一种切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机

摘要

本发明公开了一种切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机，包括刀具主轴、定子轭部套筒、动子齿极套筒、定子端盖、以及定子部件；所述定子轭部套筒的一端固定于主轴箱内，定子部件沿轴向依次设置于定子轭部套筒内，定子部件的两端分别设有第一隔磁铝环及第二隔磁铝环，第一隔磁铝环固定于定子轭部套筒的内侧，定子端盖分别与第二隔磁铝环及定子轭部套筒的另一端固定连接，刀具主轴的端部穿过主轴箱插入于定子部件内，动子齿极套筒套接于刀具主轴的端部，动子齿极套筒的两端分别设有第三隔磁铝环及第四隔磁铝环，第三隔磁铝环及第四隔磁铝环均套接于刀具主轴上。本发明能够实现刀具进给的变频振动。

说明书

技术领域

本发明属于切削加工机床刀具进给驱动领域，具体涉及一种切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机。

背景技术

在目前的切削加工研究发现，对切削刀具在进给过程中施加轴向振动，能有效降低金属切削阻力，大大提高切削质量和效率，传统切削机床刀具的进给运动由“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的驱动方式实现，若要实现轴向振动需要伺服电机频繁正反转，不仅电机发热量大，而且丝杠副滑动摩擦噪声大大增加，磨损厉害；新型的刀具进给系统采用永磁同步直线电机直接驱动的方式，有效降低摩擦噪声，但由于电机动子上安装有永磁体，变频振动使永磁体温度大大升高，容易产生退磁现象，且结构稳定性差，因此，现有的切削机床刀具进给系统实现变频振动的施加存在非常大的困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机，该电机能够实现刀具进给的变频振动。

为达到上述目的，本发明所述的切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机包括刀具主轴、定子轭部套筒、动子齿极套筒、定子端盖、以及定子部件；

所述定子轭部套筒的一端固定于主轴箱内，定子部件沿轴向设置于定子轭部套筒内，定子部件的两端分别设有第一隔磁铝环及第二隔磁铝环，第一隔磁铝环固定于定子轭部套筒的内侧，定子端盖分别与第二隔磁铝环及定子轭部套筒的另一端固定连接，刀具主轴的端部穿过主轴箱插入于定子部件内，动子齿极套筒套接于刀具主轴的端部，动子齿极套筒的两端分别设有第三隔磁铝环及第四隔磁铝环，第三隔磁铝环及第四隔磁铝环均套接于刀具主轴上；

所述定子部件由若干定子模块组成，各定子模块沿轴向设置于定子轭部套筒内，定子模块包括左定子齿环、右定子齿环、绕组线圈及永磁体，永磁体的一侧面与左定子齿环的一侧面相接触，左定子齿环的另一侧面与右定子齿环的一侧面相接触，右定子齿环的另一侧面与下一个定子模块中永磁体的另一侧面相接触，各定子模块中的永磁体均沿轴向磁化，相邻两个定子模块中永磁体的磁化方向相反，右定子齿环在与左定子齿环的接触面上设有环形凹槽，绕组线圈缠绕于定子模块中右定子齿环与相邻定子模块中永磁铁及左定子齿环形成的整体结构上，相邻的三个绕组线圈为一组三相绕组，所有三相绕组中相同相的绕组线圈沿轴向串联连接。

还包括用于对刀具主轴起导向作用的滑键，滑键穿过主轴箱沿刀具主轴的轴向设置。

还包括微冲位移传感器及标尺滑杆，标尺滑杆的一端穿过定子端盖插入于刀具主轴内，标尺滑杆的另一端与微冲位移传感器相连接，微冲位移传感器固定于定子端盖上。

所述第四隔磁铝环通过锁紧螺母轴向固定于刀具主轴的端部。

所述刀具主轴的端面上设有定位磁环，标尺滑杆穿过所述定位磁环。

所述第一隔磁铝环通过外螺纹螺母固定于定子轭部套筒的内壁上。

所述绕组线圈为圆环饼状结构。

所述定子轭部套筒的外壁上设有凸缘，所述凸缘卡接于主轴箱的内壁上。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机直接通过驱动刀具主轴进行轴向进给，省去一切中间传动环节，使整体系统结构简单，效率高，动态响应快。同时，所述切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机通过输入带谐波分量的正弦波电流能产生谐波脉动推力，通过改变谐波分量的频率和幅值，实现刀具主轴的轴向变频振动，振动施加的方式简单，摩擦噪声小，因此，本发明的切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机可应用于实现各类切削机床刀具轴向进给的同时施加变频振动，从而提高切削机床的加工质量和效率。另外，以动子齿极套筒作为动子部件，鲁棒性强，定子模块包括永磁体及绕组线圈，有利于散热。

进一步，通过标尺滑杆及微冲位移传感器获取本发明所述的刀具变频振动用的谐波推力直线电机的直线位置及速度，为实现高精度快速响应反馈控制奠定基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中定子部件及动子齿极套筒9的结构示意图；

