專利名稱：用于加工成形非規(guī)則表面的磁懸浮高速機床主軸的制作方法
技術領域：
一般來說，本發(fā)明涉及用于加工成形非規(guī)則表面的磁懸浮高速機床主軸總 成，特別是，涉及這樣一種在工件上加工成形非圓孔的總成。
2. 相關技術
在一些生產(chǎn)應用中，要求形成非圓孔。例如，在制造內(nèi)燃機的活塞時，用 于肘節(jié)(wrist)的所謂銷孔，或活塞銷常具有一個略呈喇叭形、朝向中心的開 口，以配合活塞銷中的彎曲。另外，銷孔的喇叭形狀的最優(yōu)設計是具有輕微的 橢圓度，以進一步消除當肘節(jié)銷在不同圓周中移動時的變形。銷孔的這種喇叭 形和非圓形必須按照精確公差成形。例如，在這種類型的應用中，公差常常要 求在3到5微米的范圍內(nèi)。
在加工這種按照精密公差要求的非圓形孔的工業(yè)技術中包括液壓銑刀和電 化學加工技術?，F(xiàn)有技術也建議在鏜出非圓形狀時，使用一種特殊的裝有主動 磁軸承的機床主軸。主動磁軸承的原理如下轉動的主軸由一種鐵磁性材料制 成，它由電磁定子所產(chǎn)生的磁場支承。帶有適當?shù)墓β史糯笃鞯目刂葡到y(tǒng)對磁 場進行調節(jié)，以使主軸在轉動時保持在所需的徑向位置上。甚至在負載發(fā)生變 化的情況下，這個徑向位置也可以得到保持。
主動磁軸承系統(tǒng)的優(yōu)點在于它控制主軸移動的能力，并有意識地使主軸轉 動出現(xiàn)偏移，從而使成形工具沿所需的路徑移動。但現(xiàn)有技術卻有很多的缺點 和局限。例如，特別是可被加工成3維的非圓形孔的形狀受到限制。并且，現(xiàn) 有技術中精確控制刀具刃口位置以及使公差變化低于5微米的能力并不可靠。
因此，本發(fā)明的目的是克服這些缺點和局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一個磁懸浮高速主軸總成，用于加工成形非圓形孔，而孔在工 件中具有在尺寸上變化的軸向軌跡。該總成包括一個主軸，它具有一個沿縱向 延伸的主軸軸線，并帶有固定在它的成形端處的刀具。 一個第一磁性軸承組在 靠近刀具的位置支承主軸，使其圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉。 一個第二磁性 軸承組與第一磁性軸承組相隔一段距離，并在遠離刀具的位置支承主軸，使其 圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉。 一個徑向軸承控制器獨立地控制第一和第二磁 性軸承組，以調節(jié)在主軸的磁懸浮旋轉過程中主軸軸線的徑向位置，因而使在 成形端的主軸軸線沿預定的非圓形軌道移動。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，改進包 括一個軸向運動控制器，它使刀具相對于工件沿主軸軸線移動，同時改變軌道 的形狀，以使具有連續(xù)地沿軸向變化的軌跡的非圓形孔在工件中以高速和高精 度形成。因此，通過對磁性軸承組以及刀具相對于工件的軸向位置進行獨立 的、也是同步的控制可以形成具有連續(xù)變化的斷面和形狀的非圓形孔。
按照本發(fā)明的第二方面， 一種磁懸浮高速主軸總成用于在工件上加工成形 非圓形孔?？偝砂ㄒ粋€伸長的主軸，它沿主軸軸線在后端和成形端之間延 伸。
一個刀具沿徑向從主軸靠近成形端的位置向外延伸，終點是刃口。 一個第
