外转子电机直驱式钻床或铣床的制作方法

本发明涉及到钻床（铣床）领域，具体涉及到钻床的驱动方式连接方式的改变的新型钻床或铣床。

背景技术：

传统钻（铣）床的传动工作方式大多有三种：一是靠感应电机通过三角带传动驱动钻（铣）头工作，实现钻削（铣削）操作。其变速往往是通过两个反向安装的塔轮机构靠人工换槽得以实现，调速操作复杂并有一定的安全隐患；二是靠通过两个可变径带轮，通过改变主、从动轮的直径实现无极调速，但其机构复杂，重量大，成本高，靠操作经验决定带的松紧程度；三是利用无刷电机可控制特征，通过皮带传动实现无级调速和实现钻（铣）功能，其机构复杂，制造难度大而造价较高。

上述三种机构具有的共同不足是：通过带传动方式的机构，降低了传动效率，电机功率得不到充分利用；传动带的磨损需要经常更换，增加了使用成本和时间成本，并有一定的安全隐患；机构复杂体积大且重量重，制造繁复，工艺成本较高；使用自然资源、人力资源较多，物流成本较大，综合成本高。

技术实现要素：

本发明利用外转子永磁无刷电机效率高、转矩大、调速恒功补偿、精准测速和无级调速的特性，利用电机输出轴可轴向移动的特征，将电机做功直接转化为钻削（铣削）时的功耗，无功损耗极低，大幅度的减小了机器体积，降低了资源损耗和运输成本。

为了完成上述发明目的，本发明是这样实现的：一种外转子电机直驱式钻床或铣床，它包括机座、机架、机械驱动部和电控制箱部分；所述的机架安装在机座上，机械传动箱部分安装于机架上，电控制箱部分位于机架的顶端，机械动部分包括执行部分和升降机构，其特征在于：所述的执行机构部分是由空心轴式外转子电机和输出轴组件组成，所述的输出轴组件的输出轴与外转子电机的空心轴以键或花键的形式配合，这种配合选择具有传递电机转速、转矩并能使输出轴轴向移动的配合类型。输出轴组件上有另一端安装钻夹头，升降机构的导轨齿条推杆与输出轴中部的压套相连接，带动输出轴组件上下轴向运动。

本发明的构思是通过外转子的空心轴，与输出轴组成键或花键滑动配合，从而实现直接驱动输出轴转动的作用。在传递电机做功时，由于外转子的空心轴在键的作用下，输出轴和外转子周向运动相同，可视为相对静止。因此，两者之间便几乎不存在功率损耗的问题，仅当输出轴轴向运动时在键侧边产生摩擦消耗少量功率。利用升降机构中的导轨齿条推杆施轴向力于压套，带动输出轴在电机转子空心轴中实现往复运动，针对其他控制部分仍保持不变，如钻头的安装，控制部分等均可保持不变；对于本专利来说，其电机的使用可以参考中国专利，专利号：cn201820577986.2，专利名：称外转子电机。

对上述技术方案作进一步的细化，所述空心轴外转子电机的空心轴通过键或花键与驱动输出组件的输出轴，驱动输出组件的输出轴与空心轴外转子电机的定子之间通过轴承连接。

本方案是为保证输出轴能正常被外转子电机驱动而设计的，其体现了输出轴是怎么样与电机结合的。与转子支架紧配合（或做成一体）的空心轴内孔的大小，与选配的输出轴直径及所匹配键的形式，可根据电机大小做出不同的选择。这样技术的实现对于本领域人员来说通过上述文字的介绍可以实现。

3对上述技术方案作进一步的细化所述的的空心轴外转子电机使用轴流式风叶或离心式风叶；轴流式风叶或离心式风叶与空心轴外转子电机转子外壳采用分离或是一体成形。针对风叶的设计可以参考专利201820577986.2，至分体式的，可以采用传统的外加风叶的方式，这种分体设计是本领域人员的可以推知的。

4对上述技术方案作进一步的细化，输出轴组件与外转子电机之间使用螺旋钢带保护套。该螺旋钢带保护套具有伸缩和防尘功能，在切削时具有一定的减振功能。该螺旋钢带保护套是由一定宽度和厚度的钢带紧密的按螺旋形缠绕一定的高度形成。

