一种外置主轴防护与排屑系统的制作方法

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种外置主轴防护与排屑系统。

背景技术：

一般，例如安装于机床上的主轴在切削工件时产生较多粉状切屑的切削空间中使用。若粉状切屑进入主轴内部，则会使主轴的性能下降，甚至出现故障或缩短主轴寿命的现象。尤其当粉状切屑具有导电性时，进入主轴内部的切屑会直接导致主轴故障。目前，现有的主轴防护机构，仅考虑对主轴工作时的防护，未考虑主轴开启和停止时的防护，以及对切削空间中切屑的处理。

在高速切削可回收的材料(如工程塑料和复合材料等)，尤其是不能使用切削液的材料时，切屑为粉末状，并伴有较大的分离速度。这使切削空间中，包含了集中型切屑和漂浮型切屑。为了减少切削空间的污染和对机床操作人员的健康隐患，以及提高工件的回收和再利用率，应在切削过程中尽可能地收集可再利用的切屑。但由于切削过程中，刀具的轨迹复杂，切屑的分离方向难以集中，使得部分漂浮型切屑有进入主轴内部的可能性。

因此，现有技术中需要一种能够克服上述问题的主轴防护与排屑系统。

技术实现要素：

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种外置主轴防护与排屑系统，包括主轴防护装置、排屑装置、静电发生装置和控制系统。

所述主轴防护装置包括主轴防护壳体和控压机。

所述主轴防护壳体包括圆柱和圆台。

所述圆柱的底面上具有处于同一圆周的若干个外气孔。所述圆柱同轴连接在圆台的下底面上。所述圆台的上底面上具有处于同一圆周的若干个内气孔。每一个内气孔均与一个外气孔接通。所述圆台上底面的内气孔中均安装有节流器。所述节流器上具有节流孔。

所述主轴防护壳体内部设置有与主轴相适应的台阶孔。所述台阶孔贯穿圆柱和圆台。所述主轴防护壳体通过台阶孔外套于主轴上，并与主轴之间具有间隙。所述圆台内壁上安装有绝缘垫圈。所述绝缘垫圈的内圈容纳有静电吸附板。

所述控压机连接有气管。所述气管连接气动快插接头。所述气动快插接头插入在外气孔中。

所述排屑装置包括排屑端盖和真空泵。

所述排屑端盖包括圆环、中空圆台i、中空圆柱和中空圆台ii。

所述圆环固定在圆台的上底面上。所述内气孔接通圆环的内孔。所述中空圆台ii的侧面上具有呈辐射状均布的若干个排屑孔。所述中空圆柱的柱面上具有呈辐射状均布的若干个电极针孔。所述圆环、中空圆台i、中空圆柱和中空圆台ii同轴线布置。其中，所述中空圆柱的两端分别连接中空圆台i和中空圆台ii的上底面，所述中空圆台i的下底面连接在圆环上。所述主轴的刀具从排屑端盖的中空圆台ii中穿出。

所述真空泵的输出端连接在排屑端盖的排屑孔上。

所述静电发生装置包括电极和高压直流电源。

所述电极安装在电极针孔上。所述高压直流电源连接电极。

所述控制系统包括pc机、运动控制卡、多通道定时控制器、主轴电机驱动器和主轴电机。

所述pc机向运动控制卡发送电机开闭指令和定时控制指令，运动控制卡接受电机开闭指令后，对主轴电机驱动器输出电机开闭信号，主轴电机驱动器输出控制信号i控制主轴电机的开闭。所述运动控制卡接受定时控制指令对多通道定时控制器输出定时控制信号。所述多通道定时控制器分别经独立通道与继电器i、继电器ii和继电器iii相连。所述多通道定时控制器向继电器i输出控制信号ii控制真空泵的开闭。所述多通道定时控制器向继电器ii输出控制信号iii控制控压机的开闭。所述多通道定时控制器向继电器iii输出控制信号iv控制高压直流电源的开闭。

