CN112893891A - 一种电主轴和钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电主轴和钻机，包括：机体组件，包括铝合金机体和钢套，所述钢套套设于所述铝合金机体外部，并与所述铝合金机体形成一个整体，所述铝合金机体设有轴向孔；轴芯组件，设置于所述轴向孔，并通过上轴承组件和下轴承组件支承于所述铝合金机体；电机组件，用于驱动所述轴芯组件旋转；其中，所述上轴承组件包括上轴承座和上轴承，所述下轴承组件包括下轴承座和下轴承，所述上轴承座和/或下轴承座与所述铝合金机体一体制作。其降低了主轴自身重量,提高了钻孔效率的，又增强了主轴整体刚度，消除了装配误差，保证主轴垂直度。

Description

一种电主轴和钻机

技术领域

本发明用于工作主轴领域，特别是涉及一种电主轴和钻机。

背景技术

随着经济发展和技术腾飞，更高加工效率的PCB钻孔机被开发出来，市面上PCB钻孔机Z轴系统移动加速度超过3G，钻孔机自身Z轴系统结构经极限优化后理论钻孔数达到800孔/min，但面临主轴重量无法降低的问题(主轴重量越大，惯性越大，PCB钻孔机极限加工效率越低)，严重降低了PCB钻孔机加工效率。

随着电子元器件微型化和各类电器功能越来越复杂，PCB电路板的集成度也越来越高，PCB板上的微细孔(Φ0.05-Φ0.2mm)也越来越密集。PCB板是由多种不同热膨胀系数相差很大的材料(如环氧树脂、铜箔等)做成，大大增加了钻孔的难度。孔加工质量的好坏尤其是孔壁的粗糙度，直接关系到后续序沉铜、电镀的品质以及电子产品的可靠性和寿命。特别是在连续钻削的情况下，钻头和孔壁的高速摩擦使切削温度升高，电路板的树脂熔化、污斑等严重现象。为了提高密集孔的钻削效率和改善微小孔的钻削质量，必须采用超高速钻削才能解决问题。

另外超高速钻小孔过程中，经常出现钻针断针现象，其中一大原因就是电主轴垂直度不良，无法保证高速钻孔过程钻针垂直PCB板钻孔。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种电主轴和钻机，降低了主轴自身重量,提高了钻孔效率的，又增强了主轴整体刚度，消除了装配误差，保证主轴垂直度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，一种电主轴，包括：

机体组件，包括铝合金机体和钢套，所述钢套套设于所述铝合金机体外部，并与所述铝合金机体形成一个整体，所述铝合金机体设有轴向孔；

轴芯组件，设置于所述轴向孔，并通过上轴承组件和下轴承组件支承于所述铝合金机体；

电机组件，用于驱动所述轴芯组件旋转；

其中，所述上轴承组件包括上轴承座和上轴承，所述下轴承组件包括下轴承座和下轴承，所述上轴承座和/或下轴承座与所述铝合金机体一体制作。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述铝合金机体在所述轴向孔内部设有环形凸台，所述环形凸台形成所述上轴承座，所述下轴承座可拆卸的设置于所述机体组件，所述下轴承座位于所述上轴承座下方，所述上轴承座和所述下轴承座之间留有空间，所述电机组件设置于所述空间，所述电机组件包括定子和转子，所述定子固定连接于所述铝合金机体，所述转子固定连接于所述轴芯组件。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述上轴承采用上气浮轴承，所述下轴承采用下气浮轴承，所述轴芯组件设有飞盘，所述机体组件设有与所述飞盘配合的推力气浮轴承组件，所述机体组件设有与所述上气浮轴承、所述下气浮轴承和所述推力气浮轴承组件连通的气路。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述环形凸台设有轴承安装腔，所述上气浮轴承装入所述轴承安装腔，并通过轴承压板锁紧。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述飞盘设置于所述轴芯组件下端，所述钢套的下端凸出于所述铝合金机体，所述钢套内部于所述铝合金机体下方形成安装槽，所述推力气浮轴承组件安装于所述安装槽中，并分别与上方的所述铝合金机体和外侧的钢套抵接。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，还包括：

