CN205949941U - 基于内转子力矩电机的双摆铣头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于内转子力矩电机的双摆铣头，包括通过齿盘啮合的上下单元，上单元为绕垂直轴旋转的C轴，下单元为绕水平轴摆动的A轴；上单元包括驱动所述C轴端齿盘(8)的C轴力矩电机，所述C轴力矩电机包括呈L形式与转台轴承(9)的轴承座直接相连的C轴力矩电机转子(13)；下单元包括驱动中部十字主轴箱(1)的L型A轴力矩电机转子(3)。电主轴安装在A轴的十字空心主轴箱内。C轴的旋转、A轴的摆动，再配合电主轴自身的高速旋转，完成加工中心对复杂形面的加工。本实用新型取消了中间传动环节实现零传动，解决了传动间隙、安装复杂等问题。整体结构紧凑，传动机构简单，零件少，提高传动刚性。可广泛用于高档五轴数控加工中心实现复杂曲面的高精度加工。

Description

基于内转子力矩电机的双摆铣头

技术领域

本发明涉及高档数控加工中心铣头的驱动改进，更具体地说，涉及一种由交流永磁同步内转子力矩电机代替复杂机械结构实现A、C两个旋转动作的双摆角铣头。

背景技术

目前，双摆铣头的驱动方式常见有普通电机机械传动驱动及外转子力矩电机驱动。机械传动方式常见由伺服电机带动采用齿轮式、齿轮齿条式、蜗轮蜗杆式等传动机构，其传动扭矩较大，电气接线少，但各传动环节加工精度要求高，而且存在磨损现象，长期使用系统的精度和稳定性难以保证，而且速度和加速度低，加工高速曲面时易出现过切现象。外转子力矩电机虽然实现了零传动，但其扭矩相对较低，而且定子安装在转子的内部，不利于散热。与同体积的外转子力矩电机相比，内转子力矩电机的输出扭矩相对较大(或相同扭矩的力矩电机内转子结构体积更小)，因此，采用内转子力矩电机驱动的双摆铣头的研制是有其明显优势的。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种由交流永磁同步内转子力矩电机驱动的AC轴双摆铣头，解决传统机械传动中由于中间传动环节的存在而产生的转动惯量、传动间隙、运动滞后、安装复杂等问题。以及解决外转子力矩电机输出力矩小、冷却困难等问题。提高双摆铣头的运行精度及平稳性。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于内转子力矩电机的双摆铣头，包括通过上方的C轴端齿盘和下方A轴端齿盘相互啮合而分成的上下两个单元，所述上单元为绕垂直轴旋转的C轴，下单元为绕水平轴摆动的A轴；所述C轴端齿盘和A轴端齿盘通过螺柱、螺母连接固定；所述上单元包括驱动所述C轴端齿盘的C轴力矩电机，所述C轴力矩电机包括外部筒状C轴力矩电机定子，以及呈L形式与转台轴承的轴承座直接相连的C轴力矩电机转子；所述C轴力矩电机转子露出所述C轴力矩电机定子外部的底端外部套接在C轴液压夹紧套中；所述下单元包括驱动中部十字主轴箱的L型A轴力矩电机转子，以及外部 筒状的A轴力矩电机定子；所述十字主轴箱与所述A轴力矩电机转子轴向相垂直的柱型外表面上下两处对称套接于A轴液压夹紧套内。

此外，所述C轴力矩电机转子和L型A轴力矩电机转子的端部配设有C轴编码器和A轴编码器。其中，所述C轴端面齿盘直接作为轴承压盖与转台轴承连接。

优选方式下，所述C轴力矩电机转子内旋接了第一旋转接头；与所述第一旋转接头内环相接的顶端设有C轴限位装置，采用螺旋式限位机构，通过正对螺纹的非接触方式设置的传感器感应面积变化并因截面变化发出信号控制驱动转轴的电机正转或反转。

本发明属于机床领域，是高档五轴联动数控机床的关键功能部件，广泛用于曲面加工的高档数控加工中心。本发明双摆铣头由两端齿盘分为上下两单元，上单元为可绕垂直轴旋转的C轴，下单元为可绕水平轴摆动的A轴。两轴均由内转子力矩电机直接驱动，减少中间传动环节。两轴各设有旋转接头，进行各气、液管路的分配。AC轴各设有独立的圆光栅测量C轴的旋转角度及A轴的摆动角度。AC两轴连接处有快换接头完成气、液、电的传送。AC连接的定位机构包括安装在C轴底端的端齿盘以及安装在A轴顶盖的端齿盘和两个导向销，连接通过双头螺柱和六角螺母，方式简单成本低。AC两轴分别设有定位夹紧装置，均为液压式夹紧机构。C轴为带法兰圆柱状径向夹紧，A轴为环状端面夹紧，夹紧套采用弹性材料加工而成，与连接件行成一个密封腔，注入高压油产生弹性变形，使其内壁夹紧内转子/十字主轴箱体，使用前会通过排气口排净管路内的空气。C轴端面齿盘与轴承压盖采用一体化设计，减少零件缩小空间增加齿盘整体传动刚性。C轴顶端限位装置，采用螺旋式限位机构。A轴主轴箱为整体式十字空心结构，减少装配调整，增加整体传动刚性。

