CN117697532B - 一种高精度电主轴热伸长检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度电主轴热伸长检测装置，包括套设在套筒外部的固定座，安装在主轴最外侧端的测量板，测量板包括有固定板和转动板，其中转动板与主轴相连并同步旋转，固定板则转动套接于转动板外侧，固定板朝向固定座的一侧沿水平方向固定连接有数个第一滑动柱，每个第一滑动柱沿其轴向贯穿固定座上的第二导向座设置，并且固定座上对应每个第一滑动柱的末端处均安装有位移传感器。本发明提出的检测装置，位移传感器不仅能直接测量出主轴的伸长量，位移传感器的响应速度足够满足测量需求，而且测量过程中不受测量板质量的影响，最终测量的数据精准性也能得到保障，并能服务于高精度零件的精加工。

Description

一种高精度电主轴热伸长检测装置

技术领域

本发明涉及电主轴技术领域，具体涉及一种高精度电主轴热伸长检测装置。

背景技术

随着电主轴转速的提高，动子和定子的磁效应发热、轴承的摩擦发热量很大，导致电主轴随着工作时间的增长，其轴向的热伸长也越来越大。主轴深度方向的热伸长会影响到零件的加工精度，因此现有技术中提出对主轴的热伸长进行测量，进而实时的进行热补偿，以此来保证机床的加工精度。

如授权公告号为CN101944795B，名称为一种热伸长自检测的电主轴结构的专利文献，其在套筒下端的主轴端盖上安装非接触式传感器测量热伸长量，但是由于套筒也会受热膨胀，因此该主轴结构还在套筒的外壁上安装温度传感器，通过检测出套筒的温度分布来计算套筒的热伸长，套筒的热伸长与非接触式传感器所检测到的数据之和才是主轴真正的热伸长，也就是说该电主轴结构并不能直接测得主轴的热伸长，并且非接触式传感器的安装位置并不在主轴的最外侧端，因为主轴从非接触式传感器至其最外侧端这一段还有可能存在伸长的可能性，因此该电主轴结构最终测量的精准度肯定会大打折扣。

现有技术还记载了公开号为CN107598674A，名称为一种高精度电主轴热伸长检测装置，其在套筒的外部设置抱夹，在主轴的下端连接测量盘，该测量盘能够和主轴同步的进行转动，当主轴进行热伸长时，会带动测量盘与之同步的进行伸长，而位移传感器则固定在抱夹上，由于抱夹保持固定不动，因此位移传感器能够直接测量出主轴的热伸长。此举虽能直接测量出主轴的热伸长，但是由于测量盘始终和主轴处于高速旋转状态，位移传感器测量的是测量盘上不同区域的位移值，这样就对其响应速度提出更高的要求，而且一旦有粉尘等微小物附着在测量盘上后，其就会对测量结果造成影响，即使其特意采用了气浮式主轴，但是沿动子轴向流出的气流中含有较大的热量，而该热量吹向测量盘后，测量盘受热膨胀产生形变，这样还是会造成测量误差。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种高精度电主轴热伸长检测装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度电主轴热伸长检测装置，包括套设在套筒外部的固定座，安装在主轴最外侧端的测量板，测量板包括有固定板和转动板，其中转动板与主轴相连并同步旋转，固定板则转动套接于转动板外侧，固定板朝向固定座的一侧沿水平方向固定连接有数个第一滑动柱，每个第一滑动柱沿其轴向贯穿固定座上的第二导向座设置，并且固定座上对应每个第一滑动柱的末端处均安装有位移传感器。

优选的，转动板呈环形结构，其内侧通过数个环形分布的连杆固定在主轴的外圆周面上。

优选的，固定板的内侧与转动板相连的位置处形成有凹槽，转动板外侧的圆周面嵌入至该凹槽内并与之滑动配合连接。

优选的，固定板和转动板内部均呈中空状，并且两者内部均盛放有冷却液。

优选的，固定板的内部沿其径向分布有数个摆动杆，每个摆动杆均能以其长度方向的其中一端为中心，在固定板内部沿其周向进行往复摆动，摆动杆的一侧铰接有拨动板，摆动杆的板面上还螺栓连接有两个挡板，两个挡板用于限制拨动板相对于摆动杆的旋转角度，并且拨动板通过挡板能与摆动杆保持在同一平面内，以形成对固定板内冷却液的扰动。

