CN111715899A - 电主轴及其异常检测方法、加工中心 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电主轴及其异常检测方法、加工中心。其中的电主轴包括套筒、位移驱动部件、芯轴组件，芯轴组件包括中心拉杆，中心拉杆能够在位移驱动部件的作用下沿套筒的轴向产生直线位移并能够在位移驱动部件解除作用时复位，套筒上具有第一限位件，芯轴组件上具有第二限位件，当中心拉杆复位时，在套筒的轴向上第一限位件与第二限位件之间具有第一间隙，当中心拉杆产生直线位移时，第二限位件与第一限位件接触并为第一限位件所阻碍。根据本发明的一种电主轴及其异常检测方法、加工中心，由于第一限位件被设置在套筒上从而与第二限位件共同形成非浮动的限位结构，结构得到简化，可靠性更高。

Description

电主轴及其异常检测方法、加工中心

技术领域

本发明属于加工中心制造技术领域，具体涉及一种电主轴及其异常检测方法、加工中心。

背景技术

自动换刀技术是加工中心电主轴的核心技术之一。换刀机构作为电主轴系统的核心组件，是常见的故障源。一种常见的自动换刀机构是采用中心拉杆与碟簧组件，通过碟簧组件的压缩与复位实现松刀与拉刀，通常松刀力大于拉刀力，约为15-20kN。这种结构中频繁换刀引起的主要问题有：

(1)主轴轴承受到瞬时冲击造成轴承损伤，精度下降，整个主轴的回转精度随之下降。由于碟簧组件穿设于拉杆上，一端与拉杆相连，另一端与主轴芯轴相连，松刀过程中，芯轴在碟簧压力作用下相对主轴前窜，主轴轴承因此受到瞬时冲击。

(2)碟簧组件为易损件，出现磨损或疲劳时，导致拉刀过程中出现松刀或掉刀故障。

针对问题(1)，现有技术的解决方案多为通过浮动式结构(也即限位结构与拉杆运动驱动部件相关联的结构，拉杆运动驱动部件多为油缸或者气缸，此时限位结构多与缸体活塞之间形成关联)将松刀力传递到其它连接件上，以改善轴承的受力情况，但浮动式结构需要增加浮动导向件、限位结构件和复位结构件，整体结构复杂性增加，降低连接可靠性，通常还会引入其它问题。

针对问题(2)，现有技术水平为通过换刀过程中的油压或气压监测或通过油缸中设置接近开关检测活塞位置判断换刀异常，但这种方式会出现错报，漏报情况，准确度不高。

发明内容

因此，为了至少部分的解决上述技术问题，本发明提供一种电主轴及其异常检测方法、加工中心，有效降低在松刀过程中芯轴组件对支承轴承的冲击，由于第一限位件被设置在套筒上从而与第二限位件共同形成非浮动的限位结构，无需现有技术中浮动限位结构的导向及复位部件的设计，结构得到简化，可靠性更高。

为了解决上述问题，本发明提供一种电主轴，包括套筒、设于所述套筒轴向一端的位移驱动部件、设于所述套筒内且能够围绕所述套筒的轴心旋转的芯轴组件，所述芯轴组件包括中心拉杆，所述中心拉杆能够在所述位移驱动部件的作用下沿所述套筒的轴向产生直线位移并能够在所述位移驱动部件解除作用时复位，所述套筒上具有第一限位件，所述芯轴组件上具有与所述第一限位件相对应的第二限位件，所述第二限位件处于所述第一限位件朝向所述位移驱动部件的一侧，且当所述中心拉杆复位时，在所述套筒的轴向上所述第一限位件与所述第二限位件之间具有第一间隙，当所述中心拉杆产生直线位移时，所述第二限位件与所述第一限位件接触并为所述第一限位件所阻碍，所述第一间隙不大于所述芯轴组件的支承轴承的最大允许轴向间隙量。

