ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам, осуществляющим бесконтактное удержание в радиальном и осевом направлении вращающегося тела, например, шпинделя с закрепленным на нем инструментом, и может быть использована для обеспечения высокой точности проведения технологических операций.
В патентной публикации JP 2076604 (A), 16.03.1990, F16C 32/06 раскрыт шпиндельный узел, вал которого удерживается в гильзе в радиальном направлении при помощи пневматической опоры, воздушный зазор которой находится между опорной частью вала и гильзой. Опорная часть вала представляет собой поршень, по обе стороны которого в гильзе имеются полости, являющиеся, по существу, пневматическими опорами, осуществляющими фиксацию вала в осевом направлении. При изменении давления воздуха в указанных полостях, вал имеет возможность перемещаться в осевом направлении. Однако данное решение не позволяет обеспечить достаточную жесткость опоры вала в осевом направлении, особенно в условиях осевой нагрузки.
Из патентной публикации US 5397185 A, 14.03.1995, F16C 32/06 известен шпиндельный узел, вал которого удерживается в радиальном направлении при помощи расположенной в гильзе пневматической опоры. В осевом направлении вал удерживается пневматической опорой, выполненной на неподвижном относительно гильзы концевом элементе, с которым торцевой элемент вала имеет магнитную связь. Поскольку технически достижимая степень перпендикулярности опорной плоскости торцевого элемента и продольной оси вала не является достаточной для обеспечения постоянного воздушного зазора между торцевым элементом вала и концевым элементом, концевой элемент снабжен двойным шарниром. Указанный шарнир позволяет концевому элементу совершать движения в соответствии с биением опорной плоскости торцевого элемента, и, таким образом, поддерживать постоянный воздушный зазор.
Данным решением обеспечивается жесткая фиксация вала в осевом направлении, однако не предусмотрена возможность его перемещения в данном направлении. Кроме того, выполнение двойного шарнира с требуемой для прецизионных устройств точностью связано с существенными технологическими сложностями, а, по существу, находится на грани современных технологических возможностей.
Решение, раскрытое в патентной публикации US 5397185 A, 14.03.1995, F16C 32/06, выбрано в качестве прототипа полезной модели.
Задачей полезной модели является разработка шпиндельного узла, обеспечивающего прецизионное перемещение вала в осевом направлении.
Для решения поставленной задачи предложены два объекта полезной модели, являющиеся вариантами полезной модели.
Первым объектом полезной модели является шпиндельный узел, вал которого удерживается в радиальном направлении при помощи пневматической опоры, расположенной в гильзе, а в осевом направлении - при помощи пневматической опоры, выполненной на соединенном с гильзой концевом элементе, с которым торцевой элемент вала имеет магнитную связь. При этом концевой элемент имеет возможность перемещения в направлении продольной оси гильзы, а между валом и торцевым элементом установлен шток, который при помощи шлицевого соединения связан с ротором вращающего электродвигателя, в то время как статор указанного электродвигателя жестко соединен с гильзой.
В предпочтительном случае первого объекта полезной модели концевой элемент соединен с гильзой при помощи опорного элемента, на который концевой элемент опирается посредством, по существу, точечного контакта и удерживается на нем при помощи упругой связи. Точечный контакт концевого элемента и опорного элемента может быть выполнен при помощи плоского участка концевого элемента и шарика, закрепленного на опорном элементе.
В частном случае первого объекта полезной модели опорный элемент с возможностью продольного перемещения установлен, по меньшей мере, на одной направляющей, установленной неподвижно относительно гильзы. При этом опорный элемент может быть снабжен, по меньшей мере, одним тормозным устройством. В предпочтительном случае шпиндельный узел содержит две направляющие опорного элемента, расположенные симметрично относительно продольной оси гильзы.
В другом частном случае первого объекта полезной модели опорный элемент соединен с ходовым винтом, опора которого установлена неподвижно относительно гильзы. Предпочтительным является случай, в котором ходовой винт расположен соосно гильзе. Ходовой винт может иметь привод от подающего электродвигателя, статор которого жестко связан с опорой ходового винта, а ротор - жестко соединен с гайкой, установленной на ходовом винте с обеспечением ее неподвижности в осевом направлении относительно опоры ходового винта.
Ходовой винт может быть снабжен тормозным устройством.
Вторым объектом полезной модели является шпиндельный узел, вал которого удерживается в радиальном направлении при помощи пневматической опоры, расположенной в гильзе, а в осевом направлении - при помощи пневматической опоры, выполненной на соединенном с гильзой концевом элементе, с которым торцевой элемент вала имеет магнитную связь. При этом концевой элемент имеет возможность перемещения в направлении продольной оси гильзы, а привод вала осуществляется при помощи вращающего электродвигателя, статор которого установлен неподвижно относительно концевого элемента.
