CN109530730A - 一种双绕组滚珠高速电主轴及加工机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双绕组滚珠高速电主轴，包括机体组件、电机、拉杆组件、换刀气缸和拉爪组件，电机、拉杆组件、拉爪组件设于机体组件内部，电机与拉杆组件连接，电机为双速双绕组电机，用于驱动拉杆组件实现低速或者高速转动，拉杆组件的一端与换刀气缸连接，拉杆组件的另一端与拉爪组件连接，拉爪组件用于与刀具可拆卸连接。本发明还公开了一种加工机床，包括上述的双绕组滚珠高速电主轴。本发明的电主轴可兼备低速重切和高速精铣，具有加工范围广、扭矩大、刚性高、结构紧凑的特点，还有利于提高机床的加工效率、产品加工精度及稳定性。

Description

一种双绕组滚珠高速电主轴及加工机床

技术领域

本发明涉及一种机械制造技术，尤其涉及一种双绕组滚珠高速电主轴及加工机床。

背景技术

电主轴是将主轴与电动机转子结合为一体的零传动结构，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪音低和响应快等优点，而且转速高、功率大，可简化机床设计，易于实现主轴定位，电主轴最早是用在磨床上，后来发展到加工中心。

目前传统的滚珠高速电主轴加工范围因本身电机性能受到限制。传统滚珠高速电主轴加工方向有其偏重，或低转速大切削量，或高转速小切削量。这是由于电机设计时为了保证低速或高速的性能必然牺牲另一转速段的一些性能，故传统电主轴的电机性能一定程度上限制了主轴的加工能力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种双绕组滚珠高速电主轴，此电主轴可兼备低速重切和高速精铣，具有加工范围广、扭矩大、刚性高、结构紧凑的特点。

本发明的目的之二在于提供一种加工机床，有利于提高机床的加工效率、产品加工精度及稳定性。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种双绕组滚珠高速电主轴，包括机体组件、电机、拉杆组件、换刀气缸和拉爪组件，所述电机、拉杆组件、拉爪组件设于所述机体组件内部，所述电机与拉杆组件连接，所述电机为双速双绕组电机，用于驱动拉杆组件实现低速或者高速转动，所述拉杆组件的一端与换刀气缸连接，所述拉杆组件的另一端与拉爪组件连接，所述拉爪组件用于与刀具可拆卸连接。

进一步地，所述电机为三相异步电机。

进一步地，所述电机包括轴芯组件和定子，所述轴芯组件套装于拉杆组件上，所述定子套装于轴芯组件上，所述定子包括定子绕组，所述定子绕组具有两种接线状态。

进一步地，所述定子还包括定子三相线U、V、W与更改定子绕组接线方式的三根引线X、Y、Z。

进一步地，还包括上轴承、上轴承座组件和上轴承座盖板，所述上轴承套装于轴芯组件上，所述上轴承位于轴芯组件的一端上，所述上轴承座组件套装于上轴承上，所述上轴承座盖板设于上轴承座组件上，使所述上轴承安装于上轴承座组件内，所述上轴承座组件和上轴承座盖板上设有定子过线孔，所述定子过线孔与定子三相线U、V、W及三根引线X、Y、Z的数量相匹配。

进一步地，所述拉杆组件与轴芯组件之间设有浮动拉刀限位套，所述浮动拉刀限位套套装于拉杆组件上。

进一步地，所述拉杆组件包括拉杆、碟簧、滑套、支撑套、第一塑料环和第二塑料环，所述拉杆位于轴芯组件内，所述滑套及支撑套套装于拉杆上，所述滑套和支撑套相隔，所述拉杆通过滑套、支撑套沿轴芯组件的轴线方向移动，所述碟簧设于拉杆和滑套、滑套和支撑套之间，所述第一塑料环套装于拉杆上，所述第一塑料环位于滑套的一侧上，所述拉杆的一端与换刀气缸连接，所述拉杆的另一端与拉爪组件连接，所述第二塑料环套装于滑套上。