冷却介质流道，用于冷却所述上轴承组件和/或所述下轴承组件和/或推力气浮轴承组件和/或所述电机组件。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述轴芯组件包括轴芯和设置于所述轴芯下端的拉刀组件，所述机体组件上端设有打刀气缸。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述定子具有第一绕组和第二绕组，还包括第一接触器、第二接触器和变频器，所述第一绕组与所述变频器连接，所述第二绕组外接第一电路和第二电路，所述第一电路将所述第二绕组的电源线短接，所述第二电路将所述第二绕组与所述变频器连接，所述第一接触器设置于所述第一电路，所述第二接触器设置于所述第二电路。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，还包括：

机床控制端；

第一输出电路，用于将所述机床控制端的输出信号传递至所述第一接触器；

第一反馈电路，用于将所述第二接触器的状态信号反馈至所述机床控制端；

第二输出电路，用于将所述机床控制端的输出信号传递至所述第二接触器；

第二反馈电路，用于将所述第一接触器的状态信号反馈至所述机床控制端；

控制电路，用于在所述机床控制端收到所述第一反馈电路或所述第二反馈电路的状态信号后向所述变频器输出控制信号；

辅助电路，用于所述第一接触器和所述第二接触器形成互锁。

第二方面，一种钻机，包括第一方面中任一实现方式所述的电主轴。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

本发明采用低密度材料的铝合金机体和高刚度的钢套相套接形成机体组件，既减轻了主轴自身重量，又保证了主轴的整体刚度，提高了钻孔效率。

同时，将上轴承座和/或下轴承座与铝合金机体一体制作，和机体融合一体的结构，消除了以往轴承座作为单独零件的装配误差，保证主轴垂直度，有效保证了高速钻孔过程钻针垂直度，避免出现钻针断针现象。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明电主轴的一个实施例结构示意图；

图2是图1所示的一个实施例机体组件结构示意图；

图3是图1所示的一个实施例上轴承组件结构示意图；

图4是图1所示的一个实施例定子结构示意图；

图5是图1所示的一个实施例上轴承座剖面示意图；

图6是图1所示的一个实施例铝水套剖面示意图；

图7是图1所示的一个实施例第二绕组短接时示意图；

图8是图1所示的一个实施例第二绕组与变频器连接时示意图；

图9是图1所示的一个实施例电路原理示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

其中，图1给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图1所示的方向，对本发明的实施例进行说明。

参见图1，本发明的实施例提供了一种电主轴，包括机体组件1、轴芯组件2和电机组件3。

因同等体积，材料密度越低，质量越小，现有技术中绝大多数电主轴都是钢制机体，导致主轴自身重量太大。参见图1、图2，本发明实施例的机体组件1包括铝合金机体11和钢套12，铝合金机体11外周形成圆柱面，钢套12呈圆筒状，钢套12套设于铝合金机体11外部，并与铝合金机体11形成一个整体，铝合金机体11设有轴向孔，用于安装轴芯组件2。本发明的实施例采用低密度材料的铝合金机体11和高刚度的钢套12相套接形成机体组件1，既减轻了主轴自身重量，又保证了主轴的整体刚度，提高了钻孔效率。

其中，铝合金机体11和钢套12可采用过盈配合、螺纹连接等方式连接为一个整体，实现相对固定。例如在图2所示的实施例中，铝合金机体11外部采用钢套12保护，外部钢套12通过上下两定位销钉13与铝合金机体11进行固定，组成机体组件1，该结构设计实现减轻主轴自身重量和增强了主轴整体刚度的目的。同时，铝合金机体11和钢套12采用销钉13实现固定，进一步保证了铝合金机体11和钢套12的相对位置精度，而且使铝合金机体11和钢套12装配更加便捷。

