本實(shí)用新型屬于機(jī)電一體化工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步高速自動(dòng)換刀電主軸。

背景技術(shù)：

常用自動(dòng)換刀電主軸是將主軸高速異步電機(jī)內(nèi)裝，另加一套汽缸和松拉刀機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、高精度及高效率等功能的機(jī)電一體化的動(dòng)力部件，主要應(yīng)用于高速加工機(jī)床，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料的高轉(zhuǎn)速加工，提高加工效率。

目前市場(chǎng)上自動(dòng)換刀的高速電主軸比較常見(jiàn)，但既能高速運(yùn)轉(zhuǎn)，又能低速運(yùn)轉(zhuǎn)且有大轉(zhuǎn)矩輸出的電主軸很少，主要原因是傳統(tǒng)的自動(dòng)換刀電主軸采用高速異步變頻電機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，不適合低速加工，且低速輸出轉(zhuǎn)矩小。近年來(lái)隨著市場(chǎng)對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩電主軸的需求，一種用永磁同步作為內(nèi)置式電機(jī)結(jié)合自動(dòng)換刀的電主軸應(yīng)運(yùn)而生，但由于轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)緣于普通同步電機(jī)，使高速電磁弱化明顯突出，發(fā)熱大增，加之使用表貼永磁體加工工藝，使高速運(yùn)轉(zhuǎn)更加困難；另外傳統(tǒng)的自動(dòng)換刀電主軸在換刀時(shí)，其換刀軸向力全部作用在高速精磨軸承上，大大縮短了軸承的使用壽命。針對(duì)上述電主軸存在問(wèn)題，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需提供一種既能低速大扭矩加工，又能高速切削的低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步高速自動(dòng)換刀電主軸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本實(shí)用新型提供了一種既能低速大扭矩加工、又能高速切削，且性能穩(wěn)定、軸承使用壽命長(zhǎng)、能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)換刀的低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步高速自動(dòng)換刀電主軸。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案：

一種低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步高速自動(dòng)換刀電主軸，包括機(jī)體，所述機(jī)體內(nèi)部設(shè)有定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸、彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)以及分設(shè)于轉(zhuǎn)子軸兩端的前軸承和后軸承，還包括：固定于機(jī)體后端的連接座、與連接座固連的連接體，與連接體固連的汽缸組件、設(shè)置于汽缸組件端部的后蓋、連接于機(jī)體前端的前端蓋；所述前端蓋靠近刀具的前側(cè)還貼設(shè)有前蓋，所述前蓋與轉(zhuǎn)子軸之間設(shè)有形成迷宮式密封的密封蓋，所述前蓋前側(cè)還設(shè)有密封罩；所述前軸承安裝于機(jī)體前端蓋上；所述前端蓋在靠近轉(zhuǎn)子軸的軸肩處設(shè)有擋板；所述轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌式永久磁體；

所述轉(zhuǎn)子軸中心有松拉刀機(jī)構(gòu)，所述松拉刀機(jī)構(gòu)包括拉桿、固定在拉桿輸出端用于夾住刀具組的的拉爪；在拉桿上遠(yuǎn)離拉爪的一端還套設(shè)有壓套；固定在拉桿上遠(yuǎn)離拉爪一端的壓套；所述汽缸組件包括并聯(lián)的多級(jí)汽缸和活塞，其中第一級(jí)汽缸和活塞固定于連接體上，最后一級(jí)氣缸與后蓋連接；所述壓套的端部容納于活塞內(nèi)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以自動(dòng)換刀的配合關(guān)系；

所述連接座上形成有前端氣封入口AS、電源輸入線接口；所述連接座、機(jī)體、前端蓋及前蓋內(nèi)形成有與前端氣封入口AS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在密封罩內(nèi)形成微正壓；

