《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》是江蘇華雕機械有限公司於2014年5月15日申請的專利，該專利的公布號為CN103934481A，公布日為2014年7月23日，發明人是朱旭斌。該發明屬於機電工程領域。
《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》包括：機體，所述機體內部設有定子、轉子軸、彈簧預緊機構以及前軸承和後軸承，還包括：固定於機體一端的連線座、與連線座旋轉連線的油缸組件、設定於油缸組件端部的後端蓋、連線於機體另一端的前端蓋，轉子軸前端設有一具有中心出水孔的刀具組。該發明捨棄了複雜的接觸式密封結構，採用壓縮空氣進行非接觸式密封，能夠獲得更高的主軸轉速，此外還採用了迷宮式密封獲得了更好的密封效果；主軸結構簡單緊湊但功能強大，在高速轉動的同時，融合了中心出水、自動換刀、主軸及電機冷卻等多種功能，能夠廣泛套用於各種材料的高速加工，尤其適合深孔型腔類零件的加工。
2017年12月11日，《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸
- 申請人：江蘇華雕機械有限公司
- 申請日：2014年5月15日
- 申請號：2014102037814
- 公布號：CN103934481A
- 公布日：2014年7月23日
- 發明人：朱旭斌
- 地址：江蘇省泰州市靖江經濟開發區城北園區山南路18號
- 分類號：B23B19/02(2006.01)I、B23Q3/157(2006.01)I
- 代理機構：南京縱橫智慧財產權代理有限公司
- 代理人：董建林、夏恆霞
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
高速電主軸是將主軸電機內裝，從而實現高轉速、高精度及高效率等功能的機電一體化的動力部件，主要套用於高速加工工具機，實現對不同材料的高轉速加工，提高加工效率。
2014年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，主要原因在於：傳統的用於中心出水的旋轉接頭，一般都是接觸式密封，轉速低壽命短，價格昂貴且可靠性不足並且體積大不利於主軸多功能的集成。要想實現高轉速、長壽命就必須設計一種非接觸式的、密封結構可靠、性價比高並且結構緊湊的旋轉接頭結構用在高速電主軸上，才能實現高速電主軸高轉速下中心出水的可靠性，並且容易實現電主軸的多功能集成。
發明內容
專利目的
為解決2014年5月之前技術的不足，《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》的目的在於提供一種非接觸式的中心出水、高速轉動的、能夠實現自動換刀的電主軸。
技術方案
《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》包括：機體，所述機體內部設有定子、轉子軸、彈簧預緊機構以及分設於轉子軸兩端的前軸承和後軸承，還包括：固定於機體一端的連線座、固定在連線座上帶有旋轉接頭的油缸組件、設定於油缸組件端部的後端蓋、通過前鎖緊螺母連線於機體另一端的前端蓋，所述轉子軸前端設有一具有中心出水孔的刀具組，所述轉子軸內部設有一拉刀機構，所述拉刀機構包括：夾住刀具組的卡爪、形成於遠離卡爪的一端的拉桿帽，所述油缸組件內設有驅動拉刀機構運動以實現自動換刀的活塞，所述拉桿帽的端部容納於活塞內；
所述連線座上形成有：前端氣封入口、旋轉接頭氣封入口，所述油缸組件上形成有用於排水和排氣的溢流口，所述後端蓋上形成有中心出水進水接口；所述連線座、機體及前端蓋內形成有與前端氣封入口連通的第一壓縮空氣流道，所述前端蓋內第一壓縮空氣流道的末端形成有均壓槽，壓縮空氣經均壓槽進行均壓後進入前端蓋與前鎖緊螺母之間的縫隙形成氣膜。
所述後端蓋向拉刀機構方向延伸形成一進水頭，進水頭的端部容納於拉桿帽內，進水頭及拉刀機構內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中心出水流道從刀具組的中心出水孔排出，另一部分經進水頭與拉桿帽之間的縫隙流入油缸組件內的溢流腔最後從溢流口排出；所述連線座及油缸組件內形成有與旋轉接頭氣封入口連通的第二壓縮空氣流道，所述油缸組件內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均壓腔進入均壓孔，最後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部。
進一步地，前述前端蓋與前軸承之間還設有內隔套和外隔套形成的隔套組，內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。進一步地，前述連線座上還形成有：冷卻液出口、冷卻液入口，所述連線座及機體內形成有與冷卻液出口、冷卻液入口連通的冷卻液流道；冷卻液經冷卻液入口進入冷卻液流道，對定子、前軸承進行冷卻，最後從冷卻液出口排出。優選的冷卻液為水或者低粘度的油。
更進一步地，前述後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。再進一步地，前述後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後端部，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，拉刀機構復位使卡爪夾緊刀具組。
更進一步地，還包括：用於使拉刀機構自動復位的碟簧組。更進一步地，還包括：用於檢測刀具位置的接近開關，接近開關引線從連線座引出與外部控制系統相連線。更進一步地，還包括：一增量式編碼器，編碼器引線從連線座引出與外部控制系統相連線。
改善效果
《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》的有益之處在於：
