CN212310860U - 高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，主要用于磨床砂轮轴或高端车床动力轴上，包括主轴心轴与伺服电机心轴同轴一体化结构、三个钨钢套(硬质合金)轴承、主轴壳体、安装主轴箱体、伺服电机转子、定子、伺服电机中空编码器和供油管路；本申请创新在于应用了钨钢套(硬质合金)轴承，有效控制热胀系数，提高耐磨性，加入了主轴心轴中空制冷回流循环装置，加入恒温控制器，有效控制心轴的升温变形，使已知的动静油压永磁伺服电主轴转速度调速范围得到拓宽，在不丢失高精度，高刚性的情况下，达到更高的转速。

Description

高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴

技术领域

本申请涉及高精密动静油压电主轴技术领域，尤其涉及一种高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴。

背景技术

液体动静压机械主轴是我国80年代发展起来具有世界先进水平的高新技术产品，动静油压主轴现有最常用公知的主要是以机械结构的单元组成，动力来源主要以电动机，通过皮带轮这个公知方法联接。也有把动静压机械主轴与电动机直联的，也有把电动机的转子、定子拆解之后装在动静油压机械轴中间的，现有公开的技术有很多，都有待提升及完善。如重量、体积、刚性、精度、热稳定性、可编程数控定位分度旋转等一系列的技术难题。在已公开的专利中虽有提出主轴可以达到高速或有更宽的调速范围，但在实际应用并未达到其所述的对结果，其最大的技术病颈在于无法处理主轴在高转速中产生的热量及金属的热胀性，如要得到更高的转速及调速范围，方法只有控制应用材料的温升热胀或扩大轴心与轴承的配合间隙，如配合间隙大了，当然可以得到更高的转速，但油若被外力负载过载时则会失去旋转精度，使轴心与轴承接触到，从而加速损坏主轴，以丢失高刚性，丢失高精度为代价，则失去了油压动静主轴发明的目的。如不断提高油压的泵入的压力，则无法用机械方法去密封，导至漏油，并使所有的机械部承受高压内胀力后产生应力，使所有的轴机械配件形变而丢失精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，安装于磨床砂轮轴或高端车床动力轴上，包括主轴心轴、主轴永磁伺服电机、主轴壳体、主轴安装箱体和主轴油压站机构；所述主轴油压站机构向安装在主轴安装箱体内的主轴壳体腔内供油；所述主轴壳体上设置有进油口、出油口以及密封件；

所述主轴心轴分为输出部和输入部；所述主轴心轴的输入部位于伺服电机的转子内孔心轴内，所述伺服电机与主轴心轴之间形成同轴一体化心轴结构；

所述主轴心轴的输出部外侧上，沿输出端向输入端方向依次设置有止推钨钢套(硬质合金)轴承、主轴心轴止推法兰、径向止推钨钢套(硬质合金)轴承和径向内支撑钨钢套(硬质合金)轴承；所述径向止推钨钢套(硬质合金)轴承和径向内支撑钨钢套(硬质合金)轴承的外部设置有所述主轴壳体的套轴；所述止推钨钢套(硬质合金)轴承的径向外侧设置有法兰面；所述径向内支撑钨钢套(硬质合金)轴承的轴承位于主轴心轴的输出部一侧的外表面上；所述径向止推钨钢套(硬质合金)轴承和径向钨钢套(硬质合金)轴承均位于主轴壳体的壳体内侧；所述主轴壳体在主轴心轴的输出端一侧设置有箱体轴前盖；所述箱体轴前盖的内侧与止推钨钢套(硬质合金)轴承相配合进行密封；

所述主轴壳体穿过主轴安装箱体并与主轴安装箱体的前端固定；所述伺服电机的壳体通过螺栓与主轴安装箱体的后端固定；

所述伺服电机包括：主轴永磁伺服电机转子、主轴永磁伺服电机定子、永磁伺服电机冷却水套、中空伺服永磁电机绝对值编码器、后拉油压缸联接法兰和后置式油压旋转缸或气压缸；

其中，所述主轴永磁伺服电机转子、主轴永磁伺服电机定子、永磁伺服电机冷却水套和伺服电机的壳体依次由内至外位于主轴心轴的输入部外壁上；所述主轴永磁伺服电机转子通过内衬套与主轴心轴联接，通过胀套、压盖紧固螺栓方式安装固定；

