电机转子、体壳、前端盖、隔圈、挡圈、密封环、电机体壳、后端盖、法兰、罩壳，所述主轴中部固定连接挡圈，后端装设电机转子，尾部装设法兰和接收器，主轴通过静压前轴承、静压后轴承和端面静压轴承支撑在体壳内；所述高速静压后置式电主轴上设有三组动平衡结构。
第一组动平衡结构包括位于静压前轴承、静压后轴承之间设置的一圈螺纹孔以及位于主轴后端面设置的一圈螺纹孔；第二组动平衡结构包括主轴前端面上和法兰侧面上分别设置的一圈螺纹孔；第三组动平衡结构包括主轴内孔设置的动平衡头和传输线、在主轴端部和罩壳上分别设置的接收器和发射器以及在体壳静压前轴承或静压后轴承处放置的振动传感器。
一种高速静压后置式电主轴的动平衡方法，其步骤如下：
第一步，回转主轴的动平衡：在动平衡机上通过增加配重的方法在主轴两个截面上的螺纹孔位置对主轴进行零件动平衡；
第二步，高速静压后置式电主轴调试过程中的现场动平衡：利用具有动平衡功能的便携式动平衡仪，在主轴上的螺纹孔和法兰上的螺纹孔所在的两个截面位置通过增加配重的方法对主轴系统进行现场动平衡；
第三步，高速静压后置式电主轴在线动平衡：采用由发射器、接收器、传输线、振动传感器和动平衡头一起构成的在线动平衡装置，将振动传感器的振动信号与动平衡头内平衡块的相位信号结合起来进行动平衡运算，根据运算结果驱动动平衡头内部的平衡块进行在线动平衡。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明利用动平衡原理，在机械结构设计时针对不同阶段的动平衡要求设置了相应的动平衡结构，可以方便地利用市场上更先进的平衡设备来进行机械平衡，以确保在加工过程中保持主轴系统的性能和精度，也有利于高速静压后置式电主轴的安全运行。本发明的结构设计简单，实施方便，具有一定的推广价值。
附图说明
图1是本发明的高速静压后置式电主轴及其动平衡结构示意图；
图2是本发明的高速静压后置式电主轴动平衡结构在主轴零件上的位置剖视图；
图3是本发明的高速静压后置式电主轴动平衡结构在主轴零件A-A截面上的布置图；
图4是本发明的高速静压后置式电主轴动平衡结构在主轴零件后端面B向的布置图；
图5是本发明的高速静压后置式电主轴动平衡结构在主轴零件前端面C向的布置图；
图6是本发明的高速静压后置式电主轴动平衡结构在法兰零件上的布置图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2、3、4、5和6所示，本发明的高速静压后置式电主轴，包括主轴1、静压前轴承3、静压后轴承5、端面静压轴承8、电机定子11、电机转子12、体壳4、前端盖2、隔圈6、挡圈7、密封环9、电机体壳10、后端盖13、法兰14、罩壳15以及用于动平衡的结构(螺纹孔101、螺纹孔102、螺纹孔201、螺纹孔202、动平衡头301、传输线302、接收器303、发射器304、振动传感器305)。
主轴1的中部固定连接挡圈7，主轴1的后端装设有电机转子12，主轴1的尾端装设法兰14和接收器303，主轴1通过静压前轴承3、静压后轴承5和端面静压轴承8支撑在体壳4内。在主轴1上位于静压前轴承3、静压后轴承5之间的位置设置一圈螺纹孔101(建议取6的整数倍，便于动不平衡角度的计算)，在主轴1的后端面上设置了一圈螺纹孔102(建议取6的整数倍)，这两组螺纹孔为第一组动平衡结构；在主轴1前端面上设置一圈螺纹孔201(建议取6的整数倍)，在法兰14侧面上设置一圈螺纹孔202(建议取6的整数倍)，这两组螺纹孔为第二组动平衡结构；在主轴1轴心线上设置内孔16，内孔16的前端装设动平衡头301，内孔16的后端装设传输线302，在法兰14的后端装设接收器303，在罩壳15内孔装设发射器304，传输线302将动平衡头301和接收器303连接在一起，接收器303和发射器304之间留有间隙，可传递两者之间的信号，在体壳1上位于静压前轴承3或静压后轴承5的位置装设了振动传感器305，它们一起组成第三组动平衡结构。
利用上述高速静压后置式电主轴动平衡结构，其动平衡方法如下：
