CN114900002B - 一种大扭矩容错驱动力控浮动电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，包括主轴壳体，主轴壳体中设有大扭矩容错型双层盘式电机，大扭矩容错型双层盘式电机包括电机定子部分和电机转子部分，电机定子部分固定安装在主轴壳体中，电机转子部分转动安装在主轴壳体中并通过第一传动结构连接中空传动轴外周，中空传动轴内周通过第二传动结构连接动力输出轴外周，动力输出轴下方设有直线型线性化动磁铁式电磁作动器。本发明结构简单，占用空间小；电主轴结构中采用了对称式双层盘式电机结构形式（大扭矩容错型双层盘式电机），可以确保即使有一侧的电机绕组或者磁钢出现问题，另一侧的电机依旧可以正常工作，进而提升系统的容错性和鲁棒性。

Description

一种大扭矩容错驱动力控浮动电主轴

技术领域

本发明属于自动化力控加工技术领域，具体是涉及一种大扭矩容错驱动力控浮动电主轴。

背景技术

在进行不同零件表面的打磨、抛光以及去毛刺处理作业时，很多情况下还是主要依赖人工进行处理。然而目前招工困难，人员水平与加工质量不一致等诸多问题均制约着企业生产的提质增效。自动化的打磨、抛光及去毛刺作业是一种必然的趋势。在现有的自动化打磨、抛光及去毛刺作业方法中，为了实现理想的加工效果，往往需要对末端工具与工件之间的接触力度进行较为精准的控制。为了解决这一问题，现有的技术方案主要是将力控装置与直线旋转机构相结合，形成接触力度可以调节的浮动式单磨头力控打磨装置，比如我司前期发明专利申请（申请号：CN202111126651.1）“数字化浮动磨抛主轴”以及发明专利申请（申请号：CN202110741834.8）“主动式力控伺服打磨装置”里公开的技术。

然而，现有的将力控装置与直线旋转机构相结合的方式均存在尺寸较大、零件数量多、重量较重、成本较高等问题，如发明专利申请（申请号：CN202110063498.6）公开了一种直线电机与旋转电机相结合的直线旋转机构形式。其中，旋转电机安装在直线导轨上由直线电机推动实现平动。该机构形式适合应用于芯片贴装行业的直线旋转运动与力度控制，但是受限于其结构形式，电机的扭矩往往偏小，而且存在线缆随动的问题影响线缆寿命，系统防水防尘性不够好，不适用于自动化力控打磨、抛光与去毛刺场合，而且其中的旋转电机并不具备容错性，当电机中的部分绕组出现故障时，电机将无法工作。

为此，本发明针对上述问题，提出了一种大扭矩容错驱动的紧凑型力控浮动电主轴结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，能解决电机的扭矩往往偏小，而且存在线缆随动的问题影响线缆寿命，系统防水防尘性不够好，不适用于自动化力控打磨、抛光与去毛刺场合，而且其中的旋转电机并不具备容错性，当电机中的部分绕组出现故障时，电机将无法工作的问题。

按照本发明提供的技术方案：一种大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，包括主轴壳体，主轴壳体中设有大扭矩容错型双层盘式电机，大扭矩容错型双层盘式电机包括电机定子部分和电机转子部分，电机定子部分固定安装在主轴壳体中，电机转子部分转动安装在主轴壳体中并通过第一传动结构连接中空传动轴外周，中空传动轴内周通过第二传动结构连接动力输出轴外周，动力输出轴下方设有直线型线性化动磁铁式电磁作动器，直线型线性化动磁铁式电磁作动器包括作动器定子部分和作动器运动部分，作动器定子部分固定安装在主轴壳体中，作动器运动部分在作动器定子部分中滑动并与动力输出轴连接；大扭矩容错型双层盘式电机采用对称式双层盘式电机结构形式。

作为本发明的进一步改进，电机转子部分包括第一转子铁芯、第二转子铁芯、第一转子磁钢、第二转子磁钢；电机定子部分包括第一电机线圈绕组、第二电机线圈绕组、电机定子铁芯；电机定子铁芯固定安装在主轴壳体中，电机定子铁芯两端分别转动设有第一转子铁芯、第二转子铁芯，电机定子铁芯与第一转子铁芯的相对端上分别设有第一电机线圈绕组和第一转子磁钢，电机定子铁芯与第二转子铁芯的相对端上分别设有第二电机线圈绕组和第二转子磁钢。

