一种交流直流互相转换的划切机气浮主轴结构的制作方法

本实用新型涉及高精密切割设备领域,特别是一种交流直流互相转换的划片机气浮主轴结构。

背景技术：

划片切割机是通过安装在气浮主轴刀盘上的砂轮薄片对物体进行精密划槽、切割。刀盘在气浮主轴上的安装精度和性能及喷水结构对划片切割机的划槽、切割质量影响很大，尤其是晶圆、硅片、led原件和oled等超精密划切的电子、光学元器件。

目前，现有划片切割机的气浮主轴驱动有交流、直流两种电机结构。交流电机结构简单、成本低、高速性能好，但低速性能较差，转速稳定性不好，又交流电机变频器稳定、可靠性好和低成本。而三相无刷直流电机结构其转速稳定、低速性能好，但是结构复杂、成本高，而且转速20000转/分以上的高速无刷直流电机其变频器稳定、可靠性一般、价格昂贵。因此:

1、无论是交流还是直流电机划片机气浮主轴各有利弊。

2、不同设备、不同要求和用户会采用不同形式的电机。

技术实现要素：

本实用新型的技术方案是：一种交流直流转换的划片机气浮主轴结构，包括划片刀、转轴、电机、外壳体。划片刀套装并固定在转轴的前端，转轴后端通过锥度配合安装可拆卸或是交流电机用的鼠笼式转子或是直流电机用的稀土永磁磁极转子与电机的输出轴保持同轴的动力传递。划片刀盘上设有砂轮薄片，在电机的高速转动下，砂轮薄片在工件表面划切出高精度的划槽。

在传统划片机气浮主轴结构中，通常采用装有鼠笼式转子的交流电机驱动主轴，或者是装有稀土永磁磁极转子的直流电机驱动主轴。而这两种结构各有优劣。

因此本实用新型的技术方案是更换转子巧妙将这两种结构结合起来，以最简单、方便和低成本的方式达到各用户不同、不同产品的需要和要求。

具体方案为：在转轴的后端通过锥度配合安装可拆卸的转子，转子为鼠笼式结构或为稀土永磁体组组成，转子并通过底端面上的螺丝进行压紧固定。

转子通过安装于后盖水套内的电机定子线圈产生交变磁场驱动转子并带动转轴旋转，电机定子线圈上设有霍尔元件来感测转动状态。

三个霍尔元件以120°均匀间隔的方式布置于电机定子线圈的铁芯后端部内侧，同时，在后盖水套内还设置有用于组成霍尔元件线路的线路板组件。

当转轴通过锥度配合安装鼠笼式转子的交流转子时，电机定子线圈在通过交流变频器驱动，此时即为交流电机划片机气浮主轴。

当转轴通过锥度配合安装稀土永磁磁极转子时，定子线圈通过直流变频器驱动，此时即为直流无刷电机划片机气浮主轴。同时，根据需要，直流无刷变频驱动器连接霍尔元件的线路引线即可通过感测磁极的转动参数来反应转轴的转动参数。

优选的是，划片刀通过锥孔套装于转轴上，且转轴通过具有锥度的回转表面来与划片刀同轴配合以实现第一定位关系。转轴通过轴肩与刀盘座的端面接触配合以实现第二定位关系，且转轴与所述刀盘座之间以第二定位关系为轴向的限定位基准。

