主軸裝置和具有主軸裝置的工具機的製作方法

2023-06-05 16:37:06 2

本發明涉及一種主軸裝置，尤其涉及在刀具接納側具有額外電氣負載(例如，振動構件或測量構件)的主軸裝置，和具有這種主軸裝置的工具機，或者優選為具有這種主軸裝置用於加工工件的移動工具機或移動銑床，尤其是用於加工大型工件或複合部件的表面。

背景技術：

通常類型的主軸裝置可從，例如wo2006/002675a1或ep0719199a1中知曉。根據上述現有技術，主軸裝置上設置有電氣負載(例如，振動裝置或電子測量裝置)，用於在工具機上的刀具頭部上使用，該刀具頭部用於接納一刀具，其中當刀具在主軸上被旋轉驅動時，電氣負載可以通過線圈結構被供給電能，該線圈結構具有固定的激勵線圈和可旋轉安裝的接收線圈。

然而，根據上述現有技術的主軸裝置的缺點在於，具有固定的激勵線圈和可旋轉安裝的接收線圈的線圈結構，導致刀具側刀具頭部處的設計不適當的笨重、繁冗和龐雜。這尤其導致了主軸裝置的更換困難。

為了使刀具的更換更加便捷，根據ep0719199a1，建議線圈構造的線圈中的至少一個僅形成為圓形段的形狀。藉此可使刀具更換更加便捷，但這樣的缺點在於，線圈之間的能量傳遞效率會變差。

有鑑於上述缺點，本發明的目的在於提供一種在刀具接納側具有額外電氣負載的主軸裝置，其允許簡單而緊湊的設計。進一步的，本發明的一個目的在於提供一種在刀具接納側具有額外電氣負載的主軸裝置，以允許簡單高效的刀具更換，優選地不會降低線圈之間的能量傳遞效率。

技術實現要素：

為了實現上述目的，提供一種根據權利要求1的主軸裝置和一種工具機，特別地為一種移動工具機。從屬權利要求涉及本發明的優選實施例。

根據本發明的第一方面，提供一種主軸裝置，該主軸裝置包括用於把持刀具或刀具把持刀具接口的刀具支架、具有用於旋轉驅動刀具支架的主軸轉子的主軸驅動器、設置在主軸轉子面向刀具支架的一側的至少一個電氣負載、和/或用於向所述至少一個電氣負載供應電能的線圈單元。根據本發明，該線圈單元設置在主軸轉子背對刀具支架的一側。

在本文中，本發明基於以下思想：避免了除了電氣負載之外，還在刀具支架側邊具有線圈單元的刀具頭部的繁冗且複雜的設計，而是將用於為電氣負載提供電能的線圈單元設置在主軸轉子背對刀具支架的一側。

這樣的優點在於，一方面，該主軸裝置的設計可以更簡單、更緊湊以及更低維護密集度而不會使刀具在刀具支架處或刀具接口處的更換變得困難；另一方面，可以在不受限制的條件下，在主軸轉子背對刀具支架的一側上線圈單元的線圈能夠被完全提供，從而不必損失線圈之間能量傳遞的效率。

此外，不同於現有技術，線圈單元的線圈可設置在主軸殼體內部，從而可以防止該線圈單元受到損害和汙染，這大大地優於現有技術。

在有益的實施例中，線圈單元優選地具有固定的激勵線圈和/或可旋轉安裝的接收線圈，特別優選地，在激勵線圈和接收線圈之間具有用於非接觸式能量傳遞的間隙。

在優選的有益實施例中，激勵線圈和/或接收線圈優選地被構造成整周線圈，藉此有利地使得線圈間極高的能量傳遞效率成為可能，尤其是當兩個線圈各自都構造成整周線圈時。

在此，術語「整周線圈」被理解為意指線圈導體在線圈橫截面中的整個圓周上延伸，且該線圈不僅只是形成為線圈或部分線圈的圓形段。「整周線圈」的橫截面優選為基本上圓形，但本發明並不將其限制為圓形線圈橫截面，其他的線圈橫截面也是可以想到的，例如橢圓形、正方形或多邊形，可選地具有圓角。

