CN117047657A - 高速旋转状态切换粗精加工的电主轴、机床及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速旋转状态切换粗精加工的电主轴、机床及应用，属于机床设备领域。该电主轴包括：套筒主体、固定芯轴、滑动芯轴、旋转驱动装置和直线驱动装置，旋转驱动装置设置于套筒主体内，固定芯轴插设于旋转驱动装置，其与旋转驱动装置连接，其延伸出套筒主体预定距离，其延伸端用于安装精加工装置，滑动芯轴插设于固定芯轴，滑动芯轴与固定芯轴连接，其延伸出固定芯轴预定距离，其延伸端用于安装粗加工装置，直线驱动装置的动作端与滑动芯轴连接。本发明使固定芯轴和滑动芯轴处于旋转状态下使加工工序在精加工和粗加工之间切换，解决了现有技术需要频繁的启停主轴，导致的工作效率低，以及能源损耗高的问题。

Description

高速旋转状态切换粗精加工的电主轴、机床及应用
技术领域
本发明属于机床设备领域，尤其涉及一种高速旋转状态切换粗精加工的电主轴、机床及应用。
背景技术
目前，市场上一些用于实现切换粗精加工工序的轴芯的伸出/缩回的驱动机构和主轴部分是两个独立部分，驱动机构安装在主轴箱体上，通过连接件将驱动力传递给伸缩芯轴，从而实现了伸出和缩回的动作，这类产品多为皮带传动主轴，将驱动电机和驱动油缸或者气缸集成在一起，电机驱动主轴旋转，油缸或者气缸驱动主轴伸出/缩回。
该产品在使用时都需要经历完成粗加工-停止主轴旋转-转换精加工工具-重启主轴这个过程，根据工具惯量大小的不同，这个过程一般需要25-30秒钟，严重影响工作效率，并且在频繁的启停主轴，会造成能源损耗。
发明内容
发明目的：提供了一种可以在高速旋转状态下自动自由切换粗精加工转换的电主轴，能够通过滑动芯轴的伸出/缩回动作即可在芯轴处于高速旋转状态下使加工工序在固定芯轴的精加工和滑动芯轴的粗加工之间切换，解决了现有技术需要频繁的启停主轴，导致的工作效率低，以及能源损耗高的问题。
技术方案：本发明的第一方面，提出一种高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，该电主轴包括：套筒主体、固定芯轴、滑动芯轴、旋转驱动装置和直线驱动装置。
所述旋转驱动装置设置于套筒主体内，所述旋转驱动装置用于带动固定芯轴旋转。
所述固定芯轴插设于旋转驱动装置，其与旋转驱动装置连接，其延伸出套筒主体预定距离，其延伸端用于安装精加工装置。
所述滑动芯轴插设于固定芯轴，所述滑动芯轴与固定芯轴连接，其延伸出固定芯轴预定距离，其延伸端用于安装粗加工装置。
所述直线驱动装置的固定端与套筒主体连接，其动作端与滑动芯轴连接。
当需要从精加工工序切换至粗加工工序时，所述直线驱动装置带动滑动芯轴伸出，使滑动芯轴的延伸端与固定芯轴的延伸端之间的间距增加。
当需要从粗加工工序切换至精加工工序时，所述直线驱动装置带动滑动芯轴缩回，使滑动芯轴的延伸端与固定芯轴的延伸端之间的间距减小。
在第一方面进一步的实施例中，所述直线驱动装置是伺服驱动机构或气缸或油缸，当使直线驱动装置是伺服驱动机构时，可以实现滑动芯轴的伺服驱动。
在第一方面进一步的实施例中，所述直线驱动装置是气缸或油缸，所述气缸或油缸内设有复位弹簧，所述复位弹簧用于带动滑动芯轴缩回，使滑动芯轴缩回的轴向力是更加柔性的弹簧力，进而提高了加工精度。
在第一方面进一步的实施例中，电主轴还包括：滑动定位销和轴承座。
所述滑动定位销安装在套筒主体内，所述轴承座与滑动芯轴连接，所述直线驱动装置与轴承座和/或滑动芯轴连接。
所述滑动定位销设置在套筒主体内朝向直线驱动装置的一端，所述轴承座上设有与滑动定位销配合的定位孔。
当所述滑动芯轴处于伸出状态时，所述轴承座与套筒主体安装滑动定位销的一端相抵。