优选的，摆动杆的数量与第一滑动柱的数量相适配；

摆动杆朝向固定板内壁的一侧固定连接有连接套，该连接套通过中心转杆与固定板保持转动连接；

摆动杆内部沿其长度方向滑动导向安装有滑块，滑块朝向固定板内部的一侧则转动连接有铰接杆，铰接杆沿固定板的径向延伸至摆动杆中部后与设置于固定板外侧的第二滑动柱固定相连；

第二滑动柱与固定板的连接处沿其径向延伸形成有两个限位板，两个限位板分别位于固定板板壁两侧，以使第二滑动柱相对于固定板在第二滑动柱的轴向上保持固定；套筒的外壁上对应每个第一滑动柱的位置处还固定有第一导向座，第一滑动柱贯穿相对应的第一导向座并与之滑动配合连接，而每个第二滑动柱与相对应的第一滑动柱平行分布，并且第二滑动柱也贯穿相对应的第一导向座；通过驱动第二滑动柱旋转，使得摆动杆在固定板内部进行往复的摆动。

优选的，位于套筒和测量板之间的主轴圆周面上固定套接有圆盘，圆盘的圆周面上分布有多个啮合齿，所有的啮合齿占据圆盘圆周面的1/4，每个第二滑动柱上还套接有与圆盘上的啮合齿相啮合的直齿圆柱齿轮，并且直齿圆柱齿轮的长度大于圆盘的厚度。

优选的，圆盘朝向测量板一侧的端面上环形分布有数个扇叶，扇叶通过旋转形成风流对固定板和转动板的连接处进行风冷。

优选的，主轴的外部固定有动子，而套筒的内圆柱面上则固定有定子，动子与定子为转动配合，套筒内部的两端还分别设置有轴承，主轴分别贯穿两个轴承。

与现有技术相比，本发明提供了一种高精度电主轴热伸长检测装置，具备以下有益效果：

（1）本发明将测量板固定在主轴的最外侧端，并且将测量板分成固定板和转动板两部分，转动板和主轴相连同步的进行旋转，固定板则和固定座保持固定不动，主轴受热沿深度方向产生位移时，转动板和固定板两者同步的移动，位移传感器直接对第一滑动柱末端的移动距离进行测量，其测量出的数据即为主轴的伸长量，并且位移传感器始终测量的是第一滑动柱轴向上的直线运动距离，同时，由于主轴的受热膨胀相对缓慢，因此普通的位移传感器的响应速度足够满足测量需求，而且由于位移传感器始终测量的是某一个固定点的位移量，因此不受测量板本身质量的影响，最终测量的数据精准性也能得到保障，并能服务于高精度零件的精加工。

（2）固定板和转动板内部均存储有冷却液，主轴在工作时，转动板内部的冷却液因惯性作用与转动板产生转速差，因此冷却液相对于转动板进行流动，其充分的和转动板接触完成热交换。而固定板内部的冷却液则在拨动板的作用下可进行流动，进而也能使冷却液和固定板上的产热源充分的接触。拨动板的驱动则借助于主轴的旋转，三个拨动板分别周期性的对冷却液进行扰动，既能使冷却液形成循环流动，又避免冷却液流动过快。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为实施例中整个检测装置在电主轴上的安装示意图；

图2为图1中的俯视结构示意图；

图3为实施例中电主轴的内部结构示意图；

图4为实施例中套接在主轴上圆盘的结构示意图；

图5为实施例中测量板的结构示意图；

图6为实施例中拨动板在固定板内部的安装示意图；

图7为图6中A处的局部放大结构示意图；

图8为实施例中拨动板和摆动杆的连接示意图，图中拨动板相对于摆动杆呈90°分布；

图9为实施例中铰接杆在摆动状态下，拨动板和摆动杆的连接示意图，图中拨动板处于对冷却液进行扰动状态。

图中：1、固定座；2、套筒；3、测量板；4、第一导向座；5、第一滑动柱；6、第二导向座；7、位移传感器；8、直齿圆柱齿轮；9、第二滑动柱；10、圆盘；11、扇叶；12、啮合齿；13、固定板；14、转动板；15、连杆；16、主轴；17、动子；18、定子；19、轴承；20、轴承端盖；21、限位板；22、铰接杆；23、滑块；24、摆动杆；25、拨动板；26、连接套；27、中心转杆；28、导向槽；29、挡板；30、凹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

