一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，包括：機體，所述機體內(nèi)部設有定子、轉(zhuǎn)子軸、彈簧預緊機構(gòu)以及前軸承和后軸承，還包括：固定于機體一端的連接座、與連接座旋轉(zhuǎn)連接的油缸組件、設置于油缸組件端部的后端蓋、連接于機體另一端的前端蓋，轉(zhuǎn)子軸前端設有一具有中心出水孔的刀具組。本發(fā)明舍棄了復雜的接觸式密封結(jié)構(gòu)，采用壓縮空氣進行非接觸式密封，能夠獲得更高的主軸轉(zhuǎn)速，此外還采用了迷宮式密封獲得了更好的密封效果；主軸結(jié)構(gòu)簡單緊湊但功能強大，在高速轉(zhuǎn)動的同時，融合了中心出水、自動換刀、主軸及電機冷卻等多種功能，能夠廣泛應用于各種材料的高速加工，尤其適合深孔型腔類零件的加工。
【專利說明】—種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電主軸，具體涉及一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，屬于機電工程領域。
【背景技術(shù)】
[0002]聞速電主軸是將主軸電機內(nèi)裝，從而實現(xiàn)聞轉(zhuǎn)速、聞精度及聞效率等功能的機電一體化的動力部件，主要應用于高速加工機床，實現(xiàn)對不同材料的高轉(zhuǎn)速加工，提高加工效率。
[0003]目前市面上具有中心出水功能的自動換刀的高速電主軸比較少見，主要原因在于:傳統(tǒng)的用于中心出水的旋轉(zhuǎn)接頭，一般都是接觸式密封，轉(zhuǎn)速低壽命短，價格昂貴且可靠性不足并且體積大不利于主軸多功能的集成。要想實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、長壽命就必須設計一種非接觸式的、密封結(jié)構(gòu)可靠、性價比高并且結(jié)構(gòu)緊湊的旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)用在高速電主軸上，才能實現(xiàn)高速電主軸高轉(zhuǎn)速下中心出水的可靠性，并且容易實現(xiàn)電主軸的多功能集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式的中心出水、高速轉(zhuǎn)動的、能夠?qū)崿F(xiàn)自動換刀的電主軸。
[0005]為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，包括:機體，所述機體內(nèi)部設有定子、轉(zhuǎn)子軸、彈簧預緊機構(gòu)以及分設于轉(zhuǎn)子軸兩端的前軸承和后軸承，還包括:固定于機體一端的連接座、固定在連接座上帶有旋轉(zhuǎn)接頭的油缸組件、設置于油缸組件端部的后端蓋、通過前鎖緊螺母連接于機體另一端的前端蓋，所述轉(zhuǎn)子軸前端設有一具有中心出水孔的刀具組，所述轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部設有一拉刀機構(gòu)，所述拉刀機構(gòu)包括:夾住刀具組的卡爪、形成于遠離卡爪的一端的拉桿帽，所述油缸組件內(nèi)設有驅(qū)動拉刀機構(gòu)運動以實現(xiàn)自動換刀的活塞，所述拉桿帽的端部容納于活塞內(nèi)；
所述連接座上形成有:前端氣封入口、旋轉(zhuǎn)接頭氣封入口，所述油缸組件上形成有用于排水和排氣的溢流口，所述后端蓋上形成有中心出水進水接口 ；
所述連接座、機體及前端蓋內(nèi)形成有與前端氣封入口連通的第一壓縮空氣流道，所述前端蓋內(nèi)第一壓縮空氣流道的末端形成有均壓槽，壓縮空氣經(jīng)均壓槽進行均壓后進入前端蓋與前鎖緊螺母之間的縫隙形成氣膜；
所述后端蓋向拉刀機構(gòu)方向延伸形成一進水頭，進水頭的端部容納于拉桿帽內(nèi)，進水頭及拉刀機構(gòu)內(nèi)形成有與中心出水進水接口相連通的中心出水流道，所述中心出水流道與刀具組的中心出水孔對接，冷卻刀具組的冷卻水一部分經(jīng)中心出水流道從刀具組的中心出水孔排出，另一部分經(jīng)進水頭與拉桿帽之間的縫隙流入油缸組件內(nèi)的溢流腔最后從溢流口排出；
