用于具有集成冷却和旋转馈通模块的机床的电主轴的制作方法

本发明涉及用于机器的电主轴(motorspindle)，特别地涉及用于机床的电主轴，所述电主轴包括：

-主轴壳体，其用于静止地安装于机器，

-主轴组件，其能够从所述主轴壳体移除，所述主轴组件具有在集成的轴承单元中以能够相对于所述主轴壳体旋转的方式支撑的转子，以及

-夹紧机构，其用于工具，所述夹紧机构能够经由夹紧活塞致动，所述夹紧活塞在所述主轴壳体中能够在环形筒中移动，其中，

所述主轴组件设计有能够经由冷却剂供给被供给冷却流体的内部冷却，其中所述冷却剂供给具有旋转馈通，所述旋转馈通在所述冷却剂供给的旋转部件和静止部件之间具有接口，

并且当从所述主轴壳体移除所述主轴组件时，所述轴承单元也能够被移除。

背景技术：

从文献ep1787744a中已知这种电主轴。该电主轴的一个优点在于，主轴组件连同其集成的轴承单元可以作为一个单元从主轴壳体被移除，以用于维护或修理目的，并且随后可以被重新插入主轴壳体中而无需大量的安装工作。因此，当将主轴组件重新插入主轴壳体中时，轴承单元保持其构造，而不需要费力地对准或张紧轴承。此外，在该电主轴中，设置成用于冷却剂供给(coolantsupply)的旋转馈通(feedthrough)允许简单地将主轴组件从主轴壳体中移除以及重新插入到主轴壳体中，从而确保可靠且无泄漏的冷却剂供给。然而，在现有技术的电主轴中已经表明，由于环形筒的空间限制，将旋转馈通集成到环形筒中是成问题的。结果，利用这种集成的旋转馈通不易将泄漏的冷却流体排出。另外，由于集成在环形筒内，旋转馈通的维护或修理是费力的。由于旋转馈通包含与主轴组件的旋转部一起旋转的部件，所以更是如此。此外，电主轴的可能的跳动误差损害旋转馈通的功能和使用寿命。

参考作为进一步的现有技术的文献ep1958718b1。该文献也公开了一种集成在环形筒中的旋转馈通，其具有上述缺点。此外，当将主轴组件重新插入主轴壳体中时，利用该现有技术，主轴组件的轴承单元的一部分保留在主轴壳体中，这需要费力地重新调整轴承单元。

文献ep2433741a1记载了一种配置，其中主轴组件的轴承单元经由其相应的轴承外环被直接插入主轴壳体中。这意味着轴承的外环直接容纳在主轴壳体中。由于轴承、特别是特定轴承单元的浮动轴承的外环处的振动，在操作期间有时会发生微动腐蚀(frettingcorrosion)。在这种情况下，归因于主轴壳体(特别地旨在保留在机器中)因所产生的微动腐蚀而变得不可用的事实，尽管可以选择更换转子，但电主轴也是不可用的。此外，将轴承外环直接插入主轴壳体中需要相对大的间隙量以便使有利于主轴的简单更换的插入操作完全可能。然而，应当特别地避免这种间隙以促进同心度。该配置的另一缺点是：当从主轴壳体移除主轴组件时保持在主轴壳体中的相对长的、可旋转的传输管被设置用于冷却剂供给。将主轴组件安装在主轴壳体中需要小心处理，以将该相对长的传输管插入主轴中。最后，在旋转馈通集成在环形筒内方面，该配置也具有上述缺点。

文献ep0780192a1同样记载了一种电主轴，其中主轴组件的移除相对复杂。特别地，在该配置中，当移除主轴组件时，拆卸靠近旋转馈通的轴承单元，并且必须在重新插入主轴组件时重新安装该轴承单元。此外，将用于冷却剂供给的旋转馈通与许多独立部件集成在环形筒内是复杂的，这使得制造昂贵并且维护困难。

关于进一步的现有技术，参考文献de10027750c5和de19532976a1。这些文献记载了传统类型的电主轴，但没有用于冷却流体的冷却剂供给。由于它们例如倾向于在高主轴转速下加热到不期望的高水平，这种无冷却的电主轴仅具有有限的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种开头所述类型的电主轴，以及具有如下设计的机床：与现有技术相比，旋转馈通的结构和安装更加便于维护和简单。