所述永磁伺服电机的壳体为圆筒状，安装端为法兰形，另一端为电源线出线端，设有密封端盖，密封端盖外侧安装固定中空伺服永磁电机绝对值编码器；所述密封端盖上安装有中控编码器密封端盖；所述中空伺服永磁电机绝对值编码器位于中控编码器密封端盖内，并通过永磁伺服电机出线密封接头与外部连接；所述主轴心轴的输入部伸出永磁伺服电机的壳体的后端密封端盖，端部通过螺栓连接液压油缸安装法兰；所述液压油缸安装法兰通过螺栓连接后拉油压缸联接法兰；

所述主轴心轴、主轴安装箱体和伺服电机及编码器形成全密封三防结构；所述后置式油压旋转缸或气压缸作为主轴工件快速夹持固定机构。

进一步地，所述主轴心轴的输入部为中空结构，输出部为实心结构；

所述主轴心轴的输出部的输出端采用平端结构，用于联接输出砂轮法兰；

所述主轴心轴的输出部的输出端采用外锥形结构，用于联接内锥形砂轮法法兰盘；所述砂轮法兰盘带有在线动平衡调节块及多个调节螺栓。

所述主轴心轴的输出部的输出端设置反牙外螺纹，用于安装法兰紧固螺母或转接小直径砂轮轴杆或镗刀或铣刀盘，所述砂轮杆外周设有多个动平衡调节螺栓，所述砂轮杆锁紧螺母设置有多个动平衡调节螺栓；所述砂轮轴杆用于磨削工件内孔、内壁；

所述主轴心轴的中空结构部分通入冷却回流循环装置，主轴心轴的输入部的输入端设置高压进油孔，与主轴壳体腔室共用出油口，形成一个封密的液流循环内腔；所述进油口设有转接滚动密封轴承和转接法兰，在主轴心轴高速转时，接入的液压管接头及管路不动；所述主轴心轴内设有多个用于制冷回流的小孔。

进一步地，所述止推钨钢套轴承、径向止推钨钢套轴承、径向内支撑钨钢套轴承，均设有进油槽以及多道油密封环，密封环为耐磨耐高温材料。

进一步地，所述箱体轴前盖设有密封环，用于密封止推钨钢套轴承轴承。

进一步地，所述主轴安装箱体为多面体空腔结构，其中箱内内部为空腔；所述主轴安装箱体的两端用于支撑主轴的固定；

所述主轴安装箱体的安装底面采用小方格腔体避空设置加强筋，底座中间设有导向滑动槽；

所述主轴安装箱体的前后两端，在底部与主轴壳体孔下方设有多个避重孔，孔与孔壁间设有加强筋，箱体底部两侧设有回油口螺纹孔，箱体上部设有进油口螺纹孔，箱体顶部设有封盖板，用螺栓锁入安装。

进一步地，所述主轴永磁伺服电机定子的绝缘等级为F级，定子内置温度传感器和130℃以内的常闭热保护器；

所述主轴永磁伺服电机转子和主轴永磁伺服电机定子均采用电压等级为400V高压输入，采用6极或4极的高转矩绕阻定子，定子外壳设有冷却水套，用于冷却运行产生的温度，通过外部液冷却使其能在恒定的温度平稳运行。

进一步地，所述永磁伺服电机的壳体与主轴安装箱体联接，永磁伺服电机的壳体套设在永磁伺服电机冷却水套的外圆上；

所述永磁伺服电机的壳体一端设有冷却液入口接头，另一端设有回液出口，通过循环液流通带走主轴旋转时产生的热量。

进一步地，所述中空伺服永磁电机绝对值编码器由外磁环与内磁环及编码器读数头组成，其中内磁环固定在主轴心轴上，外磁环与编码器读数头固定在密封端盖外侧。

进一步地，所述主轴心轴内孔设置有BT或莫氏结构的外锥型并带有反牙螺纹螺杆。

进一步地，所述主轴油压站机构包括油站容油箱，油压泵，油压阀，压力表，高压管路和恒温制冷油冷机；所述油站容油箱的液压油采用5-10#液压主轴油，主轴油的使用温度定为20-25℃之间，油压站在静压情况下的压力为1.8-3.5mpa；

所述主轴油通过所述油压站泵入主轴壳体的腔体内，由回油口回流至油压站，再由油压站泵入主轴壳体的腔体内，主轴油通过恒温制冷油冷机控制油温度进液流循环制冷达到恒温效果。

在本申请实施例中，本发明应用了钨钢套轴承，有效控制热胀系数，提高耐磨性，加入了主轴心轴中空制冷回流循环装置，加入恒温控制器，有效控制心轴的升温变形。使已知的动静油压永磁伺服电主轴转速度调速范围得到拓宽，在不丢失高精度，高刚性的情况下，达到更高的转速。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的整体结构立体图；