当所述滑动芯轴处于缩回状态时，所述轴承座与套筒主体安装滑动定位销的一端之间间隔预定间距，整个轴承座可以前后滑动极大的提高了滑动芯轴的旋转、伸出和缩回过程的稳定性。
在第一方面进一步的实施例中，所述固定芯轴与滑动芯轴之间键连接。
在第一方面进一步的实施例中，所述旋转驱动装置包括：电机水套、电机定子和电机转子。
所述电机水套设置在套筒主体内，所述电机定子设置在电机水套内，所述电机转子设置在电机定子内，所述电机转子与固定芯轴连接，大大的增加了单边厚度，从而大大的加强了主轴的整体刚度。
在第一方面进一步的实施例中，所述套筒主体和固定芯轴之间设有前端旋转轴承组，所述固定芯轴和滑动芯轴之间设有前端滑动轴承组。
所述前端旋转轴承组设置在固定芯轴远离直线驱动装置的一端，所述前端滑动轴承组设置在固定芯轴靠近直线驱动装置的一端。
在第一方面进一步的实施例中，所述轴承座与套筒主体之间设置有后端滑动轴承组，大大的减少了结构件的应用，压缩了整个产品的体积，极大地提升了稳定性。
在第一方面进一步的实施例中，所述轴承座和/或滑动芯轴与直线驱动装置之间通过推盘连接。
本发明的第二方面，提出一种可在高速旋转状态下切换粗精加工的机床，该机床包括如第一方面任一实施例所述的电主轴，与固定芯轴连接的精加工装置，与滑动芯轴连接的粗加工装置，以及用于向旋转驱动装置发送旋转指令，使旋转驱动装置带动固定芯轴和滑动芯轴以预定转速旋转的控制器。
在第二方面进一步的实施例中，所述精加工装置包括与固定芯轴连接的大砂轮法兰盘，以及安装在大砂轮法兰盘上的精加工大砂轮；所述粗加工装置包括与滑动芯轴连接的小砂轮法兰盘，以及安装在小砂轮法兰盘上的粗加工小砂轮；所述精加工大砂轮中心开收容腔，能够在滑动芯轴处于缩回状态时，使所述粗加工小砂轮收容于精加工大砂轮的收容孔腔。
在第二方面进一步的实施例中，当需要从精加工工序切换至粗加工工序时，无论旋转驱动装置是否带动固定芯轴和滑动芯轴旋转，机床的控制器向直线驱动装置发送伸出指令，直线驱动装置带动滑动芯轴伸出，使滑动芯轴的延伸端与固定芯轴的延伸端之间的间距增加；
第三方面，提出如上述第一方面所公开的电主轴在金切机床领域、半导体领域、光伏领域上的应用。具体来说，半导体和光伏领域里的减薄机，磨倒机，抛光机；加工里的端面粗精加工、双面加工类机床，都可以采用上述第一方面所公开的电主轴。
当需要从粗加工工序切换至精加工工序时，无论旋转驱动装置是否带动固定芯轴和滑动芯轴旋转，机床的控制器向直线驱动装置发送缩回指令，直线驱动装置带动滑动芯轴缩回，使滑动芯轴的延伸端与固定芯轴的延伸端之间的间距减小。
有益效果：本申请通过直线驱动装置带动滑动芯轴作出伸出/缩回动作，能够在旋转驱动装置带动固定芯轴和/或滑动芯轴旋转，使固定芯轴和滑动芯轴处于旋转状态下使滑动芯轴作出伸出/缩回动作进而使加工工序在固定芯轴的精加工和滑动芯轴的粗加工之间切换，解决了现有技术需要频繁的启停主轴，导致的工作效率低，以及能源损耗高的问题。
而且本申请的套筒主体、固定芯轴、滑动芯轴、旋转驱动装置和直线驱动装置之间的连接都是刚性连接，传动过程简单降低了产品整体的体积和重量，还极大的提高了连接刚度，降低了主轴高速运转过程中的噪音和震动，提高了主轴轴承的使用寿命，降低了整个产品的问题率。
附图说明
图1是本申请的剖视示意图。
图2是本申请的整体外观轴测示意图。
