模块化的气动缸和气动缸在电机主轴中的应用

专利名称：模块化的气动缸和气动缸在电机主轴中的应用

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202080034389.5

专利申请（专利权）人：德国中西翌格尔有限公司
权利人地址：德国奥伯-莫伦

专利发明（设计）人：M.韦尔特,F.沃尔夫,A.费希尔

专利摘要：一种模块化的气动缸(1)，其具有多个气缸级(4)、气缸底(2)、气缸盖(3)和在气缸底和气缸盖之间延伸的轴向的纵长孔(5)，所述纵长孔在气缸底(2)中通入活塞杆(8)中并且设置用于容纳固定器件(7)，所述气动缸还具有同心地围绕所述孔(5)布置的多个盘状的气缸级(4)，这些气缸级分别包括环形地围绕所述孔(5)的活塞(10)以及从所述活塞(10)径向地延伸的且能够被压缩空气加载的活塞盘(9)，其中，所述气缸级(4)的活塞(10)与所述活塞杆(8)处于有效作用中，使得所述气动缸(1)的压力加载引发所述活塞杆(8)的冲程。

主权利要求：
1.一种模块化的气动缸(1)，其具有多个气缸级(4)、气缸底(2)、气缸盖(3)和在气缸底和气缸盖之间延伸的轴向的纵长孔(5)，所述纵长孔在气缸底(2)中通入活塞杆(8)中并且设置用于容纳固定器件(7)，所述气动缸还具有同心地围绕所述纵长孔(5)布置的多个盘状的气缸级(4)，这些气缸级分别包括环形地围绕所述纵长孔(5)的活塞(10)以及从所述活塞(10)径向地延伸的且能够被压缩空气加载的活塞盘(9)，其中，所述气缸级(4)分别包括构成气动缸(1)的外周面的一部分的气缸级壁(12)和将多个气缸级(4)彼此分隔的气缸级盖(13)，并且其中，所述气缸级(4)的活塞(10)与所述活塞杆(8)处于有效作用中，使得所述气动缸(1)的压力加载引发所述活塞杆(8)的冲程，其特征在于，所述气缸级(4)的气缸壁(12)被多个轴向延伸的孔穿过，这些孔从所述气缸盖(3)中起始并且通入所述气缸底(2)中，多个气缸级(4)能够通过所述孔借助柱头螺栓(17)相互连接，并且在这些气缸级(4)的气缸壁(12)中设有多个通道或者缺口，这些通道或者缺口气动地与所述气缸级(4)和所述气缸壁(12)中的至少一个孔相连，从而能够通过至少一个柱头螺栓(17)实现排气。
2.根据权利要求1所述的气动缸(1)，其特征在于，所述活塞盘(9)通过膜构成，所述膜由塑料或金属制成。
3.根据权利要求1所述的气动缸(1)，其特征在于，所述活塞盘(9)设计为橡胶膜。
4.根据前述权利要求1至3之一所述的气动缸(1)，其特征在于，所述气动缸(1)设计为双作用式气动缸，从而进给行程和返回行程能够通过所述气动缸的排气和/或充气实现。
5.根据权利要求1至3之一所述的气动缸(1)，其特征在于，所述气动缸设计为单作用式气动缸，并且在压力加载之后的返回行程中能够借助至少一个布置在气缸底(2)中的且能够与至少一个气缸级(4)产生有效作用的弹簧(16)实现所述活塞盘(9)的返回。
6.根据权利要求5所述的气动缸(1)，其特征在于，所述弹簧(16)设计为波形弹簧。
7.根据权利要求1至3之一所述的气动缸(1)，其特征在于，通过轴向的纵长孔(5)引入压缩空气，所述纵长孔通过位于活塞(10)中的多个通道或者缺口(6)与多个气缸级(4)连接。
8.根据前述权利要求1至3之一所述的气动缸(1)，其特征在于，所述气缸级(4)的气缸级壁(12)和气缸级盖(13)一体式地设计。
9.根据前述权利要求1至3之一所述的气动缸，其特征在于，所述气动缸(1)或者气动缸(1)的组成部分由金属或者由塑料或者由金属和塑料组合地制造。