（1）中心出水密封捨棄了複雜的接觸式密封結構，採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速，在軸承油脂潤滑的情況下轉速可達34000轉/分鐘以上，此外還採用了迷宮式密封獲得了更好的密封效果；
（2）主軸結構簡單緊湊但功能強大，在高速轉動的同時，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、冷卻液流道進行了最佳化設計，在實現大扭矩的同時，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定性，進而提高了加工精度；
（3）該發明的主軸在製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，能夠廣泛套用於各種材料的高速加工，尤其適合深孔型腔類零件的加工。
附圖說明
圖1是該發明的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸的一個優選實施例的剖面結構示意圖；
圖2是圖1所示實施例的側面結構示意圖；
圖3是圖1所示實施例處於卸刀狀態的結構示意圖；
圖4是圖1所示實施例的第二個角度的剖面結構示意圖；
圖5是圖4中A處的放大結構示意圖；
圖6是圖4中B處的放大結構示意圖；
圖7是圖1所示實施例的第三個角度的剖面結構示意圖。
圖中附圖示記的含義：1、機體，2、定子，3、轉子軸，4、彈簧預緊機構，5、前軸承，6、前軸承座，7、後軸承，8、連線座，9、油缸組件，10、後端蓋，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，1401、卡爪，1402、拉桿帽，15、活塞，16、碟簧組，17、內隔套，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、內置電機引線，TO、卸刀進油接口，TI、活塞復位進氣接口，AS、前端氣封入口，ASI、旋轉接頭氣封入口，WA1、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，SEI、編碼器引線。
權利要求
1.《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》包括：機體，所述機體內部設有定子、轉子軸、彈簧預緊機構以及分設於轉子軸兩端的前軸承和後軸承，其特徵在於，還包括：固定於機體一端的連線座、固定在連線座上帶有旋轉接頭的油缸組件、設定於油缸組件端部的後端蓋、通過前鎖緊螺母連線於機體另一端的前端蓋，所述轉子軸前端設有一具有中心出水孔的刀具組，所述轉子軸內部設有一拉刀機構，所述拉刀機構包括：夾住刀具組的卡爪、形成於遠離卡爪的一端的拉桿帽，所述油缸組件內設有驅動拉刀機構運動以實現自動換刀的活塞，所述拉桿帽的端部容納於活塞內；所述連線座上形成有：前端氣封入口、旋轉接頭氣封入口，所述油缸組件上形成有用於排水和排氣的溢流口，所述後端蓋上形成有中心出水進水接口；所述連線座、機體及前端蓋內形成有與前端氣封入口連通的第一壓縮空氣流道，所述前端蓋內第一壓縮空氣流道的末端形成有均壓槽，壓縮空氣經均壓槽進行均壓後進入前端蓋與前鎖緊螺母之間的縫隙形成氣膜；所述後端蓋向拉刀機構方向延伸形成一進水頭，進水頭的端部容納於拉桿帽內，進水頭及拉刀機構內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中心出水流道從刀具組的中心出水孔排出，另一部分經進水頭與拉桿帽之間的縫隙流入油缸組件內的溢流腔最後從溢流口排出；所述連線座及油缸組件內形成有與旋轉接頭氣封入口連通的第二壓縮空氣流道，所述油缸組件內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均壓腔進入均壓孔，最後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部。
2.根據權利要求1所述的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸，其特徵在於，所述前端蓋與前軸承之間還設有內隔套和外隔套形成的隔套組，內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.根據權利要求1所述的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸，其特徵在於，所述連線座上還形成有：冷卻液出口、冷卻液入口，所述連線座及機體內形成有與冷卻液出口、冷卻液入口連通的冷卻液流道；冷卻液經冷卻液入口進入冷卻液流道，對定子、前軸承進行冷卻，最後從冷卻液出口排出。
4.根據權利要求3所述的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸，其特徵在於，所述冷卻液為水或者低粘度的油。
5.根據權利要求1所述的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸，其特徵在於，所述後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.根據權利要求1-5任一項所述的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸，其特徵在於，所述後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後端部，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，拉刀機構復位使卡爪夾緊刀具組。
7.根據權利要求6所述的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸，其特徵在於，還包括：用於使拉刀機構自動復位的碟簧組。
8.根據權利要求6所述的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸，其特徵在於，還包括：用於檢測刀具位置的接近開關，接近開關引線從連線座引出與外部控制系統相連線。