图中所示附图标记为：套筒主体100、固定芯轴200、滑动芯轴300、旋转驱动装置400、直线驱动装置500、外套筒101、后套筒102、后盖103、大砂轮法兰连接盘201、大砂轮法兰盘202、小砂轮法兰盘301、电机水套401、电机定子402、电机转子403、推盘501、轴承座600、滑动件601、后端旋转轴承组602、轴承盖603、滑动定位销604、导向联轴键700、前端旋转轴承组800、前端滑动轴承组801、后端滑动轴承组802。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本发明提供了高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，能够通过滑动芯轴的伸出/缩回动作即可在芯轴处于高速旋转状态下使加工工序在固定芯轴的精加工和滑动芯轴的粗加工之间切换，解决了现有技术需要频繁的启停主轴，导致的工作效率低，以及能源损耗高的问题。
第一方面的第一实施例：如图1所示电主轴包括：套筒主体100、固定芯轴200、滑动芯轴300、旋转驱动装置400和直线驱动装置500。旋转驱动装置400设置于套筒主体100内，旋转驱动装置400用于带动固定芯轴200旋转。
固定芯轴200插设于旋转驱动装置400，其与旋转驱动装置400连接，其延伸出套筒主体100预定距离，其延伸端用于安装精加工装置。
滑动芯轴300插设于固定芯轴200，滑动芯轴300与固定芯轴200连接，其延伸出固定芯轴200预定距离，其延伸端用于安装粗加工装置。
直线驱动装置500的固定端与套筒主体100连接，其动作端与滑动芯轴300连接。
当需要进行粗加工时，直线驱动装置500带动滑动芯轴300伸出，使滑动芯轴300的延伸端与固定芯轴200的延伸端之间的间距增加。
当需要进行精加工时，直线驱动装置500带动滑动芯轴300缩回，使滑动芯轴300的延伸端与固定芯轴200的延伸端之间的间距减小。
关于套筒主体100：如图1和图2所示套筒主体100包括：依序连接的外套筒101、后套筒102和后盖103，旋转驱动装置400安装在外套筒101内，轴承座600安装在后套筒102内，直线驱动装置500的固定端与后盖103连接，直线驱动装置500的动作端穿过后盖103与轴承座600和/或滑动芯轴300连接。
关于旋转驱动装置400：在图1所示实施例中，旋转驱动装置400包括：电机水套401、电机定子402和电机转子403。
电机水套401设置在套筒主体100内，电机定子402设置在电机水套401内，电机转子403设置在电机定子402内，电机转子403与固定芯轴200连接。
通过旋转驱动装置400与固定芯轴200一体化设计，大大的增加了单边厚度，从而大大的加强了主轴的整体刚度，与现有通过皮带带动主轴的技术相比极大的简化了传动过程，减少了结构件的应用，降低了产品整体的体积和重量，稳定性得到了极大的提升。
关于直线驱动装置500：在本实施例中，直线驱动装置500是气缸或油缸，气缸或油缸内设有复位弹簧，复位弹簧用于带动滑动芯轴300缩回。
通过使用复位弹簧带动滑动芯轴300缩回，能够在加工双端面过程中，使滑动芯轴300缩回的轴向力是更加柔性的弹簧力，进而提高了加工精度。
关于滑动芯轴300的工作稳定性：在图1所示实施例中，电主轴还包括：滑动定位销604和轴承座600。
滑动定位销604安装在套筒主体100内，轴承座600与滑动芯轴300连接，直线驱动装置500与轴承座600和/或滑动芯轴300连接。
滑动定位销604设置在套筒主体100内朝向直线驱动装置500的一端，轴承座600上设有与滑动定位销604配合的定位孔。
当滑动芯轴300处于伸出状态时轴承座600与套筒主体100安装滑动定位销604的一端相抵。
当滑动芯轴300处于缩回状态时，轴承座600与套筒主体100安装滑动定位销604的一端之间间隔预定间距。