优选的是，转轴上开设有轴向延伸的流水孔，在划片刀上还设有延伸至砂轮薄片两侧表面的导槽，导槽通过转轴径向上开设的离心出水孔来与流水孔连通。

优选的是，壳体为一体成型构造的外壳体，外壳体的后端盖与电机的水套为一体式结构。

优选的是，壳体内设有连通至气浮轴承的气道，气道不经过电机所在的壳体区域。

优选的是，划片刀包括硬刀和软刀；所述软刀包括：刀盘座、刀盘盖及刀盘座和刀盘盖夹持的刀片；所述硬刀包括：与铝合金刀架一体固定的砂轮薄片。

本实用新型的优点是：

1、划片机气浮主轴通过交流直流模块化的互相转换，实现一轴两用满足不同设备、不同要求和不同用户的需求。实用范围广，还大大降低成本。满足各种精密划切要求。

2、划片机气浮主轴转轴转子采用1:50锥度配合，配合紧密传递扭矩大，又可以拆卸、方便跟换转子。

3、划片机气浮主轴转轴径向支撑部分标准尺寸是所以通常不可拆卸转子尺寸只能小于否则无法装拆，由于本例气浮主轴转轴转子可以拆卸，这就可以安装大于转子，本例转轴安装转子和相应定子，功率净增加15％左右。

4、划片机设备同时安装上可以交流和直流两种变频器，通过转换器转换便于配合交流直流互相转换的划片机气浮主轴使用，满足各种精密划切要求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1是直流无刷电机划片机气浮主轴结构的横剖图；

图2是交流电机划片机气浮主轴结构的纵剖图；

图3是图2中双定位处的局部放大图；

图4是传统的划片机气浮主轴结构剖视图；

其中：1、转轴；2、刀盘座；3、刀盘盖；4、砂轮薄片；5、压紧螺母；6、外壳体；7、气浮轴承；8、电机定子线圈；9、流水孔；10、锥面配合；11、端面配合；12、离心出水孔；13、导槽；14、气道；15、进气口；16、止推端；17、法兰盘；18、止推板；19、电机定子线圈；20、稀土永磁磁极转子；21、磁极；22、霍尔元件；23、线路板组件；24、交流转子。

具体实施方式

实施例1：

如附图1所示，外壳体的后盖处采用后盖——水套一体设计，因此转轴1上的转子在打开后盖、拧掉压紧螺丝后，用专用工具就可以完成拆卸、换装。

由于电机和水套后盖装为一体，可以一起拿下来，前端设有进气口，划片机气浮主轴转轴在通压缩空气状态下进行更换转子，这样气浮主轴损伤最小，甚至可以在设备上直接操作更换。空气主轴转轴不用取出，这样清洁、安全都有保障，又方便快捷。

同时，转轴后端通过锥度配合安装可拆卸或是交流电机用的鼠笼式转子或是直流电机用的稀土永磁磁极转子与电机的输出轴保持同轴的动力传递。

在电机定子线圈19上设有三个霍尔元件22来感测转动状态，三个霍尔元件22以120°均匀间隔的方式布置于电机定子线圈19的铁芯后端部内侧。同时，在后盖水套内还设置有用于组成霍尔元件线路的线路板组件23。

当转轴通过锥度配合安装鼠笼式转子的交流转子24时，电机定子线圈19在通过交流变频器驱动，此时即为交流电机划片机气浮主轴。

当转轴通过锥度配合安装稀土永磁磁极转子20时，电机定子线圈19通过直流变频器驱动，此时即为直流无刷电机划片机气浮主轴。由于同时稀土永磁磁极转子上设有多组磁极21，根据需要，直流无刷变频驱动器连接霍尔元件的线路引线即可通过感测磁极的转动参数来反应转轴的转动参数。

基于该结构划片机设备可以同时安装上可以交流和直流两种变频器，通过转换器转换便于配合交流直流互相转换的划片机气浮主轴使用，满足各种精密划切要求。

实施例2：

如附图2所示，空气轴承电主轴划片机上的悬置式转轴1，转轴1的前端套装划片刀，划片刀分为硬刀和软刀两种。软刀即将圆环薄片状的砂轮薄片，该种砂轮薄片通过刀盘盖与刀盘座、螺母装夹进行固定。而将砂轮薄片与铝合金刀架通过电铸成型组合为一体则称之为硬刀，硬刀通过螺帽压紧安装硬刀盘座上。本实施例中以软刀为例，软刀包括刀盘座、刀盘盖和螺母，刀盘座2上安装砂轮薄片4，刀盘座2与刀盘盖3将砂轮薄片4装夹紧固。转轴的后端配合安装电机，电机能够驱动转轴高速转动。