图2是图1的截面结构示意图；

图3是主轴的截面结构示意图；

图4是主轴安装箱体的剖面结构示意图；

图5是主轴联接内圆磨砂轮的结构件示意图；

图6是绕圆平面的多孔位调节动平衡螺钉孔的截面结构示意图；

图7是主轴输出端连接砂轮的结构示意图；

图8是砂轮紧固法兰的结构示意图；

图9是砂轮紧固法兰安装于主轴输出端上的截面结构示意图。

图中附图标记的含义：

100-主轴心轴，200-主轴永磁伺服电机，300-主轴安装箱体，A-输出部，B-输入部，501-螺栓，101-止推钨钢套轴承,102-箱体轴前盖,103-主轴心轴止推法兰,104-径向止推钨钢套轴承,105-径向内支撑钨钢套轴承,106-紧固螺栓，107-主轴前端输出转接法兰,108-主轴心锥孔，109-主轴壳体，111-永磁吸盘，112-顶尖，113-液压卡盘，114-卡爪，115-主轴输出端紧固螺纹，116-主轴输出端同心定位台阶，117-主轴输出端外锥，118-主轴内回油口，201A-伺服电机冷却水进油口，201B-伺服电机冷却水出油口，202-油管接头，203-永磁伺服电机冷却水套，204-主轴永磁伺服电机转子，205-主轴永磁伺服电机定子，206-中空伺服永磁电机绝对值编码器，207-后拉油压缸联接法兰，208-密封端盖，209-中控编码器密封端盖，210-壳体，211-永磁伺服电机出线密封接头，212-液压油缸或气缸，213-进油接头，214-中控密封接头密封轴承，215-连接螺栓，216-进油孔，217-出油孔，218-腔体，301-液压油进油孔，302-液压油出油孔，303-导向滑动槽，304-箱体上封盖，305-箱体侧面壁，306-箱体前内孔壁，307-主轴壳体法兰固定螺孔，308-箱体内避空位，401-紧固螺纹(反牙)，402-内圆磨砂轮接杆，403-绕圆周的多孔位调节动平衡螺钉孔，404-内圆或内孔砂轮，405-砂轮锁紧螺母，406-绕圆平面的多孔位调节动平衡螺钉孔，601-外圆砂轮，602-砂轮紧固法兰盖，603-动平衡调节移动块，604-动平衡调节移动块外盖，606-砂轮紧固法兰盖定位面，607-砂轮紧固法兰盖螺接孔，608-动平衡调节移动块锁紧螺钉，609-砂轮紧固法兰盖锁入孔。

具体实施方式

为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本发明实施例提供一种高精密动静油压永磁伺服电主轴，高精度主轴单元的类型有滚动轴承式机械主轴、动静压机械主轴、滚动轴承式电主轴、动静压电主轴等。本发明应用了钨钢套轴承，有效控制热胀系数，提高耐磨性，加入了主轴心轴中空制冷回流循环装置，加入恒温控制器，有效控制心轴的升温变形，使已知的动静油压永磁伺服电主轴转速度调速范围得到拓宽，在不丢失高精度，高刚性的情况下，达到更高的转速。

电主轴按电机安装方式分类为外置式电主轴与内置式电主轴，外置式电主轴通过联轴器或皮带轮与机械主轴联接，具有安装维修方便等特点，但会消耗动力能耗，安装过程中同轴度精度不是非常高，噪音也会相对响一点；内置式电主轴，因其电动机转子定子装在轴心中间，前后两端装滚动轴承或滑动轴承，这种结构最大的弊端是时间用久了一定会渗油进电机转定子，最终引起电机损坏，后期维修成本高，重复拆装后，轴壳轴承轴心容易损伤损坏。

在现有技术中，专利号200420069406.7、专利号200720063388.5、专利号201620694091.8、专利号20121010430201.6、专利号201210429927.8这几件较为相近的现有技术，经检索以上专利均未发现，对动静油压主轴的精度稳定性说明原因及提出合理的创新。

本申请所涉及的结构主要用于磨床砂轮轴或高端车床动力轴上，如图1所示，包括主轴心轴100、主轴永磁伺服电机200、主轴安装箱体300和主轴油压站机构四个主要部分。

本结构中的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴中主轴心轴的输入部为中空，输出部为实心，主轴心轴的中空结构部分通入冷却回流循环装置，主轴心轴的输入部的输入端设置高压进油孔，与主轴壳体腔室共用出油口，形成一个封密的液流循环内腔，进油口设有转接滚动密封轴承和转接法兰，在主轴心轴高速转时，接入的液压管接头及管路不动，为保障心轴制冷稳定均量，心轴内设有多个用于制冷回流的小孔。