10.根据前述权利要求1至3之一所述的气动缸(1)，其特征在于，所述气缸级盖(13)的自由端部贴靠在所述活塞(10)上，并且所述活塞盘(9)的自由端部贴靠在所述气缸级壁(12)上。
11.根据前述权利要求1至3之一所述的气动缸(1)，其特征在于，在所述气缸级盖(13)和活塞盘(9)之间存在自由空间(14)，所述自由空间与轴向的纵长孔(5)气动地连接。
12.一种根据前述权利要求之一所述的气动缸(1)与电机主轴(18)的应用，所述电机主轴在主轴壳体(19)中包含电机和能够被电机旋转驱动的主轴，所述主轴具有用于工具的工具容纳部(20)，所述工具用于加工工件，其中，所述主轴具有用于夹紧工具的夹紧装置或者工具固持件，其中，所述气动缸(1)直接地或间接地固定在所述主轴壳体(19)上，并且其中，所述活塞杆(8)能够与推杆(21)传递力和运动地有效连接，所述推杆能够在所述主轴的纵长孔中沿轴向移动，并且所述夹紧装置能够运动到松开位置或者锁紧位置。
13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于，所述气动缸(1)的气缸底(2)设计为所述主轴壳体(19)的组成部分。 说明书 : 模块化的气动缸和气动缸在电机主轴中的应用技术领域[0001] 本发明涉及一种具有多个气缸级的模块化的气动缸和气动缸在电机主轴中的应用。背景技术[0002] 气动缸可以由金属或者塑料制造。文献DE1932938U1公开了一种气动缸，其中气缸盖、气缸管、气缸活塞和气缸底由塑料制成。[0003] 文献DE202005001207U1描述了一种具有由塑料制成的管状的气缸壳体的气动缸，在气缸壳体中活塞可以通过在至少一侧上加载压力而沿着其轴线运动。活塞杆从活塞伸出，活塞杆被塑料制成的气缸盖挤压。[0004] 文献GM7607218U1公开了一种用于气缸的活塞，活塞由两个半部分组成并且由可滑动的塑料构成。在两个垂直于运动方向延伸的环形面上设置有固持由聚氨酯制成的密封唇的环形槽，密封唇压入或者成型到环形槽中。由钢冲压成的片材置入活塞的半部分之间。[0005] 气动缸也在电机主轴中应用。机床的电动驱动的部件被称为电机主轴(也被称为主轴或者工作主轴)，该部件用于固持旋转的工具(钻头、铣刀、螺纹刀具、磨具等)或者旋转的工件。用于高速切削的高频主轴(HF主轴)实现了极高的工具转速和高出多倍的切削和进给速度。电机主轴例如作为所谓的工作主轴用于工具机中。[0006] 高速铣削主轴提供高的峰值功率并且由此适用于HSC领域的重型切削加工任务。高速铣削主轴通过主轴托架或者集成在壳体中的主轴法兰容纳。此外存在具有高转速的钻孔主轴和雕刻主轴。[0007] 用于湿式和干式加工的主轴特别适用于牙科技术的特别高的要求。由于使用的材料、主轴的刚性和防污染保护，这些用于牙科技术的主轴同样能够用于干式和湿式加工。[0008] 已知的气动缸的缺点在于高的制造成本，并且气缸被设计用于事后无法改变的确定的力。发明内容[0009] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种气动缸，在所述气动缸中能够调节或者改变待由气缸产生的力。