所述連接座內(nèi)還安裝有磁電式編碼器，編碼器引線從連接座引出與外部控制系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選的，所述前軸承、后軸承均采用兩組配對(duì)并聯(lián)軸承；軸承配對(duì)形式設(shè)為DT組合形式。

優(yōu)選的，所述連接座上還形成冷卻液入口WA1、冷卻液出口WA2，所述連接座及機(jī)體內(nèi)形成有與冷卻液入口WA1、冷卻液出口WA2連通的冷卻液通道；所述冷卻液入口WA1、冷卻液出口WA2、冷卻液通道在機(jī)體內(nèi)形成雙螺旋通道。

進(jìn)一步的，所述雙螺旋通道中增設(shè)有檢修孔。

進(jìn)一步的，所述冷卻液為水或者低粘度的油。

優(yōu)選的，所述汽缸組件包括并聯(lián)的四級(jí)汽缸和活塞。

進(jìn)一步的，所述后蓋上形成有卸刀進(jìn)氣接口TO和活塞復(fù)位進(jìn)氣接口TI，所述卸刀進(jìn)氣接口TO貫通至第一級(jí)活塞的后端部，活塞復(fù)位進(jìn)氣接口TI連通至第一級(jí)活塞的前端部；當(dāng)向卸刀進(jìn)氣接口TO中注入空氣時(shí)，第一級(jí)活塞受壓向靠近刀具的方向運(yùn)動(dòng)，壓下松拉刀機(jī)構(gòu)使拉爪張開(kāi)釋放刀具；當(dāng)向活塞復(fù)位進(jìn)氣接口TI中通入壓縮空氣時(shí)，壓縮空氣進(jìn)活塞下腔推動(dòng)活塞向遠(yuǎn)離刀具的方向運(yùn)動(dòng)，松拉刀機(jī)構(gòu)復(fù)位使拉爪夾緊刀具。

進(jìn)一步的，所述拉桿設(shè)為中空管，拉桿上裝有抗疲勞的碟簧組件；碟簧組件固定在壓套作用端。

進(jìn)一步的，所述連接座上還形成與拉桿中心孔、拉爪及前端主軸錐孔相通的除塵進(jìn)氣接口CL；除塵進(jìn)氣接口CL在卸刀時(shí)，壓縮空氣會(huì)通過(guò)活塞前移與連接體、壓套、拉桿及拉爪形成第二壓縮空氣通道b。

進(jìn)一步的，還包括傳感器，所述傳感器通過(guò)從連接座引出的傳感器引線SE與外部的控制系統(tǒng)相連接。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

1)、本實(shí)用新型通過(guò)容納于活塞內(nèi)的壓套端部驅(qū)動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，配合高性能傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，具體的，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入活塞后腔四活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞前腔空氣由排氣孔自行排出，松拉刀機(jī)構(gòu)碟簧壓縮，拉爪自行張開(kāi)，刀具脫落。當(dāng)新刀具裝刀時(shí)，活塞復(fù)位進(jìn)氣接口連通至活塞的前端部，此時(shí)在活塞前腔通入壓縮空氣加速活塞后移，活塞前腔自行從排氣口補(bǔ)充空氣，活塞后腔排出空氣，同時(shí)被壓縮的碟簧迅速?gòu)?fù)位，刀具自行拉緊。如此往復(fù)加之與高性能傳感器配合可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換刀具，并且換刀方便、快速、可靠。

2)、本實(shí)用新型舍棄了轉(zhuǎn)子表貼永久磁性材料的設(shè)計(jì)理念，改用轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌永久磁性材料，減少高速磁場(chǎng)弱化，降低轉(zhuǎn)子發(fā)熱，能夠獲得更高的主軸轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)矩，特別在低速時(shí)獲得大轉(zhuǎn)矩的效果并穩(wěn)定性好。