5对上述技术方案作进一步的细化，所述的升降机构包括压套和驱动齿轮，所述的压套通过深沟球轴承和推力球轴承与输出轴连接，压套与深沟球轴承和推力轴承的外圈固定连接；在压套的下方用锁紧螺栓锁住；所述的驱动齿轮通过导轨齿条推杆作用于压套上。

本方案的核问题是解决在输出轴转动的前提下如保实现向上下或左右移动的问题。本方案采用深沟球轴承的内圈与输出轴紧配合，外圈与压套固定连接，从而实现在轴转动的前提下，压套不转动，依然可以利用升降机构驱动压套上下移动，从而实现输出轴的上下运动。为了运行更加稳定，防止径向力的推动，在使用深沟球轴承的同时，并列使用了推力球轴承。升降机构施力在压套上，压套内部用推力轴承和深沟轴承消除切削时的轴向力和径向力。利用升降机构将输出轴组件整体向上或向下移动。

对上述技术方案作进一步的细化，在旋转手柄轴上配有驱动齿轮，旋转手柄驱动齿轮作用于导轨齿条推杆上的齿条部分，将旋转运动转化为直线运动，导轨齿条推杆与压套连接，带动输出轴组件上下运动；定位锁紧螺栓横向穿过导轨支架并与导轨支架构建螺纹副，旋转定位锁紧螺栓，可顶紧和松开导轨齿条推杆的导轨侧面，从而使导轨齿条推杆锁定或松开。顶紧锁定时为了铣刀定位所用，当铣刀调节到所需深度时，可在锁定工作面上铣削平面或槽。松开时为钻孔所用，导轨齿条推杆可带动输出轴组件上下运动。

另一方案是在上述传动机构及锁定机构不变的情况下，导轨支架与导轨齿条推杆之间可以放入位移传感器，随着导轨齿条推杆移动即可提供位移信号，经处理可转换为数字信号，显示在显示屏上。

升降机构机理是旋转手柄组件上的手柄，克服扭簧预设扭力，通过固定在轴上的齿轮驱动导轨齿条推杆向下运动，导轨齿条推杆通过固定在压套上（通过螺钉实现）带动输出轴组件上下运动的。导轨支架与导轨齿条推杆组成滑动副。另有一定位锁紧机构通过螺杆与导轨支架上的螺纹孔构建螺纹副，旋转滑动拨扭可固定或松开导轨齿条推杆，从而固定输出轴组件的相对位置。此机构锁紧时用于铣削加工时的铣刀定位，松开时可进行钻孔作业。

对上述技术方案作进一步的细化，机械传动箱与电器控制箱为相对独立的两个部分，电器控制箱箱体部分为绝缘材料做成，各带电元器件均装配在绝缘箱箱体内；有两组导线进入机械控制箱内，分别为电机驱动和信号采集线组及位移传感器电源与信号线组。

本技术方案采用机械传动箱与电器控制箱独立设计，让机械与电子分离的设计实现两部分的独立设计，对于以后维护和保养都具有方便性。

对上述技术方案作进一步的细化，所述的机械驱动部分和电控制箱均设于钻床或铣床机架的顶部，电机以及电控制箱均由外壳包裹，在正对电机的顶端的风叶处设有出风口；在电控制箱的尾部设有进风口。

本方案在电机风叶的作用下，冷空气由电器控制箱后部吸入，首先冷却电子元器件（pcb控制板）和开关、电容等，再由电器控制箱出风口将冷空气导入机械传动箱（参考图6）并进入电机内部，在风叶的作用下排出机体。

本发明利用外转子永磁无刷电机效率高、转矩大、调速恒功补偿、精准测速和无级调速的特性，利用电机输出轴可轴向移动的特征，将电机做功直接转化为钻削（铣削）时的功耗，无功损耗极低，大幅度的减小了机器体积，降低了资源损耗，实现了可视化精准无极调速和切屑（铣削）深度检测。钻削作业和铣削作业可完成轴向移动和轴向定位，整机功率大、体积小、重量轻、制造成本低且生产效率高，维护简单。