[0010] 所述技术问题按照本发明通过一种模块化的气动缸解决，所述气动缸具有多个气缸级、气缸底、气缸盖和在气缸底和气缸盖之间延伸的轴向的纵长孔，所述纵长孔在气缸底中通入活塞杆中并且设置用于容纳固定器件，所述气动缸还具有同心地围绕所述孔布置的多个盘状的气缸级，这些气缸级分别包括环形地围绕所述孔的活塞以及从所述活塞径向地延伸的且能够被压缩空气加载的活塞盘，其中，所述气缸级分别包括构成气动缸的外周面的一部分的气缸级壁和将多个气缸级彼此分隔的气缸级盖，并且其中，所述气缸级的活塞与所述活塞杆处于有效作用中，使得所述气动缸的压力加载引发所述活塞杆的冲程，按照本发明规定，所述气缸级的气缸壁被多个轴向延伸的孔穿过，这些孔从所述气缸盖中起始并且通入所述气缸底中，多个气缸级能够通过所述孔借助柱头螺栓相互连接，并且在这些气缸级的气缸壁中设有多个通道或者缺口，这些通道或者缺口气动地与所述气缸级和所述气缸壁中的至少一个孔相连，从而能够通过至少一个柱头螺栓实现排气。[0011] 气缸设计具有多个、尤其至少两个模块化的气缸级，所述气缸级设置在气缸底和例如设计为端盖的气缸盖之间并且所述气缸级的活塞这样共同作用，使得力作用在活塞杆上并且形成冲程。在需要时可以置入其它模块化的气缸级，从而所述气缸例如能够在1Bar至20Bar的压力范围中使用。这意味着，气缸的力可以通过添加其它的气缸级来升高或者通过移除气缸级来降低，这使得按照本发明的气缸级能够在更大的应用范围中使用。[0012] 在本发明的范畴中，术语“压缩空气”包括气态介质，所述气态介质例如可以、然而并非仅可以是空气或者二氧化碳。例如可以规定，借助为二氧化碳气压容器或者二氧化碳胶罐或者二氧化碳胶囊实现气动缸的操作。当然也可以使用常见的压缩空气接口。[0013] 在一种设计方案中，可以通过轴向的纵长孔引入用于加载活塞盘的压缩空气，所述纵长孔通过活塞中的通道或者缺口气动地与气缸级或者活塞盘连接。压缩空气能够通过阀门和调控装置通过轴向的纵长孔或者位于纵长孔中的通道导入气缸中。轴向的纵长孔还用于容纳固定器件、例如用于固定活塞杆的螺栓。[0014] 在一种设计方案中规定，这些气缸级分别包括构成气动缸的外周面的一部分的气缸级壁和将多个气缸级彼此分隔的气缸级盖。多个气缸级盘状地彼此相叠地布置在气缸底和气缸盖之间。在气缸级之间可以存在气缸级盖，所述气缸级盖几乎将气缸级与后续接下来的气缸级分隔开来。气缸级的气缸级壁总体地构成气动缸的周向面或者至少构成气动缸的周向面的一部分。在一种设计方案中，所述气缸级的气缸级壁和气缸级盖一体式地设计，从而简化了安装和操作。[0015] 优选的是，所述气缸级的气缸壁被多个轴向延伸的孔穿过，这些孔从所述气缸盖中起始并且通入所述气缸底中，多个气缸级能够通过所述孔借助柱头螺栓相互连接。根据需要可以设置多个孔，以便确保气缸级的可靠的连接。与之相关地有利的是，在这些气缸级的气缸壁中设有多个通道或者缺口，这些通道或者缺口气动地与所述气缸级和所述气缸壁中的至少一个孔相连，从而能够通过至少一个柱头螺栓实现排气。这意味着，气缸的排气也可以通过至少一个柱头螺栓实现。压缩空气能够可控地经由相应的通道或者槽逸出。[0016] 在一种设计方案中规定，所述气动缸设计为单作用式气动缸，并且在压力加载之后的返回行程中能够借助至少一个布置在气缸底中的且能够与至少一个气缸级产生有效作用的弹簧实现所述活塞盘的返回。在这种设计方案中，所述返回不是通过压送空气实现，而是通过设计为弹簧的弹簧元件实现，所述弹簧元件例如在进给行程中压缩并且在返回行程中膨胀。在气缸排气之后，弹簧在返回行程中使气缸级的活塞杆或者活塞返回到其初始位置或者基本位置中。所述弹簧尤其是波形弹簧。[0017] 然而也可以规定，所述气缸设计为双作用式气动缸，从而进给行程和返回行程能够通过所述气动缸的排气和/或充气实现。在该设计方案中可以舍弃用于使活塞返回的弹簧。