工作时，所述pc机向运动控制卡发送电机开启指令。运动控制卡对主轴电机驱动器输出电机开启信号，主轴电机驱动器输出主轴电机开启信号控制主轴电机开启，主轴电机驱动主轴转动，主轴带动刀具转动。同时，pc机向运动控制卡发送定时控制指令。运动控制卡对多通道定时控制器输出定时控制信号。多通道定时控制器同时向继电器i输出真空泵开启信号控制真空泵开启，向继电器ii输出控压机开启信号控制控压机开启，继电器iii输出高压直流电源开启信号控制高压直流电源开启。

当刀具结束切削时，所述pc机向运动控制卡发送电机关闭指令，运动控制卡对主轴电机驱动器输出电机关闭信号，主轴电机驱动器输出主轴电机关闭信号控制主轴电机关闭，主轴停止转动。同时，pc机向运动控制卡发送定时控制指令，运动控制卡对多通道定时控制器输出定时控制信号。多通道定时控制器先向继电器ii输出控压机关闭信号控制控压机关闭，然后向继电器i输出真空泵关闭信号控制真空泵关闭，最后向继电器iii输出高压直流电源关闭信号控制高压直流电源关闭。

进一步，记所述节流孔的内径为l1，所述内气孔的内径为l2，l1≤l2/4。

进一步，所述内气孔的轴线与主轴轴线呈锐角分布。

进一步，所述外气孔上设置有内螺纹。所述气动快插接头带有外螺纹的，经缠绕生料带后通过螺纹连接在外气孔中。

进一步，所述圆柱内壁与主轴之间通过硅橡胶密封。

进一步，所述圆环与圆台之间设置有密封圈。

进一步，所述排屑孔为条形孔。所述排屑孔的长边倾斜方向与主轴的刀具刀刃的螺旋方向一致。

进一步，所述电极针孔的分布位置与内气孔的分布位置呈错位分布。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，通过结合主轴的结构特征，采用外置主轴防护装置的对切屑进行收集并对主轴进行防护。使用控压机和真空泵，采取气流导流的方式，同时完成切削过程的排屑、对主轴的防护，以及对切屑的收集与回收再利用。同时，采用静电发生装置的静电吸附提高防护等级。通过布置优化的控制系统，加强了在主轴启停时的主轴防护措施。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明主轴防护壳体的主视图；

图3为本发明的装配示意图；

图4为图1的a处局部放大图；

图5为图1的b处局部放大图；

图6为图3的c处局部放大图；

图7为本发明的排屑端盖结构示意图；

图8为本发明的控制系统简图。

图中：主轴防护壳体1、圆柱101、外气孔1011、圆台102、内气孔1021、节流器1022、节流孔10221、台阶孔103、绝缘垫圈104、静电吸附板105、硅橡胶106、控压机2、排屑端盖3、圆环301、紧固螺栓3011、密封圈3012、中空圆台i302、中空圆柱303、电极针孔3031、中空圆台ii304、排屑孔3041、电极4、高压直流电源5、pc机6、运动控制卡7、多通道定时控制器8、主轴电机驱动器9、主轴电机10、继电器i11、继电器ii12、继电器iii13和刀具14。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种外置主轴防护与排屑系统，包括主轴防护装置、排屑装置、静电发生装置和控制系统。

参见图1至图8，所述主轴防护装置包括主轴防护壳体1和控压机2。

所述主轴防护壳体1包括圆柱101和圆台102。

所述圆柱101的底面上具有处于同一圆周的若干个外气孔1011。所述圆柱101同轴连接在圆台102的下底面上，两者一体成型。所述圆台102的上底面上具有处于同一圆周的若干个内气孔1021。每一个内气孔1021均与一个外气孔1011接通。所述圆台102上底面的内气孔1021中均安装有节流器1022,节流器1022通过粘接剂或过盈配合连接在内气孔1021中。所述节流器1022上具有节流孔10221。记所述节流孔10221的内径为l1，所述内气孔1021的内径为l2，且l1≤l2/4。