9.根據權利要求6所述的一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸，其特徵在於，還包括：一增量式編碼器，編碼器引線從連線座引出與外部控制系統相連線。
實施方式
參見圖1-圖4，《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》主體結構包括：機體1，在機體1內部設有定子2、轉子軸3、彈簧預緊機構4、前軸承5及後軸承7，其中，前軸承5和後軸承7分設於轉子軸3兩端並且前軸承5安裝於一前軸承座6上。定子2與轉子軸3集成於機體1的內部，外部驅動機構輸出的高頻三相電通過內置電機引線EC供電給電機，驅動主軸高速運轉，所能運轉的最高轉速取決於前軸承5、後軸承7、轉子軸3、彈簧預緊機構4所組成的軸系的最高轉速。該發明中，通過對主軸的結構進行最佳化設計，採用非接觸式密封結構，主軸達到了34000轉/分鐘以上的穩定工作轉速，在2014年前市場上的自動換刀電主軸中處於領先地位。
為了實現自動換刀，除了上述主體結構外，如圖1至圖4所示，電主軸還包括：固定於機體1一端的連線座8、固定在連線座上的帶有旋轉接頭的油缸組件9、設定於油缸組件9端部的後端蓋10、固定在機體1另一端的前端蓋11，其中，轉子軸3前端設有一具有中心出水孔1301的刀具組13，轉子軸3內部設有一拉刀機構14，拉刀機構14包括：夾住刀具組13的卡爪1401、形成於遠離卡爪1401的一端的拉桿帽1402，油缸組件9內設有驅動拉刀機構14運動以實現自動換刀的活塞15，拉桿帽1402的端部容納於活塞15內。
作為一種具體的優選實施例，如圖2和圖3所示，在後端蓋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的後端部，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14使卡爪1401張開，刀具組13被釋放，便可實現卸刀，更換了新的刀具組13後，外部控制系統控制卸刀進油接口TO卸壓，同時向活塞復位進氣接口TI中通入0.6兆帕的壓縮空氣，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14復位使卡爪1401夾緊刀具組13。優選地，還包括一個使拉刀機構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，實現換刀。
該發明很重要的一個發明點在於非接觸式密封，主要包括前端蓋11與前鎖緊螺母12之間、內隔套17外隔套18之間及活塞15與拉桿帽1402之間的氣膜密封，正是由於採用了這種非接觸式密封，才使主軸達到了34000轉/分鐘以上的最高轉速。具體地，如圖2所示，在連線座8上形成有：前端氣封入口AS、旋轉接頭氣封入口ASI，如圖1所示，連線座8、機體1及前端蓋11內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內第一壓縮空氣流道19的末端形成有均壓槽20，壓縮空氣經均壓槽20進行均壓後進入前端蓋11與前鎖緊螺母12之間的縫隙形成氣膜，由於氣膜壓力遠高於大氣壓，所以能夠阻止外部雜質進入主軸內部，保護主軸內部結構。為了加強密封效果，如圖6所示，前端蓋11與前軸承5之間還設有內隔套17和外隔套18形成的隔套組，內隔套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中內隔套17與外隔套18之間的曲折的縫隙。
如圖7所示，連線座8及油缸組件9內形成有與旋轉接頭氣封入口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經均壓腔22進入均壓孔23，最後進入拉桿帽1402和活塞15之間的縫隙形成氣膜。
為了使主軸具有良好的熱穩定性，確保加工過程的不間斷進行，如圖3所示，連線座8上還形成有：冷卻液出口WA1、冷卻液入口WA2，連線座8及機體1內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，最後從冷卻液出口WA1排出，完成循環換熱，使主軸的熱穩定性得以保證，極大地提高了加工精度。作為一種優選，冷卻液為水或者低粘度的油。
前面我們說過，該主軸結構實際巧妙，巧妙地設計了中心出水功能，具體地，如圖4所示，該功能的實現依賴於下述結構：油缸組件9上形成有用於排水和排氣的溢流口DWA，後端蓋10上形成有中心出水進水接口TCW；後端蓋10向拉刀機構14方向延伸形成一進水頭1001，進水頭1001的端部容納於拉桿帽1402內，進水頭1001及拉刀機構14內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，另一部分經進水頭1001與拉桿帽1402之間的縫隙流入油缸組件9內的溢流腔28最後從溢流口DWA排出。不得不強調的是，拉桿帽1402和活塞15之間縫隙內形成的氣膜有效地防止冷卻水進入機體1的內部，確保了機體1的使用壽命。
作為該發明進一步的改進，在後端蓋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進入主軸內部的中心出水流道25，最後吹到主軸前端的錐面上，實現對主軸內錐面及刀具組13外錐面的清潔，保護錐面清潔度，從而確保主軸精度。
此外，該發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，分別通過從連線座8引出的接近開關引線SE和編碼器引線SEI與外部的控制系統相連線。通過接收接近開關26反饋的信號使外部的控制系統得到準確的刀具位置狀態，實現工具機系統控制自動換刀；同時增量式編碼器27可以準確的反饋主軸的轉速及轉角信號，通過對該信號的接受，工具機系統可以控制主軸實現準確的閉環控制及角度定位。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種採用非接觸式旋轉接頭的高速自動換刀電主軸》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