转轴1和电机都安装在壳体中，转轴1是通过气浮轴承7与壳体配合，电机则是通过水套与壳体固定。

气浮轴承7的工作原理是：用压缩空气(通常是空气)作为介质来支撑轴承，因此需要一个气压源来向气浮轴承供气。供气的气道14是设置在壳体内的，气道沿着轴向延伸。

传统的气道布置方式是从壳体的后端面开始，沿着轴向向前端延伸。这样的布置方式会使得气道经过电机位置，而高速运转的电机产生的热量是电机冷却系统无法完全带走的，剩余约40％的热量会不断的对经过的空气加热，加热后的空气被输入气浮轴承，而空气热膨胀系数是1/273.15°。在加热后很容易膨胀，对于气浮轴承会产生致命影响。

因此，本方案中，将气道14的布置位置做了改进：气道14不经过电机所在的壳体区域。气道14的入口设置在电机位置前侧的任何一处，只有气流不经过热源才能降低其被加热的风险。

本实施例中，根据转轴的结构，将转轴分为：配合刀盘座2的前端部、配合电机的后端部、配合壳体的本体。在本体的前端设置有止推端16，本体则通过气浮轴承7与壳体安装配合。因此，止推端16、气浮轴承的法兰盘17以及止推端外侧的止推板18可以起到轴向限位的作用。

而壳体内的气道包括轴向和径向两个支路方向，径向的支路则是通往气浮轴承内的气路。气浮轴承内的气路分别通往转轴与轴承之间的配合面、法兰盘与止推端后端面之间的配合面。如图4所示，气道的轴向支路则向壳体的前端延伸，直接通往止推端前端面，其可以在止推端前端面与止推板之间形成气膜。

上述结构的优势在于，压缩空气可以在止推端的两侧端面处形成气膜，同时在气浮轴承与转轴之间形成气膜。

实施例3

由于气道设置在壳体中，因此，壳体的结构对于起到有着绝对的影响。现有的气浮电主轴以分体式壳体为主，在实施例1的基础上，将壳体分为主轴外壳和电机外壳，两个外壳通过m4的螺栓进行固定。这种分体式结构最大的优势在于制备方便，且安装便捷。

在气道设置的基础上，气道设置在主轴壳体中，这样可以避免被电机发热影响，气道能够为气浮轴承提供稳定的低温空气，确保气浮轴承良好的工作性能。

实施例4

但是由于悬置轴式的划片机气浮主轴工作特点，分体式外壳的装配精度及工作强度等都会对高精密的划切产生巨大影响。因此，将分体式外壳改良为一体式的外壳体6，一体式的外壳体6的优势在于其没有配合缝隙，承载能力突出。因此，设置气道时，只需要确保气道不经过电机所在的外壳体区域即可，气道的入口可以设置在电机位置前部的任意一处。

实施例5

在实施例4的基础上，为了进一步的解决其他技术问题，可以将气浮主轴的结构设计为：

1、采用端面和锥面的双定位结构

刀盘座2与转轴1之间的配合以端面配合11为主，锥面配合10为辅。刀盘座2通过其轴向的中轴孔套装在了转轴1的前端，因此刀盘座2与转轴1之间主要表现为：第一、转轴上设置了一个轴肩，刀盘座2则通过其后端面与该轴肩的端面进行配合(即端面配合11)以满足轴向装配的基准限定位。第二、转轴1的前端回转表面设置锥度，同时刀盘座2的中轴孔也配合相应锥度(即锥面配合10)，在确保与端面定位的尺寸匹配前提下，锥面定位既可以确保同轴关系，也可以配合端面定位实现轴向限位。