本结构的创新在于主轴心轴的中空可通入冷却回流循环装置，伺服电机转子定子后置装配，电机轴心与动静压主轴轴心为一体化同轴心，提高了整体轴心精度。本方案减去了中空过渡的联接环间，达到了同轴同心的高精度制造结果。

作为一个具体的实施例，止推钨钢套轴承101、径向止推钨钢套轴承104、径向内支撑钨钢套轴承105，都设有多道油密封环，密封环为耐磨耐高温材料。箱体轴前盖102设有密封环，箱体轴前盖102再加入高气密封设置，箱体轴前盖102用于密封止推钨钢套轴承101轴承。止推钨钢套轴承101轴承位于主轴心轴止推法兰103的前端，径向止推钨钢套轴承104轴承位于主轴心轴止推法兰103的后端；止推钨钢套轴承101的径向外侧设置有法兰面；径向内支撑钨钢套轴承105轴承位于主轴心轴100本体的输入端一侧的外表面上；径向止推钨钢套轴承104和径向钨钢套轴承均位于主轴壳体109的壳体内侧。

本发明的创新在于动静油压主轴使用三个钨钢套作为滑动轴承支撑，其中设定2个钨钢套设有止推作用，即径轴向都有支撑，而且2个止推钨钢套都设在出力输出端位置，这种创新是拆装维修方便，可以把精度做得更高。钨钢套材质确定为高密度铸造或锻打锡青合金铜材质，提高耐磨性及控制热变形量，达到微间隙、微变形与轴心配合。动静油压主轴与滚动轴承传动主轴最大的区别在于：滚动轴承是接触式的，因轴承是由轴承内圈、外圈与中间的滚珠或滚柱组成，轴承在滚动过程中会产生磨擦产生震动，这种旋转振动会最影响到主轴跳动及输出真圆度。

具体地，在主轴外壳上设置有进油孔216，该孔与箱体上的液压油进油孔301相联接，在主轴外壳内设置有液压油的流动空腔，该空腔的出口位于径向止推钨钢套104和径向内支撑钨钢套105上，液压油通过该空腔进入轴承套所在位置，径向止推钨钢套104和径向内支撑钨钢套105自身均设置有通孔，使得液压油能够从轴承套与主轴外壳之间流向轴承套与主轴心轴之间，径向止推钨钢套104和径向内支撑钨钢套105的内侧均设置有一个很微薄的空腔，用于流入液压油，随着液压油进入轴承套位置之后，轴承套与主轴心轴在高压油作用下浮离，在确保了两者之间相互浮离之后，主轴在静压油浮起的状态下进行高速转动，在主轴启动后，依靠浅腔阶梯效应形成的动压承载力和静压承载力叠加,大大地提高了主轴承载能力，且克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损现象，提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性，高压油膜的均化作用和良好的抗振性能,保证了主轴具有很高旋转精度和运转平稳性。