因为进给行程和返回行程能够通过压缩空气实现，所述压缩空气在进给行程中使活塞盘或者活塞杆朝向一个方向运动并且在返回行程中使活塞盘或者活塞杆朝向相反的方向运动。[0018] 可能有利的是，一个或多个活塞盘通过由塑料或金属制成的膜构成。由此能够大大降低气缸的总重量和制造成本。尤其优选的是，一个或多个活塞盘设计为橡胶膜。[0019] 此外可以规定，所述气缸或者气缸的组成部分由金属或者由塑料或者由金属和塑料组合地制造。气缸的所有组成部分、例如活塞盘或气缸级基本上都可以由金属、塑料或者由金属和塑料组合地制造，从而能够实现低的总重量和低的制造成本。[0020] 气缸中的通入活塞杆中的纵长孔尤其用作供柱头螺栓穿过或者容纳所述柱头螺栓的空腔。在一种设计方案中，所述孔可以由布置在气缸底和气缸盖之间的套筒构成，所述套筒可以根据气缸级的数量具有不同的位置并且气缸级能够围绕所述套筒布置。所述孔备选地可以由布置在气缸底和气缸盖之间的活塞构成。这意味着，气缸级的活塞尤其构成孔或者空腔的壁，所述活塞围绕所述孔或者空腔布置。[0021] 每个气缸级具有能够以压缩空气加载的活塞盘，其中，对气缸级的加载总体地产生活塞或者活塞杆的运动。活塞轴向地延伸，即垂直于活塞盘定向并且基本上轴向地沿着纵长孔、并且优选朝向气缸底的方向延伸。活塞的自由端部尤其指向气缸底的方向，而活塞盘的自由端部指向气缸级壁的方向。在一种设计方案中规定，所述气缸级盖的自由端部贴靠在所述活塞上，并且所述活塞盘的自由端部贴靠在所述气缸级壁上。由此可以实现紧凑的结构。在端部上还可以设置用于O形环的围绕的槽。[0022] 为了提供用于导入压缩空气的空间可以规定，在所述气缸级盖和活塞盘之间存在自由空间，所述自由空间与轴向的纵长孔气动地连接。业已证实，漏泄量可以保持得很小并且产生了足够到的用于对活塞盘进行压力加载的有效面积。[0023] 本发明还涉及一种气动缸与电机主轴的应用，所述电机主轴在主轴壳体中包含电机和能够被电机旋转驱动的主轴，所述主轴具有用于工具的工具容纳部，所述工具用于加工工件，其中，所述主轴具有用于夹紧工具的夹紧装置或者工具固持件，其中，所述气动缸直接地或间接地固定在所述主轴壳体上，并且其中，所述活塞杆能够与推杆传递力和运动地有效连接，所述推杆能够在所述主轴的纵长孔中沿轴向移动，并且所述夹紧装置能够运动到松开位置或者锁紧位置。与之相关地有利的是，所述气动缸的气缸底设计为所述主轴壳体的组成部分。由此能够使主轴连同气动缸节省位置空间地设计。气动缸的前述设计方案和优点相似地适用于优选的应用。此外，本发明还涉及前述电机主轴与气动缸的一种组合机组。[0024] 气缸和电机主轴‑气缸单元具有多种优点、例如降低制造成本、作为维修套件的具有轴承的可更换的轴单元、降低密封空气消耗、优化生产过程、组装过程、材料过程和交付过程、基本上省去作为昂贵部件的外壳，通过紧凑的结构节省位置空间、需要更少的密封件、例如O形环，例如活塞盘等部件可以有利地由塑料制造、通过模块化的结构使得能够使用相同的组件，可以通过柱头螺栓进行排气以及简单的组装。[0025] 气动缸或者电机主轴‑气缸单元可以在不同的技术领域中使用，例如作为磨削技术中的磨削主轴、钻床主轴、铣削主轴或者车削主轴；作为牙科技术中的牙科主轴(铣削单元)，其中可以使用牙科主轴在有限空间内进行全自动制造成型并且提供多达7个移动轴用于加工作业；作为工具制造和模具制造中的车削主轴；作为机器人应用中的高频主轴，其中，由机器人对材料进行加工；在印刷电路板的制造中使用。附图说明[0026] 以下根据本发明在附图中所示的实施例详细阐述本发明。