作为本发明的进一步改进，第一转子铁芯、第二转子铁芯上开有形状与第一转子磁钢、第二转子磁钢匹配的槽型结构。

作为本发明的进一步改进，第一传动结构为键槽结构，第一转子铁芯、第二转子铁芯分别通过平键连接中空传动轴；第二传动结构为花键结构，中空传动轴与动力输出轴之间采用滚珠花键的传动形式。

作为本发明的进一步改进，作动器定子部分包括电磁作动器定子铁芯，电磁作动器定子铁芯固定安装在主轴壳体中，电磁作动器定子铁芯中安装电磁作动器线圈；作动器运动部分包括电磁作动器动子磁钢、电磁作动器动子铁芯；电磁作动器动子磁钢安装于电磁作动器动子铁芯中部外侧；电磁作动器动子磁钢在电磁作动器线圈中滑动。

作为本发明的进一步改进，电磁作动器定子铁芯由电磁作动器定子上铁芯及电磁作动器定子下铁芯组合而成；电磁作动器线圈安装固定于电磁作动器定子上铁芯内周。

作为本发明的进一步改进，中空传动轴两端分别通过第一轴承和第二轴承转动安装在主轴壳体中。

作为本发明的进一步改进，第一轴承内圈与第一转子铁芯之间设有第一轴套，第二轴承内圈与第二转子铁芯之间设有第二轴套。

本申请的积极进步效果在于：

1、本发明结构简单，占用空间小；电主轴结构中采用了对称式双层盘式电机结构形式（大扭矩容错型双层盘式电机），可以确保即使有一侧的电机绕组或者磁钢出现问题，另一侧的电机依旧可以正常工作，进而提升系统的容错性和鲁棒性。

2、本发明中直线型线性化动磁铁式电磁作动器，通过磁路闭环设计，有效降低了漏磁，提升了输出力密度。

3、本发明中盘式电机与电磁作动器均采用动磁铁式结构，进而避免了线缆随动的问题，提升了主轴线缆的使用寿命。

4、本发明通过滚珠花键结构在盘式电机中空结构内部进行转动传递，并通过花键轴结构的动力输出轴末端与电磁作动器运动部分相连进行直线运动传递，结构更加紧凑，系统集成度更高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明直线型线性化动磁铁式电磁作动器的磁路示意图。

图3为本发明动力输出轴的结构示意图。

图4为本发明大扭矩容错型双层盘式电机的分解结构示意图。

图5为本发明直线型线性化动磁铁式电磁作动器的分解结构示意图。

图1-图5中，包括动力输出轴1、主轴上压盖2、中空传动轴3、主轴上壳体4、平键5、主轴中壳体6、主轴下壳体7、主轴下压盖8、第一轴承9a、第二轴承9b、第一轴套10a、第二轴套10b、大扭矩容错型双层盘式电机11、第一转子铁芯1101a、第二转子铁芯1101b、第一转子磁钢1102a、第二转子磁钢1102b、第一电机线圈绕组1103a、第二电机线圈绕组1103b、电机定子铁芯1104、直线型线性化动磁铁式电磁作动器12、电磁作动器定子上铁芯1201、电磁作动器线圈1202、电磁作动器动子磁钢1203、电磁作动器动子铁芯1204、电磁作动器定子下铁芯1205等。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，“包括”和“具有”等类似术语，是指除了已经在“包括”和“具有”中所罗列的那些内容以外，还可以“包括”和“具有”其它尚未罗列的内容；例如，可以包含一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，不必限于已经清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以下具体实施方式的描述中，坐标参考图1，以图1中垂直纸面向里的方向为前，垂直纸面向外的方向为后，以图1中的左右方向为左右，图1中的上下方向为上下。

如图1所示，本发明是一种大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，包括主轴壳体，主轴壳体中设有大扭矩容错型双层盘式电机11，大扭矩容错型双层盘式电机11包括电机定子部分和电机转子部分，电机定子部分固定安装在主轴壳体中，电机转子部分转动安装在主轴壳体中并通过第一传动结构连接中空传动轴3外周，中空传动轴3内周通过第二传动结构连接动力输出轴1外周，动力输出轴1下方设有直线型线性化动磁铁式电磁作动器12，直线型线性化动磁铁式电磁作动器12包括作动器定子部分和作动器运动部分，作动器定子部分固定安装在主轴壳体中，作动器运动部分在作动器定子部分中滑动并与动力输出轴1连接。