一磁性軸承組在靠近成形端的位置支承主軸，使其圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋 轉。 一個第二磁性軸承組與第一磁性軸承組相隔一段距離，并在遠離成形端的 位置支承主軸，使其圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉。 一個徑向軸承控制器獨立 地控制第一和第二磁性軸承組，以在所述主軸的磁懸浮旋轉過程中調節(jié)所述主 軸軸線的徑向位置，并使成形端沿預定的非圓形軌道移動，從而使高速刃口在 工件中形成相應形狀的非圓形孔。按照本發(fā)明的這個方面， 一個刃口控制器用 于保持在刃口和軌道之間有一個連續(xù)的傾角。傾角包括一個最優(yōu)的切割角，這 個切割角由從主軸軸線延伸到刃口的半徑與在軌道上任一點處的切線之間的角 確定，這樣，非圓形孔的成形精度得到提高，總成可以在更高的旋轉速度下運 行，同時主軸具有更大的穩(wěn)定性。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種使高速主軸總成磁懸浮的方法。這 個方法用于在工件中形成一個具有尺寸上發(fā)生變化的軸向軌跡的非規(guī)則孔。這
個方法包括以下步驟將一個徑向延伸的刀具固定在具有主軸軸線的主軸的一 個端部上；圍繞主軸上靠近刀具的第一區(qū)域建立一個磁懸浮場以使主軸圍繞主 軸軸線旋轉；圍繞主軸上與第一區(qū)域相隔一段距離并遠離刀具的第二區(qū)域建立 一個磁懸浮場；使主軸在第一和第二磁懸浮場之間圍繞主軸軸線旋轉；并且通 過改變第一和第二磁懸浮場，來調節(jié)主軸旋轉過程中主軸軸線在第一和第二區(qū) 域的徑向位置，使主軸軸線在成形端沿預定的非圓形軌道運動。這個方法的特 征在于，通過使刀具相對于工件沿主軸軸線移動，并且同步調節(jié)主軸軸線在第 一和第二區(qū)域的徑向位置，在工件中形成非規(guī)則的并且軌跡沿軸向變化的孔。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種使高速主軸總成磁懸浮的方法。這 個方法用于在工件中形成一個非圓形孔，并包括以下步驟在一個刀具上形成 刃口；將刀具固定在具有主軸軸線的主軸的一個端部上，使刃口從主軸軸線沿 徑向向外；圍繞主軸上靠近刀具的第一區(qū)域建立一個磁懸浮場以使主軸圍繞主 軸軸線旋轉；圍繞主軸上與第一區(qū)域相隔一段距離并遠離刀具的第二區(qū)域建立 一個磁懸浮場；使主軸在第一和第二磁懸浮場之間圍繞主軸軸線旋轉，并且通 過改變第一和第二磁懸浮場，來調節(jié)主軸旋轉過程中主軸軸線在第一和第二區(qū) 域的徑向位置，使刃口沿預定的非圓形軌道運動，以便在工件中形成非圓形 孔。改進包括在刃口和軌道之間保持一個連續(xù)的傾角，以使非圓形孔的成形精 度得到提高，并使主軸可以在更高的旋轉速度和更大的穩(wěn)定性下運行。傾角包 括一個最優(yōu)的切割角，這個切割角由從主軸軸線延伸到刃口的半徑與在軌道上 任一點處的切線之間的角確定。
按照本發(fā)明的孔成形總成和方法，克服了現(xiàn)有技術的局限和缺點，特別是 從三維的角度，擴大孔的形狀的結構的可用范圍，并使孔能在高速下以高精度 加工成形。


通過下面的詳細說明和附圖將會更容易理解本發(fā)明的上述以及其它特點和 優(yōu)點，其中，
圖1是根據(jù)本發(fā)明的主軸總成和用于孔加工成形的活塞工件的正視簡圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的磁懸浮高速主軸總成的簡化斷面圖3是一個示意圖，在圖中，根據(jù)本發(fā)明的主軸磁懸浮在第一和第二磁軸 承組之間，并在各X和Y的坐標平面中為磁定子和位置傳感器設有各自的徑向 軸承控制器；
圖4是工件上的非圓形孔的斷面放大圖，包括圍繞以虛線表示的運行軌道 處于不同位置上的成形刀具；
圖5是一個簡化透視圖，表示了一個在工件上的典型的孔的幾何形狀，其 中，刀具形成出一個連續(xù)的、沿軸向變化的軌跡；
圖6中是另一個典型的非圓形孔的幾何形狀，它具有兩個不規(guī)則的凸出
部；
圖7是與圖6 —樣，但其中是另一個具有多個凸出部的非圓形孔的幾何形
狀；
圖8是一個可選的刀具結構的端面視圖，包括兩個相對的刃口 ； 圖9與圖8 —樣是一個端面視圖，但所示的是另一個具有多個刃口的刀具 的可選實施例；