在有益的實施例中，可旋轉安裝的接收線圈優選地被安裝在主軸轉子背對刀具支架的一側上，其中該刀具支架位於主軸轉子端部，或者優選為直接或間接地緊固至該主軸轉子。優選地，當主軸裝置的主軸通過主軸驅動器驅動時，可旋轉安裝的接收線圈隨著可旋轉的主軸轉子轉動。

在有益的實施例中，固定的激勵線圈優選地附接至接納主軸轉子的主軸殼體，或者優選地直接或間接地緊固至主軸殼體。

在有益的實施例中，線圈單元優選地通過電線連接(尤其是電氣連接)至電氣負載。在優選的有益實施例中，至少電線中的至少一部分沿著主軸轉子的旋轉軸線從主軸轉子的一端被軸向地引導至主軸轉子的另一端。

在有益的實施例中，主軸轉子優選地具有軸向設置的中空支柱元件，所述電線的所述至少一部分沿著主軸轉子的旋轉軸線被軸向地引導穿過該中空支柱元件。

在有利的實施例中，電氣負載優選地包括電子測量裝置，尤其為例如光學測量裝置(例如，帶有掃描雷射)、或者感應測量裝置、或者超聲波測量裝置。

在特別優選的有益實施例中，電氣負載包括一個或多個振動單元，該振動單元優選地被配置為驅動刀具支架在主軸裝置的軸向方向上振動(例如，通過軸向振蕩器單元)、驅動刀具支架在主軸裝置的一個或多個徑向方向上振動(例如，通過一個或多個徑向振蕩器單元)、和/或驅動刀具支架在主軸裝置的旋轉方向上振動(例如，通過旋轉振蕩器單元)，特別地，尤其優選為分別具有超聲範圍內頻率的振動。這樣的優點在於，特別地，改善了複合材料或複合部件的加工，因為刀具直接或間接地通過刀具接口從刀具支架獲得的在軸向、徑向和/或旋轉方向上的額外提供的振動有利地大大減少或避免了加工工件的加工部分上的磨損。

在有益的實施例中，振動單元包括一個壓電致動器，或者振動單元包括多個壓電致動器，其中在優選的示例性實施例中，至少部分的或全部的所述多個壓電致動器在軸向方向上連續設置。

在有益的實施例中，振動單元非轉動地安裝在刀具支架上或者優選地直接或間接地附接或緊固到刀具支架或刀具支架面對主軸轉子的部分上。

在有益的實施例中，刀具支架通過迷宮式耦合器連接至主軸轉子。特別是在具有用於驅動刀具支架振動的振動單元或壓電驅動器的實施例中，其優點在於刀具支架被連接至主軸轉子，使得刀具支架小幅度的振動成為可能而不會直接傳遞至主軸轉子，其中主軸轉子的旋轉運動可以以優異且無損耗的方式傳遞至刀具支架。

在有益的實施例中，刀具支架被配置為直接把持刀具(即，沒有中間刀具接口)。這樣的優點在於，由於省略了大量額外的刀具接口(比如，中空支柱錐形接口或陡錐形接口)，所以所提供的主軸裝置可以更緊湊，並且非常有利的是，其也可以用於較小或移動的工具機。

在其他有益的實施例中，刀具支架被配置為把持可更換的刀具接口，特別是中空支柱錐形刀具接口或陡錐形接口。這樣的優點在於，如果提供允許簡易更換刀具的可更換刀具接口，那麼也可以使用到緊湊且可靠設計的主軸裝置，因為與現有技術ep0719199a1不同，在刀具接口上沒有設置線圈單元的線圈。

根據本發明的第二方面，提供一種帶有刀具的用於加工工件的工具機，該工具機包括主軸裝置，尤其是根據前述方面或實施例的一個或其組合，用於驅動主軸裝置的刀具支架上所把持的刀具。