本发明的有益效果是：定心机构端齿盘保证AC两部分的位置精度。AC轴连接处有可交换连接接口，保证AC轴两部分的液压管路和电气线路准确连接。AC轴的制动夹紧机构均为液压式夹紧，将油压转换成径向或端面夹紧力，无损失，回弹不需油压，靠自身的弹性回到初始状态，反应速度快，由于动力传输的渐进性，被夹紧部件的表面不会被损坏。液压系统采用保压措施，在突然间的断电等异常情况时仍能夹紧，其结构紧凑，性能可靠。本发明的C轴转角可达±360°，其上方的螺旋限位机构实现对C轴力矩电机旋转的监控要求。由交流永磁同步内转子力矩电机驱动，相对于传统的机械双摆传动环节少，传动方式简单，传动平稳，精度高。相对于外转子力矩电机驱动的双摆其散热好，热 变形小，扭矩高，稳定性好。松开C轴端齿盘上方双头螺柱上的六角螺母即可进行A轴的拆换。此外本结构预留了4个液压拉爪的空间位置，根据需要可实现自动换头与手动换头的转换。C轴上的力矩电机通过端齿盘传递扭矩实现A轴绕垂直轴的圆周旋转，A轴力矩电机实现主轴箱的摆动。本发明响应快，精度高，动态性能好，无间隙传动，加工效率高，适用范围广，可广泛应用于高精度加工曲面的高档数控加工中心。采用内转子力矩电机驱动，定子的外表面在本结构的外层，相对于外转子力矩电机方便实现有效散热，在外壁通入冷却液可大大提高力矩电机定子的散热能力。A轴十字主轴一体式结构，提高主轴的支撑刚性，左右耳及端盖采用分体式，便于装配及精度调整。

附图说明

图1是本发明由交流永磁同步内转子力矩电机驱动的双摆铣头结构剖视图。

图2是C轴的螺旋限位机构。

图3是AC两轴的电气交换接头连接形式。

图4是AC两轴的水、气、油交换接头连接形式。

图5是AC两轴齿盘连接形式。

图6是AC两轴导向销的连接形式。

图7是AC轴紧固连接形式。

图8是C轴液压夹紧机构。

图9是A轴液压夹紧机构。

图中，1、十字主轴箱；2、A轴液压夹紧套；3、A轴力矩电机转子；4、A轴力矩电机定子；5、右耳；6、A轴顶盖；7、A轴端齿盘；8、C轴端齿盘；9、转台轴承；10、C轴编码器；11、轴承端盖；12、C轴液压夹紧套；13、C轴力矩电机转子；14、C轴力矩电机定子；15、C轴电机水套外壳；16、C轴旋转接头；17、C轴顶盖；18、A轴旋转接头；19、A轴编码器；20、螺旋限位机构；21、多级连接器(公端、母端)；22、液压快换接头(公端、母端)；23、转台轴承轴承座；24、A轴轴承；25、A轴轴承端盖；26、左耳。

具体实施方式

如图1所示，本发明是由交流永磁同步内转子力矩电机驱动的AC轴双摆铣头，通过端齿盘7、8分为上下两部分，上部分为C轴，可绕垂直轴旋转±360°，下部分为A轴，可绕垂直于垂直轴的水平轴摆动±110°。通过AC两部分联动， 实现复杂曲面的加工，AC轴通过双头螺柱连接紧固，拆卸双头螺柱上的螺母可实现A轴的拆换，此外AC轴均设置了备选的自动换头的液压拉爪，可根据用户需要选择手动换头或是自动换头。具体结构如下：

C轴由一个内转子力矩电机驱动，内转子13成L型通过螺钉与转台轴承轴承座23直接相连。C轴旋转接头16分为内环和外环，为A轴的气、液分配管路；其中内环和转台轴承轴承座23通过螺钉紧固连接，外环为固定件，与C轴顶盖17连接；C轴顶盖17固定在C轴电机水套外壳15上；旋转接头内环与顶盖之间有一个滚子轴承支撑，使旋转顺畅。旋转接头16内环与外环开有通油孔，内圈装有格莱圈，各油槽之间通过格莱圈密封，实现油路由旋转到静止的转变。C轴端齿盘8和转台轴承轴承座23通过转台轴承与轴承端盖11连接，轴承端盖11为固定件，这样实现绕垂直轴的旋转驱动。独立的C轴编码器10与转台轴承轴承座23连接，对C轴进行角度检测。C轴电机水套外壳15上开有冷却液的通路，冷却液进入定子外环冷却套内保证C轴力矩电机定子14散热。C轴顶盖17上方有限位机构20；C轴端齿盘8下方装有气、液、电的快换接头。