参见图1，轴芯组件2设置于轴向孔，并通过上轴承组件4和下轴承组件5支承于铝合金机体11。电机组件3位于机体组件1中部或尾部，电机组件3用于驱动轴芯组件2旋转。轴芯组件2在电机组件3驱动下，进一步带动钻头等刀具旋转，实现加工。

实际加工中，钻孔机Z轴系统抱夹住主轴垂直向下钻孔，若主轴自身垂直度不良，钻针极易倾斜断针。参见图1，本发明的实施例中，上轴承组件4包括上轴承座41和上轴承42，下轴承组件5包括下轴承座51和下轴承52，上轴承座41和/或下轴承座51与铝合金机体11一体制作。通过将上轴承座41和/或下轴承座51与铝合金机体11一体制作，和机体融合一体的结构，消除了以往轴承座作为单独零件的装配误差，保证主轴垂直度，有效保证了高速钻孔过程钻针垂直度，避免出现钻针断针现象。

在一些实施例中，参见图1、图2，铝合金机体11在轴向孔内部设有环形凸台，轴向孔在环形凸台处孔径减小，环形凸台形成上轴承座41。下轴承座51则可拆卸的设置于机体组件1，下轴承座51位于上轴承座41下方。即该实施例中，上轴承座41与铝合金机体11一体制作，下轴承座51与机体组件1采用分体式结构，下轴承座51可拆卸的设置于机体组件1。该实施例通过将上轴承座41与铝合金机体11一体制作，和机体融合一体的结构，消除了以往轴承座作为单独零件的装配误差，保证主轴垂直度。

进一步的，参见图1，上轴承座41和下轴承座51之间留有空间，上轴承座41和下轴承座51在轴向上隔开一定距离，电机组件3设置于该空间中，电机组件3包括定子31和转子32，定子31固定连接于铝合金机体11，转子32固定连接于轴芯组件2。可拆卸的下轴承座51方便轴芯组件2、电机组件3的安装和调节。同时，电机组件3采用中置结构，更能够满足高速钻孔的加工需要。

上轴承42、下轴承52可采用滚动轴承或气浮轴承，例如在图1所示的实施例中，上轴承42采用上气浮轴承，下轴承52采用下气浮轴承。为了承担轴芯组件的轴向力，轴芯组件2设有飞盘21，机体组件1设有与飞盘21配合的推力气浮轴承组件6，机体组件1设有与上气浮轴承、下气浮轴承和推力气浮轴承组件6连通的气路14。通过外部供气，轴芯组件2与上气浮轴承、下气浮轴承和推力气浮轴承组件6之间形成压力气膜，支承轴芯组件2处于悬浮状态，定子31驱动轴芯组件2高速旋转。

进一步的，参见图2、图3，环形凸台设有轴承安装腔43，上气浮轴承装入轴承安装腔43，机体组件1的气路14直接接入轴承安装腔43，上气浮轴承的上端与轴承安装腔43的顶部边缘抵接，下端通过轴承压板44锁紧。上轴承座41与机体组件1一体制作，消除了以往气浮主轴轴承座作为单独零件的装配误差，保证了主轴垂直度。

飞盘21可设置于轴芯组件2的中部、上端或下端，例如在图1所示的实施例中，飞盘21设置于轴芯组件2下端，推力气浮轴承组件6对应设置于机体组件1的下端，这样的位置设置，能够使推力气浮轴承组件6和飞盘21更加靠近轴芯组件2的输出端，降低推力气浮轴承组件6的轴向浮动对于轴芯组件2旋转精度的影响。

进一步的，参见图1，钢套12的下端凸出于铝合金机体11，钢套12的轴向尺寸比铝合金机体11更长，钢套12和铝合金机体11形成阶梯状结构，钢套12内部于铝合金机体11下方形成安装槽15，推力气浮轴承组件6安装于安装槽15中，并分别与上方的铝合金机体11和外侧的钢套12抵接，即通过钢套12和铝合金机体11形成的阶梯状结构实现推力气浮轴承组件6在机体组件1上的安装定位，并封闭机体组件1的下端口。