该目的利用开头所述类型的电主轴实现，该电主轴提供简单的转子更换的选择，并且设置成将旋转馈通设计为位于环形筒的轴向外部的主轴壳体的区域中的旋转馈通模块。

本发明的一个重要方面是简单的转子更换，即为了维护目的、修理目的或更换而从主轴壳体移除主轴组件，并将维护后的或修理后的主轴组件或新的主轴组件重新插入到保留在机器中的主轴壳体中的选择。将简化的转子更换的该特征与以下说明的特征组合。

具有简化的转子更换特征的电主轴、即在保持轴承单元完整的同时从主轴壳体移除主轴组件的选择的本发明，考虑了上述关于现有技术的当将旋转馈通集成在环形筒内时可用空间小的问题，并且提供了使旋转馈通模块化，使得旋转馈通可以作为单独的单元被处理。根据本发明的这种旋转馈通模块可以作为单个单元被单独地处理并安装于主轴壳体上的适当位置处。因此，能够在主轴壳体的远离可移除主轴组件的一端设置适当的紧固开口或固定凸缘，其中在该紧固开口中或固定凸缘上旋转馈通模块可以安装于主轴壳体。例如，根据本发明可以设置成借助于安装凸缘将旋转馈通模块凸缘安装(flange-mounted)于主轴壳体的端面侧。

此外，根据本发明，旋转馈通模块可以作为单独的单元被制造、维修和更换，而无需如同现有技术的情况在与多个独立部件和独立部分一起集成在主轴壳体中的旋转馈通上执行耗时的相应工作步骤。结果，任何泄漏的冷却剂更容易从这种单独的旋转馈通模块中排出。

根据本发明，旋转馈通与主轴壳体内环形筒所在的区域轴向间隔开。因此，能够获得环形筒的更大的设计自由度，例如以如下方式：为夹紧机构创建用于致动容纳在环形筒中的夹紧活塞的相当大的液压活动表面。因此可以获得更高的张力而无需增加电主轴在径向上的总安装空间。

通过本发明可以克服关于现有技术的上述缺点。因此，本发明允许轴承单元保持完整，并因此还允许避免将轴承单元的外轴承环直接容纳在主轴壳体中。

本发明的一个改进方案设置成所述轴承单元具有第一轴承组件和第二轴承组件，在轴向观察时，所述第一轴承组件位于所述旋转馈通模块附近，并且所述第二轴承组件位于远离所述旋转馈通模块处，所述转子经由所述第一轴承组件和所述第二轴承组件相对于所述主轴壳体被支撑。两个轴承组件以彼此间足够的轴向距离设置，以便精确地支撑电主轴。

此外，在这方面可以设置成第一和第二轴承单元均具有轴承衬套，所述轴承衬套在安装状态抗扭地安装，所述轴承衬套中容纳有相应的轴承组件，当从所述主轴壳体移除所述主轴组件时，各轴承衬套能够与所述主轴组件一起被移除。归因于轴承组件在安装状态下抗扭地安装的轴承衬套内的配置，该轴承衬套能够与主轴组件一起被移除，可以设置各种情况下均在轴承张紧方面预安装的轴承组件，这允许根据需要经常将主轴组件移除并重新插入而无需重新调整轴承单元。

在这方面，优选地可以设置成所述第一轴承组件和所述第二轴承组件均具有一对滚子轴承，所述一对滚子轴承相对于彼此以预定方向定位。特别地，在这方面，所述一对滚子轴承能够具有两个角接触球轴承，所述两个角接触球轴承以x形配置或o形配置容纳在轴承衬套中。如上所述，本发明的一个改进方案设置成所述一对滚子轴承以相互固定地夹紧的配置容纳在相关联的轴承衬套中。此外，在这方面，可以设置成利用至少一个弹簧-预张紧和/或可液压致动和/或可气动致动的轴承张紧装置能够使所述轴承衬套预张紧，所述轴承张紧装置用于操作所述电主轴。