进一步地，所述机体组件包括机体、机体内套和机体外套，所述轴芯组件位于机体内，所述机体内套位于机体内，且所述机体内套位于轴芯组件和机体之间，所述机体外套套装于机体上，所述上轴承座盖板上设有冷却液入口和冷却液出口，所述轴芯组件的另一端上设有下轴承，所述机体外套与下轴承的位置对应，所述上轴承座盖板、上轴承座组件、机体、机体外套之间形成第一冷却通道，所述第一冷却通道用于对上轴承进行冷却降温，所述上轴承座盖板、上轴承座组件、机体、机体内套之间形成第二冷却通道，所述第二冷却通道用于对定子进行冷却降温，所述第一冷却通道、第二冷却通道分别与冷却液入口和冷却液出口连通。

进一步地，所述机体与机体外套之间设有多个第一环形导槽，所述第一环形导槽与机体固接，所述机体与机体内套之间设有多个第二环形导槽，所述第二环形导槽与机体内套固接。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种加工机床，包括上述的双绕组滚珠高速电主轴。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的电主轴可兼备低速重切和高速精铣，具有加工范围广、扭矩大、刚性高、结构紧凑、可自动换刀等特点；同时可提高机床加工效率、产品加工精度及稳定性，提高了机床的竞争力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中机体组件的结构示意图；

图3为本发明中定子的结构示意图；

图4为本发明中上轴承座组件定子过线孔的结构示意图；

图5为本发明中上轴承座盖板定子过线孔的结构示意图；

图6为本发明中拉杆组件与轴芯组件配合的结构示意图；

图中：1、气缸组件；2、拉杆螺母；3、传感器安装座；4、浮动拉爪组件；5、浮动拉刀限位套；6、拉杆组件；7、上轴承座盖板；8、上轴承座组件；9、上轴承；10、轴芯组件；11、机体组件；12、拉爪组件；13、下轴承；14、下轴承内环锁紧螺母；15、机体下盖组件；16、连接座；17、挡块；18、上轴承内环锁紧螺母；19、编码盘；20、上轴承盖板；21、挡套；22、定子；23、第一环形导槽；24、第二环形导槽；601、拉杆；602、第一塑料环；603、滑套；604、第二塑料环；605、支撑套；606、钢丝挡圈；1101、机体；1102、机体内套；1103、机体外套。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1所示，本发明的主要部件如下：气缸组件1、拉杆螺母2、传感器安装座3、浮动拉爪组件4、浮动拉刀限位套5、拉杆组件6、上轴承座盖板7、上轴承座组件8、上轴承9、轴芯组件10、机体组件11、拉爪组件12、下轴承13、下轴承内环锁紧螺母14、机体下盖组件15、连接座16、挡块17、上轴承内环锁紧螺母18、编码盘19、上轴承盖板20、挡套21、定子22。

如图1-6所示，本实施例提供一种双绕组滚珠高速电主轴，包括机体组件11、电机、拉杆组件6、换刀气缸和拉爪组件12，电机、拉杆组件6、拉爪组件12设于机体组件11内部，电机与拉杆组件6连接，电机为双速双绕组电机，用于驱动拉杆组件6实现低速或者高速转动，拉杆组件6的一端与换刀气缸连接，拉杆组件6的另一端与拉爪组件12连接，拉爪组件12用于与刀具可拆卸连接。

进一步地，电机为三相异步电机。

进一步地，电机包括轴芯组件10和定子22，轴芯组件10套装于拉杆组件6上，定子22套装于轴芯组件10上，定子22包括定子22绕组，定子22绕组具有两种接线状态。

进一步地，定子22还包括定子22三相线U、V、W与更改定子22绕组接线方式的三根引线X、Y、Z。

进一步地，还包括上轴承9、上轴承座组件8和上轴承座盖板7，上轴承9套装于轴芯组件6上，上轴承9位于轴芯组件10的一端上，上轴承座组件8套装于上轴承9上，上轴承座盖板7设于上轴承座组件8上，使上轴承9安装于上轴承座组件8内，上轴承座组件8和上轴承座盖板7上设有定子22过线孔，定子22过线孔与定子22三相线U、V、W及三根引线X、Y、Z的数量相匹配。

进一步地，拉杆组件6与轴芯组件10之间设有浮动拉刀限位套5，浮动拉刀限位套5套装于拉杆组件6上。

进一步地，拉杆组件6包括拉杆601、碟簧、滑套603、支撑套605、第一塑料环602和第二塑料环604，拉杆601位于轴芯组件10内，滑套603及支撑套605套装于拉杆601上，滑套603和支撑套605相隔，拉杆601通过滑套603、支撑套605沿轴芯组件10的轴线方向移动，碟簧设于拉杆601和滑套603、滑套603和支撑套605之间，第一塑料环602套装于拉杆601上，第一塑料环602位于滑套603的一侧上，拉杆601的一端与换刀气缸连接，拉杆601的另一端与拉爪组件12连接，第二塑料环604套装于滑套603上。