所述主轴防护壳体1内部设置有与主轴相适应的台阶孔103。所述台阶孔103贯穿圆柱101和圆台102。所述主轴防护壳体1通过台阶孔103外套于主轴上，并与主轴之间具有间隙。所述内气孔1021的轴线与主轴轴线呈锐角分布，本实施例中，内气孔1021的轴线与主轴轴线的角度为30°。所述圆台102内壁上固定有绝缘垫圈104。所述绝缘垫圈104的内圈容纳有静电吸附板105，以防主轴防护装置带电，对操作人员产生安全影响。

所述控压机2连接有气管。所述气管连接气动快插接头。所述外气孔1011上设置有内螺纹。所述气动快插接头带有外螺纹，气动快插接头经缠绕生料带后通过螺纹连接在外气孔1011中。

所述排屑装置包括排屑端盖3和真空泵。

所述排屑端盖3包括圆环301、中空圆台i302、中空圆柱303和中空圆台ii304。

所述圆环301与圆台102之间设置有密封圈3012，所述圆环301通过紧固螺栓3011固定在圆台102的上底面上，将密封圈3012压紧，保证密封性。所述内气孔1021接通圆环301的内孔。所述中空圆台ii304的侧面上具有呈辐射状均布的若干个排屑孔3041。所述排屑孔3041为条形孔。所述排屑孔3041的长边倾斜方向与主轴的刀具14刀刃的螺旋方向一致，排屑孔3041的长边倾斜方向与主轴的刀具14刀刃的螺旋方向之间的夹角应越小越好。所述中空圆柱303的柱面上具有呈辐射状均布的若干个电极针孔3031。所述电极针孔3031的分布位置与内气孔1021的分布位置呈错位分布。所述圆环301、中空圆台i302、中空圆柱303和中空圆台ii304同轴线布置。其中，所述中空圆柱303的两端分别连接中空圆台i302和中空圆台ii304的上底面，所述中空圆台i302的下底面连接在圆环301上。所述主轴的刀具14从排屑端盖3的中空圆台ii304中穿出。

所述真空泵的输出端通过橡胶或塑料软管粘接连接在排屑端盖3的排屑孔3041上。

所述静电发生装置包括电极4和高压直流电源5。

所述电极4安装在电极针孔3031上。所述高压直流电源5连接电极4。

所述控制系统包括pc机6、运动控制卡7、多通道定时控制器8、主轴电机驱动器9和主轴电机10。

所述pc机6向运动控制卡7发送电机开闭指令和定时控制指令，运动控制卡7接受电机开闭指令后分别通过串口与主轴电机驱动器9进行通讯，对主轴电机驱动器9输出电机开闭信号，主轴电机驱动器9输出控制信号i控制主轴电机10的开闭。所述运动控制卡7接受定时控制指令通过i/o接口对多通道定时控制器8输出定时控制信号。所述多通道定时控制器8分别经独立通道与继电器i11、继电器ii12和继电器iii13相连。所述多通道定时控制器8向继电器i11输出控制信号ii控制真空泵的开闭。所述多通道定时控制器8向继电器ii12输出控制信号iii控制控压机2的开闭。所述多通道定时控制器8向继电器iii13输出控制信号iv控制高压直流电源5的开闭。

进一步，所述圆柱101内壁与主轴之间通过硅橡胶106密封。

工作时，所述pc机6向运动控制卡7发送电机开启指令。运动控制卡7对主轴电机驱动器9输出电机开启信号，主轴电机驱动器9输出主轴电机开启信号控制主轴电机10开启，主轴电机10驱动主轴转动，主轴带动刀具14转动。同时，pc机6向运动控制卡7发送定时控制指令。运动控制卡7对多通道定时控制器8输出定时控制信号。多通道定时控制器8同时向继电器i11输出真空泵开启信号控制真空泵开启，真空泵对排屑孔3041进行抽吸，向继电器ii12输出控压机开启信号控制控压机2开启，控压机2向外气孔1011吹入压缩气体，继电器iii13输出高压直流电源开启信号控制高压直流电源5开启，高压直流电源5开启对电极4放电。