优选地，所述第一限位件包括限位盘，所述第二限位件包括限位环，所述限位盘的中心具有供所述芯轴组件穿行的通孔，所述限位环套装于所述芯轴组件上且处于所述限位盘朝向所述位移驱动部件的一侧。

优选地，所述限位盘处于所述套筒的轴向一端与所述位移驱动部件之间。

优选地，所述芯轴组件包括芯轴，所述芯轴具有轴心通孔，所述中心拉杆穿行设置于所述轴心通孔中，所述中心拉杆的外周与所述轴心通孔孔壁之间设有弹性件，所述弹性件具有与所述位移驱动部件作用时的第一状态、与所述位移驱动部件解除作用时的第二状态，当所述弹性件处于第一状态时，所述中心拉杆能够实现所述电主轴的松刀，当所述弹性件处于第二状态时，所述中心拉杆能够实现所述电主轴的拉刀。

优选地，所述弹性件包括沿所述中心拉杆的轴向依次布置的第一段、第二段，所述第一段与所述第二段之间设有隔垫。

优选地，所述中心拉杆与所述位移驱动部件相对应的一端具有第一止位台，所述轴心通孔的孔壁上具有第二止位台，所述第一止位台与所述第二止位台之间形成所述弹性件的变形限制段。

优选地，所述中心拉杆与所述位移驱动部件相对应的一端还具有第三止位台，所述第三止位台处于所述第二限位件朝向所述第一限位件的一侧，当所述弹性件处于第二状态时，所述第三止位台与所述第二限位件抵触。

优选地，所述电主轴还包括非接触位移检测部件，所述非接触位移检测部件用于检测所述中心拉杆的轴向位移。

优选地，所述位移驱动部件包括油缸组件以及油缸座，所述油缸组件连接于所述油缸座的一侧，所述第一限位件夹设于所述油缸座与所述套筒的轴向一端之间，所述非接触位移检测部件装设于所述油缸座朝向所述中心拉杆的一侧。

优选地，所述中心拉杆朝向所述位移驱动部件的一端设有拉杆螺母，所述拉杆螺母具有沿着所述中心拉杆的径向延伸的检测环，所述检测环处于所述非接触位移检测部件的检测范围内。

本发明还提供一种电主轴的异常检测方法，所述电主轴为上述的电主轴，所述检测方法包括：

获取中心拉杆的轴向位移并获取对应的控制模式，所述控制模式包括拉刀模式、松刀模式；

比较获取的轴向位移与预设位移的大小，并依据获取的控制模式判断电主轴的故障类型。

优选地，

当获取的轴向位移小于第一预设位移，且获取的控制模式为拉刀模式时，确定故障类型为弹性件故障；和/或，

当获取的轴向位移小于第二预设位移，且获取的控制模式为松刀模式时，确定故障类型为中心拉杆行程不足故障。

本发明还提供一种加工中心，包括上述的电主轴。

本发明提供的一种电主轴及其异常检测方法、加工中心，通过所述第一限位件及第二限位件对芯轴的轴向位移进行限定有效降低在松刀过程中芯轴组件对支承轴承的冲击，由于第一限位件被设置在套筒上从而与第二限位件共同形成非浮动的限位结构，无需现有技术中浮动限位结构的导向、限位及复位部件的设计，结构得到简化，可靠性更高。

附图说明

图1为本发明实施例的电主轴的内部结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为图1中B处的局部放大图；

图4为图1中C处的局部放大图。

附图标记表示为：

1、套筒；2、芯轴组件；21、中心拉杆；211、第一止位台；212、第三止位台；213、拉杆螺母；22、芯轴；221、第二止位台；3、位移驱动部件；31、油缸组件；311、缸体；312、活塞杆；32、油缸座；4、第一限位件；5、第二限位件；6、弹性件；61、第一段；62、第二段；63、隔垫；7、非接触位移检测部件；1001、前轴承；1002、前轴承座；1004、后轴承；1005、后轴承座；101、刀柄；102、锥座组件；103、拉爪；104、夹紧锥；105、电机定子；106、电机冷却套；107、编码器；108、编码器检测元件。