进一步地，机体组件11包括机体1101、机体内套1102和机体外套1103，轴芯组件10位于机体1101内，机体内套1102位于机体1101内，且机体内套1102位于轴芯组件10和机体1101之间，机体外套1103套装于机体1101上，上轴承座盖板7上设有冷却液入口和冷却液出口，轴芯组件10的另一端上设有下轴承13，机体外套1103与下轴承13的位置对应，上轴承座盖板7、上轴承座组件8、机体1101、机体外套1103之间形成第一冷却通道，第一冷却通道用于对上轴承9进行冷却降温，上轴承座盖板7、上轴承座组件8、机体1101、机体内套1102之间形成第二冷却通道，第二冷却通道用于对定子22进行冷却降温，第一冷却通道、第二冷却通道分别与冷却液入口和冷却液出口连通。

进一步地，机体1101与机体外套1103之间设有多个第一环形导槽23，第一环形导槽23与机体1101固接，机体1101与机体内套1102之间设有多个第二环形导槽24，第二环形导槽24与机体内套1102固接。

在上述结构的基础上，可以理解的是，本发明是一种大扭矩自动换刀双绕组异步滚珠高速电主轴。使用时切换至低速绕组状态可进行相比传统钻攻电主轴更大切削量的钻削、铣削、磨削、刚性攻牙等加工；切换至高速绕组状态可进行高精度小切削量的高速精铣精磨加工。双绕组异步滚珠高速电主轴兼备低速重切和高速精铣的能力有效地提高了机床的加工能力，增大了机床的加工范围。具体说明如下：

(一)主轴扭矩大

本发明使用的电机为双绕组异步电机，双绕组异步电机可根据接线方式切换至低速绕组和高速绕组。双绕组异步电机切换至低速绕组时相比传统钻攻电主轴电机具有极限转速和额定转速低的特点；根据公式电机扭矩T＝9550P/n可知，在电机功率P相同的情况下，双绕组异步电机低速绕组扭矩T相比传统钻攻电主轴电机大幅提升。更大的扭矩意味着主轴在低速绕组状态下可进行更大切削量的钻削、铣削、磨削、刚性攻牙等加工，可有效的提高加工效率。

(二)产品加工高稳定性高

产品加工的稳定性是机床加工能力的重要体现之一。为保证产品加工的稳定性，本发明主轴进行了以下方面的优化：

(1)冷却系统。主轴冷却液从上轴承座盖板7流入，经上轴承座组件8进入机体组件11，冷却液在机体1101与机体外套1103之间的腔体内形成多周的环流，此环流过程主要目的是带走下轴承13高速旋转产生的热量；由于机体1101与机体外套1103之间设有多个第一环形导槽23，冷却液在机体1101与机体外套1103之间的腔体内环流后进入机体组件11与上轴承座组件8之间的腔体，并在此腔体中进行多周环流；此环流的目的带走上轴承9高速旋转产生的热量。在机体组件11与上轴承座组件8之间的腔体中多周环流后，冷却液进入机体1101与机体内套1102之间的腔体中，并在此腔体中进行多周的环流；此环流过程主要目的是带走运转过程定子22组件产生的热量；由于机体1101与机体内套1102之间设有多个第二环形导槽24，使冷却液在机体1101与机体内套1102之间中腔体多周环流后，冷却液经机体组件11、上轴承座组件8进入上轴承座盖板7,并由此流出，完成主轴冷却过程。本发明主轴冷却液流量较大，保证了主轴的冷却能力，有利于主轴运转形成热平衡，有助于提高主轴加工产品的稳定性。

(2)主轴刚性高。主轴后轴承减少钢珠套设计，简化了结构，提高了主轴刚度。

主轴较高的结构刚度有助于保证主轴产品加工的稳定性。

(3)主轴加工能力强，加工范围大。双绕组电机的运用使主轴可兼备低速重切和

高速精铣，且低速重切能力得到强化；主轴加工能力和加工范围的强化能保证在同一工序中机床可进行更多样的加工，有效减少加工工序，减少工件加工过程中的二次装夹次数，降低二次装夹过程中的出现的装夹误差和人为误差等，有助于提高主轴产品加工的稳定性。