在主轴外壳上还可以设置有出油孔217,使得液压油能够回流至箱体内，也可以直接在主轴外壳的出油孔217接出管接头回流至主轴油压站机构中。

本结构中动静油压主轴的钨钢套轴承与轴心是紧密微米级的间隙配合，在密闭的轴腔内泵入高压主轴油，使轴心与钨钢套在压力的作用下浮离，在实际使用过程中，主轴的输出心轴与钨钢套在高压油的作用下是不贴合接触的，接触到钨钢套轴承与心轴的是密封件，而机械密封件是由多个O型圈或油封组成。与现有的技术所不同的是，现有技术中所采用的铜套，再加工在主轴高速旋转过程中会产生大量的热量，而这些热能会使主轴的轴心与铜套升温，而铜与轴承钢的热胀比不同，导致铜导热升温比钢快，随着主轴转速的升高，主轴外部的工件负载的增加，铜套的温升会抱死主轴心，最终导致铜套与轴心接触到磨损心轴，丢失精度。本申请所提出的一种高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其结构上采用了热胀系数很低的金属钨钢套(硬质合金)轴承，钨钢的热胀系数在4.5-6之间，而铜的热胀系数在17-18之间，高刚性的合金钢的热胀系数在12-14之间。根据已知的材料查到钨钢的热胀系数更低。而石墨的热胀系数在2左右，玻璃、陶瓷一类的氧化铝瓷(Al₂O₃含量96％)在25～300℃的膨胀系数为6.7，在25～700℃的膨胀系数为7.72，氧化铝瓷(Al₂O₃含量99.5％)在25～300℃的膨胀系数为6.8，在25～700℃的膨胀系数为8.03，普通电瓷(SiO₂·Al₂O₃)在25～300℃的膨胀系数为9.0，在25～700℃的膨胀系数为9.04，莫来石瓷(2SiO₂·3Al₂O₃)在25～300℃的膨胀系数为4.0，在25～700℃的膨胀系数为4.05，但以上三种材料，比起钨钢要脆，抗冲击性差。这是本发明最终不用这几种材料的原因。最终经过反复实验后采用钨钢套(硬质合金)做轴承，能有效控制热胀。为了解决负载与转速温升的后果，传统已公开的专利方法是增加泵入油的量及扩大泵口流速，这种方法是可以解决一些温升问题，但会增加液压站的容量及功耗。如何使油温恒定是动静油压主轴能稳定高精度使用的关键，所以要在已公开的各种专利中再创新，加入更合理的油制冷设备，做到能在线控制油温，在动静油压主轴钨钢套处加设一至二个温度传感器，通过温度传感器在不同的主轴工作工况中把温度传过到数控***，由数控***接收到不同的温度后给数控油制冷机发送信号，数控油冷机收到信号后自动调节制冷的温度及流速流量，从而到主轴基本能在恒温状态下工作，达到高精度稳定使用的目标。这个创新特征在于给主轴的液压流体加入一个全聪明能自理的脑子，能自动调节体温。

本申请中的主轴安装箱体300为多面体空腔结构，其中箱内内部为空腔，主要为了减重及转接储存回流的液压油，把主轴内部高压油回流时作零时储存，起到在腔体内冷却，再方便由转接加油管接头202接入，送回到油压站进行恒温冷却，再循环高压泵入主轴内。主轴安装箱体300主要由箱体两端精密加工来支撑主轴的固定，为进一步得到箱高刚性，轻质量，位于箱体安装底面采用小方格腔体避空设置加强筋，底座中间设有导向滑动槽303，方便整个箱体可以在安装平台上移动位置。主轴安装箱体300前后两端，在底部与主轴壳体109孔下方设有多个避重孔，孔与孔壁间设有加强筋，箱体底部两侧设有回油口螺纹孔，箱体上部设有进油口螺纹孔，箱体顶部设有封盖板，用螺栓501锁入安装。主轴安装箱体300采用优质铸铁铸造而成型后经过6面精加工而成。

本申请中，伺服电机包括：主轴永磁伺服电机转子204、主轴永磁伺服电机定子205、永磁伺服电机冷却水套203、中空伺服永磁电机绝对值编码器206、后拉油压缸联接法兰207和后置式油压旋转缸或气压缸。其中，主轴永磁伺服电机转子204、主轴永磁伺服电机定子205、永磁伺服电机冷却水套203和伺服电机的壳体210依次由内至外位于主轴心轴100的输入部外壁上；主轴永磁伺服电机转子204通过内衬套与主轴心轴100联接，通过胀套、压盖紧固螺栓106方式安装固定；

永磁伺服电机的壳体210为圆筒状，安装端为法兰形，另一端为电源线出线端，设有密封端盖208，密封端盖208外侧安装固定中空伺服永磁电机绝对值编码器206；密封端盖208上安装有中控编码器密封端盖209；中空伺服永磁电机绝对值编码器206位于中控编码器密封端盖209内，并通过永磁伺服电机出线密封接头211与外部连接；主轴心轴100的输入部伸出永磁伺服电机的壳体210的后端密封端盖208，端部通过螺栓501连接液压油缸安装法兰；液压油缸安装法兰通过螺栓501连接后拉油压缸联接法兰207。

主轴永磁伺服电机转子204、主轴永磁伺服电机定子205，是配套组合使用的，采用定子的绝缘等级为F级，定子内置温度传感器和130℃常闭热保护器。转子内外圆精磨，达到很好的动平衡性，通过内衬套与主轴心轴100联接，通过胀套、压盖紧固螺栓106方式安装固定。主轴永磁伺服电机转子204、主轴永磁伺服电机定子205，采用电压等级为400V高压输入，采用6极或4极的高转矩绕阻定子，定子外壳设有冷却水套，用于冷却运行产生的温度，通过外部液冷却使其能在恒定的温度平稳运行。

永磁伺服电机主壳体210是与主轴安装箱体300联接，永磁伺服电机主壳体210是套设在定子水套外圆上，通过精密配合使定子固定主轴壳体210内，主壳体210一端设有冷却液入口接头，另一端设有回液出口，通过循环液流通带走主轴旋转时产生的热量。永磁伺服电机主壳体210为圆筒状，安装端为法兰形，另一端为电源线出线端，设有密封端盖208，密封端盖208外侧安装固定中空伺服永磁电机绝对值编码器206。