如图1所示轴承座600包括滑动件601、后端旋转轴承组602和轴承盖603，后端轴承套设于滑动芯轴300，滑动件601套设于后端轴承，轴承盖603与滑动件601靠近直线驱动装置500的一端连接，滑动件601上设有与滑动定位销604配合的定位孔，可以通过推盘501使轴承盖603直接与直线驱动装置500连接，也可以是在轴承盖603上开孔通过推盘501使滑动芯轴300穿过轴承盖603与直线驱动装置500连接，然后通过锁环或台阶结构使滑动芯轴300与轴承座600配合实现滑动芯轴300和轴承座600的整体滑动，如图所示实施例中滑动芯轴300上设有台阶部和锁环，轴承座600设置在台阶部和锁环之间。
通过轴承座600周向定位，从而实现主轴高速旋转过程中内芯轴可以实现伸出/缩回动作，整个轴承座600可以前后滑动极大的提高了滑动芯轴300的旋转、伸出和缩回过程的稳定性，而且通过轴承座600前端面和套筒主体100之间的硬定位，能够实现内芯轴伸出时2um的定位精度。
关于套筒主体100、固定芯轴200与滑动芯轴300的连接：在本实施例中，固定芯轴200与滑动芯轴300之间键连接。
在本实施例中，可以如图1所示使电主轴还包括安装在固定芯轴200与滑动芯轴300之间的导向联轴键700，也可以使固定芯轴200与滑动芯轴300之间通过花键结构连接。
其中，导向联轴键700的应用，可以实现内芯轴伸出/缩回时稳定的输出电机扭矩，同时兼具滑动导轨及联轴器的作用。
在图1所示实施例中，套筒主体100和固定芯轴200之间设有前端旋转轴承组800，固定芯轴200和滑动芯轴300之间设有前端滑动轴承组801。
前端旋转轴承组800设置在固定芯轴200远离直线驱动装置500的一端，前端滑动轴承组801设置在固定芯轴200靠近直线驱动装置500的一端。
在本实施例中，滑动芯轴300靠近前端旋转轴承组800的部位可以与固定芯轴200过渡配合或花键结构连接，由于是前端旋转轴承组800带动滑动芯轴300旋转，所以两者转速相同，可以使用连接强度高的过渡配合或花键结构连接，提高对滑动芯轴300远离直线驱动装置500一端的支撑强度。
在图1所示实施例中，轴承座600与套筒主体100之间设置有后端滑动轴承组802。
本申请中的旋转轴承组可以由至少一个深沟球轴承组成，也可以由至少一个深沟球轴承与至少一个推力轴承组成。
本实施例中的滑动轴承组由至少一个直线滑动轴承组成。
通过旋转轴承组和滑动轴承组的配合，增加了固定芯轴200和滑动芯轴300的支撑点，使不同位置的支撑点对固定芯轴200和滑动芯轴300进行错位支撑，大大的减少了结构件的应用，压缩了整个产品的体积，极大地提升了稳定性。
关于直线驱动装置500与滑动芯轴300的连接：在本实施例中，轴承座600和/或滑动芯轴300与直线驱动装置500之间通过推盘501连接。
在图1所示实施例中，轴承座600与直线驱动装置500之间通过推盘501连接。
第一方面的第二实施例，在第一方面的基础上增加了直线驱动装置500的构成方案。
在本实施例中，直线驱动装置500是伺服驱动机构或气缸或油缸。
在本实施例中气缸或油缸可以是通过复位弹簧实现复位的气缸或油缸，也可以是通过气压或油压实现复位的气缸或油缸。
当使直线驱动装置500是伺服驱动机构时，可以实现滑动芯轴300的伺服驱动，可以实现内芯轴伸出的位置控制，能够提高双端面零件的加工精度，如对刹车盘的加工。
第二方面的实施例，提出一种机床，该机床包括上述实施例所公开的电主轴，与固定芯轴200连接的精加工装置，以及与滑动芯轴300连接的粗加工装置。利用该实施例所提出的机床可以实现在粗加工和精加工之间不停机切换。
如图1和图2所示实施例中，精加工装置可以包括与固定芯轴200连接的大砂轮法兰连接盘201，与大砂轮法兰连接盘201连接的大砂轮法兰盘202，以及安装在大砂轮法兰盘202上的精加工大砂轮，精加工装置也可以包括与固定芯轴200连接的大砂轮法兰盘202，以及安装在大砂轮法兰盘202上的精加工大砂轮。