本发明的一个改进方案设置成所述主轴组件设计有轴向传输管，所述传输管在安装状态下从主轴杆延伸通过所述环形筒和夹紧活塞进入所述旋转馈通模块。

为了允许以任意期望的方式将旋转馈通模块安装于主轴壳体的区域中，特别地还与可移除的主轴组件相距更大的轴向距离并且还使用相对长的传输管，根据本发明还可以设置成所述旋转馈通模块具有旋转馈通轴承单元，所述旋转馈通轴承单元直接地或间接地相对于所述主轴壳体支撑所述冷却剂供给的所述旋转部件。因此，在电主轴内能够与旋转部件跨越更大的距离，直到旋转馈通通过传输管，而没有发生不平衡或振动的风险。由于提供旋转馈通轴承单元，可以防止在操作期间发生的振动损害旋转馈通的功能和使用寿命。

在这方面，在本发明的一个有利的改进方案中可以设置成所述传输管在所述旋转馈通模块中被容纳在所述旋转部件中并在所述旋转馈通模块中由所述旋转部件支撑。根据本发明的一个实施方式变型，设置成所述旋转馈通轴承单元具有至少一个滚子轴承或滑动轴承。

为了提供用于传输冷却流体的充分密封的接口，本发明的一个改进方案设置成所述旋转馈通被设计成在弹力下和/或通过液压和/或气动作用以密封方式将所述旋转部件和所述静止部件彼此压靠在一起。在被弹力作用的接口的情况中，例如经由预张紧的压缩弹簧将静止部件沿轴向压在旋转馈通的旋转部件上。附加地或可选地，能够以密封方式使可用的气态或液态冷却流体将静止部件和旋转部件彼此压靠。例如，这可以仅在冷却流体超过最小压力值时发生。根据本发明也能够将弹簧预张力和依赖于流体的预张力组合。

本发明的一个改进方案设置成利用夹紧元件将所述转子设置于径向靠外部分，所述夹紧元件经由能够液压、气动或电磁致动的致动器能够夹紧抵靠所述主轴壳体的保持部分，用于相对于所述主轴壳体抗扭地固定所述转子。可以将转子相对于主轴壳体抗扭地固定的该方面，与以上讨论的本发明的方面分开考虑。转子的这种固定是合适的，例如，当将主轴组件插入车床中以容纳旋转工具(例如车刀)时，旋转工具在特定加工情况下必须固定以防止不期望的旋转运动。

在这方面，还可以设置成所述夹紧元件被设计为径向延伸的、可变形的夹紧板，所述夹紧板抗扭地连接到所述转子，并且经由所述致动器可以使所述夹紧板与所述保持部分夹紧接合。这种夹紧板适于在其圆周上被夹紧以经由致动器抗扭的固定。当夹紧板被致动器释放时，夹紧板弹性变形回到其起始状态，并允许转子相对于主轴壳体无摩擦地旋转。

此外，在这方面可以设置成所述致动器被设计成活塞的形式，所述活塞被预张紧到释放所述夹紧元件的位置，并且能够通过被液压或气动流体作用而致动。可以经由附加的弹簧元件将这种致动器预张紧到起始位置，在该起始位置中致动器将夹紧元件释放。

在个别情况下，在自动化技术中，有必要设计具有逆变器或整流器和逆变器的组合的机器。在本发明的背景中，提供了将主轴组件从主轴壳体中简单地移除和简单地重新插入到主轴壳体中，但也独立于该概念，可以设置成将逆变器或将整流器和逆变器的组合直接固定地安装于主轴壳体，其中当从主轴壳体移除主轴组件时，逆变器或整流器和逆变器的组合保留在主轴壳体上。在维护或更换主轴的情况下，不需要将逆变器或整流器和逆变器的组合更换下来，而是可以留在主轴壳体上。结果，可以进一步显著地简化需要执行的维护或修理工作步骤。逆变器或整流器和逆变器的组合可以设置有与这些部件直接相关联并且当移除主轴组件时保留在主轴壳体上的附加控制器。