高精度电主轴作为数控机床的核心部件，使机床实现了零传动，大大提高了机床的加工精度和效率，电主轴包括套筒2内圆柱面上的定子18，主轴16设置于套筒2内部的中心处，其外部固定有动子17，动子17与定子18为转动配合，套筒2内部的两端还分别设置有轴承19，主轴16分别贯穿两个轴承19后延伸至套筒2的外部，每个轴承19上固定有轴承端盖20。驱动机构驱动电主轴转动时，两个轴承19与动子17摩擦产生热量，定子18和动子17间发生磁效应产生热量，使得主轴16会由于热膨胀向深度方向伸长。

主轴伸长会无疑会影响到机床的加工精度，因此有必要对其伸长量进行测量，然后对其实时的补偿，以此来保证机床的加工精度，基于此本实施例提出一种高精度电主轴热伸长检测装置，如图1至图9所示，包括套设在套筒2外部的固定座1，固定座1整体呈矩形结构，主轴16吸收摩擦以及磁效应作用下产生的热量后会产生深度方向的变化，如果要想获得主轴16的深度方向完整的伸长数据，那么就需要对主轴16整体进行测量，这样才能保证获得的数据最为精确，因此本发明将测量板3安装在主轴16的最外侧端，并且本发明将测量板3设计成固定板13和转动板14两部分，其中转动板14与主轴16相连并同步旋转，固定板13则转动套接于转动板14外侧，固定板13朝向固定座1的一侧沿水平方向固定连接有三个第一滑动柱5，每个第一滑动柱5沿其轴向贯穿固定座1上的第二导向座6设置，并且固定座1上对应每个第一滑动柱5的末端处均安装有位移传感器7，当主轴16在工作时，转动板14与之同步的进行转动，而固定板13则在三个第一滑动柱5的作用下保持固定不动，但是当主轴16受热沿深度方向产生位移时，其会带动转动板14和固定板13两者同步的移动，位移传感器7则直接对第一滑动柱5末端的移动距离进行测量，其测量出的数据即为主轴16的伸长量，并且位移传感器7始终测量的仅仅是第一滑动柱5轴向上的直线运动距离，并且由于主轴16的受热膨胀相对缓慢，因此普通的位移传感器7的响应速度足够满足测量需求，而且现有技术中位移传感器7本质上测量的是测量板3上不同区域的位移量，那么测量板3的板面的平整度势必会影响到测量结果，而本发明中的位移传感器7始终测量的是某一个固定点的位移量，因此就不受测量板3本身质量的影响。

由于测量板3和主轴16相连，而主轴16在受热后又会膨胀形变，如果主轴16上的热量传递至测量板3上，测量板3受热产生形变后，其也会影响测量的准确性，为了杜绝测量板3对测量结果造成影响，本发明将转动板14设计为环形结构，其内侧通过数个环形分布的连杆15固定在主轴16的外圆周面上，这样能最大程度的减小转动板14和主轴16的接触面积，降低热传导效果。

另外，固定板13的内侧与转动板14相连的位置处形成有凹槽30，转动板14外侧的圆周面嵌入至该凹槽30内并与之滑动配合连接，这样整个测量板3在工作时产生的热量来源就是固定板13和转动板14之间的连接处，当然，也可以在凹槽30内部安装有数个滚动体，这样可减小固定板13和转动板14之间的接触面积，进而降低摩擦产生的热量，整个测量板3因摩擦产生的热量减小，那么其产生的形变就会极大的缩小。

除了在凹槽30内部设置滚动体可以减小热量的产生，本发明还将固定板13和转动板14内部设置成中空状，并且两者内部均盛放有冷却液，冷却液可对固定板13和转动板14两者产生的热量进行快速的冷却，避免热量聚集使测量板3产生热变形。