中空伺服永磁电机绝对值编码器206，由外磁环与内磁环及编码器读数头组成，通过把内磁环固定在可旋转主轴心轴100上，把外磁环与编码器读数头固定在密封端盖208外侧，随着主轴心轴100旋转带动内磁环旋转，通过外磁环上的读数头能精准把数据信息反馈给数控***，达到在线实时测控的目的。中空伺服永磁电机绝对值编码器206的出线由密封出线盒，密封编码线接头固定在电机主壳体210后端。

本发明的创新在于伺服电机转子定子后置装配，电机轴心与动静压主轴轴心为一体化同轴心，提高了整体轴心精度，减去了中空过渡的联接环间，达到了同轴同心的高精度制造结果。

本发明创新在于电动机转定子采用永磁伺服结构并使用中空型绝对值高精度光栅编码器，在与数控***配合过程中可使用国际通用和M2\M3总线高端数控***。使用中空型绝对值高精度光栅编码器能在旋转过程中随定位，定位精度可达到角秒。加入了编码器就是给伺服电机加入了心片，加入微型电脑，通过编码器实时与数控***实时在线控制，主轴实际转速，主轴的外部负载，主轴的电流电压都能通过编码器实时传递给数控***，在负载的大小数控驱动器会实时调整电流电压，做到真正的节能，从已公开的专利电主轴检索到电动机只是通过变频器来调速度，但数控***并未能实际检测到真实的速度与负载，因变频器只是模拟控制，达不到实时闭环控制，就象手机的3G与5G的概念。有了绝对值高精度光栅编码器后，主轴出现帮障，数控***能检测基本故原因，如电流电压过载过流主轴抱轴，可以在数控***中设定故障原因，并提示报警，为维修点使用提供保障。达到了智能主轴的基本标准。本发明的创新在于主轴在配合数控机床生产过程中可任意时间段刹车停止定位，进行角度加工分度，又能高速旋转进行磨削加工。

本申请中后拉油压缸联接法兰207通过紧固螺栓106固定的主轴心轴100后端，后置式油压旋转缸或气压缸通过紧固螺栓106固定在联接法兰上。后置式油压旋转缸或气压缸供油供气***，由外置油压站供油，通过高压管路泵入高压油，通过电磁阀由数控***控油压缸的拉紧松开。使用气压缸时可以通过气泵输入高压气体，通过电磁阀由数控***控气压缸的拉紧松开，油压缸与气压缸可以根不同工况而选择使用。

主轴前端输出端可以快速更换各种砂轮，具体地可以是平端用于联接输出砂轮法兰，也可以用外锥形，用于联接内锥形砂轮法法兰盘，砂轮法兰带有在线动平衡调节块及多个调节螺栓，主轴心轴输出端前端设置反牙外螺纹，用于安装法兰紧固螺母，也可以转接小直径砂轮轴杆，砂轮杆外周设有多个动平衡调节螺栓，砂轮杆锁紧螺母设置有多个动平衡调节螺栓，加装砂轮轴杆主用于磨削工件内孔、内壁，也可加装镗刀、铣刀盘，用进给量大的加工，设置多工件动平衡调节，为了达到在不同的转速及负载下得到更好的旋转精度。

本申请中的主轴油压站机构与主轴心轴液压站可以共用，在原有油站容油箱上加入一台泵入机构，包括油站容油箱，油压泵，油压阀，压力表，高压管路，恒温制冷油冷机组成，这一块的结构采用的是现有技术的方案，因此这里就不进行赘述。本发明提供了动静油压主轴的液体源说明，经多年反复实验论证，使用5-10#液压主轴油，定为最佳方案，而不是已公开的专利中其它液体或油，经研究实验发现不是简单找一种液体或者油就能使主轴达到稳定高精度运行，主轴油的应用与配合是一种非常重要的技术。主轴油的使用温度定为20-25度之间为最佳，使用油压站在静压情况下1.8-3.5mpa压力为最合理。主轴油通过油压站泵入动静压主轴壳体腔体内，由回油口回流至油压站，再由油压站泵入动静压主轴，油压站内的主轴油，通过油制冷机控制油温度进液流循环制冷达到恒温效果。