圖10是主軸總成的一個簡圖。圖中所示的是，在主軸的軸線在其運行軌 道上保持平行的情況下，它在第一和第二磁軸承組之間的上下軌道極限；
圖11與圖10—樣，但其中所示的是，當主軸被第一和第二磁軸承組控制 在相對的極限位置上時的運行軌道的極限。
具體實施例方式
參閱附圖，在各圖中相似或相應的零件采用相同的附圖標號，在圖1和2 中，磁懸浮高速主軸總成由20表示。主軸總成20用來在工件24上加工成形 非圓形孔22。在圖1中，工件24作為示例，只包括一個用于內(nèi)燃機的活塞。 圖中所示的非圓形孔22作為用來容納在現(xiàn)有技術中已公知的肘節(jié)銷(圖未 示)的銷孔。但是，工件24還可以包括任何零件，并不局限于活塞、發(fā)動 機，或者甚至不局限于在汽車上的應用。相反，它可用于任何采用具有高度精 確公差的非圓形孔22的場合。
總成20包括一個剛件的類似大軸的土軸，通常山26表示，它沼軸線A在 后端28和成形端30之間延伸。刀具32從主軸26上靠近成形端30的位置沿 徑向向外延伸至尖銳的刃口 34。舉例來說，刀具32可以包括一種具有任何一
個商業(yè)上可用的形狀的可拆卸硬質合金刀片。如圖2中的斷面圖所示，刀具32
可以夾持在一個可拆卸的刀夾36上，該刀夾通過錐度和螺栓裝置38固定在 主軸26上。主軸26上在后端28和成形端30附近設有扳手開口 40，以便拆 卸刀具32進行保養(yǎng)以及更換刀夾36。
該總成20還包括一個外殼42,主軸26的后端28和成形端30從其中穿 過。在圖2中由44表示的驅動馬達布置在外殼42之內(nèi)，并強制主軸26圍繞 主軸軸線A轉動。驅動馬達44可以是已知的任何類型，既可以通過交流電也 可以通過直流電運轉?；蛘撸寗玉R達44也可以是流體驅動、空氣驅動或任 何一種其它類型的能源驅動。在所示的實例中，驅動馬達44包括一個固定在 外殼42之內(nèi)的電動定子46和一個固定在主軸26上的轉子或電樞48。
一對輔助軸承50設置在外殼42相對兩側，并與主軸26之間有著明顯的 間隙。輔助軸承50作為備用的安全機構，以便在磁懸浮系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況 下，使得高速旋轉的主軸26可以在輔助軸承50上安全制動，而不損壞任何部 件。
為了保證主軸26在外殼42內(nèi)軸向正確對中，磁性止推軸承，通常由52 表示，被布置在外殼42和主軸26之間。磁性止推軸承52包括兩個布置在轉 盤56相對兩側的定子54。該定子54可以由實心鋼或實心鋼鍥(solid steel wedges)制成，鋼鍥在鍥之間具有由薄片填充的徑向槽。定子54也由線圈填 滿，以便在包含轉盤56的磁場中產(chǎn)生反作用的軸向力。雖然未在圖中顯示， 但總成20也可以包括與止推軸承52共同作用的軸向位置傳感器，和功率放大 器以確定和控制主軸26的軸向位置。
在圖3中，第一磁性軸承組通常由58表示，在最接近刀具32的位置支承 主軸26，以使它圍繞著軸線A進行磁性懸浮旋轉。類似的是，通常由60表示 的第二磁性軸承組，與磁性軸承組58相隔一段距離，以便在遠離刀具32的另 一側支承主軸26，以使它圍繞著主軸軸線A進行磁性懸浮旋轉。換句話說， 第一磁性軸承組58最接近主軸26的成形端30，而第二磁性軸承組60最接近 主軸26的后端28。
第一磁性軸承組58包括至少三個、優(yōu)選為四個磁性定子，它們布置在一 個垂直主軸軸線A的共同平面內(nèi)，相互之間隔著一般來說相等的弧線間距。磁 性定子通常成對布置——一對對置的X坐標磁性定子62、 62'和一對對置的Y