在附图中：[0027] 图1示出四级气缸的侧视剖面图，[0028] 图2示出按照图1的气缸的俯视图，[0029] 图3示出按照图1的气缸的立体视图，[0030] 图4示出三级气缸的侧视剖面图，[0031] 图5示出具有气缸的电机主轴的侧视图，和[0032] 图6示出按照图5的俯视图。具体实施方式[0033] 图1示出四级气缸的侧视剖面图，图2示出按照图1的气缸的俯视图并且图3示出按照图1的气缸的立体视图。气动缸1具有气缸底2和对置地布置的气缸盖3。在气缸底2和气缸盖3之间容纳有气缸级4，所述气缸级同心地围绕纵长孔5或者沿着纵轴线延伸的通孔布置。用于容纳柱头螺栓6的头部的凹槽6位于气缸盖3中，其中，螺栓7导引穿过气缸级4的孔5或者相应的通孔并且通入活塞杆8中。凹槽6能够通过存在于气缸盖3中的通孔借助旋入接口例如与压缩空气管路连接。此外，可以提供例如由烧结青铜制成的压缩空气消音器。活塞杆8可轴向运动地支承在气缸底2中并且以活塞杆的自由端部从气缸底2突伸出来。在气缸底2中可以设有贴靠在活塞杆8上的O形环。[0034] 气缸级4包括径向地从纵长孔5延伸的具有活塞10的活塞盘9，其中，所述活塞10垂直地从活塞盘9上竖立并且轴向地朝向气缸底1的方向突伸。所有气缸级4的环形地设计的活塞10在总体上包围中心的纵长孔。活塞盘9以其径向的、与活塞10相对置的自由端部11贴靠在气缸级壁12的内表面上。在端部11上存在容纳O形环的凹槽。气缸级壁12轴向地延伸并且朝向孔5的方向以90°的角弯折并且在那里构成气缸级盖13，所述气缸级盖又以其径向的自由端部贴靠在后续的活塞盘9的活塞10上。在气缸级盖13的自由端部上设有用于O形环的凹槽。气缸级盖13和气缸级壁12可以如图1示例性地示出的那样一体式地设计。根据应用需要也可以双件式地设计。[0035] 活塞盘9这样布置在气缸级壁12和气缸级盖13之间，使得尽管活塞盘9至少局部地贴靠在气缸级盖13上，然而至少局部地在活塞盘9与气缸级盖13之间以及必要时在活塞盘的各个位置或设计方案中在活塞盘9、气缸级盖13与气缸级壁12之间存在自由空间14。活塞盘9布置在气缸级盖13、气缸级壁12和后续的气缸级4的气缸级盖13之间。[0036] 活塞10在其上部的端部、即朝向气缸盖3的端部上具有缺口15或者通道，所述缺口或者通道将自由空间14与中心的纵长孔5气动地连接。[0037] 最后一个气缸级4的活塞10与气缸底2相邻地布置。弹簧元件16围绕活塞10地布置，所述弹簧元件在一侧贴靠在最后一个气缸级4的活塞盘9上并且在另一侧贴靠在气缸底2上。弹簧元件16例如可以是波形弹簧。[0038] 活塞盘9的气缸级壁12被孔穿过，所述孔用于容纳固定螺栓17，所述固定螺栓从气缸盖3通入气缸底2中并且由此将气动缸1的各个组成部分相互连接。位于气动缸1的外周上的固定螺栓能够在图2中清楚地看到。[0039] 气缸1的组成部分、例如气缸级4、活塞盘9、活塞杆8、气缸底2、气缸盖3、波形弹簧和/或气缸本身可以由金属或者塑料制造。此外可以规定，活塞盘9由塑料膜或者金属膜构成。气缸1可以具有模块化的气缸底2和模块化的气缸盖3。[0040] 图4示出三级气动缸并且图5示出按照图4所示的气动缸的俯视图。在构造方面参照图1或者图2和图3。按照本发明的气动缸可以具有更多或者更少的气缸级4，其中，在需要时能够简单地通过松脱在中心位于纵长孔中的螺栓7和固定螺栓17简单地移除或者添加气缸级4。气缸级4优选相同地构造，从而能够简单地更换、补充和安装或者拆卸。由此也能够简单地进行气动缸1的维护。