如图1、图4所示，大扭矩容错型双层盘式电机11采用对称式双层盘式电机结构形式，目的是确保即使有一侧的电机绕组或者磁钢出现问题，另一侧的电机依旧可以正常工作，进而提升系统的容错性和鲁棒性。电机转子部分包括第一转子铁芯1101a、第二转子铁芯1101b、第一转子磁钢1102a、第二转子磁钢1102b；电机定子部分包括第一电机线圈绕组1103a、第二电机线圈绕组1103b、电机定子铁芯1104。电机定子铁芯1104固定安装在主轴壳体中，电机定子铁芯1104两端分别转动设有第一转子铁芯1101a、第二转子铁芯1101b，电机定子铁芯1104与第一转子铁芯1101a的相对端上分别设有第一电机线圈绕组1103a和第一转子磁钢1102a，电机定子铁芯1104与第二转子铁芯1101b的相对端上分别设有第二电机线圈绕组1103b和第二转子磁钢1102b。

第一转子铁芯1101a、第二转子铁芯1101b上开有形状与第一转子磁钢1102a、第二转子磁钢1102b匹配的槽型结构，便于将第一转子磁钢1102a、第二转子磁钢1102b分别嵌入式安装于第一转子铁芯1101a、第二转子铁芯1101b中。

第一转子磁钢1102a、第二转子磁钢1102b由多片永磁铁组成，南北极交错分布呈环形排列。第一电机线圈绕组1103a、第二电机线圈绕组1103b包含多个线圈，线圈绕制于电机定子铁芯1104上下两端的绕线槽中。

第一传动结构为键槽结构，第一转子铁芯1101a、第二转子铁芯1101b分别通过平键5连接中空传动轴3，将旋转的动力传递至中空传动轴3。

第二传动结构为花键结构，中空传动轴3内周通过花键结构连接动力输出轴1外周，动力输出轴1如图3所示。

为了降低轴向直线运动时中空传动轴3与动力输出轴1之间的摩擦力，从而可以有效保障电主轴的力控精度。中空传动轴3与动力输出轴1之间采用滚珠花键的传动形式。中空传动轴3与动力输出轴1的花键棱配合处均设置有滚珠传动。

直线型线性化动磁铁式电磁作动器12安装于主轴壳体下部；如图1、图5所示，作动器定子部分包括电磁作动器定子铁芯，电磁作动器定子铁芯固定安装在主轴壳体中，电磁作动器定子铁芯中安装电磁作动器线圈1202。作动器运动部分包括电磁作动器动子磁钢1203、电磁作动器动子铁芯1204。电磁作动器动子磁钢1203粘接安装于电磁作动器动子铁芯1204中部凸台的外侧。电磁作动器动子磁钢1203在电磁作动器线圈1202中滑动。

电磁作动器定子铁芯由电磁作动器定子上铁芯1201及电磁作动器定子下铁芯1205组合而成；电磁作动器线圈1202通过粘胶安装固定于电磁作动器定子上铁芯1201内周。粘胶采用环氧树脂胶，起到绝缘和保护作用。

电磁作动器动子铁芯1204与动力输出轴1通过螺钉进行连接。主轴下压盖8的内环凸台压在电磁作动器定子下铁芯1205的外侧。

直线型线性化动磁铁式电磁作动器12采用了动磁铁式磁路结构，通过电磁作动器线圈1202与电磁作动器动子磁钢1203之间线性化的安培力为动力输出轴1提供轴向直线运动的驱动力。在磁路设计上，考虑了磁路闭环设计（如图2所示），电磁作动器动子磁钢1203N极产生的磁力线经过电磁作动器定子上铁芯1201与电磁作动器定子下铁芯1205后又通过电磁作动器动子铁芯1204流回至电磁作动器动子磁钢1203S极，形成磁路闭环。电磁作动器定子上铁芯1201以及电磁作动器定子下铁芯1205与电磁作动器动子铁芯1204之间仅保留了较小的间隙，目的是更好进行磁路闭环，降低漏磁。

主轴壳体采用分体结构，包括从上至下依次连接的主轴上壳体4、主轴中壳体6、主轴下壳体7。

中空传动轴3两端分别通过第一轴承9a和第二轴承9b转动安装在主轴壳体中，从而保障中空传动轴3在转动过程中的径向稳定性，不会有径向的晃动。

第一轴承9a内圈与第一转子铁芯1101a之间设有第一轴套10a，第二轴承9b内圈与第二转子铁芯1101b之间设有第二轴套10b，中空传动轴3中部有凸台，凸台的上下两侧分别与第一转子铁芯1101a、第二转子铁芯1101b内侧接触配合，起到轴向限位作用。第一轴承9a通过主轴上压盖2进行预紧，第二轴承9b通过主轴下壳体7进行预紧，进而确保了第一转子铁芯1101a、第二转子铁芯1101b以及中空传动轴3在轴向不会窜动。