坐標磁性定子64、 64'。 X坐標定子62、 62'本身位于一個所謂的X平面內(nèi)， 沿對角穿過主軸軸線A，并與水平面成大致45。的角。上X坐標定義62位于 主軸軸線A的上方，而下X坐標定義62'位于主軸軸線A的下方。Y坐標定子 64、 64'布置在包含主軸軸線A的所謂的丫平面內(nèi)，這個平面與水平面成大致 45°的角。Y平面與X平面垂直。因此，當主軸26優(yōu)選地處在第一軸承組58 和第二軸承組60之間的中心線上時，主軸軸線A與X和Y平面的相交線重 合。X平面與Y平面的靜止相交形成一個軸承軸線Z。因此，當主軸26處于 中立的中心位置時，軸承軸線Z與主軸軸線A重合。但是，當主軸26受到電 流波動和其它外部脈沖的影響時，主軸軸線A發(fā)生平移并相對于固定的軸承軸 線Z旋轉。
相似的是，第二磁性軸承組60包括X坐標定子66、 66'和Y坐標定子 68、 68',它們的方位與第一磁性軸承組58中的定子相似。X坐標定子62、 62'、 66、 66'全部位于X平面內(nèi)，Y坐標定子64、 64'、 68、 68'全部位于Y平 面內(nèi)。在圖3中，這些磁性定子被示意地畫成U形的固定磁鐵。但實際上，這 些定子也可以由疊片環(huán)疊置而成，磁極在它們的內(nèi)徑之上。線圈圍繞在各磁極 上，從而使各軸承組可以分成四個象限。每個象限中的線圈起著一個單獨的電 磁鐵的作用。如上所述，特別是在主軸26在水平條件下被支承的情況中，各 象限與垂直面成45。角，以使重力的反作用力得到分散。
在圖2中，第一磁性軸承組58包括布置在主軸26的第一區(qū)域72上的第 一轉子70。第一轉子70由疊片環(huán)疊置而成，它們安裝在套筒上并與主軸26 配合。疊片可以有效地改善第一磁性軸承組58的靈敏度。同樣，第二磁性軸 承組60包括布置在主軸26的第二區(qū)域76上的第二轉子74。第一轉子70和 第二轉子74在結構上基本相同，但是根據(jù)總成20的設計應用，它們會在尺寸
和形狀上有微小的差異。
至少三個、優(yōu)選為四個第一位置傳感器布置在一個相對主軸軸線A垂直的 共伺平面內(nèi)，相互之間隔著一般來說相等的弧線間距，并鄰近第一磁性軸承組 58。優(yōu)選的是，如圖3所示，第一位置傳感器包括一對對置的、靠近各第一X 坐標定子62、 62'的X坐標傳感器78、 78'，和一對對置的、靠近相應的Y坐 標定子64、 64'的Y坐標位置傳感器80、 80'。相似的是，第二位置傳感器的 對置的X坐標位置傳感器82、 82'和Y坐標傳感器84、 84'靠近各X和Y坐標
定子66、 66'、 68、 68'。所有這些位置傳感器以電壓的形式提供有關主軸26 位置的信息。正常來說，這些位置傳感器均被校準，這樣，當主軸26處于中 間位置時，傳感器產(chǎn)生零電壓。當主軸26高出中間位置時，則產(chǎn)生正電壓。 而當主軸26低于中間位置時，則產(chǎn)生負電壓。
徑向的軸承控制器獨立地控制第一磁性軸承組58和第二磁性軸承組60， 從而在主軸26的磁懸浮旋轉過程中，調節(jié)主軸軸線A相對于軸承軸線Z的徑 向位置。通過獨立地控制主軸26相對于第一磁性軸承組58和第二磁性軸承組 60的位置，主軸軸線A在成形端30可以是鉸接的(articulated)，并劃出受 到高度控制的非圓形軌道B。徑向軸承控制器可以集中協(xié)調來自所有傳感器的 輸入，并向所有的軸承組輸出信號以實現(xiàn)所需的成形端30的鉸接。
可選的是，徑向軸承控制器可以包括一個X軸控制器86和一個單獨的Y 軸控制器88。在這個結構中，X軸控制器86接收從X坐標位置傳感器78、 78'、 82、 82'發(fā)出的電壓信號，在一個數(shù)學模型中對信息進行處理，包括如到 刃口 34的軸向距離以及從主軸軸線A到刃口 34的刀具半徑等尺寸關系，并向 一個集成的或單獨的放大器發(fā)送電流(或電壓)要求。這樣，X軸控制器86 就可以接收多個輸入，即來自X平面中的每個傳感器的輸入，并向X平面中的 所有定子發(fā)送多個輸出，從而動態(tài)地控制主軸26。 X軸控制器86可以包括抗 混疊濾波器、模/數(shù)轉換器、數(shù)字信號處理器和脈寬調制發(fā)生器。來自位置傳感 器78、 78'、 82、 82'的電壓穿過抗混疊濾波器，從信號中消除掉高頻噪音。