所述連接座及油缸組件內(nèi)形成有與旋轉(zhuǎn)接頭氣封入口連通的第二壓縮空氣流道，所述油缸組件內(nèi)第二壓縮空氣流道的末端形成有均壓腔和若干圓周均布的均壓孔，壓縮空氣由第二壓縮空氣流道經(jīng)均壓腔進入均壓孔，最后進入拉桿帽和活塞之間的縫隙形成氣膜以防止冷卻水進入機體內(nèi)部。
[0006]進一步地，前述前端蓋與前軸承之間還設有內(nèi)隔套和外隔套形成的隔套組，內(nèi)隔套和外隔套之間留有迷宮式縫隙，迷宮式縫隙與前端蓋、前鎖緊螺母之間的縫隙相連通，極大地保證了密封的可靠性。
[0007]進一步地，前述連接座上還形成有:冷卻液出口、冷卻液入口，所述連接座及機體內(nèi)形成有與冷卻液出口、冷卻液入口連通的冷卻液流道；冷卻液經(jīng)冷卻液入口進入冷卻液流道，對定子、前軸承進行冷卻，最后從冷卻液出口排出。
[0008]優(yōu)選的冷卻液為水或者低粘度的油。
[0009]更進一步地，前述后端蓋上還形成有一前端錐孔除塵進氣接口，所述前端錐孔除塵進氣接口與中心出水流道相連通。
[0010]再進一步地，前述后端蓋上形成有卸刀進油接口和活塞復位進氣接口，所述卸刀進油接口貫通至活塞的后端部，所述活塞復位進氣接口連通至活塞的前端部；當向卸刀進油接口中注入液壓油時，活塞受壓向靠近刀具組的方向運動，壓下拉刀機構(gòu)使卡爪張開釋放刀具組；當向活塞復位進氣接口中通入壓縮空氣時，壓縮空氣進入油缸下腔推動活塞向遠離刀具組的方向運動，拉刀機構(gòu)復位使卡爪夾緊刀具組。
[0011]更進一步地，還包括:用于使拉刀機構(gòu)自動復位的碟簧組。
[0012]更進一步地，還包括:用于檢測刀具位置的接近開關，接近開關引線從連接座引出與外部控制系統(tǒng)相連接。
[0013]更進一步地，還包括:一增量式編碼器，編碼器引線從連接座引出與外部控制系統(tǒng)相連接。
[0014]本發(fā)明的有益之處在于:(I)、中心出水密封舍棄了復雜的接觸式密封結(jié)構(gòu)，采用壓縮空氣進行非接觸式密封，無摩擦，延長了使用壽命，振動小，運動精度高，而且能夠獲得更高的主軸轉(zhuǎn)速，在軸承油脂潤滑的情況下轉(zhuǎn)速可達34000rpm以上，此外還采用了迷宮式密封獲得了更好的密封效果；(2)、主軸結(jié)構(gòu)簡單緊湊但功能強大，在高速轉(zhuǎn)動的同時，融合了中心出水、自動換刀、主軸及電機冷卻等多種功能，且對中心出水流道、自動換刀方式、冷卻液流道進行了優(yōu)化設計，在實現(xiàn)大扭矩的同時，提高了工作時換刀的快速和便利，保證了主軸和刀具的熱穩(wěn)定性，進而提高了加工精度；(3)、本發(fā)明的主軸在制作上無特殊的材料或工藝，成本低、性能可靠，同時還集成了編碼器、接近開關等功能，能夠廣泛應用于各種材料的高速加工，尤其適合深孔型腔類零件的加工。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸的一個優(yōu)選實施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1所示實施例的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1所示實施例處于卸刀狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是圖1所示實施例的第二個角度的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是圖4中A處的放大結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是圖4中B處的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是圖1所示實施例的第三個角度的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中附圖標記的含義:1、機體，2、定子，3、轉(zhuǎn)子軸，4、彈簧預緊機構(gòu)，5、前軸承，6、前軸承座，7、后軸承，8、連接座,9、油缸組件，10、后端蓋，1001、進水頭，11、前端蓋，12、前鎖緊螺母，13、刀具組，1301、中心出水孔，14、拉刀機構(gòu)，1401、卡爪，1402、拉桿帽，15、活塞，16、碟簧組，17、內(nèi)隔套，18、外隔套，19、第一壓縮空氣流道，20、均壓槽，21、第二壓縮空氣流道，22、均壓腔，23、均壓孔，24、冷卻液流道，25、中心出水流道，26、接近開關，27、增量式編碼器，28、溢流腔，EC、內(nèi)置電機引線，T0、卸刀進油接口，T1、活塞復位進氣接口，AS、前端氣封入口，AS1、旋轉(zhuǎn)接頭氣封入口，WAl、冷卻液出口，WA2、冷卻液入口，DWA、溢流口，TCW、中心出水進水接口，CL、前端錐孔除塵進氣接口，SE、接近開關引線，SE1、編碼器引線。