下部分为A轴，电主轴的主轴箱1为十字空心整体式，左右两侧的支撑轴分别通过轴承24和轴承端盖25跨接在左耳26和右耳5中，左耳26和右耳5均与A轴顶盖6连接，由此实现主轴绕水平轴的摆动。A轴力矩电机转子3通过螺钉直接与十字主轴箱1连接，A轴力矩电机定子4通过螺钉分别与左耳26和右耳5连接，力矩电机作为A轴动力源驱动A轴饶水平轴摆动。A轴旋转接头18内环与十字主轴箱1连接，外环通过连接件与右耳5相对固定；旋转接头18内环和外环分别装有格莱圈和密封圈，主轴所用油路通过十字主轴箱1、旋转接头18外环、内环进入右耳5、A轴顶盖6，连接到液压快换接头上。十字主轴箱1左端支撑轴上安装有圆光栅19，进行对A轴摆动角度的测量。主轴动力线和信号线通过主轴箱1左端支撑轴的中心孔，穿过左耳和顶盖连接到A轴上的电气快换接头21上。A轴液压夹紧套2通过连接件固定在左耳26和右耳5上。

在C轴顶盖17上边装有限位机构20，如图2所示，采用专利CN101008852A螺旋式限位机构，包括套接于转轴29与其同步转动的管状限位挡块27，挡块27外壁设有螺纹；正对螺纹以非接触方式设置传感器28，传感器的载体部件30固定；传感器28用于感应面积变化并因截面变化发出信号控制驱动转轴的电机正转或反转。

可交换电气接口如图3所示：多级连接器21包括多级连接器母端31和多 级连接器公端33，分别由压板和弹性圆柱销32定位，防止多级连接器轴向移动和径向转动，实现A轴与C轴的电的交换。

如图4所示液压快换接头22包括快换接头母端34和快换接头公端35，母端34和公端35分别安装在C轴端齿盘8和A轴顶盖6上，实现A轴与C轴的气液的交换。

AC轴相接时由定位销36和A轴端齿盘7及C轴端齿盘8定位，如图5和图6所示，保证液压快换接头和电气多级连接器准确对接，两端齿盘7、8相啮合具有定心及传递扭矩功能。

如图7所示，AC轴通过双头螺柱37及六角螺母38连接，通过拆卸六角螺母38即可将A轴拆卸，这种连接方式简单成本低。

如图8所示，C轴液压夹紧套12通过螺钉固定安装在YRT轴承端盖11上，夹紧套12的内壁与C轴力矩电机转子13相对应，液压油通过C轴顶盖17、C轴电机水套外壳15、YRT轴承端盖11流入夹紧套12与轴承端盖11形成的空腔内，空腔两侧有密封圈密封。通压时，夹紧套12发生弹性变形，内壁夹紧力矩电机转子13达到制动效果，油压转化为径向夹紧力，无损失。泄压时，夹紧机构12依靠自身的弹性回到初始状态，电机转子13得到释放。

如图9所示，十字头两侧的A轴液压夹紧套2通过螺钉与轴承端盖25连接到左耳26及右耳5上，两夹紧套的端面与十字主轴箱1相对应，液压油通过左耳26/右耳5、轴承端盖25流入夹紧套2与轴承端盖25行程的空腔内，空腔两侧有密封圈密封。通压时，夹紧套2发生弹性变形，内壁端面对称夹紧十字主轴箱1达到制动效果，油压转化为端面夹紧力，无损失。泄压时，夹紧套2恢复形变，十字主轴箱1被释放。

上所述为本发明一种由交流永磁同步内转子力矩电机驱动的AC双摆铣头的具体实施方式。

本发明一种由交流永磁同步内转子力矩电机驱动的AC双摆角铣头，该双摆铣头通过两端齿盘分为C、A上下两个单元，上单元为可绕垂直轴旋转的C轴，下单元为可绕水平轴摆动的A轴，A、C轴由两定位销及端齿盘定位，通过双头螺柱及六角螺母连接固定。两轴均由内转子形式的力矩电机直接驱动，减少中间环节，增加传动刚度。A轴力矩电机内转子采用L型直接与十字主轴箱连接，C轴力矩电机内转子采用L型直接与转台轴承轴承座连接，C轴力矩电机通过端齿盘传递扭矩实现A轴的圆周旋转，A轴力矩电机实现主轴箱的摆动。两轴均采用液压式定位夹紧装置来完成旋转轴的快速夹紧及松开，A轴为端面夹紧， C轴为圆柱状环抱式夹紧。电主轴安装在一体式加工的十字空心主轴箱内，简化了装配调整过程也增加了主轴箱的刚性。