主轴上的刀具14参与切削时，切削过程产生的大量粉状切屑会直接经过排屑孔3041被真空泵吸走，进行回收。此外，由于排屑孔3041的长边方向与刀具14的刀刃螺旋结构的方向一致，在排屑孔3041处产生的吸力，使切屑更容易沿着刀具14的前刀面排出，更利于排屑，从而减轻刀具14的磨损。当切削速度较高时，切削产生的切屑会有较高的运动速度，其中一部分切屑会向主轴与主轴防护装置之间的间隙运动。从节流孔10221流出的压缩气体会阻碍切屑的继续运动，且与排屑孔3041处的吸力相结合，对粉状切屑产生导流作用，使其更容易通过排屑孔3041被回收。节流器1022与排屑孔3041的结合，主要起到两个作用：一个是对部分粉状切屑的导流与回收，另一个则是对主轴的防护。由于节流器1022的分布个数和压缩空气的压力有限，这种方式并不能完全防止粉状切屑进入主轴内部间隙。因此，在气流压力较弱的部位设置静电发生电极4。通过高压直流电源5和电极4的放电，击穿空气，并使经过此部位的粉状切屑带上静电。当该带静电的切屑进入主轴与主轴防护壳体1之间的间隙后，在接近静电吸附板105时，被其吸附，从而进一步对主轴进行防护。

当刀具14结束切削时，所述pc机6向运动控制卡7发送电机关闭指令，运动控制卡7对主轴电机驱动器9输出电机关闭信号，主轴电机驱动器9输出主轴电机关闭信号控制主轴电机10关闭，主轴停止转动。同时，pc机6向运动控制卡7发送定时控制指令，运动控制卡7通过其i/o端口对多通道定时控制器8输出定时控制信号。多通道定时控制器8先向继电器ii12输出控压机关闭信号控制控压机2关闭，并开始计时，经一段时间后,如3分钟，向继电器i11输出真空泵关闭信号控制真空泵关闭，再过一段时间，如5分钟，向继电器iii13输出高压直流电源关闭信号控制高压直流电源5关闭。这样做的目的是：切削结束时，切削环境中仍然有漂浮的切屑。先切断高压空气，是为了防止高压空气扰乱切削空间中的气流，使粉状切屑随之漂浮。一是不利于收集，二是影响加工环境且不利于主轴的防护。在切断高压空气后，持续的负压抽吸可尽可能地收集切屑，而主轴的防护则通过静电吸附方法持续。在尽可能地收集切屑后，仅通过静电吸附方法对主轴进行防护，静置一段时间待切削空间的气流稳定后，停止静电吸附工作，进一步减小主轴受切屑影响的可能性。

本实施例提供的外置主轴防护与排屑系统，通过结合主轴的结构特征，采用外置主轴防护装置的对切屑进行收集并对主轴进行防护。使用控压机2和真空泵，采取气流导流的方式，同时完成切削过程的排屑、对主轴的防护，以及对切屑的收集与回收再利用。同时，采用静电发生装置的静电吸附提高防护等级。通过布置优化的控制系统，加强了在主轴启停时的主轴防护措施。

实施例2：

本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种外置主轴防护与排屑系统，包括主轴防护装置、排屑装置、静电发生装置和控制系统。