(三)双绕组异步电机工作原理

本发明主轴使用的电机是双绕组三相异步电机，当极数，电压等不变的情况下改变定子22绕组的接法,即星形接法和三角形接法会改变每相的绕组匝数N和相电压E，且二者变化趋势相反；根据公式E＝4K_NMfNΦK_dp可知，在气隙磁场的波形系数K_NM和定子22绕组系数K_dp不变，磁通Φ变化不大的情况下，每相的绕组匝数N和相电压E的变化会改变电机电流频率f。电机转速n＝60f/p，电机极对数p不变，电机电流频率f变化会引起主轴电机转速的变化。综上，改变电机绕组接法可实现电机低速绕组状态与高速绕组状态的切换。电机低速绕组状态时，主轴电机极限转速和额定转速较低，可输出扭矩大，主轴合适进行低转速大切削量的加工；电机高速绕组状态时，主轴电机极限转速和额定转速高，主轴适合进行高转速小切削量的精铣精磨加工。

需要强调的是：

1.为解决传统滚珠高速电主轴加工范围受到限制的问题，本发明独特的将双绕组三相异步电机运用在滚珠高速电主轴领域。在实际使用过程中，通过定子22引线特定的接线方式和切换装置可实现主轴双绕组异步电机在高速绕组状态与低速绕组状态的自由切换。根据双绕组电机低速绕组转速低扭矩大的特点，本发明主轴适合进行低速大切削量的钻削、铣削、磨削、刚性攻牙等加工；根据双绕组电机高速绕组转速高且保持一定扭矩的特点，本发明主轴适合进行高速小切削量的精铣精磨加工。本发明主轴完美的兼顾了低速大切削量的加工能力和高速小切削量的精削精磨加工能力。主轴加工能力和加工范围的增强可有效降低因主轴加工能力不足更换工作中心造成的工件二次装夹次数，能够有效的提高加工效率，提高产品加工质量。

2.双绕组异步电机由定子22与转子组成。如图3所示，定子22引线分为两种，定子22三相线U、V、W与更改电机绕组接线方式的三根线X、Y、Z。为了方便定子22线区分、引线，方便主轴接线，定子22引线U、V、W与定子22引线X、Y、Z分别引线。U、V、W与X、Y、Z以定子22出线的位置、线的颜色或不同标记进行区分，降低定子22生产及使用过程中的错误率。根据定子22双引线的特点，将上轴承座组件8和上轴承座盖板7的定子22过线孔在相应位置设置成对应个数；此结构加工简单，降低主轴接线难度，降低因接线不良造成主轴异常的概率，提高工作效率。

3.拉杆组件6与轴芯组件10的装配关系如图6所示。拉杆组件6装入轴芯组件10内孔中，并有浮动拉刀限位套5进行预压。拉杆601与第一塑料环602涂胶装配；滑套603和第二塑料环604涂胶装配；然后将二者与碟簧、支撑套605、钢丝挡圈606组装成拉杆组件6。塑料环与第二塑料环604使用的是一种摩擦系数极低高分子材料。拉杆组件6采用这种结构相比传统拉杆组件6结构具有以下优点：

(1)、与轴芯组件10配合间隙量小。拉杆组件6与轴芯组件10的装配间隙影响二者的装配同轴度，而传统结构拉杆601、滑套603与轴芯组件10配合位尺寸公差带决定了拉杆组件6与轴芯组件10间隙量有大有小。而采用增加第一塑料环602与第二塑料环604的拉杆组件6与轴芯组件10径向配合面是第一塑料环602与第二塑料环604外圆。使用时可以配磨第一塑料环602与第二塑料环604外圆以减小与轴芯组件10内孔的间隙量。间隙量的减小有助于提高主轴的振动性能。

(2)寿命长。第一塑料环602与第二塑料环604材料是一种摩擦系数极低的高分子耐磨材料，可保障在较长的时间内不会损坏配合精度，延长拉杆组件6的使用寿命，降低了因主轴振动性能差维修的可能性。

(3)维修方便且维修成本低。拉杆组件6上第一塑料环602与第二塑料环604磨损到一定程度后，可将二者拆卸，更换新的塑料环继续使用。这一特点使得维修简单，且成本低。