粗加工装置包括与滑动芯轴300连接的小砂轮法兰盘301，以及安装在小砂轮法兰盘301上的粗加工小砂轮。
可以使精加工大砂轮中心开收容腔，能够在滑动芯轴300处于缩回状态时，使粗加工小砂轮收容于精加工大砂轮的收容孔腔。
第三方面的实施例，提出如上述第一方面实施例所公开的电主轴在金切机床领域、半导体领域、光伏领域上的应用。具体来说，半导体和光伏领域里的减薄机，磨倒机，抛光机；加工里的端面粗精加工、双面加工类机床，都可以采用上述第一方面所公开的电主轴。
在本实施例中可以使电主轴的旋转驱动装置400和直线驱动装置500与机床的控制器连接，使机床的控制器控制旋转驱动装置400和直线驱动装置500配合工作，既可以实现固定芯轴200和滑动芯轴300处于旋转状态下时，使滑动芯轴300伸出或缩回实现粗精加工工序的切换，也可以使固定芯轴200和滑动芯轴300处于停止旋转状态下，使滑动芯轴300伸出或缩回实现粗精加工工序的切换。
工作原理：当需要进行加工时，机床的控制器向旋转驱动装置400发送旋转指令，使旋转驱动装置400带动固定芯轴200和滑动芯轴300以预定转速旋转。
当需要从精加工工序切换至粗加工工序时，无论旋转驱动装置400是否带动固定芯轴200和滑动芯轴300旋转，机床的控制器都可以向直线驱动装置500发送伸出指令，直线驱动装置500带动滑动芯轴300伸出，使滑动芯轴300的延伸端与固定芯轴200的延伸端之间的间距增加。
当需要从粗加工工序切换至精加工工序时，无论旋转驱动装置400是否带动固定芯轴200和滑动芯轴300旋转，机床的控制器都可以向直线驱动装置500发送缩回指令，直线驱动装置500带动滑动芯轴300缩回，使滑动芯轴300的延伸端与固定芯轴200的延伸端之间的间距减小。
通过直线驱动装置500带动滑动芯轴300作出伸出/缩回动作，能够在旋转驱动装置400带动固定芯轴200和/或滑动芯轴300旋转，使固定芯轴200和滑动芯轴300处于旋转状态下使滑动芯轴300作出伸出/缩回动作进而使加工工序在固定芯轴200的精加工和滑动芯轴300的粗加工之间切换，粗精工具的转换过程不在需要启停主轴，每次的工具转换会节省15-20s的时间，极大的提高了工作效率，降低了能源损耗。
而且本申请的套筒主体100、固定芯轴200、滑动芯轴300、旋转驱动装置400和直线驱动装置500之间的连接都是刚性连接，传动过程简单降低了产品整体的体积和重量，还极大的提高了连接刚度，降低了主轴高速运转过程中的噪音和震动，提高了主轴轴承的使用寿命，降低了整个产品的问题率。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (12)

1.高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，其特征在于，包括：套筒主体、固定芯轴、滑动芯轴、旋转驱动装置和直线驱动装置；
所述旋转驱动装置设置于套筒主体内，所述旋转驱动装置用于带动固定芯轴旋转；
所述固定芯轴插设于旋转驱动装置，其与旋转驱动装置连接，其延伸出套筒主体预定距离，其延伸端用于安装精加工装置；
所述滑动芯轴插设于固定芯轴，所述滑动芯轴与固定芯轴连接，其延伸出固定芯轴预定距离，其延伸端用于安装粗加工装置；
所述直线驱动装置的固定端与套筒主体连接，其动作端与滑动芯轴连接；
当需要从精加工工序切换至粗加工工序时，所述直线驱动装置带动滑动芯轴伸出，使滑动芯轴的延伸端与固定芯轴的延伸端之间的间距增加；
当需要从粗加工工序切换至精加工工序时，所述直线驱动装置带动滑动芯轴缩回，使滑动芯轴的延伸端与固定芯轴的延伸端之间的间距减小。
2.根据权利要求1所述高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，其特征在于，所述直线驱动装置是伺服驱动机构或气缸或油缸。