В предпочтительном случае второго объекта полезной модели концевой элемент соединен с гильзой при помощи опорного элемента, на который концевой элемент опирается посредством, по существу, точечного контакта и удерживается на нем при помощи упругой связи. Точечный контакт концевого элемента и опорного элемента может быть выполнен при помощи плоского участка концевого элемента и шарика, закрепленного на опорном элементе.
В частном случае второго объекта полезной модели статор вращающего электродвигателя закреплен на опорном элементе. При этом ротор вращающего электродвигателя может быть связан с валом при помощи ременной передачи.
В другом частном случае второго объекта полезной модели опорный элемент с возможностью продольного перемещения установлен, по меньшей мере, на одной направляющей, установленной неподвижно относительно гильзы. При этом опорный элемент может быть снабжен, по меньшей мере, одним тормозным устройством. В предпочтительном случае шпиндельный узел содержит две направляющие опорного элемента, расположенные симметрично относительно продольной оси гильзы.
В еще одном частном случае второго объекта полезной модели опорный элемент соединен с ходовым винтом, опора которого установлена неподвижно относительно гильзы. Предпочтительным является случай, в котором ходовой винт расположен соосно гильзе. Ходовой винт может иметь привод от подающего электродвигателя, статор которого жестко связан с опорой ходового винта, а ротор - посредством ременной передачи соединен с гайкой, установленной на ходовом винте с обеспечением ее неподвижности в осевом направлении относительно опоры ходового винта.
Ходовой винт шпиндельного узла по второму объекту полезной модели также может быть снабжен тормозным устройством.
Техническим результатом, достигаемым обоими объектами полезной модели, является возможность осевого перемещения вала относительно гильзы при обеспечении его жесткой осевой фиксации на соединенном с гильзой концевом элементе.
Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
фиг.1 - продольный разрез шпиндельного узла по первому объекту полезной модели;
фиг.2 - продольный разрез шпиндельного узла по первому объекту полезной модели с другим расположением тормозного устройства;
фиг.3 - продольный разрез шпиндельного узла по второму объекту полезной модели.
Одни и те же элементы на всех фигурах имеют одинаковое обозначение.
Шпиндельный узел по первому объекту полезной модели, изображенный на фиг.1, содержит вал 1 и гильзу 2, в которой расположена, по меньшей мере, одна пневматическая опора 3. Под пневматической опорой понимается система, создающая давление в воздушном зазоре между двумя элементами, в данном случае - гильзой и валом, тем самым обеспечивая удержание вала в гильзе в радиальном направлении и его бесконтактное вращение. Вал шпиндельного узла может представлять собой шпиндель для закрепления обрабатывающего инструмента.
В осевом направлении вал фиксируется при помощи соединенного с гильзой концевого элемента 4, с которым торцевой элемент вала 5 имеет магнитную связь, реализованную посредством магнита 6. Концевой элемент снабжен пневматической опорой 7, обеспечивающей воздушный зазор между торцевым элементом вала и концевым элементом и, таким образом, не препятствующей вращению вала.
Концевой элемент может быть непосредственно установлен на гильзе или его соединение с гильзой может быть выполнено посредством ряда жестких элементов, например, они могут быть установлены на одной раме. В предпочтительном варианте полезной модели концевой элемент соединен с гильзой при помощи опорного элемента 8, установленного, по меньшей мере, на одной направляющей 9 с возможностью продольного перемещения по ней. В предпочтительном случае шпиндельный узел содержит две направляющие 9, установленные симметрично относительно продольной оси гильзы. Указанные направляющие закреплены на корпусе 10, который жестко соединен с гильзой.
Опорный элемент соединен с ходовым винтом 11, опора 12 которого закреплена на корпусе 10 и, таким образом, неподвижна относительно гильзы. Предпочтительно, если ходовой винт расположен соосно гильзе. Наиболее предпочтительной является комбинация соосного с гильзой расположения ходового винта, связанного с опорным элементом, и двух направляющих опорного элемента, симметрично установленных относительно продольной оси гильзы. Такая конструкция позволяет избежать изгибающих нагрузок на направляющие, и тем самым повысить точность осевого перемещения.
На ходовом винте установлена гайка 13, неподвижность которой в осевом направлении относительно опоры ходового винта обеспечивается посредством ограничителей 14. Винтовая передача между ходовым винтом и гайкой выполнена в виде шариковой винтовой передачи. С гайкой жестко связан ротор 15 подающего электродвигателя 16, статор 17 которого закреплен на опоре ходового винта. Ходовой винт снабжен тормозным устройством 18, обеспечивающим фиксацию ходового винта относительно гильзы.
В другом случае, по меньшей мере, одно тормозное устройство 36 установлено на опорном элементе 8 и фиксирует его на направляющих 9 после выполнения требуемого осевого перемещения (фиг.2). Предпочтительно, если опорный элемент снабжен тормозными устройствами на каждой направляющей.