参见图1至图8，所述主轴防护装置包括主轴防护壳体1和控压机2。

所述主轴防护壳体1包括圆柱101和圆台102。

所述圆柱101的底面上具有处于同一圆周的若干个外气孔1011。所述圆柱101同轴连接在圆台102的下底面上，两者一体成型。所述圆台102的上底面上具有处于同一圆周的若干个内气孔1021。每一个内气孔1021均与一个外气孔1011接通。所述圆台102上底面的内气孔1021中均安装有节流器1022,节流器1022通过粘接剂或过盈配合连接在内气孔1021中。所述节流器1022上具有节流孔10221。

所述主轴防护壳体1内部设置有与主轴相适应的台阶孔103。所述台阶孔103贯穿圆柱101和圆台102。所述主轴防护壳体1通过台阶孔103外套于主轴上，并与主轴之间具有间隙。所述圆台102内壁上固定有绝缘垫圈104。所述绝缘垫圈104的内圈容纳有静电吸附板105，以防主轴防护装置带电，对操作人员产生安全影响。

所述控压机2连接有气管。所述气管连接气动快插接头。所述气动快插接头插入在外气孔1011中。

所述排屑装置包括排屑端盖3和真空泵。

所述排屑端盖3包括圆环301、中空圆台i302、中空圆柱303和中空圆台ii304。

所述圆环301通过紧固螺栓3011固定在圆台102的上底面上。所述内气孔1021接通圆环301的内孔。所述中空圆台ii304的侧面上具有呈辐射状均布的若干个排屑孔3041。所述中空圆柱303的柱面上具有呈辐射状均布的若干个电极针孔3031。所述圆环301、中空圆台i302、中空圆柱303和中空圆台ii304同轴线布置。其中，所述中空圆柱303的两端分别连接中空圆台i302和中空圆台ii304的上底面，所述中空圆台i302的下底面连接在圆环301上。所述主轴的刀具14从排屑端盖3的中空圆台ii304中穿出。

所述真空泵的输出端通过橡胶或塑料软管粘接连接在排屑端盖3的排屑孔3041上。

所述静电发生装置包括电极4和高压直流电源5。

所述电极4安装在电极针孔3031上。所述高压直流电源5连接电极4。

所述控制系统包括pc机6、运动控制卡7、多通道定时控制器8、主轴电机驱动器9和主轴电机10。

所述pc机6向运动控制卡7发送电机开闭指令和定时控制指令，运动控制卡7接受电机开闭指令后分别通过串口与主轴电机驱动器9进行通讯，对主轴电机驱动器9输出电机开闭信号，主轴电机驱动器9输出控制信号i控制主轴电机10的开闭。所述运动控制卡7接受定时控制指令通过i/o接口对多通道定时控制器8输出定时控制信号。所述多通道定时控制器8分别经独立通道与继电器i11、继电器ii12和继电器iii13相连。所述多通道定时控制器8向继电器i11输出控制信号ii控制真空泵的开闭。所述多通道定时控制器8向继电器ii12输出控制信号iii控制控压机2的开闭。所述多通道定时控制器8向继电器iii13输出控制信号iv控制高压直流电源5的开闭。

工作时，所述pc机6向运动控制卡7发送电机开启指令。运动控制卡7对主轴电机驱动器9输出电机开启信号，主轴电机驱动器9输出主轴电机开启信号控制主轴电机10开启，主轴电机10驱动主轴转动，主轴带动刀具14转动。同时，pc机6向运动控制卡7发送定时控制指令。运动控制卡7对多通道定时控制器8输出定时控制信号。多通道定时控制器8同时向继电器i11输出真空泵开启信号控制真空泵开启，真空泵对排屑孔3041进行抽吸，向继电器ii12输出控压机开启信号控制控压机2开启，控压机2向外气孔1011吹入压缩气体，继电器iii13输出高压直流电源开启信号控制高压直流电源5开启，高压直流电源5开启对电极4放电。