[0041] 在不施加压缩空气的基础位置或者静止位置中，尽管活塞10接触气缸级4、即与气缸级有效作用，然而尚且没有力作用在活塞杆8上，因为活塞9被弹簧元件16的弹簧力固持在基础位置中。弹簧元件16能够根据需要可以在基础位置中就已经将力施加到活塞9上。然而也可以规定，弹簧元件16松弛地存在于基础位置中、即不将力施加到活塞9上。为了操作气动缸1可以经由中心的纵长孔5将压缩空气引入自由空间14中并且在活塞盘9上施加压力，从而能够轴向运动地支承的活塞盘9与气缸级4的活塞10轴向地朝向气缸底2的方向运动。弹簧元件16在此抵抗着其弹簧力被压缩。活塞9将力施加到活塞杆8上，所述活塞杆在图1中相应地向右运动。一旦活塞盘10由于贴靠在后续的气缸级4的气缸级盖13上而停顿或者一旦弹簧元件16被最大程度地压缩，则活塞9的进给结束。可以相应地根据用途定义并且相应地调整活塞盘10的端部位置。因此例如可以在气缸级盖13上存在缓冲元件，以便避免活塞盘9损坏并且限制运动。[0042] 为了进行返回行程，气缸1例如通过气缸级壁12中的固定螺栓17的孔中的通道排气并且使活塞盘9与活塞10通过膨胀的弹簧元件16运动到其基础位置中。与气缸级4的活塞10连接的活塞杆8因此按照图1向左运动。[0043] 气动缸1也可以设计为两次作用的气动缸1，从而返回行程也可以通过压缩空气而不是借助弹簧元件16实现。在此，在气动缸1排气之后或者在所述气动缸排气的同时重新通过其它的缺口引入压缩空气，从而使活塞盘9从另一侧被压缩空气加载并且活塞盘9在返回行程中朝向与进给行程的方向相反的方向运动。[0044] 图5示出设计有气动缸的电机主轴的侧视剖面图并且图6示出该电机主轴的俯视图。电机主轴18由多件式的主轴壳体19、所支承的具有转子的主轴构成。主轴配设有贯穿的纵长孔，所述纵长孔在图中右侧的端部上通入工具容纳部20中。工具容纳部20可以直接安设在加工工具上或者安设在工具固持件上。在纵长孔中可轴向移动地支承有夹紧装置和与所述夹紧装置固定连接的推杆21。[0045] 气缸1例如可以在主轴壳体19的与工具固持件相反的端部上固定在马达单元附近。可以使用适配器板22用于固定，通过所述适配器板使气动缸1能够简单地借助螺纹固定在电机主轴18上，从而实现简单的安装/拆卸。[0046] 在夹紧位置中，工具固持件通过夹紧装置借助弹簧的力夹紧工具。如果要更换工具固持件连同固定在其上的工具，则例如在使主轴停止运转之后通过气缸1的中心的孔吹入压缩空气并且加载活塞盘，从而使活塞杆8抵抗着波形弹簧的力运动到从气动缸1中进一步移出的位置上。活塞杆8在此与推杆21的头部接触并且使推杆21连同夹紧装置运动，使得夹紧销被夹紧装置释放并且使工具锥柄松开。以此方式能够手动地或者自动地取下工具固持件和固定在其上的工具。[0047] 在更换之后，气缸1例如通过气缸螺栓排气并且活塞杆8通过波形弹簧的弹簧力重新到达基础位置中，在所述基础位置中在推杆21和活塞杆8之间不存在接触。[0048] 气动缸‑电机主轴组合具有多个优点，例如由于气缸减少了弹簧力、实现简化的且螺纹连接的电机壳体管、转子能够由铝压铸件制造而不是由铜杆制造、可以通过补偿片释放压力、定子仅被浸渍、通过电机间隙实现冷却、不具有螺旋槽、气缸的铝外壳可以设置为具有气缸底的承载的元件，总长度大大减少。此外，气动缸或者气动缸的部件可以由塑料构成，从而气动缸具有较低的重量，从而所述气动缸能够多样化地使用。

专利地区：德国

专利申请日期：2020-05-14

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN113795678B