總而言之，本發明有利地允許提供一種主軸裝置，該主軸裝置允許簡單而緊湊的設計，且還進一步允許簡單而有效的刀具更換，優選地線圈間的能量傳遞效率沒有損耗。

下面參考附圖，通過實例的方式描述本發明的各個方面。

附圖說明

在附圖中：

圖1a示出了從上方傾斜看到的工具機的示意性透視圖。

圖1b示出了工具機的示意性前視圖。

圖1c示出了工具機的示意性側視圖。

圖1d示出了從下方傾斜看到的工具機的示意性透視圖。

圖2示出了根據本發明一個實施例的主軸裝置的示意性透視圖。

圖3示出了根據本發明一個實施例的主軸裝置的示意性剖視圖。

具體實施方式

接下來將結合附圖，詳細描述本發明的實例。附圖中相同或相近的元件用相同的標號來標示。然而，本發明並不限於所描述的實施例，而是同樣包括獨立權利要求的範圍之內所描述實例特徵的變化和各種實例特徵的組合。

圖1a至1d示出示例性的移動工具機1的示意圖，其根據一個實施例示意性地裝配有主軸裝置。

圖1a示出了從上方傾斜看到的工具機的示意性透視圖，圖1b示出了工具機的示意性前視圖，圖1c示出了工具機的示意性側視圖，圖1d示出了從下方傾斜看到的工具機的示意性透視圖。

作為一個基礎框架，工具機1包括例如矩形或基本上正方形的框架，其由例如纖維強化塑料(尤其是由碳纖維強化塑料)製成的一體成型框架元件2形成，在該框架上可安裝其他元件，比如蓋板或諸如此類。優選地，框架寬度和/或框架長度為大約0.5至1.5m。

在框架元件2的內部中，工具機1具有加工空間，該加工空間由一體化的框架元件2完全包圍。在框架元件2的四個框架部分的兩個相對框架部分上，導向件3a和3b直接安裝在框架元件2的所述兩個相對框架部分上，該導向件3a和3b在x方向上延伸用於可控x線性軸線(第一線性軸線)。

可在x方向上移動的x滑架4由導向件3a和3b來引導。優選地，x線性軸線在每個導向件3a和3b上的兩個相對框架部分中的至少一個(優選為每一個)上具有相應的長度測量系統，使得x滑架4在x線性軸線的位置可以在一側(優選為兩側)得到確定。

x線性軸線包括，例如，在x滑架的兩側各自具有螺杆軸3c或3d的相應螺杆驅動器。驅動器3e和3f被保持在螺杆軸3c和3d，該驅動器3e和3f側向地附接或設置在x滑架4處。驅動器3e和3f被配置為沿著螺杆軸3c和3d在x方向上移動x滑架4。

因此，x滑架4通過驅動x線性軸線在工具機框架的框架元件2上的導向件3a和3b上沿著x方向可移動地被引導，並且其包括一體成型的框架元件，該一體成型的框架元件由例如纖維強化塑料，尤其是碳纖維強化塑料形成。

在工具機框架的框架元件2的外側，四個框架部分中的每一個上均設置有四個腳元件9。該腳元件用於將工具機1放置在一個表面上，例如大面積工件的表面上。

在圖1至5中，蓋元件21(罩元件或罩子，可選地由塑料製成)被設置在或被安裝在x滑架4上，以覆蓋或保護下面的部件。此外，蓋元件21的優點在於為工具機1的操作人員提供保護，避免與工具機的接觸。然而，也可以提供不具有蓋元件21的實施例。

x滑架4的框架元件具有兩個橫梁4a和4b，每個橫梁都從框架元件2的框架部分上的導向件3a延伸至框架元件2上相對的框架部分和導向件3b。

y線性軸線(第二線性軸線)的y滑架5，可以通過驅動器(未示出)在y方向上移動，其被保持在x滑架4的下側。例如，x方向與y方向正交，並且x滑架4的橫梁4a和4b的下側具有沿y方向延伸的相應導向件(未示出)，y線性軸線的y滑架5在該導向件上被引導。

y滑架5通過y線性軸線(參見圖1d)可在x滑架的框架元件4下側的導向件上沿y方向被可移動地引導，且具有一體成型的框架元件，該一體成型的框架元件由例如纖維強化塑料，尤其是碳纖維強化塑料來形成。