主轴上的刀具14参与切削时，切削过程产生的大量粉状切屑会直接经过排屑孔3041被真空泵吸走，进行回收。此外，由于排屑孔3041的长边方向与刀具14的刀刃螺旋结构的方向一致，在排屑孔3041处产生的吸力，使切屑更容易沿着刀具14的前刀面排出，更利于排屑，从而减轻刀具14的磨损。当切削速度较高时，切削产生的切屑会有较高的运动速度，其中一部分切屑会向主轴与主轴防护装置之间的间隙运动。从节流孔10221流出的压缩气体会阻碍切屑的继续运动，且与排屑孔3041处的吸力相结合，对粉状切屑产生导流作用，使其更容易通过排屑孔3041被回收。节流器1022与排屑孔3041的结合，主要起到两个作用：一个是对部分粉状切屑的导流与回收，另一个则是对主轴的防护。由于节流器1022的分布个数和压缩空气的压力有限，这种方式并不能完全防止粉状切屑进入主轴内部间隙。因此，在气流压力较弱的部位设置静电发生电极4。通过高压直流电源5和电极4的放电，击穿空气，并使经过此部位的粉状切屑带上静电。当该带静电的切屑进入主轴与主轴防护壳体1之间的间隙后，在接近静电吸附板105时，被其吸附，从而进一步对主轴进行防护。

当刀具14结束切削时，所述pc机6向运动控制卡7发送电机关闭指令，运动控制卡7对主轴电机驱动器9输出电机关闭信号，主轴电机驱动器9输出主轴电机关闭信号控制主轴电机10关闭，主轴停止转动。同时，pc机6向运动控制卡7发送定时控制指令，运动控制卡7通过其i/o端口对多通道定时控制器8输出定时控制信号。多通道定时控制器8先向继电器ii12输出控压机关闭信号控制控压机2关闭，并开始计时，经一段时间后,如3分钟，向继电器i11输出真空泵关闭信号控制真空泵关闭，再过一段时间，如5分钟，向继电器iii13输出高压直流电源关闭信号控制高压直流电源5关闭。这样做的目的是：切削结束时，切削环境中仍然有漂浮的切屑。先切断高压空气，是为了防止高压空气扰乱切削空间中的气流，使粉状切屑随之漂浮。一是不利于收集，二是影响加工环境且不利于主轴的防护。在切断高压空气后，持续的负压抽吸可尽可能地收集切屑，而主轴的防护则通过静电吸附方法持续。在尽可能地收集切屑后，仅通过静电吸附方法对主轴进行防护，静置一段时间待切削空间的气流稳定后，停止静电吸附工作，进一步减小主轴受切屑影响的可能性。

本实施例提供的外置主轴防护与排屑系统，通过结合主轴的结构特征，采用外置主轴防护装置的对切屑进行收集并对主轴进行防护。使用控压机2和真空泵，采取气流导流的方式，同时完成切削过程的排屑、对主轴的防护，以及对切屑的收集与回收再利用。同时，采用静电发生装置的静电吸附提高防护等级。通过布置优化的控制系统，加强了在主轴启停时的主轴防护措施。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，记所述节流孔10221的内径为l1，所述内气孔1021的内径为l2，l1≤l2/4。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述内气孔1021的轴线与主轴轴线呈锐角分布，本实施例中，内气孔1021的轴线与主轴轴线角度为45°。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述外气孔1011上设置有内螺纹。所述气动快插接头带有外螺纹，经缠绕生料带后通过螺纹连接在外气孔1011中。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述圆柱101内壁与主轴之间通过硅橡胶106密封。

实施例7：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述圆环301与圆台102之间设置有密封圈3012，保证密封性。

实施例8：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述排屑孔3041为条形孔。所述排屑孔3041的长边倾斜方向与主轴的刀具14刀刃的螺旋方向一致。排屑孔3041的长边倾斜方向与主轴的刀具14刀刃的螺旋方向的夹角越小越好。

实施例9：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，由于内气孔1021的个数有限，且内气孔1021均匀布置在圆台102的上底面上，所述电极针孔3031的分布位置应与内气孔1021的分布位置呈错位分布。