[发明专利]一种集成Z轴的高频高速主轴装置

说明书

技术领域

本发明涉及机床主轴技术领域，特别是涉及一种集成Z轴的高频高速主轴装置。

背景技术

传统机床主轴主要包括以滚动轴承为支撑元件的主轴、磁悬浮主轴、液体静压主轴和气体静压主轴。

其中以滚动轴承为支撑元件的主轴是最为常见的主轴，它的制造成本较低、刚度和承载较高，但是磨损大，寿命短，精度低。而磁悬浮主轴的精度较高，磨损较小，刚度和承载较高，但是它的造价昂贵，控制较为困难，因此其运用较少。相比而言，液体静压主轴和气体静压主轴的制造成本适中，精度也很高，速度高。然而，液体静压轴承主轴由于液压油的粘度过大，会导致发热较为严重，因此需要配置冷却机构以及液压站。因此就经济性，制造和使用的可行性而言，气体静压主轴是较为理想的选择。

超精密加工机床的主轴一般采用的是静压气浮主轴。超精密静压气浮主轴是采用无框力矩电机带动转子转动的，所以在结构上超精密气浮主轴的无框力矩电机是与主轴是一体的，因此在传动上没有传统的齿轮传动和带传到等中间环节，使得机床主轴系统实现了“零间隙传动”。

但是现有的气浮主轴需要通过外部的线性电机模块来和主轴进行耦合以实现主轴Z轴(即主轴的轴向)方向的移动，其不但结构复杂，而且体积大。

因此，如何提供一种集成Z轴的高频高速主轴装置，以提高其集成度，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成Z轴的高频高速主轴装置，可以有效解决现有主轴集成度低等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种集成Z轴的高频高速主轴装置，包括：壳体、和均设置在所述壳体内的芯轴、径向气浮轴承、轴向气浮轴承和旋转力矩电机以及线性电机；

所述芯轴通过所述径向气浮轴承支撑连接在所述壳体内，所述旋转力矩电机的动子固定在所述芯轴上，所述旋转力矩电机的定子固定在所述壳体的内部，所述芯轴的第一端部通过所述轴向气浮轴承和所述线性电机耦合连接，所述线性电机的定子固定在所述壳体第一端部的内壁，所述线性电机的动子和所述轴向气浮轴承连接，所述芯轴的第二端部连接有刀具，所述壳体内还设有用于检测所述芯轴轴向移动距离的光栅尺检测装置。

优选地，所述壳体包括依次对接的第一端壳、第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒和第二端壳；

所述线性电机和所述光栅尺检测装置位于所述第一端壳内；

所述轴向气浮轴承位于所述第一圆筒内；

所述旋转力矩电机位于所述第二圆筒内；

所述径向气浮轴承位于所述第一圆筒内；

所述第二端壳上设有通孔，所述芯轴的第二端部设有刀具夹持端，所述夹持端通过所述通孔延伸至所述第二端壳外部。

优选地，所述线性电机动子通过过渡圆柱和所述轴向气浮轴承连接，所述过渡圆柱上设有光栅尺安装板，所述线性电机的定子上设有光栅尺读数头安装板。

优选地，所述芯轴的第一端部的末端设有第一凸缘，所述芯轴的第一端部的外侧壁上套设有端盖，所述第一凸缘位于所述端盖和所述轴向气浮轴承构成的第一腔室内。

优选地，所述旋转力矩电机的动子通过径向力环、顶环和锁紧螺母固定在所述芯轴上。

优选地，所述径向气浮轴承的一端外侧设有环形凸台，所述第二端盖和所述第三圆筒分别连接在所述环形凸台的两侧，所述芯轴的第二端部设有第二凸缘，所述第二凸缘位于所述第二端壳和所述环形凸台构成的第二腔室内。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明所提供的一种集成Z轴的高频高速主轴装置，包括：壳体、和均设置在壳体内的芯轴、径向气浮轴承、轴向气浮轴承和旋转力矩电机以及线性电机；芯轴通过径向气浮轴承支撑连接在壳体内，旋转力矩电机的动子固定在芯轴上，旋转力矩电机的定子固定在壳体的内部，芯轴的第一端部通过轴向气浮轴承和线性电机耦合连接，线性电机的定子固定在壳体第一端部的内壁，线性电机的动子和轴向气浮轴承连接，芯轴的第二端部连接有刀具，壳体内还设有用于检测芯轴轴向移动距离的光栅尺检测装置。

应用本发明提供的主轴装置，通过旋转力矩电机可以实现芯轴的旋转运动，当需要芯轴进行Z轴方向(即芯轴的轴线方向)的移动时，通过在轴向气浮轴承内通入气体，即可实现芯轴和线性电机的耦合，然后通过线性电机的工作，即可使得芯轴进行轴向运动，当不要轴向进给时，停止给轴向气浮轴承供气，使得芯轴和线性电机解耦即可。因此通过上述结构的主轴装置，可将旋转运动和直线运动集成在主轴装置内部，进而使得主轴装置惯性最小化，从而最大化加速度。