参见图1，电主轴还包括冷却介质流道和铝水套7，铝水套7设置于机体组件1的上端，铝水套7设有气体接口和冷却液接口。冷却介质流道用于冷却上轴承组件4和/或下轴承组件5和/或推力气浮轴承组件6和/或电机组件3。工作中，冷却液由铝水套7、机体组件1、进入推力轴承组件对下轴承组件5、推力轴承组件、上轴承组件4与电机组件3进行冷却。

在一些实施例中，轴芯组件2包括轴芯22和设置于轴芯22下端的拉刀组件23，机体组件1上端设有打刀气缸8。气体通过打刀气缸8对轴芯组件2进行打刀，使主轴实现自动换刀。

可以理解的是，轴芯组件2还可以通过卡接等方式实现刀具与轴芯22的连接，并保证换刀功能。

现有技术中常用气浮高速PCB钻孔机电主轴往往不能同时兼顾大孔和小孔，能钻大孔的主轴不能加工小孔(转速上不去)，能钻小孔的主轴不能钻大孔(低速功率低)除了因气浮轴芯、轴承等性能还很难达到高标准要求外，更面临电机的选用及电机外部接线方式等的重大挑战。在一些实施例中，参见图4-图8，定子31具有第一绕组33和第二绕组34，即电主轴采用双绕组电机。第一绕组33具有一组电源线U、V、W，第二绕组34具有另一组电源线X、Y、Z，电源线穿过机体定子线过线孔45(见图5)、铝水套电源线过线孔71(见图6)，最后经电源接头引出。参见图7，主轴低速绕组接法:X、Y、Z线短接,U、V、W自成三相(主轴扭矩大，适合低转速钻大孔)。参见图8，主轴高速绕组接法:U、V、W线分别与Z、X、Y相接形成三相线(主轴高转速，适合钻微孔)。

实际应用中，通过改变接线方式可切换绕组，但通过手动切换接线方式切换绕组极其浪费工时，且因变频器输出到主轴的电流较大(瞬时电流可超过10A)，绕组未正确切换极易导致安全事故，因此本发明的实施例设计出一套双绕组主轴的接线方案：实现高、低速气浮主轴的高低速绕组自动切换，参见图9，电主轴还包括第一接触器81、第二接触器82和变频器83，第一绕组33与变频器83连接，第二绕组34外接第一电路84和第二电路85，第一电路84将第二绕组34的电源线短接，第二电路85将第二绕组34与变频器83连接，第一接触器81设置于第一电路84，第二接触器82设置于第二电路85，分别用于控制第一电路84、第二电路85的断开或连接。

进一步的，参见图9，电主轴还包括机床控制端86、第一输出电路87、第一反馈电路88、第二输出电路89、第二反馈电路810、控制电路811和辅助电路812。第一输出电路87用于将机床控制端86的输出信号传递至第一接触器81，第一反馈电路88用于将第二接触器82的状态信号反馈至机床控制端86；第二输出电路89用于将机床控制端86的输出信号传递至第二接触器82；第二反馈电路810用于将第一接触器81的状态信号反馈至机床控制端86；控制电路811用于在机床控制端86收到第一反馈电路88或第二反馈电路810的状态信号后向变频器83输出控制信号。机床控制端86输出信号控制第一接触器81、第二接触器82动作，实现气浮主轴的高、低速高低速绕组切换(当第一接触器81闭合，第二接触器82未闭合，则为主轴低速绕组接法；当第二接触器82闭合，第一接触器81未闭合，则为主轴高速绕组接法)，绕组切换后则反馈信号到机床控制端86(接收反馈信号，判断绕组切换情况)进而控制变频器83驱动主轴运行，如实现绕组切换(高、低速绕组互相切换)，则机床控制端86需提前控制变频器83停止主轴，待执行第一接触器81、第二接触器82的正确切换后再控制变频器83驱动主轴运行，避免通电时接触器切换产生电弧，实现了安全、快速、准确地切换电机绕组。通过上诉方案实现通过一台气浮电主轴钻极大孔和微小孔。