在 高頻噪音被除掉后，模/數(shù)轉換器對位置信號進行采樣，并將電壓信號轉換成可 被數(shù)字信號處理器處理的形式。然后，數(shù)字信息經(jīng)過數(shù)字過濾器，并根據(jù)預定 的值，生成一個與改正或調節(jié)主軸26的位置所需的電流(或電壓)數(shù)量相稱 的輸出。所需的電流與磁性軸承組58應用的實際電流進行比較，并通過一個 模/數(shù)轉換器發(fā)送、過濾和采樣。實際和所需電流之間的誤差被用來辨別發(fā)往放 大器的脈寬調制信號。然后，該信息被送往脈寬調制發(fā)生器，該發(fā)生器產(chǎn)生發(fā) 往放大器的脈寬調制波形。Y軸控制器88以相似的方式運行，它接收來自Y 坐標傳感器80、 80'、 84、 84'的多個輸入信號，并通過向第二磁性軸承組60 發(fā)送輸出信號來進行多個校正動作。
X軸控制器86和Y軸控制器88可被用于A類調諧或B類調諧。在B類 調諧中，被X軸控制器86輸送到每個X坐標定子62、 62'、 66、 66'的電流， 按照非線性的比例增量在各對之間是不同的。這種B類調諧方法為軌道B的成
形過程帶來了更大的靈活性，并有助于在離開軸承中心較遠時控制主軸26的
剛度和穩(wěn)定性。
可被用止推軸承控制器89控制更大的主軸26。如上所述，止推軸承控制 器89將接收來自軸向位置傳感器(圖未示)的輸入信號，并向磁性止推軸承 發(fā)出校正輸出信號。在這里，如圖3所示，止推軸承控制器89可以和X軸控 制器58和Y軸控制器60連通，以便有目的地操縱磁性止推軸承52與徑向軸 承62、 64、 66、 68相呼應。可選的是，這種對徑向和止推軸承的聯(lián)合控制可 以在一個集中軸承控制器的實施例中實現(xiàn)，它從一個^:置調度所有軸承。
在圖4中，隨著主軸軸線A沿著它的軌道B移動時，刀具32也相應移 動。在圖中，刀具32為實心，主軸軸線A偏離軸承軸線Z。刃口 34與工件 24的非圓形孔22接觸時的點建立了一個基準點。從軸承軸線Z到刃口 34的 直線包括成形半徑90。從軸承軸線Z到主軸軸線A的直線包括軌道半徑92。 從主軸軸線A到刃口 34的直線包括刀具半徑94。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中， 傾角即刀具半徑94與軌道B的切線96之間的角保持不變，并在整個成形工序 中優(yōu)選為直角。同樣，在其和孔92的接觸點處所畫的切線98與刀具半徑94 之間也成直角。如圖4中的虛線所示，傾角在主軸軸線A沿軌道B運行的過程 中保持不變。為了實現(xiàn)連續(xù)不變的傾角，有必要通過使用多次輸入一多次輸出 的控制方法對第一磁性軸承組58和第二磁性軸承組60進行聯(lián)合控制。即使在 成形半徑90和軌道半徑92之間的角100在軌道圓周上在正值和負值之間波 動，連續(xù)的、優(yōu)選為直角的傾角仍保持不變。通過使用X軸控制器86和Y軸 控制器88來控制第一磁性軸承組58和第二磁性軸承組60，使刃口 34和軌道 B之間可以保持連續(xù)的傾角，從而使非圓形孔22在成形時具有相當?shù)木_ 度。同樣，通過使傾角在沿軌道B的所有點上保持不變，使總成20可以更高 的旋轉速度運行，并且主軸的穩(wěn)定性提高，因為來自刀具32的反作用力的波 動變小。當然，優(yōu)化的傾角可以不是90° ，而控制器86、 86'可被編程以便成 形過程中保持優(yōu)化的傾角不變。
圖3中示意地顯示了以旋轉編碼器102為形式的旋轉位置傳感器，它用來 確定土軸26的角位置，以及刀具32圍繞主軸軸線A的位置。旋轉編碼器102 與X軸控制器86和Y軸控制器88連通，可以聯(lián)合調節(jié)第一磁性軸承組58和