主轴16在工作时，转动板14与之同步的高速旋转，其内部的冷却液因惯性作用与转动板14产生转速差，因此冷却液相对于转动板14进行流动，这样能使冷却液充分的和转动板14接触，但是固定板13内部的冷却液则处于静止状态，那么固定板13的冷却效果相对较弱一些。鉴于此，本发明选择在固定板13的内部沿其径向分布有数个摆动杆24，每个摆动杆24均能以其长度方向的其中一端为中心，在固定板13内部沿其周向进行往复摆动，本实施例中，选择在摆动杆24朝向固定板13内侧的一端为中心进行摆动，摆动杆24的一侧铰接有拨动板25，摆动杆24的板面上还螺栓连接有两个挡板29，两个挡板29用于限制拨动板25相对于摆动杆24的旋转角度，并且拨动板25通过挡板29能与摆动杆24保持在同一平面内，以形成对固定板13内冷却液的扰动，当摆动杆24在固定板13内部进行摆动时，拨动板25在冷却液流体力的作用下会相对于摆动杆24进行旋转，当拨动板25因受到流体的阻力相对于摆动杆24旋转至与挡板29接触后，此时摆动杆24继续摆动时，拨动板25就会对冷却液形成拨动，使其在固定板13内部进行流动，当摆动杆24反向摆动时，拨动板25因失去挡板29的作用，其会相对于摆动杆24旋转至图8所示的状态，此时拨动板25不会对冷却液形成扰动，这样在摆动杆24的一个循环摆动周期内，拨动板25能驱使冷却液在固定板13内部进行单向流动，增大冷却液和产热源的接触面积。

进一步的，本实施例中选择在摆动杆24朝向固定板13内侧的一端为中心进行摆动，摆动杆24朝向固定板13内壁的一侧固定连接有连接套26，该连接套26通过中心转杆27与固定板13保持转动连接。

驱动摆动杆24进行往复运动时，摆动杆24内部沿其长度方向滑动导向安装有滑块23，滑块23朝向固定板13内部的一侧则转动连接有铰接杆22，铰接杆22沿固定板13的径向延伸至摆动杆24中部后与设置于固定板13外侧的第二滑动柱9固定相连。第二滑动柱9与固定板13的连接处沿其径向延伸形成有两个限位板21，两个限位板21分别位于固定板13板壁两侧，以使第二滑动柱9相对于固定板13在第二滑动柱9的轴向上保持固定。套筒2的外壁上对应每个第一滑动柱5的位置处还固定有第一导向座4，第一滑动柱5贯穿相对应的第一导向座4并与之滑动配合连接，而每个第二滑动柱9与相对应的第一滑动柱5平行分布，并且第二滑动柱9也贯穿相对应的第一导向座4，当主轴16受热膨胀伸长时，第二滑动柱9则相对于第一导向座4进行滑动。通过驱动第二滑动柱9旋转，铰接杆22与第二滑动柱9同步的进行旋转，滑块23在摆动杆24滑动的同时还带动摆动杆24以中心转杆27为中心进行旋转，而摆动杆24的内部沿其长度方向还形成有导向槽28，滑块23部分嵌入至该导向槽28内，第二滑动柱9每旋转一周，摆动杆24在固定板13内部往复摆动一次。

由于拨动板25的面积较小，而摆动杆24带动拨动板25每次摆动的幅度也不大，因此单个拨动板25对冷却液的扰动效果也不会很大，单个拨动板25对冷却液施加作用力并不能保证冷却液整体循环流动，因此本实施例中共设计有三组拨动板25，相对应的第二滑动柱9也共计有三个，而三个第二滑动柱9的旋转则借助于主轴16进行动作，因此本发明在位于套筒2和测量板3之间的主轴16的圆周面上固定套接有圆盘10，圆盘10的圆周面上分布有多个啮合齿12，由于主轴16在工作时的转速非常的快，而冷却液在固定板13内部无需快速的流动，因此本发明选择在圆盘10上部分设置啮合齿12，并且所有的啮合齿12占据圆盘10圆周面的1/4，每个第二滑动柱9上还套接有与圆盘10上的啮合齿12相啮合的直齿圆柱齿轮8，圆盘10上的啮合齿12间歇式的与每个直齿圆柱齿轮8分别进行啮合，使三组拨动板25分别周期性的对冷却液进行扰动，既能保证冷却液充分的流动起来，又能避免冷却液一直处于高速的流动状态，并且由于测量板3会随着主轴16的膨胀伸长而产生位移，因此设置直齿圆柱齿轮8的长度大于圆盘10的厚度，使直齿圆柱齿轮8始终能够与圆盘10上的啮合齿12进行啮合。