综上，本发明主轴兼备低速重切加工和高速精铣加工能力，并增大了低速扭矩，良好的解决了传统滚珠高速电主轴加工方向偏重的问题。本发明主轴良好的解决了主轴加工范围小的问题。在具体实施中，本发明的电主轴低速扭矩可提高50％，同时兼顾高速精铣精磨；电主轴加工范围可提高65％；产品加工工序步骤减少，提高加工效率32％，减少因产品二次装夹产生的误差，提高了产品加工质量。因此本发明的电主轴具有极高的应用价值。

本实施例还提供一种加工机床，包括上述的双绕组滚珠高速电主轴。此电主轴可兼备低速重切和高速精铣，具有加工范围广、扭矩大、刚性高、结构紧凑、可自动换刀等特点；同时可提高机床加工效率、产品加工精度及稳定性，提高了机床的竞争力。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：包括机体组件、电机、拉杆组件、换刀气缸和拉爪组件，所述电机、拉杆组件、拉爪组件设于所述机体组件内部，所述电机与拉杆组件连接，所述电机为双速双绕组电机，用于驱动拉杆组件实现低速或者高速转动，所述拉杆组件的一端与换刀气缸连接，所述拉杆组件的另一端与拉爪组件连接，所述拉爪组件用于与刀具可拆卸连接。

2.如权利要求1所述的双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：所述电机为三相异步电机。

3.如权利要求2所述的双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：所述电机包括轴芯组件和定子，所述轴芯组件套装于拉杆组件上，所述定子套装于轴芯组件上，所述定子包括定子绕组，所述定子绕组具有两种接线状态。

4.如权利要求3所述的双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：所述定子还包括定子三相线U、V、W与更改定子绕组接线方式的三根引线X、Y、Z。

5.如权利要求4所述的双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：还包括上轴承、上轴承座组件和上轴承座盖板，所述上轴承套装于轴芯组件上，所述上轴承位于轴芯组件的一端上，所述上轴承座组件套装于上轴承上，所述上轴承座盖板设于上轴承座组件上，使所述上轴承安装于上轴承座组件内，所述上轴承座组件和上轴承座盖板上设有定子过线孔，所述定子过线孔与定子三相线U、V、W及三根引线X、Y、Z的数量相匹配。

6.如权利要求5所述的双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：所述拉杆组件与轴芯组件之间设有浮动拉刀限位套，所述浮动拉刀限位套套装于拉杆组件上。

7.如权利要求6所述的双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：所述拉杆组件包括拉杆、碟簧、滑套、支撑套、第一塑料环和第二塑料环，所述拉杆位于轴芯组件内，所述滑套及支撑套套装于拉杆上，所述滑套和支撑套相隔，所述拉杆通过滑套、支撑套沿轴芯组件的轴线方向移动，所述碟簧设于拉杆和滑套、滑套和支撑套之间，所述第一塑料环套装于拉杆上，所述第一塑料环位于滑套的一侧上，所述拉杆的一端与换刀气缸连接，所述拉杆的另一端与拉爪组件连接，所述第二塑料环套装于滑套上。

8.如权利要求7所述的双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：所述机体组件包括机体、机体内套和机体外套，所述轴芯组件位于机体内，所述机体内套位于机体内，且所述机体内套位于轴芯组件和机体之间，所述机体外套套装于机体上，所述上轴承座盖板上设有冷却液入口和冷却液出口，所述轴芯组件的另一端上设有下轴承，所述机体外套与下轴承的位置对应，所述上轴承座盖板、上轴承座组件、机体、机体外套之间形成第一冷却通道，所述第一冷却通道用于对上轴承进行冷却降温，所述上轴承座盖板、上轴承座组件、机体、机体内套之间形成第二冷却通道，所述第二冷却通道用于对定子进行冷却降温，所述第一冷却通道、第二冷却通道分别与冷却液入口和冷却液出口连通。

9.如权利要求8所述的双绕组滚珠高速电主轴，其特征在于：所述机体与机体外套之间设有多个第一环形导槽，所述第一环形导槽与机体固接，所述机体与机体内套之间设有多个第二环形导槽，所述第二环形导槽与机体内套固接。

10.一种加工机床，其特征在于：包括如权利要求1-9中任意一项所述的双绕组滚珠高速电主轴。