3)、本實(shí)用新型主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊但功能強(qiáng)大，通過(guò)控制軸肩與擋板的尺寸來(lái)支撐自動(dòng)換刀時(shí)承受的軸向力，由此改變常規(guī)電主軸的軸承裝配形式，軸承配對(duì)形式由傳統(tǒng)的DB組合形式設(shè)計(jì)成DT組合形式，避免了每次因換刀帶來(lái)的軸向力作用在軸承上，從而減少自動(dòng)換刀時(shí)軸向力對(duì)軸承的傷害，同時(shí)DT組合形式比DB組合形式的極限轉(zhuǎn)速更高，大大提高了軸承的使用壽命。

4)、本實(shí)用新型對(duì)冷卻液流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在整個(gè)冷卻流道的中間增加了檢修口，便于清理冷卻液中沉淀的雜質(zhì)，確保電主軸定子、軸承等關(guān)鍵部位的冷卻效果，保證了主軸和刀具的熱穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了加工精度。

5)、本實(shí)用新型的主軸在制作上無(wú)特殊的材料或工藝，成本低、性能可靠，同時(shí)還集成了磁電編碼器、傳感器等功能，能夠廣泛應(yīng)用于各種材料的低速切削、高速加工，尤其適合加工中心、鉆攻加工。

6)、本實(shí)用新型中連接座上還形成與拉桿中心孔、拉爪及前端主軸錐孔相通的除塵進(jìn)氣接口，除塵進(jìn)氣接口在卸刀時(shí)，壓縮空氣會(huì)通過(guò)活塞前移與連接體、壓套、拉桿及拉爪形成另一壓縮空氣通道，可去除刀柄、拉爪、主軸內(nèi)孔的雜質(zhì)，提高刀柄與主軸內(nèi)孔的接觸精度，滿足高精度零件的加工要求。

7)、本實(shí)用新型中采用四連體氣缸組件配合松拉刀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)換刀，具體的連接體與汽缸組件連接，后蓋設(shè)有卸刀進(jìn)氣接口和活塞復(fù)位進(jìn)氣接口，使用四聯(lián)活塞聯(lián)動(dòng)卸刀，滿足氣壓不穩(wěn)定的工況，適用氣壓范圍廣。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1所示實(shí)施例的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型刀具的放大圖。

圖4是圖1所示實(shí)施例處于卸刀狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是圖1所示實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)注符號(hào)的含義如下：

1-刀具 2-密封罩 3-前蓋 4-密封蓋

5-前軸承 6-前軸承隔圈 7-前端蓋 8-擋板

9-轉(zhuǎn)子軸 10-轉(zhuǎn)子 11-定子 12-機(jī)體

13-碟簧組件 14-松拉刀機(jī)構(gòu) 140-拉桿 141-拉爪

15-彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu) 16-后軸承 17-連接座 18-磁電式編碼器