另外，本发明还在圆盘10朝向测量板3一侧的端面上环形分布有数个扇叶11，圆盘10能够与主轴16同步的进行高速旋转，扇叶11通过旋转形成风流对固定板13和转动板14的连接处进行风冷，进一步的实现对测量板3的冷却。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“另一”、“又一”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高精度电主轴热伸长检测装置，包括套设在套筒（2）外部的固定座（1），安装在主轴（16）最外侧端的测量板（3），其特征在于：测量板（3）包括有固定板（13）和转动板（14），其中转动板（14）与主轴（16）相连并同步旋转，固定板（13）则转动套接于转动板（14）外侧，固定板（13）朝向固定座（1）的一侧沿水平方向固定连接有数个第一滑动柱（5），每个第一滑动柱（5）沿其轴向贯穿固定座（1）上的第二导向座（6）设置，并且固定座（1）上对应每个第一滑动柱（5）的末端处均安装有位移传感器（7）；

转动板（14）呈环形结构，其内侧通过数个环形分布的连杆（15）固定在主轴（16）的外圆周面上；

固定板（13）的内侧与转动板（14）相连的位置处形成有凹槽（30），转动板（14）外侧的圆周面嵌入至该凹槽（30）内并与之滑动配合连接；

固定板（13）和转动板（14）内部均呈中空状，并且两者内部均盛放有冷却液；

固定板（13）的内部沿其径向分布有数个摆动杆（24），每个摆动杆（24）均能以其长度方向的其中一端为中心，在固定板（13）内部沿其周向进行往复摆动，摆动杆（24）的一侧铰接有拨动板（25），摆动杆（24）的板面上还螺栓连接有两个挡板（29），两个挡板（29）用于限制拨动板（25）相对于摆动杆（24）的旋转角度，并且拨动板（25）通过挡板（29）能与摆动杆（24）保持在同一平面内，以形成对固定板（13）内冷却液的扰动。

2.根据权利要求1所述的一种高精度电主轴热伸长检测装置，其特征在于：摆动杆（24）的数量与第一滑动柱（5）的数量相适配；

摆动杆（24）朝向固定板（13）内壁的一侧固定连接有连接套（26），该连接套（26）通过中心转杆（27）与固定板（13）保持转动连接；

摆动杆（24）内部沿其长度方向滑动导向安装有滑块（23），滑块（23）朝向固定板（13）内部的一侧则转动连接有铰接杆（22），铰接杆（22）沿固定板（13）的径向延伸至摆动杆（24）中部后与设置于固定板（13）外侧的第二滑动柱（9）固定相连；

第二滑动柱（9）与固定板（13）的连接处沿其径向延伸形成有两个限位板（21），两个限位板（21）分别位于固定板（13）板壁两侧，以使第二滑动柱（9）相对于固定板（13）在第二滑动柱（9）的轴向上保持固定；套筒（2）的外壁上对应每个第一滑动柱（5）的位置处还固定有第一导向座（4），第一滑动柱（5）贯穿相对应的第一导向座（4）并与之滑动配合连接，而每个第二滑动柱（9）与相对应的第一滑动柱（5）平行分布，并且第二滑动柱（9）也贯穿相对应的第一导向座（4）；通过驱动第二滑动柱（9）旋转，使得摆动杆（24）在固定板（13）内部进行往复的摆动。

3.根据权利要求2所述的一种高精度电主轴热伸长检测装置，其特征在于：位于套筒（2）和测量板（3）之间的主轴（16）圆周面上固定套接有圆盘（10），圆盘（10）的圆周面上分布有多个啮合齿（12），所有的啮合齿（12）占据圆盘（10）圆周面的1/4，每个第二滑动柱（9）上还套接有与圆盘（10）上的啮合齿（12）相啮合的直齿圆柱齿轮（8），并且直齿圆柱齿轮（8）的长度大于圆盘（10）的厚度。

4.根据权利要求3所述的一种高精度电主轴热伸长检测装置，其特征在于：圆盘（10）朝向测量板（3）一侧的端面上环形分布有数个扇叶（11），扇叶（11）通过旋转形成风流对固定板（13）和转动板（14）的连接处进行风冷。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种高精度电主轴热伸长检测装置，其特征在于：主轴（16）的外部固定有动子（17），而套筒（2）的内圆柱面上则固定有定子（18），动子（17）与定子（18）为转动配合，套筒（2）内部的两端还分别设置有轴承（19），主轴（16）分别贯穿两个轴承（19）。