附图说明

图1为现有技术的输出轴结构示意图。

图2为本发明的整体外观示意图。

图3为内部机械结构部分的剖视图。

图4为电机与输出轴的连接图。

图5为电机与输出轴纵向剖视连接图。

图6为转子支架示意图。

图7为输出轴、压套以及钻头的连接关系图。

图8a为压套与升降机构的连接关系图。

图8b为图8a的a-a剖视图。

图9为定位锁定机构的连接示意图。

图10为设备空气流通图。

1、机架2、套筒3、齿条导套4、轴承ax25、轴承bx26、皮带盘

7、转套8、输出轴9、进刀齿轮总成10、钻夹头，11、电控制箱部分,12、机械执行部分，13、定位锁紧机构，14、旋转手柄，15、出风口，16进风口，21、箱体总成22、空心轴外转子电机23、输出轴24、锁定及进（退）刀机构总成25、动力箱升降机构总成（小型钻铣床可不用），30、一体式风叶，31、定子支架32、转子支架33、磁钢34、空心轴35、定子总成36、轴承137、密封圈38、垫片39、轴承2310挡圈，31a空心轴轴套，31b转子支架，42、锁紧螺母43、孔用挡圈44、深沟球轴承45、推力球轴承46、压套47、轴用挡圈48、螺旋钢带保护套51、导轨支架52、导轨架固定螺钉53、位置传感器54、压板及螺钉55、导轨齿条推杆56、驱动齿轮57锁定机构58、预紧扭簧59、轴50、手柄组件511、轴位螺钉61、螺杆62、轴用挡圈63、滑动拨扭、64、弹簧销。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特点，下面结合附图作进一步的说明，如图所示，一种外转子电机直驱式钻床或铣床，它包括机座、机架1、机械驱动部12和电控制箱部分11；所述的机架安装在机座上，机械传动箱部分安装于机架上，电控制箱部分位于机架的顶端，机械动力部分包括执行部分和升降机构。机架部分由传统的：底座组件、工作台组件、升降齿条（小型钻铣床可不用）、立管等组成。此部分参照标准设计即可。

机械传动箱部分设计和发明原理：

机械传动箱部分，主要由以下几部分构成：

1、箱体总成：由箱体及锁紧机构（与机架部分立管锁紧）组成。利用箱体和机架立管结合部弹性变形，用螺栓锁定，确定机箱在机架上的位置。箱体可根据电机大小及机械强度要求可选择金属材料或非金属材料制造。

2、图4和图5是空心轴外转子电机的纵向剖视图和横向剖视图，示出了与输出轴之间的关系，其中大部分的部件为传统外转子电机的部件，这里不作介绍，特别指出该空心轴外转子电机为本公司专利（专利名称：外转子电机；专利号：201820577986.2，发明人：郑智颖、郑肖菲）：外转子电机转子轴做成空心轴(亦称导套)，电机的转速与转矩通过键（平键、半圆键、钢珠键）或花键（矩形花键、渐开线花键）传递给输出轴23，由输出轴组件执行加工任务。空心轴的形式根据精度和强度需要，内孔可做成满足传递转矩和转速并允许输出轴23轴向运动的各类形式。

空心轴的直径大小需同时满足两个要求：其一，定子铁芯中间孔设计应满足电机磁场磁密的要求；其二，输出轴满足强度的要求。

所述空心轴外转子电机的中间空心轴通过键或花键与驱动输出组件的输出轴连接，驱动输出组件的输出轴与空心轴外转子电机的定子托架之间通过轴承连接。

空心轴电机风叶31a可做成离心式和轴流式二种风叶模式，图示为轴流式风叶，这种轴流式风叶是与转子支架31b一体成型的，如果转子架为金属冲压成型可直接冲压成型风叶，大电机可铸造成型。这样设计目的是为了减少体积、减轻重量，降低工艺成本。风叶叶片数量根据电机大小而定，但最少不能少于2片。转子支架为冲压成型,转子支架铸造成型。

空心轴电机通过螺钉固定在箱体上，其电源线通过接插件与电器控制箱输出的驱动电源相连接获得驱动电源和输出电机转动信号。

3、输出轴组件：输出轴组件在获得电机转子施与的转速转矩（功率）并在锁定及进（退）到机构中的导轨齿条推杆55通过轴位螺钉施加在压套46上的轴向力，使输出轴23组件获得旋转运动和往复直线运动。推力球轴承44和深沟球轴承45组合靠轴用挡圈47和孔用挡圈43定位，用螺母42锁紧，分别消除钻孔（或铣削）过程中的轴向力和径向力。