具体实施方式

结合参见图1至图4所示，根据本发明的实施例，提供一种电主轴，包括套筒1、设于所述套筒1轴向一端的位移驱动部件3、设于所述套筒1内且能够围绕所述套筒1的轴心旋转的芯轴组件2，所述芯轴组件2包括中心拉杆21，所述中心拉杆21能够在所述位移驱动部件3的作用下沿所述套筒1的轴向产生直线位移并能够在所述位移驱动部件3解除作用时复位，所述套筒1上具有第一限位件4，所述芯轴组件2上具有与所述第一限位件4相对应的第二限位件5，所述第二限位件5处于所述第一限位件4朝向所述位移驱动部件3的一侧，且当所述中心拉杆21复位时，在所述套筒1的轴向上所述第一限位件4与所述第二限位件5之间具有第一间隙，当所述中心拉杆21产生直线位移时，所述第二限位件5与所述第一限位件4接触并为所述第一限位件4所阻碍，所述第一间隙不大于所述芯轴组件2的支承轴承的最大允许轴向间隙量。该技术方案中，通过所述第一限位件及第二限位件对芯轴的轴向位移进行限定有效降低在松刀过程中芯轴组件2对支承轴承的冲击，由于第一限位件被设置在套筒上从而与第二限位件共同形成非浮动的限位结构，无需现有技术中浮动限位结构的导向、限位及复位部件的设计，结构得到简化，可靠性更高。所述第一间隙如图2中的x所指示，其具体可根据支承轴承的极限承载力大小进行调整，例如0.05mm≤x≤0.1mm。

具体的，所述支承轴承包括处于所述主轴前端的前轴承1001以及处于所述主轴后端的后轴承1004，所述前轴承1001以及所述后轴承1004分别处于对应的前轴承座1002以及后轴承座1005上，所述前轴承座1002以及后轴承座1005分别与所述套筒1固定连接，在具体位置上可以灵活处理，原则上能够将所述芯轴组件2架设于所述套筒1内即可，如图1所示出，所述前轴承座1002被设置于所述套筒1远离所述位移驱动部件3的轴向一端，对应的其设置有相应的前轴承盖以便于所述前轴承1001的组装与位置的可靠；所述后轴承座1005则被设置于所述套筒1的内部，以优化所述套筒1朝向所述位移驱动部件3的一端与所述位移驱动部件3的组装结构。所述芯轴组件2架设于所述前轴承1001及后轴承1004之间，其能够在沿其周向布置的电机定子105的作用下产生旋转运动，所述电机定子105与所述套筒1之间最好设有电机冷却套106，能够通过引入冷却水、冷却气等流体的方式对电机定子105实现有效散热。所述芯轴组件2的芯轴22上还套装有编码器107，所述套筒1的轴向通孔的孔壁上对应设有编码器检测元件108，所述编码器检测元件108与所述编码器107两者共同实现对所述芯轴组件2的角位移的检测。

作为一种具体的实施方式，优选地，所述第一限位件4包括限位盘，所述第二限位件5包括限位环，所述限位盘的中心具有供所述芯轴组件2穿行的通孔，所述限位环套装于所述芯轴组件2上且处于所述限位盘朝向所述位移驱动部件3的一侧。所述限位盘以及所述限位环的对应设计能够有效杜绝芯轴组件2由于旋转带来周向位置变动可能导致的限位失效现象。

所述限位盘例如可以被构造于所述套筒1内，也即所述套筒1与所述限位盘采用一体成型的方式形成，而优选地，所述限位盘处于所述套筒1的轴向一端与所述位移驱动部件3之间，具体的，所述限位盘为所述位移驱动部件3与所述套筒1两者共同夹持形成定位，所述限位盘可拆卸地连接于所述套筒1的轴向一端能够便于所述套筒1内部的维护，且还能够便利对限位盘的更换。