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0018]參見圖1-圖4，本發(fā)明的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，主體結(jié)構(gòu)包括:機體1，在機體I內(nèi)部設有定子2、轉(zhuǎn)子軸3、彈簧預緊機構(gòu)4、前軸承5及后軸承7，其中，前軸承5和后軸承7分設于轉(zhuǎn)子軸3兩端并且前軸承5安裝于一前軸承座6上。定子2與轉(zhuǎn)子軸3集成于機體I的內(nèi)部，外部驅(qū)動機構(gòu)輸出的高頻三相電通過內(nèi)置電機引線EC供電給電機，驅(qū)動主軸高速運轉(zhuǎn)，所能運轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速取決于前軸承5、后軸承7、轉(zhuǎn)子軸3、彈簧預緊機構(gòu)4所組成的軸系的最高轉(zhuǎn)速。本發(fā)明中，通過對主軸的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，采用非接觸式密封結(jié)構(gòu)，主軸達到了 34000rpm以上的穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速，在目前市場上的自動換刀電主軸中處于領先地位。
[0019]為了實現(xiàn)自動換刀，除了上述主體結(jié)構(gòu)外，如圖1至圖4所示，電主軸還包括:固定于機體I 一端的連接座8、固定在連接座上的帶有旋轉(zhuǎn)接頭的油缸組件9、設置于油缸組件9端部的后端蓋10、固定在機體I另一端的前端蓋11，其中，轉(zhuǎn)子軸3前端設有一具有中心出水孔1301的刀具組13，轉(zhuǎn)子軸3內(nèi)部設有一拉刀機構(gòu)14，拉刀機構(gòu)14包括:夾住刀具組13的卡爪1401、形成于遠離卡爪1401的一端的拉桿帽1402，油缸組件9內(nèi)設有驅(qū)動拉刀機構(gòu)14運動以實現(xiàn)自動換刀的活塞15，拉桿帽1402的端部容納于活塞15內(nèi)。
[0020]作為一種具體的優(yōu)選實施例，如圖2和圖3所示，在后端蓋10上形成有卸刀進油接口 TO和活塞復位進氣接口 TI，卸刀進油接口 TO貫通至活塞15的后端部，活塞復位進氣接口 TI連通至活塞15的前端部。當向卸刀進油接口 TO中注入一定壓力的液壓油時，活塞15受壓向靠近刀具組13的方向運動，壓迫拉刀機構(gòu)14使卡爪1401張開，刀具組13被釋放，便可實現(xiàn)卸刀，更換了新的刀具組13后，外部控制系統(tǒng)控制卸刀進油接口 TO卸壓，同時向活塞復位進氣接口 TI中通入0.6MPa的壓縮空氣，壓縮空氣進入油缸下腔推動活塞15向遠離刀具組13的方向運動，拉刀機構(gòu)14復位使卡爪1401夾緊刀具組13。優(yōu)選地，還包括一個使拉刀機構(gòu)14自動復位的碟簧組16，碟簧組16使卡爪1401自動合攏，將刀具組13夾緊，回復至圖1所示的狀態(tài)，實現(xiàn)換刀。