图3为本发明输入带谐波分量的电枢电流波形图；

图4为本发明在输入电流波形后产生的输出推力波形图。

其中，1为刀具主轴、2为主轴箱、3为滑键、4为定子轭部套筒、5为永磁体、6为左定子齿环、7为右定子齿环、8为绕组线圈、9为动子齿极套筒、101为第一隔磁铝环、102为第二隔磁铝环、103为第三隔磁铝环、104为第四隔磁铝环、11为定子端盖、12为锁紧螺母、13为定位磁环、14为标尺滑杆、15为微冲位移传感器、16为外螺纹螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，切削机床的刀具变频振动用的谐波推力直线电机包括刀具主轴1、定子轭部套筒4、动子齿极套筒9、定子端盖11、以及定子部件；

所述定子轭部套筒4的一端固定于主轴箱2内，定子部件沿轴向设置于定子轭部套筒4内，定子部件的两端分别设有第一隔磁铝环101及第二隔磁铝环102，第一隔磁铝环101固定于定子轭部套筒4的内侧，定子端盖11分别与第二隔磁铝环102及定子轭部套筒4的另一端固定连接，刀具主轴1的端部穿过主轴箱2插入于定子部件内，动子齿极套筒9套接于刀具主轴1的端部，动子齿极套筒9的两端分别设有第三隔磁铝环103及第四隔磁铝环104，第三隔磁铝环103及第四隔磁铝环104均套接于刀具主轴1上；

所述定子部件由若干定子模块组成，各定子模块沿轴向设置于定子轭部套筒4内，定子模块包括左定子齿环6、右定子齿环7、绕组线圈8及永磁体5，永磁体5的一侧面与左定子齿环6的一侧面相接触，左定子齿环6的另一侧面与右定子齿环7的一侧面相接触，右定子齿环7的另一侧面与下一个定子模块中永磁体5的另一侧面相接触，各定子模块中的永磁体5均沿轴向磁化，相邻两个定子模块中永磁体5的磁化方向相反，右定子齿环7在与左定子齿环6的接触面上设有环形凹槽，绕组线圈8缠绕于定子模块中右定子齿环7与相邻定子模块中永磁铁及左定子齿环6形成的整体结构上，相邻的三个绕组线圈8为一组三相绕组，所有三相绕组中相同相的绕组线圈8沿轴向串联连接。另外，本发明还包括微冲位移传感器15、标尺滑杆14以及用于对刀具主轴1起导向作用的滑键3，滑键3穿过主轴箱2沿刀具主轴1的轴向设置。

需要说明的是，所述标尺滑杆14的一端穿过定子端盖11插入于刀具主轴1内，标尺滑杆14的另一端与微冲位移传感器15相连接，微冲位移传感器15固定于定子端盖11上，第四隔磁铝环104通过锁紧螺母12轴向固定于刀具主轴1的端部，刀具主轴1的端面上设有定位磁环13，标尺滑杆14穿过所述定位磁环13，第一隔磁铝环101通过外螺纹螺母16固定于定子轭部套筒4的内壁上，绕组线圈8为圆环饼状结构，定子轭部套筒4的外壁上设有凸缘，所述凸缘卡接于主轴箱2的内壁上。

本发明的工作原理如下所示：

所述刀具变频振动用的谐波推力直线电机的定子铁心为由左定子齿环6及右定子齿环7构成的U形模块，轴向充磁的永磁体5间隔放置在两个U形铁心模块之间，且相邻两个永磁体5充磁方向相反，绕组线圈8缠绕于定子模块中右定子齿环7与相邻定子模块中永磁铁及左定子齿环6形成的整体结构上，从而形成“三文治”结构，设任意一个定子模块中右定子齿环7与相邻定子模块中永磁铁及左定子齿环6形成一个定子齿，当动子齿极套筒9上的动子齿极与定子齿对齐时，绕组线圈8的匝链磁通达到最大；当动子齿极淘套筒上动子齿极向前移动与相邻的定子齿对齐时，绕组线圈8的匝链磁通方向反转且达到最大，在两个位置之间的绕组线圈8的匝链磁通呈正弦波变化，因此刀具变频振动用的谐波推力直线电机的控制方法与传统永磁同步电机相同，对三相绕组线圈8输入三相正弦波电流，输出稳定的电磁推力驱动电机动子沿轴向运动。

当绕组线圈8输入带谐波分量的正弦波电流时，输出推力含谐波脉动分量，以5次谐波分量为例，如图3所示，在三相正弦波基波上叠加5次谐波分量的电流，输入到三相绕组线圈8中，产生的输出推力如图4所示，在稳定的基波电磁推力上叠加有幅度和频率稳定的推力脉动，通过改变电流谐波分量的幅值和频率，输出的推力脉动幅度和频率也相应改变，实现变频振动。

另外，在所述的刀具主轴1的端部设置有定位磁环13，标尺滑杆14穿过所述定位磁环13插入于所述刀具主轴1内，微冲位移传感器15设置在定子端盖11上并与标尺滑杆14连接，所述微冲位移传感器15通过定位磁环13在所述标尺滑杆14的相对位置测量所述本发明的的速度和位移。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。