所述芯轴组件2包括芯轴22，所述芯轴22具有轴心通孔，所述中心拉杆21穿行设置于所述轴心通孔中，所述中心拉杆21的外周与所述轴心通孔孔壁之间设有弹性件6，所述弹性件6具有与所述位移驱动部件3作用时的第一状态、与所述位移驱动部件3解除作用时的第二状态，当所述弹性件6处于第一状态时，所述中心拉杆21能够实现所述电主轴的松刀，当所述弹性件6处于第二状态时，所述中心拉杆21能够实现所述电主轴的拉刀，所述弹性件6例如可以采用现有技术中的碟簧片组或者螺旋弹簧。进一步地，所述中心拉杆21与所述位移驱动部件3相对应的一端具有第一止位台211，所述轴心通孔的孔壁上具有第二止位台221，所述第一止位台211与所述第二止位台221之间形成所述弹性件6的变形限制段，也即所述弹性件6的一端与所述第一止位台211抵接，所述弹性件6的另一端与所述第二止位台221抵接，以保证所述中心拉杆21相对于所述芯轴22的轴向往复位移。

优选地，所述弹性件6包括沿所述中心拉杆21的轴向依次布置的第一段61、第二段62，所述第一段61与所述第二段62之间设有隔垫63，所述隔垫63套装于所述中心拉杆21上且具有间隙，如此一方面，能够减小弹性件6的总体长度进而使弹性件6的压缩力予以分隔，从而便于弹性件6所述变形限制段中的组装，另一方面，则可以通过选用不同厚度的隔垫63使所述弹性件6压缩变形后的总轴向长度与芯轴的设计长度实现匹配，进而保证所述电主轴的拉刀力达到设计值。

优选地，所述中心拉杆21与所述位移驱动部件3相对应的一端还具有第三止位台212，所述第三止位台212处于所述第二限位件5朝向所述第一限位件4的一侧，当所述弹性件处于第二状态时，所述第三止位台212与所述第二限位件5抵触，所述第二限位件5在形成与所述第一限位件4匹配的限位结构的同时还形成对所述中心拉杆21的轴向限位，由此，所述第二止位台221以及所述第二限位件5共同形成了所述中心拉杆21在所述芯轴22的轴心通孔内的位置锁定。

所述中心拉杆21远离所述位移驱动部件3的一端设有相应的换刀机构，具体的，如图4所示出，所述中心拉杆21的前端穿有锥座组件102，锥座组件102靠芯轴凸台面定位，所述中心拉杆21前端部安装有夹紧锥104，拉爪103间隔安装在所述锥座组件102上，且相对锥座组件102可在一定角度范围摆动以开合，拉爪103依靠夹紧锥104撑开，拉爪103外缘拉住刀柄101内缘，形成结合部。刀柄101装于芯轴22前端，刀柄101凸台端面和刀柄101外锥面分别与芯轴前端面和芯轴内锥面配合形成结合部。当电主轴松刀时，驱动活塞杆312轴向朝向套筒1一侧移动，直至所述活塞杆312接触中心拉杆21尾部，推动中心拉杆21，中心拉杆21前端的夹紧锥104跟随中心拉杆21伸出主轴前端，拉爪103向中心收拢，其凸缘从刀柄101内缘脱出，同时夹紧锥104顶出刀柄，完成松刀，整个过程中，碟簧组被中心拉杆21压缩，芯轴22在碟簧组的弹力下向主轴前端窜动，第二限位件5的凸台抵接至第一限位件4上，芯轴22停止前窜，主轴前端轴承上的承载力不再增加，进而起到保护轴承的作用。当所述电主轴拉刀时，对应的结构则与松刀过程相反，活塞杆312回缩与中心拉杆21脱离接触，施加在中心拉杆21尾部的约束撤离，中心拉杆21在碟簧组的恢复力作用下复位，同时带动与碟簧组相连的芯轴复位，脱离主轴套筒限位盘的接触，防止芯轴组件2旋转时的接触摩擦。