本发明还涉及一种机床，其设计有上述类型的电主轴。

本发明还涉及从用于上述类型的电主轴的主轴壳体插入和移除主轴的方法，其中，所述转子连同其轴承单元能够从所述主轴壳体被移除，并且除此之外旋转馈通模块能够独立于所述转子从所述主轴壳体被移除以及安装于所述主轴壳体。

附图说明

以下参照附图通过示例来说明本发明，附图示出了以下内容：

图1示出了根据本发明的第一实施方式的电主轴在安装状态下的纵截面图(包含轴线)；

图2a至图2c示出了根据图1的、但在各种安装状态下的纵截面分解图(包含轴线)；以及

图3示出了根据本发明的第二实施方式的电主轴在安装状态下的纵截面图(包含轴线)。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的电主轴在安装状态下的纵截面图(包含纵轴线a)，其中电主轴在本文中统一由附图标记10表示。根据本发明的电主轴10位于机床12的接收开口(在截面图中严格示意性地示出)中，并且可固定于该位置。

电主轴10包括静止地安装于机床12的主轴壳体14。主轴壳体14中设置有能够以传统方式进行电控制的电磁定子16。另外，主轴壳体14包括凸缘元件18，该凸缘元件18凸缘安装于图1中的主轴壳体14的右端处的端面侧。凸缘元件18在其径向内部区域上具有联接附件20，该联接附件20上安装有另一壳体部22。该另一壳体部22和安装于另一壳体部22的插入部24一起形成中空的环形筒26，夹紧活塞28在环形筒26中以密封的方式沿轴向被可移位地引导。夹紧活塞28是以下更详细地说明的工具夹紧系统的一部分，该工具夹紧系统被集成在电主轴10中。

插入部24被用于附接具有模块化设计的、用于冷却电主轴10的冷却流体的旋转馈通30；以下更详细地说明具有模块化设计的旋转馈通30。

再回到主轴壳体14，显然主轴组件40位于主轴壳体的径向内部区域中。主轴组件40能够作为整体从主轴壳体14移除以及插入到主轴壳体14中，例如用于维护目的、用于修理目的、或者用于被完全替换为另一主轴组件。

主轴组件40包括转子46，转子46经由图1中左侧的第二轴承单元42和图1中右侧的第一轴承单元44被支撑以能够绕纵轴线a旋转。转子46被以传统方式设计并通过适当的控制借助于定子16可以被电磁旋转地驱动。

转子46具有主轴杆(spindleshaft)48，主轴杆48在其内部具有中空设计。作为工具夹紧系统的部件的管元件50延伸穿过主轴杆48的径向内部区域，并且管元件50在轴向上相对于主轴杆48可移位并借助于示意性示出的盘簧组件52向图1中的右侧预张紧到起始状态。在图1中，管元件50在其右端设置有固定于管元件50的凸缘部54。凸缘部54沿径向向外延伸得足够远从而与图1中的夹紧活塞28的左端径向重叠，并在被致动时与夹紧活塞相互作用。特别地，归因于通过对夹紧活塞28施加来自环形筒26内的流体的液压并使夹紧活塞28沿轴向向图1中的左侧移位而导致的夹紧活塞28向图1中的左侧的移位，可以使管元件50抵抗盘簧组件52的预张力地向图1中的左侧移动，并可以由此打开工具夹紧机构56(本身已知)，用于插入任意给定的加工工具的联接元件(未示出)。当夹紧活塞28被释放时，工具由于盘簧组件52的恢复作用而以已知的方式被再次关闭，使管元件50移回图1中的右侧。

现在转向两个轴承单元42和44，显然轴承单元42具有轴承壳体60，轴承壳体60在其径向外部区域中设置有凸缘部分62。在安装状态下，凸缘部分62被用于经由多个紧固螺钉64将主轴组件40固定到机床12内的主轴壳体14。此外，轴承壳体60包括与主轴壳体中的相应的通孔68相对应的一系列接收开口66，并且整个主轴组件40与主轴壳体14经由该一系列接收开口66利用适当的紧固螺钉可以一起固定到机床。为此，主轴壳体14也具有凸缘部分70，该凸缘部分70与轴承壳体60的凸缘部分62相对应地沿径向向外延伸。