19-鎖緊螺母 20-壓套 21-傳感器 22-連接體

23-第一級(jí)活塞 24-汽缸 25-最后一級(jí)活塞 26-后蓋

TO-卸刀進(jìn)氣接口 TI-活塞復(fù)位進(jìn)氣接口

AS-前端氣封入口 WA1-冷卻液入口 WA2-冷卻液出口

CL-前端錐孔除塵進(jìn)氣接口 SE-傳感器引線

SEI-編碼器引線 a-第一壓縮空氣流道 b-第二壓縮空氣通道

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

參見(jiàn)圖1～圖5，為一種低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步高速自動(dòng)換刀電主軸，主體結(jié)構(gòu)包括：機(jī)體12，在機(jī)體12內(nèi)部設(shè)有定子11、轉(zhuǎn)子10、轉(zhuǎn)子軸9、彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)15、前軸承5及后軸承16，其中，前軸承5和后軸承16分設(shè)于轉(zhuǎn)子軸9兩端并且前軸承5安裝于機(jī)體前端蓋7上，前軸承5、后軸承16均采用兩組配對(duì)并聯(lián)軸承，在配對(duì)的前軸承之間設(shè)有前軸承隔圈6；軸承配對(duì)形式設(shè)為DT組合形式。定子11與轉(zhuǎn)子軸9集成于機(jī)體12的內(nèi)部，轉(zhuǎn)子軸9遠(yuǎn)離刀具1的后端零部件通過(guò)鎖緊螺母19進(jìn)行緊固，外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的高頻三相電源通過(guò)內(nèi)置電機(jī)引線(U、V、W)供電給電主軸，驅(qū)動(dòng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所能運(yùn)轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速取決于前軸承5、后軸承16、轉(zhuǎn)子軸9、彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)15所組成的軸系的最高轉(zhuǎn)速。本實(shí)用新型中，通過(guò)對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主軸達(dá)到了低速轉(zhuǎn)矩大，高速24000rpm的穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速，在目前市場(chǎng)上的自動(dòng)換刀電主軸中處于領(lǐng)先地位。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，除了上述主體結(jié)構(gòu)外，如圖1至圖5所示，電主軸還包括：固定于機(jī)體12后端的連接座17、固定在連接座上的連接體22，與連接座17固連的連接體22，與連接體22固連的汽缸組件、設(shè)置于汽缸組件端部的后蓋26、連接于機(jī)體12前端的前端蓋7；前端蓋7靠近刀具1的前側(cè)還貼設(shè)有前蓋3，前蓋3與轉(zhuǎn)子軸9之間設(shè)有形成迷宮式密封的密封蓋4，前蓋3前側(cè)還設(shè)有密封罩2；前軸承5安裝于機(jī)體前端蓋7上，具體的位于前端蓋7、前蓋3及轉(zhuǎn)子軸9三者之間；前端蓋7在靠近轉(zhuǎn)子軸9的軸肩處設(shè)有擋板8，通過(guò)控制軸肩與擋板8的尺寸來(lái)支撐自動(dòng)換刀時(shí)承受的軸向力，從而減少自動(dòng)換刀時(shí)軸向力對(duì)軸承的傷害；轉(zhuǎn)子10采用內(nèi)嵌式永久磁體，減少高速磁場(chǎng)弱化，降低轉(zhuǎn)子發(fā)熱，能夠獲得更高的主軸轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)矩，特別在低速時(shí)獲得大轉(zhuǎn)矩的效果并穩(wěn)定性好。

轉(zhuǎn)子軸9中心有松拉刀機(jī)構(gòu)14，松拉刀機(jī)構(gòu)14包括拉桿140、固定在拉桿140輸出端用于夾住刀具組的拉爪141；在拉桿140上遠(yuǎn)離拉爪141的一端還套設(shè)有壓套20；汽缸組件包括并聯(lián)的多級(jí)汽缸24和活塞，其中第一級(jí)汽缸和活塞固定于連接體22上，最后一級(jí)氣缸25與后蓋26連接；作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，拉桿140設(shè)為中空管，拉桿140上裝有抗疲勞的碟簧組件13；碟簧組件13固定在壓套20作用端。壓套20的端部容納于活塞內(nèi)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)14運(yùn)動(dòng)以自動(dòng)換刀的配合關(guān)系，具體的：汽缸24通過(guò)進(jìn)入壓縮空氣推動(dòng)活塞組件前移，使碟簧組件13壓縮，拉爪141前移并自行張開(kāi)，刀具1離開(kāi)錐孔，從而實(shí)現(xiàn)更換刀具；本實(shí)用新型電主軸還包括傳感器21，傳感器21通過(guò)從連接座17引出的傳感器引線SE與外部的控制系統(tǒng)相連接，配合傳感器21可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的目的。