如背景技术中所提及，现有技术中的中心拉杆位移检测多通过两个接近开关检测拉杆凸台位置来识别换刀情况，这种检测方式只能识别出松刀和换刀过程，并不能识别具体的异常原因，无法为故障排查提供指导，针对现有技术的前述不足，优选地，所述电主轴还包括非接触位移检测部件7，所述非接触位移检测部件7用于检测所述中心拉杆21的轴向位移，所述非接触位移检测部件7例如红外位移检测元件(红外位移传感器)、激光位移检测元件(激光位移传感器)、超声波位移检测元件(超声波位移传感器)等。所述非接触位移检测部件7能够实时的检测所述中心拉杆21的轴向位移量，进而应用者可以通过所述中心拉杆21的轴向位移量与预设位移量的大小关系准确判断所述电主轴的换刀过程的运行状态，进而能够更加准确的识别换刀故障。具体的，所述位移驱动部件3包括油缸组件31以及油缸座32，所述油缸组件31连接于所述油缸座32的一侧，所述第一限位件4夹设于所述油缸座32与所述套筒1的轴向一端之间，所述非接触位移检测部件7装设于所述油缸座32朝向所述中心拉杆21的一侧。为了保证所述非接触位移检测部件7的检测结果的准确性，优选地，所述中心拉杆21朝向所述位移驱动部件3的一端设有拉杆螺母213，所述拉杆螺母213具有沿着所述中心拉杆21的径向延伸的检测环，所述检测环处于所述非接触位移检测部件7的检测范围内。

由此，本发明还提供一种电主轴的异常检测方法，所述电主轴为上述的电主轴，所述检测方法包括：获取中心拉杆21的轴向位移并获取对应的控制模式，所述控制模式包括拉刀模式、松刀模式；比较获取的轴向位移与预设位移的大小，并依据获取的控制模式判断电主轴的故障类型。具体的，当获取的轴向位移小于第一预设位移，且获取的控制模式为拉刀模式时，确定故障类型为弹性件故障，此时可发出相应的警示讯息，提醒操作人员中心拉杆21的回程不够，弹性件大概率出现磨损，导致拉刀力不够，可能出现松刀或掉刀故障；和/或，当获取的轴向位移小于第二预设位移，且获取的控制模式为松刀模式时，确定故障类型为中心拉杆行程不足故障，此时可发出相应的警示讯息，提醒操作人员中心拉杆21的前端夹紧锥104可能无法推出刀柄，出现松刀困难，根据中心拉杆行程也即轴向位移与设计值的偏差采取维修措施，及时更换弹性件磨损件，或对弹性件中的隔垫进行修配。

根据本发明的实施例，还提供一种加工中心，包括上述的电主轴。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种电主轴，包括套筒(1)、设于所述套筒(1)轴向一端的位移驱动部件(3)、设于所述套筒(1)内且能够围绕所述套筒(1)的轴心旋转的芯轴组件(2)，所述芯轴组件(2)包括中心拉杆(21)，所述中心拉杆(21)能够在所述位移驱动部件(3)的作用下沿所述套筒(1)的轴向产生直线位移并能够在所述位移驱动部件(3)解除作用时复位，其特征在于，所述套筒(1)上具有第一限位件(4)，所述芯轴组件(2)上具有与所述第一限位件(4)相对应的第二限位件(5)，所述第二限位件(5)处于所述第一限位件(4)朝向所述位移驱动部件(3)的一侧，且当所述中心拉杆(21)复位时，在所述套筒(1)的轴向上所述第一限位件(4)与所述第二限位件(5)之间具有第一间隙，当所述中心拉杆(21)产生直线位移时，所述第二限位件(5)与所述第一限位件(4)接触并为所述第一限位件(4)所阻碍，所述第一间隙不大于所述芯轴组件(2)的支承轴承的最大允许轴向间隙量。