本发明创新在于提出动静油压主轴的调速范围的限定，动静油压主轴有其特的有无接触轴承使其免于震动，但要调速范围宽，转速高必须放大主轴心与钨钢套之间的微间隙，从所公知间隙越大，泵入的油量越大形成油膜更厚，但油膜间隙可以随外部负载的重量被压挤而导致主轴心跳动增加而失动直正义意上的精度。故不同钨钢套与轴心间隙决定了主轴最终的转速，而增加泵入的油压是有局限性的，如正常在使用的油压为1.8-2.5MPA,如油超过4.0MPA后很难有物理机械结构可以密封得了，油会渗漏损坏密封件，另外高压油的泵入使得主轴腔内承得超强的压力，使所有的金属结构件胀力作用下产生形变从而丢失精度。从多年的实验中总结出来的技术证明，动静油压的主轴使用铜套做轴承时转速范围是不能宽，只能在一定区间范围内使用才能保证主轴的精度，而不能像滚动轴承式主轴调速范围0-24000转.本发明创新在于提出了动静油压主轴的可调节转速范围更宽的创新。因创造动静油压主轴的最终目标是为了得到超高的转动精度及超高的转动刚性，但同时要达到超宽的转速范围。从本发明的创新点上设定了一种磨削主轴调速范围为7000转以内不丢失刚性及精度，根据砂轮的线速度，一般常用砂轮外径400-600MM，主轴的基准设定为2000转，通过创新方法控制主轴做功时产生的温度，可以把主轴的转速调至7000转，经过数千的实验论证，如果把转速再往上调，主轴温升、油压等技术问题无法得到有效控制，会使主轴加速损坏。现提出5000转的调速范围，又能达到长寿命使用。本发明为了提高主轴的调速范围的目的是，能使这台主轴即能适于磨外圆大直径的砂轮，又能适用于小直径的内圆砂轮，因砂轮小了需要更高的转速，故同一主轴要在大小砂轮都能用的情况下，必须要解决一个较宽的主轴调速范围。

在已检索到的公开专利中并未有创新设计动静油压主轴箱体设计，箱体的安装设计是主轴最终精度的保障，为了使主轴的安装精度更高，箱体材料是关键，为了减小体积，提高刚性，箱体材料采用TH300以上的优质铸造铁，也可使用优质合金钢。TH300铸铁通过铸造-回火去应力-粗加工-深冷-精加工得到完整加工成品，合金钢通过-粗加工-调质热处理-深冷-精加工得到完整加工成品。箱体最主要特征是箱体的结构，内部的空腔，前后减重避空位，箱体两端的支撑圆壁，箱体盖，箱体底部导向槽，高压油进油转接口，排油口。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (10)

1.一种高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，安装于磨床砂轮轴或高端车床动力轴上，其特征在于：包括主轴心轴、主轴永磁伺服电机、主轴壳体、主轴安装箱体和主轴油压站机构；所述主轴油压站机构向安装在主轴安装箱体内的主轴壳体腔内供油；所述主轴壳体上设置有进油口、出油口及密封件；

所述主轴心轴分为输出部和输入部；所述主轴心轴的输入部位于伺服电机的转子内孔心轴内，所述伺服电机与主轴心轴之间形成同轴一体化心轴结构；

所述主轴心轴的输出部外侧上，沿输出端向输入端方向依次设置有止推钨钢套轴承、主轴心轴止推法兰、径向止推钨钢套轴承和径向内支撑钨钢套轴承；所述径向止推钨钢套轴承和径向内支撑钨钢套轴承的外部设置有所述主轴壳体的套轴；所述止推钨钢套轴承的径向外侧设置有法兰面；所述径向内支撑钨钢套轴承的轴承位于主轴心轴的输出部一侧的外表面上；所述径向止推钨钢套轴承和径向钨钢套轴承均位于主轴壳体的壳体内侧；所述主轴壳体在主轴心轴的输出端一侧设置有箱体轴前盖；所述箱体轴前盖的内侧与止推钨钢套轴承相配合进行密封；

所述主轴壳体穿过主轴安装箱体并与主轴安装箱体的前端固定；所述伺服电机的壳体通过螺栓与主轴安装箱体的后端固定；

所述伺服电机包括：主轴永磁伺服电机转子、主轴永磁伺服电机定子、永磁伺服电机冷却水套、中空伺服永磁电机绝对值编码器、后拉油压缸联接法兰和后置式油压旋转缸或气压缸；

其中，所述主轴永磁伺服电机转子、主轴永磁伺服电机定子、永磁伺服电机冷却水套和伺服电机的壳体依次由内至外位于主轴心轴的输入部外壁上；所述主轴永磁伺服电机转子通过内衬套与主轴心轴联接，通过胀套、压盖紧固螺栓方式安装固定；