Между валом и его торцевым элементом расположен шток 19 с нарезанными на некоторой части его длины шлицами 20. Вращение вала осуществляется при помощи вращающего электродвигателя 21, ротор которого 22 жестко соединен со втулкой 35, в свою очередь связанную со штоком посредством шлицевого соединения 23. Статор 24 электродвигателя 21 жестко соединен с гильзой.
Современные средства обработки и контроля не позволяют добиться строгой перпендикулярности опорной поверхности торцевого элемента вала и его продольной оси. Таким образом, при вращении вала в осевом направлении будет наблюдаться некоторое биение, изменяющее величину воздушного зазора с концевым элементом. Непостоянство воздушного зазора значительно снижает точность позиционирования вала в осевом направлении.
Для обеспечения постоянного воздушного зазора концевой элемент выполнен с возможностью изменения своего положения относительно опорного элемента. Плоский участок концевого элемента 25 опирается на шарик 26, закрепленный на опорном элементе, образуя по существу точечный контакт 27. При этом концевой элемент удерживается на опорном элементе при помощи упругой связи, реализованной в виде пружин 28.
Шпиндельный узел работает следующим образом.
Ротор 22 вращающего электродвигателя 21 передает крутящий момент штоку 19 посредством шлицевого соединения 23. Пневматическая опора 3 обеспечивает бесконтактное вращение связанного со штоком 19 вала 1 в гильзе 2. При этом вал удерживается в осевом направлении при помощи концевого элемента 4, имеющего магнитную связь с закрепленным на штоке 19 торцевым элементом вала 5, для чего концевой элемент снабжен магнитом 6 и пневматической опорой 7. Магнитная связь обеспечивает надежное удержание вала на концевом элементе, а создаваемый пневматической опорой воздушный зазор между торцевым элементом вала и концевым элементом не оказывает сопротивления вращению вала.
При приложении посредством подающего электродвигателя 16 и гайки 13 крутящего момента к ходовому винту 11, опорный элемент 8 перемещается в осевом направлении, удерживаемый в радиальном направлении направляющими 9. Опорный элемент обеспечивает перемещение в осевом направлении связанного с ним концевого элемента 4. Шток 19 при этом одновременно совершает вращение вместе с втулкой 35, приводимой в движение ротором 22 вращающего электродвигателя 21, и продольное движение через втулку 35, что становится возможным благодаря применению шлицевого соединения. При обеспечении продольного перемещения вала на заданную величину ходовой винт фиксируется при помощи тормозного устройства 18.
Концевой элемент 4 поддерживает постоянную величину воздушного зазора с торцевым элементом 5, так как он способен качаться относительно опорного элемента 8. Для этого концевой элемент снабжен плоским участком 25, опирающийся на шарик 26, закрепленный на опорном элементе, при этом концевой элемент удерживается на опорном элементе при помощи пружин 28. Следует отметить, что указанные пружины имеют меньшую жесткость, чем воздушный зазор, обеспечиваемый пневматической опорой 7. Таким образом, при приближении к концевому элементу выступающей в осевом направлении области торцевого элемента, соответствующие пружины сжимаются, и концевой элемент отклоняется, тем самым обеспечивая постоянную величину воздушного зазора.
Управление шпиндельным узлом осуществляется путем регулировки частоты вращения вала и величины его продольного перемещения. Регулировка частоты вращения вала производится управляющими сигналами, подаваемыми на вращающий электродвигатель 21, а регулировка продольного перемещения вала - управляющими сигналами, подаваемыми на подающий электродвигатель 16.
Шпиндельный узел, выполненный по второму объекту полезной модели, изображенный на фиг.3, характеризуется тем, что статор 24 вращающего электродвигателя 21 закреплен на опорном элементе 8. Посредством ременной передачи 29 крутящий момент от ротора 22 передается на шкив 30, который при помощи подшипника 31 также установлен на опорном элементе 8. Шкив 30 соединен с поводковым элементом 32, передающим крутящий момент на вал 1. Таким образом, в данном варианте полезной модели при перемещении опорного элемента вместе с ним перемещается и вся конструкция привода вала. Данное решение позволяет избежать применения шлицевого соединения между штоком и ротором вращающего электродвигателя, которое характеризуется относительно высоким трением, что особенно важно для шпиндельного узла обеспечивающего обработку изделия при одновременном осевом перемещении инструмента.
Статор 17 подающего электродвигателя 16 шпиндельного узла, как по первому, так и по второму объекту полезной модели, может быть установлен с внешней стороны корпуса 10. В таком случае крутящий момент посредством, например, ременной передачи 33 от ротора 15 передается на шкив 34, жестко соединенный с гайкой 13.
Во всем остальном конструкция шпиндельного узла по второму объекту полезной модели аналогична таковой для шпиндельного узла по первому объекту.