第二磁性軸承組60。優(yōu)選的是，這些控制器86、 88以下列方式控制刀具 32:它完成圍繞主軸軸線A的一個旋轉，同時主軸26的成形端30完成環(huán)繞軌 道B—周。這就可以使最優(yōu)的傾角在整個軌道B的范圍內(nèi)保持不變。但是，由 于孔22的形狀復雜，當主軸26重新定位時，有必要將刀具32提起以離開孔 22的表面。因此，復雜的孔形狀會要求在每次環(huán)繞軌道B—圈時，刀具32完 成多次旋轉。
在圖1中，軸向運動控制器由104表示。軸向運動控制器104使刀具32 相對于工件24沿與主軸軸線A平行的方向移動，而刀具32同時成形出非圓形 孔22。同時，控制器86、 88驅動磁性軸承組58、 60，從而在尺寸上改變了 工件24中的孔22的軸向軌跡。軸向運動控制器104工作時可以使工件24靜 止，并使主軸總成20平移，或者，如圖1所示，可以包括一個工件夾具 106，它可以相對于靜止的主軸總成20移動。可選的是，兩個部件可以同時移 動。
軸向運動的聯(lián)合，或軸向運動結合軌道B的連續(xù)變化，可以形成復雜的幾 何形狀，如圖5所示。在這里，圖中所示的孔22在工件24的開口處具有橢圓 形的輪廓，其中，橢圓形具有一個通常為垂直的主軸線108。隨著孔22深入 到工件24中，橢圓的尺寸變小，而主軸線108沿順時針方向旋轉。這由在中 點110的虛線橢圓斷面表示。隨著孔22在工件24中進一步深入，孔22的形 狀變大而主軸線108繼續(xù)沿順時針方向旋轉，直到達到終點112，而橢圓形的 主軸線108基本為水平。復雜的、尺寸發(fā)生變化的孔22在工件24中的軸向軌 跡并不局限于圖5所示的結構。例如，圖6中是一個非橢圓的、不規(guī)則孔 22'，其形狀有兩個凸起，類似凸輪?？蛇x的是，圖7顯示了一種帶有多凸起的 孔22"。本領域的技術人員將會理解，幾乎任何在幾何上可以想象出的形狀都 可以通過使用主軸總成20和控制器86、 88的多次輸入一多次輸出的控制方法 加工出。
圖8和9中是刀具32'的不同布置形式，其中可以使用兩個或更多的刃口 34'?？蛇x的是，刃口 34"以砂輪片或砂輪(圖未示)的形式可連續(xù)圍繞著成 形端30"延伸，。
圖10和11中是主軸26的通過理論圓周114、 116定位極限的可能性， 顯示了主軸26的第一區(qū)域72和第二區(qū)域76分別在第一磁性軸承組58和第二磁性軸承組60之間最大活動范圍。刃口 34的切割半徑由虛線表示的理論圓周 118表示。通過控制器86、 88所采用的多次輸入一多次輸出控制方法，在圖 示的可能的活動范圍內(nèi)運行的情況下，？L 22的形狀可以出現(xiàn)無窮的變化，可 以沿著軸向連續(xù)改變。并且，這種控制方法可以用于高速制造工序，例如，主 軸26的速度超過10,000 RPM。
雖然本發(fā)明的實施例是通過更傳統(tǒng)意義上的孔的成形來加以說明的，但本 領域的技術人員將會理解，這些新穎的技術可以應用到外部表面。因此，只需 直接對刀具34進行改動，就可以在凸狀部分加工出非圓形的表面。所以，本 發(fā)明的目的是提供一種表面成形技術和裝置，可以同樣有效地用于要求具有非 圓形狀的孔和銷狀物，并且具有在尺寸上變化的軌跡。
顯然，按照上述說明，可以對本發(fā)明進行大量的修改和變型。因此，必須 指出的是，在權利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以不按上述說明予以實施。權利要 求書對本發(fā)明進行了限定。
權利要求
1.一種磁懸浮高速主軸總成，用于在工件中加工成形具有在尺寸上變化的軸向軌跡的非圓形表面，所述總成包括一個主軸，它限定一個主軸軸線，并帶有一個固定在其成形端的刀具；一個第一磁性軸承組，它在靠近所述刀具的位置支承所述主軸，以使主軸圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉；一個第二磁性軸承組，它與所述第一磁性軸承組間隔開，并在遠離所述刀具的位置支承所述主軸，以使主軸圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉；一個徑向軸承控制器，它獨立地控制所述第一和第二磁性軸承組，以調節(jié)在所述主軸的磁懸浮旋轉過程中所述主軸軸線的徑向位置，并使在所述成形端的所述主軸軸線沿預定的非圓形軌道移動；一個軸向運動控制器，它使所述刀具相對于工件沿所述主軸軸線移動，同時改變所述運行軌道的形狀，以使具有連續(xù)地沿軸向變化的軌跡的非圓形孔在工件中以高速和高精度形成。