其中，辅助电路812用于第一接触器81和第二接触器82形成互锁。即通电后第一接触器81、第二接触器82不能同时闭合，避免出现线路短路。

本发明的实施例还提供了一种钻机，包括以上任一实施例中的电主轴。

在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种电主轴，其特征在于，包括：

机体组件，包括铝合金机体和钢套，所述钢套套设于所述铝合金机体外部，并与所述铝合金机体形成一个整体，所述铝合金机体设有轴向孔；

轴芯组件，设置于所述轴向孔，并通过上轴承组件和下轴承组件支承于所述铝合金机体；

电机组件，用于驱动所述轴芯组件旋转；

其中，所述上轴承组件包括上轴承座和上轴承，所述下轴承组件包括下轴承座和下轴承，所述上轴承座和/或下轴承座与所述铝合金机体一体制作。

2.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，所述铝合金机体在所述轴向孔内部设有环形凸台，所述环形凸台形成所述上轴承座，所述下轴承座可拆卸的设置于所述机体组件，所述下轴承座位于所述上轴承座下方，所述上轴承座和所述下轴承座之间留有空间，所述电机组件设置于所述空间，所述电机组件包括定子和转子，所述定子固定连接于所述铝合金机体，所述转子固定连接于所述轴芯组件。

3.根据权利要求2所述的电主轴，其特征在于，所述上轴承采用上气浮轴承，所述下轴承采用下气浮轴承，所述轴芯组件设有飞盘，所述机体组件设有与所述飞盘配合的推力气浮轴承组件，所述机体组件设有与所述上气浮轴承、所述下气浮轴承和所述推力气浮轴承组件连通的气路。

4.根据权利要求3所述的电主轴，其特征在于，所述环形凸台设有轴承安装腔，所述上气浮轴承装入所述轴承安装腔，并通过轴承压板锁紧。

5.根据权利要求3所述的电主轴，其特征在于，所述飞盘设置于所述轴芯组件下端，所述钢套的下端凸出于所述铝合金机体，所述钢套内部于所述铝合金机体下方形成安装槽，所述推力气浮轴承组件安装于所述安装槽中，并分别与上方的所述铝合金机体和外侧的钢套抵接。

6.根据权利要求3所述的电主轴，其特征在于，还包括：

冷却介质流道，用于冷却所述上轴承组件和/或所述下轴承组件和/或推力气浮轴承组件和/或所述电机组件。

7.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，所述轴芯组件包括轴芯和设置于所述轴芯下端的拉刀组件，所述机体组件上端设有打刀气缸。

8.根据权利要求2所述的电主轴，其特征在于，所述定子具有第一绕组和第二绕组，还包括第一接触器、第二接触器和变频器，所述第一绕组与所述变频器连接，所述第二绕组外接第一电路和第二电路，所述第一电路将所述第二绕组的电源线短接，所述第二电路将所述第二绕组与所述变频器连接，所述第一接触器设置于所述第一电路，所述第二接触器设置于所述第二电路。

9.根据权利要求8所述的电主轴，其特征在于，还包括：

机床控制端；

第一输出电路，用于将所述机床控制端的输出信号传递至所述第一接触器；

第一反馈电路，用于将所述第二接触器的状态信号反馈至所述机床控制端；

第二输出电路，用于将所述机床控制端的输出信号传递至所述第二接触器；

第二反馈电路，用于将所述第一接触器的状态信号反馈至所述机床控制端；

控制电路，用于在所述机床控制端收到所述第一反馈电路或所述第二反馈电路的状态信号后向所述变频器输出控制信号；

辅助电路，用于所述第一接触器和所述第二接触器形成互锁。

10.一种钻机，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的电主轴。

Images