在此優選實施例中，x和y滑架各自由纖維強化塑料形成，或各自包括相應的由纖維強化塑料製成的框架元件。在進一步的實施例中，由於重量的原因，當然也可以用另一種材料(例如，優選為鋁)來形成這些滑架或它們的框架元件中的一者或兩者。

沿z方向(例如，與x和y線性軸線的x和y方向正交)延伸的轉臺元件(turretelement)6被對中保持在y線性軸線的y滑架5上。

旋轉直接驅動器(未示出)被設置在y線性軸線的y滑架5上，並且被配置為驅動塔元件6，使其繞著旋轉軸線(第二旋轉軸線，優選為至少360°可控)轉動，該旋轉軸線平行於z方向。

z線性軸線(第三線性軸線)的z滑架8，可通過其他的線性驅動器沿z方向移動，其設置在示例性的中空支柱狀轉臺元件6的內部。

在z滑架8的下端，設置有帶有加工元件12(例如，加工頭，例如，銑頭)的主軸裝置，例如參見圖1d。加工元件12或主軸裝置包括帶有刀具支架14的刀具主軸13，在刀具支架14上保持有例如用於加工工件的銑削刀具15。用於驅動主軸的主軸驅動器設置在主軸13的主軸殼體內。接下來將結合圖2和3描述主軸裝置及其示例性結構。

在本發明的優選實施例中，可另外提供壓電致動器(作為電氣負載)或相似的振動驅動器(電氣負載)，以額外地驅動刀具的振動運動，其中刀具在主軸軸線的方向上振動。這在加工複合部件和纖維複合材料表面中尤為有利，因為可以防止加工表面上毛邊形成或磨損。

加工元件12或主軸裝置被設置在或保持在z滑架8的下端，所述z滑架8的下端伸入轉臺元件8中，該轉臺元件8可利用y滑架5上的旋轉直接驅動器來繞著z軸旋轉，並且保持為可沿著轉塔元件6上的z方向移動。

另一個旋轉直接驅動器11被提供在例如z滑架的下端處，其被配置為使加工元件12與主軸13旋轉地繞著旋轉軸線(第二旋轉軸線，可選地形成為樞轉軸線，優選為至少180°可控)轉動，該旋轉軸線被定向為例如垂直於z方向。

附接至加工元件12的一側的是，例如，一測量裝置17，該測量裝置17可包括：例如，雷射測量系統，用於測量工件表面或用於確定工具機1相對於工件的位置；和/或其他非接觸式測量系統，用於檢查工件表面(例如，帶有攝像頭的光學系統和/或超聲測量系統)。這樣的測量裝置(或部分這樣的測量裝置)也可以設置在框架2的內側。此外，在進一步的實施例中，還可以提供這樣的測量裝置作為主軸裝置的電氣負載，成為主軸裝置的一部分。

此外，在進一步的實施例中，工具機1優選地包括雷射刀具測量系統或雷射刀具測量裝置，該雷射刀具測量系統或雷射刀具測量裝置可設置在加工元件2上和/或框架2的內側，以通過雷射來測量把持在主軸13上的刀具15或該刀具15的位置。例如，在圖1d中，可選的雷射刀具測量裝置24設置在框架2的內側上。這開啟了通過附接至機器內部的框架的刀具測量裝置24的刀具雷射測量，例如，把持在主軸13上的刀具15的刀具長度和直徑的可能性。