更進(jìn)一步的，后端蓋26上形成有卸刀進(jìn)氣接口TO和活塞復(fù)位進(jìn)氣接口TI，卸刀進(jìn)氣接口TO貫通至第一級(jí)活塞23的后端部，活塞復(fù)位進(jìn)氣接口TI連通至第一級(jí)活塞23的前端部；如圖4所示，當(dāng)向卸刀進(jìn)氣接口TO中注入空氣時(shí)，第一級(jí)活塞23受壓向靠近刀具1的方向運(yùn)動(dòng)，壓下松拉刀機(jī)構(gòu)14使拉爪141張開(kāi)釋放如圖3所示的刀具1；如圖5所示，當(dāng)向活塞復(fù)位進(jìn)氣接口TI中通入壓縮空氣時(shí)，壓縮空氣進(jìn)活塞下腔推動(dòng)活塞向遠(yuǎn)離刀具1的方向運(yùn)動(dòng)，松拉刀機(jī)構(gòu)14復(fù)位使拉爪141夾緊刀具1。

本實(shí)用新型如圖2、圖4所示，在連接座17上形成有：前端氣封入口AS，連接座17、機(jī)體12及前端蓋7內(nèi)形成有與前端氣封入口AS連通的第一壓縮空氣流道a，在防塵罩2內(nèi)產(chǎn)生微正壓空氣，此正壓空氣通過(guò)防塵罩2與轉(zhuǎn)子軸9之間的縫隙流出，在主軸軸端周圍形成了一定的氣膜，避免了外界的水分、雜質(zhì)進(jìn)入主軸而達(dá)到非接觸式密封的效果，改變了高速旋轉(zhuǎn)體不能采用接觸式密封的缺陷。

為了使主軸具有良好的熱穩(wěn)定性，確保加工過(guò)程的不間斷進(jìn)行，如圖2、4所示，連接座17上還形成有：冷卻液入口WA1、冷卻液出口WA2，連接座17及機(jī)體12內(nèi)形成有與冷卻液入口WA1、冷卻液出口WA2連通的冷卻液通道；冷卻液入口WA1、冷卻液出口WA2、冷卻液通道在機(jī)體內(nèi)形成雙螺旋通道，冷卻液經(jīng)冷卻液入口WA1進(jìn)入冷卻液通道，對(duì)定子11、前軸承5、后軸承16進(jìn)行冷卻，最后從冷卻液出口WA2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。同時(shí)在整個(gè)循環(huán)通道中增設(shè)了檢修孔，以便在檢修主軸時(shí)對(duì)因冷卻液中沉淀雜質(zhì)的清理，這樣可保持冷卻水道的暢通及冷卻效果，大大延長(zhǎng)了電主軸的壽命。冷卻液可以是水或者低粘度的油。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)，如圖1、2、4、5所示，在連接座17上還形成有一前端錐孔除塵進(jìn)氣接口CL，該錐孔與拉桿140中心孔、拉爪141及前端主軸錐孔相通；除塵進(jìn)氣接口CL在卸刀時(shí)，壓縮空氣會(huì)通過(guò)活塞前移與連接體22、壓套20、拉桿140及拉爪141形成第二壓縮空氣通道b，最后吹到主軸前端的錐面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸內(nèi)錐面及刀具1外錐面的清潔，保護(hù)錐面清潔度，從而確保主軸精度。

本實(shí)用新型還在信號(hào)反饋方面做出了改進(jìn)，包括：傳感器21和磁電式編碼器18，分別通過(guò)從連接座17引出的傳感器引線SE和編碼器引線SEI與外部的控制系統(tǒng)相連接。通過(guò)傳感器21反饋的信號(hào)使外部的控制系統(tǒng)得到準(zhǔn)確的刀具位置狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床系統(tǒng)控制自動(dòng)換刀；同時(shí)磁電式編碼器18可以準(zhǔn)確的反饋主軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角信號(hào)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)的接受，機(jī)床系統(tǒng)可以控制主軸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的閉環(huán)控制、角度定位及確保低速大轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)輸出，使低速轉(zhuǎn)矩輸出均衡，高速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，定位精度高，適合各類低速大扭矩切削及鉆攻加工。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。