C轴设有一个内转子力矩电机，内转子采用L形式与转台轴承轴承座直接相连，内转子内部为C轴旋转接头，旋转接头内环与转台轴承轴承座止口定位并连接；旋转接头外环与C轴顶盖连接固定，通过旋转接头进行各气、液管路的分配。

C轴端面齿盘与轴承压盖采用一体化设计，减少了零件数量使空间更紧凑，用于与A轴的定位及传递扭矩。C轴端面齿盘与外壁通过转台轴承连接，独立的圆光栅与转台轴承轴承座相连，进行C轴角度检测。C轴端齿盘下方有气、液的快换接头及定位销孔，此外还连接有安装多级连接器进行电连接的安装板。

与C轴旋转接头内环相接的顶端有C轴限位装置，采用螺旋式限位机构，通过正对螺纹的非接触方式设置的传感器感应面积变化并因截面变化发出信号控制驱动转轴的电机正转或反转。

A轴主轴箱为整体式十字空心结构，A轴力矩电机由左右两个电机并联而成，其内转子采用L形式直接与主轴箱两侧连接，电机定子与左右耳连接固定，两力矩电机同步驱动十字主轴箱通过两交叉滚子轴承绕水平轴摆动。安装于十字主轴箱右侧的旋转接头分为内环和外环，完成主轴所需气、液的分配。十字主轴箱左侧安装有圆光栅，测量A轴的摆动角度。

左右耳通过螺钉连接固定在A轴顶盖上，A轴顶盖上方安装有定位用的定位销和端齿盘以及用于气、液、电转换的快换接头。

AC两轴分别设有定位夹紧装置，均为液压式定位夹紧机构。其中：C轴定位夹紧机构连接固定在转台轴承端盖上，为带法兰的环抱式定位夹紧，夹紧机构内壁与C轴力矩电机内转子相对应；A轴左右两侧对称安装有两个定位夹紧机构，分别固定在左、右端轴承外盖上，夹紧机构内壁与十字主轴箱相对应。A轴对称式驱动及对称式夹紧理论上可消除驱动力及夹紧力对轴承的影响。

两轴夹紧机构均有可充液压油的内腔及弹性性能非常好的内壁，空腔两侧安装有密封圈。C轴液压夹紧机构为圆柱形径向夹紧，内壁与C轴转子之间为间隙配合；A轴液压夹紧机构为环状端面夹紧，内壁与十字主轴箱之间留有合理的间隙。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。

Claims (3)

1.一种基于内转子力矩电机的双摆铣头，其特征在于，包括通过上方的C轴端齿盘(8)和下方A轴端齿盘(7)相互啮合而分成的上下两个单元，所述上单元为绕垂直轴旋转的C轴，下单元为绕水平轴摆动的A轴；所述C轴端齿盘(8)和A轴端齿盘(7)通过螺柱、螺母连接固定；

所述上单元包括驱动所述C轴端齿盘(8)的C轴力矩电机，所述C轴力矩电机包括外部筒状C轴力矩电机定子(14)，以及呈L形式与转台轴承(9)的轴承座直接相连的C轴力矩电机转子(13)；所述C轴力矩电机转子(13)露出所述C轴力矩电机定子(14)外部的底端外部套接在C轴液压夹紧套(12)中；

所述下单元包括并联驱动中部一体式加工的十字主轴箱(1)的L型A轴力矩电机转子(3)，以及外部筒状的A轴力矩电机定子(4)；所述十字主轴箱(1)与所述A轴力矩电机转子(3)轴向相垂直的柱型外表面上下两处对称套接于A轴液压夹紧套(2)内。

2.根据权利要求1所述基于内转子力矩电机的双摆铣头，其特征在于，所述C轴力矩电机转子(13)和L型A轴力矩电机转子(3)的端部配设有C轴编码器(10)和A轴编码器(19)。

3.根据权利要求1所述基于内转子力矩电机的双摆铣头，其特征在于，所述C轴力矩电机转子(13)内及A轴十字主轴箱内各旋接了第一旋转接头(16)、第二旋转接头(18)；

与所述第一旋转接头(16)内环相接的顶端设有C轴限位装置，采用螺旋式限位机构，通过正对螺纹的非接触方式设置的传感器感应面积变化并因截面变化发出信号控制驱动转轴的电机正转或反转。