從y滑架5延伸的電纜導向件(未示出)可連接至加工元件12，然後供電給主軸驅動器、直接驅動器11、壓電驅動器以及/或者測量裝置17或其他電氣負載。此外，控制信號可通過電纜導向件16傳遞至主軸驅動器和直接驅動器11，並且傳感器信號可以從測量裝置17中讀出。

其他的電纜導向件(例如，用於致動器信號、傳感器信號或電源)優選地被引導在電纜管道中，在優選實施例中，該電纜管道形成在一體式框架元件2之上或之中。

例如，在圖1a和1d中，接口開口19從外部形成在框架構件2的轉角處，作為形成在框架構件2上的電纜導向管道的端部，所述電纜導向管道直接或間接地引導至軸線滑架上的一個或多個滑架和驅動器。

在本文中，工具機1還優選地提供設置在框架2上的外部連接結構，例如已經提到過的控制接口19，用於連接電源的電源連接結構、和/或用於連接致動器和/或與外部控制裝置連接的傳感器信號傳輸的通信連接結構，和/或也可以是用於外部抽吸裝置(可選地優選為通過在框架2處或之中的內部抽吸管道至抽吸開口18的連接)的抽吸連接結構20。

圖2通過實例示出根據本發明一個實施例的主軸裝置100的示意性透視圖。

根據這個實施例的主軸裝置100包括主軸殼體110。在主軸殼體110上的主軸一側，可繞著主軸軸線被旋轉驅動的刀具支架14設置在該主軸13上，該刀具支架14適用於把持刀具(參見圖1a至1d中的刀具15)

在這個實施例中，刀具支架14被形成為，例如，使刀具支架14的接納元件被配置為直接地(即，尤其是，不具備可更換的刀具接口)把持刀具(例如，銑削刀具或鑽削刀具)，其中該刀具支架14不可旋轉地連接至主軸13或後面將會描述的主軸轉子。

特別地，這樣就有利地允許將主軸裝置100設計得尤為緊湊，從而使主軸裝置100極其適用於移動工具機。

然而，本發明並不限於根據圖2和3的帶有直接刀具支架的主軸裝置，而還可以提供其他優選的示例性實施例，在其他的示例性實施例中，主軸裝置的刀具支架被配置為把持可更換刀具接口(即，特別優選地為：可更換的中空支柱錐形刀具接口或者也可以是可更換的陡錐形刀具接口)。

在根據圖2和3的實施例中，主軸裝置100的主軸殼體110還包括，例如氣動或液壓口111和緊固元件112，通過該緊固元件112，主軸裝置110可以附接或緊固至加工元件12或刀具頭。

進一步地，在緊固元件112上提供連接結構113，用於連接一個或多個線纜導向件，所述線纜導向件用於傳感器信號或致動器信號(例如，用於主軸裝置)，並且可選地也可以用於為主軸驅動器和/或主軸裝置100的電氣負載(比如，測量裝置和/或振動單元或線圈單元)供電的電源線纜。

圖3通過實例示出根據本發明的一個實施例的主軸裝置100的示意性剖視圖。

在主軸裝置100的主軸殼體110裡面，主軸裝置100包括主軸驅動器，該主軸驅動器具有可旋轉地支撐在在主軸定子120內的主軸轉子130。

當主軸裝置100的主軸被驅動時，主軸轉子130也隨之被旋轉驅動。在優選實施例中，基於電動機通過電磁感應來旋轉地驅動主軸轉子130。然而，在進一步的實施例中，主軸轉子130也可以間接地通過齒輪單元(未示出)以機械方式進行驅動。

在主軸轉子130的一端，設置有可轉動地安裝在軸承元件190上的刀具支架14，在此實施例中，該刀具支架14被構造為一體式刀具支架元件，其包括位於中心部分的迷宮式耦合器14。迷宮式耦合器有利地允許刀具支架14在主軸裝置100的軸向方向上或在主軸軸線方向上振動。