[0021]本發(fā)明很重要的一個發(fā)明點在于非接觸式密封，主要包括前端蓋11與前鎖緊螺母12之間、內(nèi)隔套17外隔套18之間及活塞15與拉桿帽1402之間的氣膜密封，正是由于采用了這種非接觸式密封，才使主軸達到了 34000rpm以上的最高轉(zhuǎn)速。具體地，如圖2所示，在連接座8上形成有:前端氣封入口 AS、旋轉(zhuǎn)接頭氣封入口 ASI，如圖1所示，連接座8、機體I及前端蓋11內(nèi)形成有與前端氣封入口 AS連通的第一壓縮空氣流道19，在前端蓋11內(nèi)第一壓縮空氣流道19的末端形成有均壓槽20，壓縮空氣經(jīng)均壓槽20進行均壓后進入前端蓋11與前鎖緊螺母12之間的縫隙形成氣膜，由于氣膜壓力遠高于大氣壓，所以能夠阻止外部雜質(zhì)進入主軸內(nèi)部，保護主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了加強密封效果，如圖6所示，前端蓋11與前軸承5之間還設有內(nèi)隔套17和外隔套18形成的隔套組，內(nèi)隔套17和外隔套18之間留有迷宮式縫隙，迷宮式縫隙與前端蓋11、前鎖緊螺母12之間的縫隙相連通，極大地保證了密封的可靠性。需要特別說明的是，所謂迷宮式縫隙是指形如迷宮的曲折通道，即圖6中內(nèi)隔套17與外隔套18之間的曲折的縫隙。
[0022]如圖7所示，連接座8及油缸組件9內(nèi)形成有與旋轉(zhuǎn)接頭氣封入口 ASI連通的第二壓縮空氣流道21，如圖5所示，油缸組件9內(nèi)第二壓縮空氣流道21的末端形成有均壓腔22和若干圓周均布的均壓孔23，壓縮空氣由第二壓縮空氣流道21經(jīng)均壓腔22進入均壓孔23，最后進入拉桿帽1402和活塞15之間的縫隙形成氣膜。
[0023]為了使主軸具有良好的熱穩(wěn)定性，確保加工過程的不間斷進行，如圖3所示，連接座8上還形成有:冷卻液出口 WA1、冷卻液入口 WA2，連接座8及機體I內(nèi)形成有與冷卻液出口 WA1、冷卻液入口 WA2連通的冷卻液流道24 ;冷卻液經(jīng)冷卻液入口 WA2進入冷卻液流道24，對定子2、前軸承5進行冷卻，最后從冷卻液出口 WAl排出，完成循環(huán)換熱，使主軸的熱穩(wěn)定性得以保證，極大地提高了加工精度。作為一種優(yōu)選，冷卻液為水或者低粘度的油。
[0024]前面我們說過，本主軸結(jié)構(gòu)實際巧妙，巧妙地設計了中心出水功能，具體地，如圖4所示，該功能的實現(xiàn)依賴于下述結(jié)構(gòu):油缸組件9上形成有用于排水和排氣的溢流口 DWA，后端蓋10上形成有中心出水進水接口 TCW ;后端蓋10向拉刀機構(gòu)14方向延伸形成一進水頭1001，進水頭1001的端部容納于拉桿帽1402內(nèi)，進水頭1001及拉刀機構(gòu)14內(nèi)形成有與中心出水進水接口 TCW相連通的中心出水流道25，中心出水流道25與刀具組13的中心出水孔1301對接，冷卻刀具組13的冷卻水一部分經(jīng)中心出水流道25從刀具組13的中心出水孔1301排出，另一部分經(jīng)進水頭1001與拉桿帽1402之間的縫隙流入油缸組件9內(nèi)的溢流腔28最后從溢流口 DWA排出。不得不強調(diào)的是，拉桿帽1402和活塞15之間縫隙內(nèi)形成的氣膜有效地防止冷卻水進入機體I的內(nèi)部，確保了機體I的使用壽命。
[0025]作為本發(fā)明進一步的改進，在后端蓋10上還形成有一前端錐孔除塵進氣接口 CL，前端錐孔除塵進氣接口 CL與中心出水流道25相連通，卸刀時，壓縮空氣會通過前端錐孔除塵進氣接口 CL進入主軸內(nèi)部的中心出水流道25，最后吹到主軸前端的錐面上，實現(xiàn)對主軸內(nèi)錐面及刀具組13外錐面的清潔，保護錐面清潔度，從而確保主軸精度。
[0026]此外，本發(fā)明還在信號反饋方面做出了革新，包括:接近開關26和增量式編碼器27，分別通過從連接座8引出的接近開關引線SE和編碼器引線SEI與外部的控制系統(tǒng)相連接。通過接收接近開關26反饋的信號使外部的控制系統(tǒng)得到準確的刀具位置狀態(tài)，實現(xiàn)機床系統(tǒng)控制自動換刀；同時增量式編碼器27可以準確的反饋主軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角信號，通過對該信號的接受，機床系統(tǒng)可以控制主軸實現(xiàn)準確的閉環(huán)控制及角度定位。