轴承壳体60在其内部容纳有两个角接触球轴承72、74，在示出的示例中，该两个角接触球轴承72、74以已知的方式设置成o形配置并相对于彼此张紧。角接触球轴承72以其径向靠外的轴承壳抵靠轴承壳体60的径向向内延伸的轴环76，并且在轴向上支撑于该轴环76。角接触球轴承72经由轴承盖78固定于轴承壳体60。第二角接触球轴承74容纳在滑动衬套80中，以便能够在轴向上移位。滑动衬套80在其圆周上设置有多个轴向钻孔，其中沿轴向作用的压缩弹簧82容纳在各个轴向钻孔中，并且经由压缩弹簧使滑动衬套80弹性地支撑于轴承壳体60的沿径向向内延伸的轴环83的在图1中的右侧上。滑动衬套80在轴向上的左侧支撑第二角接触球轴承74。经由螺合到滑动衬套80的轴承盘84从右侧保持角接触球轴承74。主轴杆48设置有肩部86，用于支撑角接触球轴承72、74的径向靠内的轴承壳。另外，相应的间隔套筒88、90和位于端面侧的主轴盘92在主轴杆48上延伸。

位于图1中的右侧的第一轴承单元44同样具有设置成o形配置并相对于彼此张紧的两个角接触球轴承94、96。在滑动衬套98具有轻微轴向间隙用于轴向移位的情况下，两个角接触球轴承94和96容纳在凸缘元件18内。在轴向观察，轴承单元44可以说形成了用于主轴组件40的浮动轴承。

现在转向旋转馈通模块30，显然旋转馈通模块能够从图1中的右侧插入到相应的开口中并进入插入部24中，并且旋转馈通模块能够经由固定板100通过螺钉连接以凸缘状的方式固定于插入部24，其中固定板100以集成方式或作为单独的部件安装于旋转馈通模块30。旋转馈通模块30经由传输管102连接到管元件50的右端，使得管元件50中的空腔经由传输管102中的轴向延伸的空腔被流体连接，用于从旋转馈通模块30传输冷却流体。旋转馈通模块30在其内部具有支撑传输管102的单独的轴承单元(未示出)，使得传输管102能够绕纵轴线a旋转。应当注意，传输管102与管元件50和容纳管元件50的主轴杆48一起旋转，而旋转馈通模块30的壳体固定于抗扭的插入部24。

在旋转馈通模块30内的旋转部件和抗扭的、即静止的部件之间存在接口。旋转馈通模块30内的该接口是重要的，因为必须经由该接口来进行冷却流体的无泄漏传输。为此，设置了旋转部件以及可与其密封接触的抗扭的、即静止的部件，其中旋转部件容纳传输管102并被可旋转地支撑在旋转馈通模块内。可以通过如下方式使静止部件与旋转部件密封接触：将静止部件弹簧-预张紧(spring-pretension)在旋转部件上或根据所使用的冷却流体通过流体地、即液压地或气动地供应冷却流体以将静止部件轴向地张紧以抵靠旋转部件。设置于旋转馈通模块30内的轴承单元具有如下优点：即使当使用相对长的传输管102时，从电主轴10的静止部分进入旋转区域的流体传输的无振动和无振荡配置也是始终可能的。

在本发明的一个方面中，旋转馈通模块30被单独设计为模块，使其可以作为一个单元被处理，并根据维护、修理或更换目的的需要能够从插入部24移除。

在本发明的另一方面中，旋转馈通模块30与环形筒26在轴向上不重叠，而是在轴向上与图1中的环形筒的右端相距距离d。这具有如下优点：无论冷却流体的旋转馈通的实施如何，环形筒26以及其中所引导的夹紧活塞28的尺寸都是可能的。这还导致了在维护方面的显著优点，因为用于内部冷却剂供给的旋转馈通不是通过多个部件的复杂配置在电主轴10内实施，而是通过单独模块的处理来实施。