所述永磁伺服电机的壳体为圆筒状，安装端为法兰形，另一端为电源线出线端，设有密封端盖，密封端盖外侧安装固定中空伺服永磁电机绝对值编码器；所述密封端盖上安装有中控编码器密封端盖；所述中空伺服永磁电机绝对值编码器位于中控编码器密封端盖内，并通过永磁伺服电机出线密封接头与外部连接；所述主轴心轴的输入部伸出永磁伺服电机的壳体的后端密封端盖，端部通过螺栓连接液压油缸安装法兰；所述液压油缸安装法兰通过螺栓连接后拉油压缸联接法兰；

所述主轴心轴、主轴安装箱体和伺服电机及编码器形成全密封三防结构；所述后置式油压旋转缸或气压缸作为主轴工件快速夹持固定机构。

2.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：

所述主轴心轴的输入部为中空结构，输出部为实心结构；

所述主轴心轴的输出部的输出端采用平端结构，用于联接输出砂轮法兰；

所述主轴心轴的输出部的输出端采用外锥形结构，用于联接内锥形砂轮法法兰盘；所述砂轮法兰盘带有在线动平衡调节块及多个调节螺栓；

所述主轴心轴的输出部的输出端设置反牙外螺纹，用于安装法兰紧固螺母或转接小直径砂轮轴杆或镗刀或铣刀盘，所述砂轮杆外周设有多个动平衡调节螺栓，所述砂轮杆锁紧螺母设置有多个动平衡调节螺栓；所述砂轮轴杆用于磨削工件内孔、内壁；

所述主轴心轴的中空结构部分通入冷却回流循环装置，主轴心轴的输入部的输入端设置高压进油孔，与主轴壳体腔室共用出油口，形成一个封密的液流循环内腔；所述进油口设有转接滚动密封轴承和转接法兰，在主轴心轴高速转时，接入的液压管接头及管路不动；所述主轴心轴内设有多个用于制冷回流的小孔。

3.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：

所述止推钨钢套轴承、径向止推钨钢套轴承、径向内支撑钨钢套轴承，均设有进油槽以及多道油密封环，密封环为耐磨耐高温材料。

4.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：

所述箱体轴前盖设有密封环，用于密封止推钨钢套轴承轴承。

5.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：

所述主轴安装箱体为多面体空腔结构，其中箱内内部为空腔；所述主轴安装箱体的两端用于支撑主轴的固定；

所述主轴安装箱体的安装底面采用小方格腔体避空设置加强筋，底座中间设有导向滑动槽；

所述主轴安装箱体的前后两端，在底部与主轴壳体孔下方设有多个避重孔，孔与孔壁间设有加强筋，箱体底部两侧设有回油口螺纹孔，箱体上部设有进油口螺纹孔，箱体顶部设有封盖板，用螺栓锁入安装。

6.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：

所述主轴永磁伺服电机定子的绝缘等级为F级，定子内置温度传感器和130℃以内的常闭热保护器；

所述主轴永磁伺服电机转子和主轴永磁伺服电机定子均采用电压等级为400V高压输入，采用6极或4极的高转矩绕阻定子，定子外壳设有冷却水套，用于冷却运行产生的温度，通过外部液冷却使其能在恒定的温度平稳运行。

7.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：

所述永磁伺服电机的壳体与主轴安装箱体联接，永磁伺服电机的壳体套设在永磁伺服电机冷却水套的外圆上；

所述永磁伺服电机的壳体一端设有冷却液入口接头，另一端设有回液出口，通过循环液流通带走主轴旋转时产生的热量。

8.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：

所述中空伺服永磁电机绝对值编码器由外磁环与内磁环及编码器读数头组成，其中内磁环固定在主轴心轴上，外磁环与编码器读数头固定在密封端盖外侧。

9.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：

所述主轴心轴内孔设置有BT或莫氏结构的外锥型并带有反牙螺纹螺杆。

10.根据权利要求1所述的高速心轴内冷动静油压永磁伺服电主轴，其特征在于：所述的主轴油压站机构包括油站容油箱，油压泵，油压阀，压力表，高压管路和恒温制冷油冷机；所述油站容油箱的液压油采用5-10#液压主轴油，主轴油的使用温度定为20-25℃之间，油压站在静压情况下的压力为1.8-3.5mpa；

所述主轴油通过所述油压站泵入主轴壳体的腔体内，由回油口回流至油压站，再由油压站泵入主轴壳体的腔体内，主轴油通过恒温制冷油冷机控制油温度进液流循环制冷达到恒温效果。

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