[0027]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，包括:機體，所述機體內(nèi)部設有定子、轉(zhuǎn)子軸、彈簧預緊機構(gòu)以及分設于轉(zhuǎn)子軸兩端的前軸承和后軸承，其特征在于，還包括:固定于機體一端的連接座、固定在連接座上帶有旋轉(zhuǎn)接頭的油缸組件、設置于油缸組件端部的后端蓋、通過前鎖緊螺母連接于機體另一端的前端蓋，所述轉(zhuǎn)子軸前端設有一具有中心出水孔的刀具組，所述轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部設有一拉刀機構(gòu)，所述拉刀機構(gòu)包括:夾住刀具組的卡爪、形成于遠離卡爪的一端的拉桿帽，所述油缸組件內(nèi)設有驅(qū)動拉刀機構(gòu)運動以實現(xiàn)自動換刀的活塞，所述拉桿帽的端部容納于活塞內(nèi)； 所述連接座上形成有:前端氣封入口、旋轉(zhuǎn)接頭氣封入口，所述油缸組件上形成有用于排水和排氣的溢流口，所述后端蓋上形成有中心出水進水接口 ； 所述連接座、機體及前端蓋內(nèi)形成有與前端氣封入口連通的第一壓縮空氣流道，所述前端蓋內(nèi)第一壓縮空氣流道的末端形成有均壓槽，壓縮空氣經(jīng)均壓槽進行均壓后進入前端蓋與前鎖緊螺母之間的縫隙形成氣膜； 所述后端蓋向拉刀機構(gòu)方向延伸形成一進水頭，進水頭的端部容納于拉桿帽內(nèi)，進水頭及拉刀機構(gòu)內(nèi)形成有與中心出水進水接口相連通的中心出水流道，所述中心出水流道與刀具組的中心出水孔對接，冷卻刀具組的冷卻水一部分經(jīng)中心出水流道從刀具組的中心出水孔排出，另一部分經(jīng)進水頭與拉桿帽之間的縫隙流入油缸組件內(nèi)的溢流腔最后從溢流口排出； 所述連接座及油缸組件內(nèi)形成有與旋轉(zhuǎn)接頭氣封入口連通的第二壓縮空氣流道，所述油缸組件內(nèi)第二壓縮空氣流道的末端形成有均壓腔和若干圓周均布的均壓孔，壓縮空氣由第二壓縮空氣流道經(jīng)均壓腔進入均壓孔，最后進入拉桿帽和活塞之間的縫隙形成氣膜以防止冷卻水進入機體內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，其特征在于，所述前端蓋與前軸承之間還設有內(nèi)隔套和外隔套形成的隔套組，內(nèi)隔套和外隔套之間留有迷宮式縫隙，迷宮式縫隙與前端蓋、前鎖緊螺母之間的縫隙相連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，其特征在于，所述連接座上還形成有:冷卻液出口、冷卻液入口，所述連接座及機體內(nèi)形成有與冷卻液出口、冷卻液入口連通的冷卻液流道；冷卻液經(jīng)冷卻液入口進入冷卻液流道，對定子、前軸承進行冷卻，最后從冷卻液出口排出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，其特征在于，所述冷卻液為水或者低粘度的油。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，其特征在于，所述后端蓋上還形成有一前端錐孔除塵進氣接口，所述前端錐孔除塵進氣接口與中心出水流道相連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，其特征在于，所述后端蓋上形成有卸刀進油接口和活塞復位進氣接口，所述卸刀進油接口貫通至活塞的后端部，所述活塞復位進氣接口連通至活塞的前端部；當向卸刀進油接口中注入液壓油時，活塞受壓向靠近刀具組的方向運動，壓下拉刀機構(gòu)使卡爪張開釋放刀具組；當向活塞復位進氣接口中通入壓縮空氣時，壓縮空氣進入油缸下腔推動活塞向遠離刀具組的方向運動，拉刀機構(gòu)復位使卡爪夾緊刀具組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，其特征在于，還包括:用于使拉刀機構(gòu)自動復位的碟簧組。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，其特征在于，還包括:用于檢測刀具位置的接近開關，接近開關引線從連接座引出與外部控制系統(tǒng)相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭的高速自動換刀電主軸，其特征在于，還包括:一增量式編碼器，編碼器引線從連接座引出與外部控制系統(tǒng)相連接。
【文檔編號】B23B19/02GK103934481SQ201410203781
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】朱旭斌 申請人:江蘇華雕機械有限公司