图1中还显而易见的是用于检测凸缘部54的瞬时轴向位置的传感器110。以这种方式，可以检测夹紧机构56的瞬时状态和工具的成功接收或释放。

在附近，还显而易见的是旋转传感器齿轮112，其共同旋转地固定于主轴杆48，并且与位于壳体部22的旋转传感器114协作用于检测主轴杆48的旋转速度。

最后，夹紧机构120在图1中显而易见，其设置用于根据需要相对于主轴壳体14固定电主轴10的转子46。为此，径向延伸的、能够弹性变形的夹紧板124经由沿周向均匀分布的多个螺钉125固定到主轴杆48的径向向外延伸的轴环122。主轴壳体14与轴承壳体60一起形成液压室，在该液压室中，以密封方式沿轴向可移位地引导夹紧活塞126。在图1所示的中间位置，夹紧活塞126经由多个轴向作用的复位弹簧128支撑于主轴壳体14的在径向插入件上延伸的轴环130。夹紧板124径向地终止于复位弹簧128内，并且不干扰复位弹簧128。夹紧活塞126具有夹紧部分132，利用夹紧部分132可以使夹紧活塞压靠夹紧板124。

为了相对于主轴壳体14抗扭地保持主轴杆48并因此保持转子46，可以通过液压流体对液压室作用，从而抵抗复位弹簧128的作用而将夹紧活塞126推向图1中的右侧。在该过程中，借助于夹紧部分132，夹紧活塞在端面侧推动抗扭地螺固到主轴杆48的夹紧板124，并使夹紧板弹性变形，该夹紧板压靠着主轴壳体14的径向向内延伸的轴环130的面向夹紧板的侧表面。选择足够强的压力，使得在被压的夹紧板124和轴环130的对应表面之间作用的静摩擦力足以将主轴杆48以抗扭的方式保持在主轴壳体14中。因此，如果需要的话，能够以抗扭的方式保持例如车削工具的工具容纳在电主轴10中的工具夹紧机构56中用于特定的加工步骤。随后可以通过释放液压流体来重新清空液压室，其中夹紧活塞126在复位弹簧128的作用下移回图1中所示的其起始位置，从而释放夹紧板124。夹紧板弹性地松弛并解除与轴环130的摩擦接合。

借助于根据本发明的夹紧机构120夹紧转子46的方面被理解为与上述方面分开，并且还可以用于被设计成不具有内部冷却剂供给的电主轴和/或不具有旋转馈通模块的电主轴和/或不具有用于在使轴承单元完整的同时简单更换主轴的选项的电主轴。

图2a至图2c示出了根据本发明的电主轴10的各种安装状态。

在图2a中，主轴壳体14及其定子16被插入到机床12中。在处于安装状态中的轴承单元42和44保持完好无损的情况下，将主轴组件40作为整体从由主轴壳体14和定子16组成的模块沿轴向移除。另外，已经通过从插入部24拆下固定板100移除了旋转馈通模块30。

图2b示出了主轴组件40被部分地插入由主轴壳体14和定子16组成的模块中的状态。旋转馈通模块30仍然与插入部24分离。

图2c示出了旋转馈通模块30被插入到插入部24中的状态，其中主轴组件40仍然仅部分地被推到主轴壳体14中。

图2a至图2c示出了主轴组件40和旋转馈通模块30可以被作为单独的模块进行处理。

图3示出了本发明的第二变型实施方式，其在电主轴10的设计方面与根据图1的第一实施方式相同，因此将相同的附图标记用于相同的部件。在个别情况下，在自动化技术中必须利用逆变器或整流器和逆变器的组合来设计机器。为此，本发明的第二实施方式提供用于将整流器140和逆变器142的组合直接固定地安装到主轴壳体14。与电主轴10的集成电动马达驱动器协作的逆变器142经由电源线144连接到电主轴10。整流器140经由电源线146连接到电网。同样显而易见的是控制器148，其经由控制线150连接到逆变器142。整流器140和逆变器142经由连接线152彼此连接。

可选地，能够仅将逆变器142集成到机床中或者能够将逆变器142与电主轴直接关联，其中控制器148和整流器140位于远处、即未被集成。

具有集成逆变器142、可选地还具有集成整流器140和集成控制器148的本变型实施方式提供了如下优点：当更换主轴组件40时，特定的逆变器配置可以再次保留在机床12中的主轴壳体14上，并且也不需要更换。这另外地简化了操作。