第一步，回转零件——主轴1的动平衡：借助于动平衡机，首先测量主轴1的动不平衡量，之后在主轴上1的一圈螺纹孔101和一圈螺纹孔102所在的两个截面位置通过增加配重的方法对主轴1进行回转零件的动平衡，为了减少螺纹孔101在高转速时与空气的摩擦，可在螺纹孔101外侧安装一圈消音螺丝，而将动平衡配重旋在螺纹孔101的内部。
第二步，主轴系统调试过程中的现场动平衡：主轴系统在调试时已经形成了一套部件，此时可利用具有动平衡功能的便携式动平衡仪对主轴系统动不平衡量进行测量，之后在主轴1上的一圈螺纹孔201和法兰14上的一圈螺纹孔202所在的两个截面位置通过增加配重的方法对主轴系统进行现场动平衡。
第三步，主轴系统在线动平衡：通过上述两步动平衡后，主轴系统剩余的动不平衡量很小了，但是在生产加工过程中还会产生其他不平衡，这时可通过发射器304、接收器303、传输线302、振动传感器305、动平衡头301等形成在线动平衡设备，将振动传感器305的振动信号与动平衡头301内平衡块的相位信号进行动平衡运算，根据运算结果驱动动平衡头内部的平衡块进行转动，即进行在线动平衡。
本发明是利用动平衡原理，针对主轴系统不同的动平衡阶段，在机械结构设计时考虑不同的动平衡措施而有针对地设计了不同的动平衡结构，通过动平衡操作可有效地减小主轴系统的动不平衡，这样就能确保电主轴系统在安全运行的同时，还能保持其性能和精度。本发明实施方便，具有广泛的应用价值。

Claims (3)

1.一种高速静压后置式电主轴,包括主轴(1)、静压前轴承(3)、静压后轴承(5)、端面静压轴承(8)、电机定子(11)、电机转子(12)、体壳(4)、前端盖(2)、隔圈(6)、挡圈(7)、密封环(9)、电机体壳(10)、后端盖(13)、法兰(14)、罩壳(15)，其特征在于：所述主轴(1)中部固定连接有挡圈(7)，后端装有电机转子(12)，尾部装有法兰(14)和接收器(303)，所述主轴(1)通过静压前轴承(3)、静压后轴承(5)和端面静压轴承(8)支撑在体壳(4)内；所述高速静压后置式电主轴上设有三组动平衡结构；第一组动平衡结构包括位于静压前轴承(3)、静压后轴承(5)之间主轴(1)上的螺纹孔(101)以及位于主轴(1)后端面上的螺纹孔(102)；第二组动平衡结构包括主轴(1)前端面上的螺纹孔(201)和法兰(14)侧面上的螺纹孔(202)；第三组动平衡结构包括主轴(1)的内孔(16)内的动平衡头(301)、传输线(302)和主轴(1)后端连接的接收器(303)、罩壳(15)上固定连接的发射器(304)以及体壳(4)上的振动传感器(305)。
2.根据权利要求1所述的高速静压后置式电主轴,其特征在于：第一组动平衡结构螺纹孔(101)外侧安装一圈消音螺丝，减少螺纹孔(101)在高转速时与空气的摩擦。
3.一种权利要求1或2所述的高速静压后置式电主轴的动平衡方法，其特征在于，其步骤如下：
第一步，回转主轴(1)的动平衡：在动平衡机上通过增加配重的方法在位于静压前轴承(3)、静压后轴承(5)之间主轴(1)上的螺纹孔(101)和位于主轴(1)后端面上的螺纹孔(102)所在的两个截面位置对主轴(1)进行零件动平衡；为了减少螺纹孔(101)在高转速时与空气的摩擦，在螺纹孔(101)外侧安装一圈消音螺丝，而将动平衡配重旋在螺纹孔(101)的内部；
第二步，高速静压后置式电主轴调试过程中的现场动平衡：利用具有动平衡功能的便携式动平衡仪，在主轴(1)前端面上的螺纹孔(201)和法兰(14)上的螺纹孔(202)所在的两个截面位置通过增加配重的方法对主轴系统进行现场动平衡；
第三步，高速静压后置式电主轴在线动平衡：采用由发射器(304)、接收器(303)、传输线(302)、振动传感器(305)与动平衡头(301)一起构成的在线动平衡装置，将振动传感器(305)的振动信号和动平衡头(301)平衡块的相位信号结合起来进行动平衡运算，根据运算结果驱动动平衡头(301)的平衡块进行在线动平衡。
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