此外，刀具支架14包括例如，設置在主軸殼體110內部的銷部分14b(可選地具有螺紋)。刀具支架14的接納部分14c從主軸殼體110向外伸出，並且被構造為例如刀具的直接接納(即，不需要可更換的中空支架錐形接口或可更換的陡錐形接口)。

然而，本發明並不限於一體式的刀具支架元件，在其他的實施例中，刀具支架14也可以以多片或多部分的形式來形成。

此外，主軸100包括例如，振動單元160，其用於驅動刀具支架14的振動(或振蕩)。

例如，在此實施例中，振動單元160包括連續地設置在軸向方向上的四個壓電致動器161、162、163和164，或者壓電驅動器的壓電致動器，每個壓電致動器都沿著圓周設置在刀具支架14的銷部分14b上。

例如，在此實施例中，提供一種振蕩器單元，其可以驅動在軸向方向上的振動。然而，本發明並不限於這種軸向振蕩器單元。當然，在其他實施例中，可選地或額外可能地驅動刀具支架在主軸裝置的一個或多個徑向方向上振動(例如，通過一個或多個徑向振蕩器單元)和/或驅動刀具支架在主軸的旋轉方向上振動(例如，通過旋轉振蕩器單元)。

振動單元160的壓電致動器161、162、163和164是例如，通過墊片182和緊固元件181(例如，形成為螺母元件)緊固到刀具支架14。

相應的電接觸板設置在例如，壓電致動器161、162、163和164之間，通過這些電接觸板，壓電致動器161、162、163和164各自電連接至電氣線觸點151和152。

在主軸轉子130的內部，主軸裝置100包括軸向設置的中空支柱元件150，其從主軸轉子130的一端沿著主軸轉子130的旋轉軸線或沿著主軸裝置100的主軸軸線被引導穿過主軸轉子130，並連接(例如，非轉動的連接)至主軸轉子130。

電氣線觸點151和152或其電線(比如，單極電纜或多極電纜)沿著例如，主軸轉子130的旋轉軸線或沿著主軸裝置100的主軸軸線穿過中空支柱元件150至主軸轉子130背對刀具支架14的一側。

此外，線圈單元140設置在主軸轉子130背對刀具支架14的一側，其包括例如固定的激勵線圈142和可轉動地安裝的接收線圈141，其中該激勵線圈142連接至主軸殼體110或附接至主軸殼體110。

在激勵線圈142和接收線圈141之間設置有圖3中未示出的薄隙或氣隙，以此使得從激勵線圈142至接收線圈141(有可能在轉動)的電的或電磁的非接觸式能量轉移成為可能，尤其是對於電源供至作為可能實施例的電氣負載的振動單元160。

在本文中，電氣線觸點151和152在主軸轉子130背對刀具支架14的一側連接至接收線圈141(圖3中未示出該連接)。

在特別優選的實施例中，優選地激勵線圈142和接收線圈141兩者都各自形成為整周線圈。

當該主軸被驅動時，即當主軸轉子130轉動時，線圈單元140的接收線圈141、振動單元160和電線151和152以及中空支柱元件150、以及刀具支架14以與主軸轉子130相同的速度共同轉動，藉此使得從激勵線圈142(其連接至外部能源，優選地連接至射頻ac電源)至接收線圈141的非接觸式能量傳遞成為可能，從而振動單元160可能被驅動或被供電。

振動單元160被配置為驅動刀具支架14在主軸裝置100的軸向方向上振動，特別是以超聲範圍內的頻率進行振動。

刀具支架14通過示例性的迷宮式耦合器14a，以解耦的方式連接至主軸轉子130，從而使刀具支架14與主軸轉子130一起以相對該主軸轉子130旋轉固定的方式轉動，但是以與主軸轉子130解耦的方式在軸向方向上振動或振蕩。

總而言之，本發明和其實施例有利地允許提供一種主軸裝置，該主軸裝置允許簡單而緊湊的設計，並進一步允許簡單而有效的刀具更換，而優選地不損害線圈間的能量傳遞效率。