由于端面配合11的精度非常高，端面的加工误差可以控制在2μ以内，因此转轴1与刀盘座2之间的配合更加的精密，传动的稳定性也更加高。当刀盘座2通过压紧螺母5锁紧时，端面配合11的方式可以使得压紧螺母5与轴肩之间对刀盘座2进行定位夹紧，操作更加方便，这使得安装与拆卸更为灵活。

2、采用主轴刀盘内出水(或内处切割液)结构

在转轴1的中心开设有一个沿着轴线方向延伸的流水孔9，流水孔9具有一个用于进水的孔口。同时在转轴1上还开设有径向延伸的离心出水孔12，离心出水孔12可以通往刀盘座2。刀盘座2上同样开设了导槽13，导槽13与离心出水孔12对接，导槽13则通往刀盘座2与刀盘盖3的装夹缝隙。原理是通过向流水孔9喷注冷却水或切削液，冷却水或切削液从离心出水孔12进入导槽13，再由导槽13进入刀盘座2与刀盘盖3的装夹缝隙。此时冷却水或切削液就可以从砂轮薄片4的两侧向外运动，在高速转动的离心力作用下，冷却水或切削液不仅可以带走砂轮薄片4表面的热量，同时可以对砂轮薄片4及划切位置上的碎屑进行冲洗，达到清洗的目的。由于冷却水或切削液是贴着砂轮薄片4流出的，这样既能保持砂轮薄片4清洁还提高切削质量和切削效率。

那么跟进一步的，流水孔9的注水方式可以从转轴的两端设计：从前端设置喷水管，那么转轴1上流水孔的开设方式是开口在转轴前端，流水孔无需太深。另一种设计是，流水孔的开口在转轴后端，那么流水孔较深，同时由于转轴后端配合电机，在转轴的后端需要设置排水结构以避免电机进水。

3、气浮主轴压缩空气进气口位于电机(定子线圈壳体)前端

在转轴1和电机外均设置壳体：转轴1转配于主轴壳体内，电机则装配于电机壳体内。由于转轴1需要通过气浮轴承7与主轴壳体进行装配，气浮轴承7则需要外部气源保持其气压稳定。因此，在主轴壳体内设置了气道14，如图3所示，气道14分别通往气浮轴承7的轴向和径向。径向供气可以使气浮轴承7与转轴1之间形成一层气膜，而轴向供气则是确保气浮轴承7的法兰盘与主轴壳体的配合端面之间形成气膜。

基于上述气道的设置原因，气道14的开设路径是不能经过电机位置。因为电机高速转动下会产生大量热源，而此时经过电机的空气会被加热，加热后的空气温度会提高30～40％，且温度具有波动性。被加热后的空气送入气浮轴承，会对转轴的回转带来巨大影响。尤其是超长、超精密的划片机气浮电主轴压缩空气温度变化对气轴轴承内部间隙等结构影响较明显。

因此本实施例中将气道14的进气口15设置在电机位置的前部，即设置在主轴外壳上的任何位置。这样气道14的中的空气就不会被加热，进入气浮轴承7的空气温度可以保持较低且恒定，会对气浮主轴精度、刚性和振动都有益处。

4、电机后置并将电机壳体与主轴壳体设计为一体式

由于划片机上的空气轴承电主轴采用了悬置方式固定，电机后置于结构中。悬置式的转轴1可以配合大功率的电机，这样悬臂端的尺寸可以设计的较小，重量也可以控制。此时，若采用分体式结构，虽然壳体加工方便了，结构转配简单了。但是，由于分体结构始终存在配合缝隙及刚性差，因此两体之间的承载会影响安装精度及结构刚性。

采用一体式的外壳体6，外壳体6的后盖可拆卸，电机可以从后盖处进行安装或拆卸。转轴1通过气浮轴承7与外壳体6配合，同时电机定子线圈8则通过水套与外壳体配合，水套与外壳体的后盖采用一体结构。定子线圈安装在水套内也成为一体，既便于空气电主轴安装、调试及维修，又方便使用大尺寸功率电机转子，提高主轴功率和扭矩。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。