特别指出的是本设计使用螺旋钢带保护套48，利用螺旋钢带保护套48具有防水防尘的功能和伸缩具有一定轴向力，可减小切屑振动，提高加工质量。

4、如图8a锁定及进（退）刀机构组件：该机构由导轨支架51与导轨齿条推杆55组成滑动副，导轨齿条推杆55与齿轮56构建齿轮副，导轨支架51由螺钉52固定在机箱上。根据精度要求可选择不同滑动副的形式，图示选择为矩形导轨。导轨齿条推杆55通过螺钉54与输出轴组件中的压套46连接，压套通过轴位螺钉511与深沟轴承连接。当导轨齿条推杆55装配在上止点时，预紧与轴59连接的扭簧58，并通过并紧螺母57锁定扭簧位置，使导轨齿条推杆带动输出轴组件始终处在上止点位置上，齿轮、手柄50组件均固定在轴59上。当旋转手柄50即可带动导轨齿条推杆向下运动，从而使输出轴组件在旋转时获得向下运动而完成切屑。

见图8b为了是用户获得清晰准确的钻削深度和对刀深度，本发明在导轨支架和导轨齿条推杆之间放置了位移传感器24，并将位移传感器上的移动块通过压板及螺钉固定在导轨齿条推杆55上，当导轨齿条推杆移动时，即可输出位移信号，用户可通过显示屏读出相对位移和绝对位移数值。当然，根据需要可不选择安装位移传感器。

（图9）本发明考虑到当用户有铣削需求时，需固定铣刀位置，故设计了锁定机构。原理是在导轨支架51与导轨齿条推杆55结合面加一个锁紧机构，螺杆61一端开槽放入滑动拨扭63，用弹簧销64固定，靠箱体支撑。装配时首先将螺纹部预旋入导轨支架51部，不顶紧导轨齿条推杆，装入轴用弹簧挡圈62限位。当机床用于钻孔时，螺杆61处于松置状态，导轨齿条推杆可上下运动，完成钻孔工作；当机床用于铣削时，调好对刀位置，即拧紧螺杆，锁定导轨齿条推杆，使推杆处于静止状态，可铣削平面或槽。

动力箱升降机构组件构成（小型钻铣床可不用），等组成。

电器控制箱部分（本部分实属现有技术，可以根据实际情况设计）：箱体部分由非金属绝缘材料制成，显示操作面板组件、控制系统组件（pcb）、驱动电源、开关等均装配其中，使带电零部件或元器件与机械传动箱部分严格隔开，电机驱动电源线与机械传动箱内电机连接。位置传感器属于低压元件，低压电源有电器控制箱内提供，并采集位置信号。这里的电气元件都是本领域人员可以根据需要所能获知的。

将电器控制箱和机械传动箱分开的设计布局思想是：1、电机驱动系统及控制系统与机械传动系统属于两个不同的制造单元，联动过程只靠一个插口即可驱动电机和采集电机运动信号，另外，位移传感器属于低压元件，仅靠一个插口即可实现位移信号传递；2、其余所有高低压元器件均集成装配在绝缘材料制成的箱体内，提高了安全性能；3、容易实现自动化生产。

二、本发明的冷却系统原理见图10：

在电机风叶的作用下，冷空气由电器控制箱后部进入16，首先冷却电子元器件（pcb）和开关、电容等，再由电器控制箱出风口15将冷空气导入机械传动箱（参考图6）并进入电机内部，在风叶的作用下排出机体。

综上所述，本发明将外转子电机设计为空心轴（导套）并具有轴向导向功能，另设一输出轴23接受电机的转动与转矩，并能在空心轴内做轴向移动。输出轴23上有机构承接导轨齿条推杆55的轴向推力实现上下轴向移动，使装在输出轴上的夹头所夹持的钻头（或铣刀）完成钻孔和铣削工作。

本发明将齿条升降机构25、位置传感器24（如需要）、升降锁定机构、驱动齿轮机构、驱动齿轮复位机构高度集合在一起，使用空间小、制造简单，输出轴在工作时不受径向力影响，提高了钻（铣）床的加工精度和使用寿命。大幅度缩小了机床体积，减轻了重量。

外转子电机直驱式钻（铣）床与传统钻（铣）床相比，彻底改变了传动模式，使电机功率得到了最大幅度的利用，降低了无功损耗，实现了节能环保的目的。

本发明利用无刷电机可数字化控制的原理，实现了电机精准无极调速和能量补偿。转速、进刀数值可视化，大幅度降低了操作强度，使操作者能轻松愉悦的工作。