3.根据权利要求1所述高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，其特征在于，所述直线驱动装置是气缸或油缸，所述气缸或油缸内设有复位弹簧，所述复位弹簧用于带动滑动芯轴缩回。
4.根据权利要求1所述高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，其特征在于，还包括：滑动定位销和轴承座；
所述滑动定位销安装在套筒主体内，所述轴承座与滑动芯轴连接，所述直线驱动装置与轴承座和/或滑动芯轴连接；
所述滑动定位销设置在套筒主体内朝向直线驱动装置的一端，所述轴承座上设有与滑动定位销配合的定位孔；
当所述滑动芯轴处于伸出状态时，所述轴承座与套筒主体安装滑动定位销的一端相抵；
当所述滑动芯轴处于缩回状态时，所述轴承座与套筒主体安装滑动定位销的一端之间间隔预定间距。
5.根据权利要求1所述高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，其特征在于，所述固定芯轴与滑动芯轴之间键连接。
6.根据权利要求1所述高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，其特征在于，所述旋转驱动装置包括：电机水套、电机定子和电机转子；
所述电机水套设置在套筒主体内，所述电机定子设置在电机水套内，所述电机转子设置在电机定子内，所述电机转子与固定芯轴连接。
7.根据权利要求1所述高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，其特征在于，所述套筒主体和固定芯轴之间设有前端旋转轴承组，所述固定芯轴和滑动芯轴之间设有前端滑动轴承组；
所述前端旋转轴承组设置在固定芯轴远离直线驱动装置的一端，所述前端滑动轴承组设置在固定芯轴靠近直线驱动装置的一端。
8.根据权利要求4所述高速旋转状态切换粗精加工的电主轴，其特征在于，所述轴承座与套筒主体之间设置有后端滑动轴承组；
所述轴承座和/或滑动芯轴与直线驱动装置之间通过推盘连接。
9.如权利要求1至8任一项所述的高速旋转状态切换粗精加工的电主轴在减薄机、磨倒机、抛光机、双面加工类机床上的应用。
10.一种可在高速旋转状态下切换粗精加工的机床，其特征在于，包括：如权利要求1至8任一项所述的电主轴，与固定芯轴连接的精加工装置，以及与滑动芯轴连接的粗加工装置；
还包括控制器，所述控制器用于向旋转驱动装置发送旋转指令，使旋转驱动装置带动固定芯轴和滑动芯轴以预定转速旋转。
11.根据权利要求10所述的机床，其特征在于：所述精加工装置包括与固定芯轴连接的大砂轮法兰盘，以及安装在大砂轮法兰盘上的精加工大砂轮；
所述粗加工装置包括与滑动芯轴连接的小砂轮法兰盘，以及安装在小砂轮法兰盘上的粗加工小砂轮；
所述精加工大砂轮中心开收容腔，能够在滑动芯轴处于缩回状态时，使所述粗加工小砂轮收容于精加工大砂轮的收容孔腔。
12.根据权利要求11所述的机床，其特征在于：
当需要从精加工工序切换至粗加工工序时，无论旋转驱动装置是否带动固定芯轴和滑动芯轴旋转，机床的控制器向直线驱动装置发送伸出指令，直线驱动装置带动滑动芯轴伸出，使滑动芯轴的延伸端与固定芯轴的延伸端之间的间距增加；
当需要从粗加工工序切换至精加工工序时，无论旋转驱动装置是否带动固定芯轴和滑动芯轴旋转，机床的控制器向直线驱动装置发送缩回指令，直线驱动装置带动滑动芯轴缩回，使滑动芯轴的延伸端与固定芯轴的延伸端之间的间距减小。
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