2.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，所述第一限位件(4)包括限位盘，所述第二限位件(5)包括限位环，所述限位盘的中心具有供所述芯轴组件(2)穿行的通孔，所述限位环套装于所述芯轴组件(2)上且处于所述限位盘朝向所述位移驱动部件(3)的一侧。

3.根据权利要求2所述的电主轴，其特征在于，所述限位盘处于所述套筒(1)的轴向一端与所述位移驱动部件(3)之间。

4.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，所述芯轴组件(2)包括芯轴(22)，所述芯轴(22)具有轴心通孔，所述中心拉杆(21)穿行设置于所述轴心通孔中，所述中心拉杆(21)的外周与所述轴心通孔孔壁之间设有弹性件(6)，所述弹性件(6)具有与所述位移驱动部件(3)作用时的第一状态、与所述位移驱动部件(3)解除作用时的第二状态，当所述弹性件(6)处于第一状态时，所述中心拉杆(21)能够实现所述电主轴的松刀，当所述弹性件(6)处于第二状态时，所述中心拉杆(21)能够实现所述电主轴的拉刀。

5.根据权利要求4所述的电主轴，其特征在于，所述弹性件(6)包括沿所述中心拉杆(21)的轴向依次布置的第一段(61)、第二段(62)，所述第一段(61)与所述第二段(62)之间设有隔垫(63)。

6.根据权利要求4所述的电主轴，其特征在于，所述中心拉杆(21)与所述位移驱动部件(3)相对应的一端具有第一止位台(211)，所述轴心通孔的孔壁上具有第二止位台(221)，所述第一止位台(211)与所述第二止位台(221)之间形成所述弹性件(6)的变形限制段。

7.根据权利要求6所述的电主轴，其特征在于，所述中心拉杆(21)与所述位移驱动部件(3)相对应的一端还具有第三止位台(212)，所述第三止位台(212)处于所述第二限位件(5)朝向所述第一限位件(4)的一侧，当所述弹性件处于第二状态时，所述第三止位台(212)与所述第二限位件(5)抵触。

8.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，还包括非接触位移检测部件(7)，所述非接触位移检测部件(7)用于检测所述中心拉杆(21)的轴向位移。

9.根据权利要求8所述的电主轴，其特征在于，所述位移驱动部件(3)包括油缸组件(31)以及油缸座(32)，所述油缸组件(31)连接于所述油缸座(32)的一侧，所述第一限位件(4)夹设于所述油缸座(32)与所述套筒(1)的轴向一端之间，所述非接触位移检测部件(7)装设于所述油缸座(32)朝向所述中心拉杆(21)的一侧。

10.根据权利要求9所述的电主轴，其特征在于，所述中心拉杆(21)朝向所述位移驱动部件(3)的一端设有拉杆螺母(213)，所述拉杆螺母(213)具有沿着所述中心拉杆(21)的径向延伸的检测环，所述检测环处于所述非接触位移检测部件(7)的检测范围内。

11.一种电主轴的异常检测方法，其特征在于，所述电主轴为权利要求1至10中任一项所述的电主轴，所述检测方法包括：

获取中心拉杆(21)的轴向位移并获取对应的控制模式，所述控制模式包括拉刀模式、松刀模式；

比较获取的轴向位移与预设位移的大小，并依据获取的控制模式判断电主轴的故障类型。

12.根据权利要求11所述的异常检测方法，其特征在于，

当获取的轴向位移小于第一预设位移，且获取的控制模式为拉刀模式时，确定故障类型为弹性件故障；和/或，

当获取的轴向位移小于第二预设位移，且获取的控制模式为松刀模式时，确定故障类型为中心拉杆行程不足故障。

13.一种加工中心，包括电主轴，其特征在于，所述电主轴为权利要求1至10中任一项所述的电主轴。

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