大扭矩容错驱动力控浮动电主轴通过其内部的大扭矩容错型双层盘式电机11驱动中空传动轴3与动力输出轴1转动，通过其内部的直线型线性化动磁铁式电磁作动器12驱动作动器运动部分与动力输出轴1沿轴向直线运动，并通过控制直线型线性化动磁铁式电磁作动器12中电磁作动器线圈1202内的激励电流大小，可以实现对作动器定子部分和作动器运动部分之间的电磁力大小的控制，进而实现对传递至动力输出轴上的输出力大小的控制。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，其特征在于，包括主轴壳体，主轴壳体中设有大扭矩容错型双层盘式电机（11），大扭矩容错型双层盘式电机（11）包括电机定子部分和电机转子部分，电机定子部分固定安装在主轴壳体中，电机转子部分转动安装在主轴壳体中并通过第一传动结构连接中空传动轴（3）外周，中空传动轴（3）内周通过第二传动结构连接动力输出轴（1）外周，动力输出轴（1）下方设有直线型线性化动磁铁式电磁作动器（12），直线型线性化动磁铁式电磁作动器（12）包括作动器定子部分和作动器运动部分，作动器定子部分固定安装在主轴壳体中，作动器运动部分在作动器定子部分中滑动并与动力输出轴（1）连接；大扭矩容错型双层盘式电机（11）采用对称式双层盘式电机结构形式。

2.如权利要求1所述的大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，其特征在于，电机转子部分包括第一转子铁芯（1101a）、第二转子铁芯（1101b）、第一转子磁钢（1102a）、第二转子磁钢（1102b）；电机定子部分包括第一电机线圈绕组（1103a）、第二电机线圈绕组（1103b）、电机定子铁芯（1104）；电机定子铁芯（1104）固定安装在主轴壳体中，电机定子铁芯（1104）两端分别转动设有第一转子铁芯（1101a）、第二转子铁芯（1101b），电机定子铁芯（1104）与第一转子铁芯（1101a）的相对端上分别设有第一电机线圈绕组（1103a）和第一转子磁钢（1102a），电机定子铁芯（1104）与第二转子铁芯（1101b）的相对端上分别设有第二电机线圈绕组（1103b）和第二转子磁钢（1102b）。

3.如权利要求2所述的大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，其特征在于，第一转子铁芯（1101a）、第二转子铁芯（1101b）上开有形状与第一转子磁钢（1102a）、第二转子磁钢（1102b）匹配的槽型结构。

4.如权利要求2所述的大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，其特征在于，第一传动结构为键槽结构，第一转子铁芯（1101a）、第二转子铁芯（1101b）分别通过平键（5）连接中空传动轴（3）；第二传动结构为花键结构，中空传动轴（3）与动力输出轴（1）之间采用滚珠花键的传动形式。

5.如权利要求1所述的大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，其特征在于，作动器定子部分包括电磁作动器定子铁芯，电磁作动器定子铁芯固定安装在主轴壳体中，电磁作动器定子铁芯中安装电磁作动器线圈（1202）；作动器运动部分包括电磁作动器动子磁钢（1203）、电磁作动器动子铁芯（1204）；电磁作动器动子磁钢（1203）安装于电磁作动器动子铁芯（1204）中部外侧；电磁作动器动子磁钢（1203）在电磁作动器线圈（1202）中滑动。

6.如权利要求5所述的大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，其特征在于，电磁作动器定子铁芯由电磁作动器定子上铁芯（1201）及电磁作动器定子下铁芯（1205）组合而成；电磁作动器线圈（1202）安装固定于电磁作动器定子上铁芯（1201）内周。

7.如权利要求1所述的大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，其特征在于，中空传动轴（3）两端分别通过第一轴承（9a）和第二轴承（9b）转动安装在主轴壳体中。

8.如权利要求7所述的大扭矩容错驱动力控浮动电主轴，其特征在于，第一轴承（9a）内圈与第一转子铁芯（1101a）之间设有第一轴套（10a），第二轴承（9b）内圈与第二转子铁芯（1101b）之间设有第二轴套（10b）。

Images