2. 根據(jù)權利要求1所述的總成，其特征在于，所述第一磁性軸承組包 括至少三個磁性定子，它們布置在一個圍繞所述主軸軸線的共同平面內(nèi)，相 互之間隔著相等的弧線間距。
3. 根據(jù)權利要求2所述的總成，其特征在于，包括至少三個第一位置 傳感器，它們布置在一個圍繞所述主軸軸線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相 等的弧線間距，并鄰近所述第一磁性軸承組的所述至少三個磁性定子。
4. 根據(jù)權利要求3所述的總成，其特征在于，所述第二磁性軸承組包 括至少三個磁性定子，它們布置在一個圍繞所述主軸軸線的共同平面內(nèi)，相 互之間隔著相等的弧線間距。
5. 根據(jù)權利要求4所述的總成，其特征在于，包括至少三個第二位置 傳感器，它們布置在一個圍繞所述主軸軸線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著根 等的弧線間距，并鄰近所述第二磁性軸承組的所述至少三個磁性定子。
6. 根據(jù)權利要求1所述的總成，其特征在于，所述第一磁性軸承組包 括一對對置的X坐標磁性定子和一對對置的Y坐標磁性定子，X坐標磁性 定子在丫坐標磁性定子之間間隔排列，兩者并處于同一平面內(nèi)。
7. 根據(jù)權利要求6所述的總成，其特征在于，所述徑向軸承控制器包 括一對對置的X坐標位置傳感器，它們靠近所述第一磁性軸承組的所述一對對置的X坐標磁性定子，還包括一對對置的Y坐標位置傳感器，它們靠 近所述第一磁性軸承組的所述一對對置的Y坐標磁性定子。
8. 根據(jù)權利要求7所述的總成，其特征在于，所述第一磁性軸承組包 括一個第一轉子，它布置在位于相應的所述X坐標和Y坐標磁性定子之間 的共同平面內(nèi)的所述主軸的一個第一區(qū)域中。
9. 根據(jù)權利要求8所述的總成，其特征在于，所述第二磁性軸承組包 括一對對置的X坐標磁性定子和一對對置的Y坐標磁性定子，X坐標磁性 定子在Y坐標磁性定子之間間隔排列，兩者并處于同一平面內(nèi)。
10. 根據(jù)權利要求9所述的總成，其特征在于，所述徑向軸承控制器包 括一對對置的X坐標位置傳感器，它們靠近所述第二磁性軸承組的所述一 對對置的X坐標磁性定子，還包括一對對置的Y坐標位置傳感器，它們靠 近所述第二磁性軸承組的所述一對對置的Y坐標磁性定子。
11. 根據(jù)權利要求10所述的總成，其特征在于，所述第二磁性軸承組 包括第二轉子，它布置在位于相應的所述X坐標和Y坐標磁性定子之間的 共同平面內(nèi)的所述主軸的一個第二區(qū)域中。
12. 根據(jù)權利要求9所述的總成，其特征在于，所述徑向軸承控制器包 括一個可變電流發(fā)生器，用于按非線性的比例增量來改變輸送到所述第一軸 承組的所述一對X坐標磁性定子中的每一個的電流。
13. 根據(jù)權利要求1所述的總成，其特征在于，所述軸向運動控制器包 括一個工件夾具。
14. 根據(jù)權利要求1所述的總成，其特征在于，還包括旋轉位置傳感 器，用于確定圍繞所述主軸軸線的所述刀具的角位置。
15. 根據(jù)權利要求14所述的總成，其特征在于，所述刀具圍繞所述主 軸軸線完成一個旋轉，同時成形端圍繞所述軌道運行一圈。
16. 根據(jù)權利要求1所述的總成，其特征在于，所述刀具的終端是眾多 尖銳的刃口，它們圍繞所述主軸軸線布置，相互之間隔著相等的弧線間距。
17. 根據(jù)權利要求1所述的總成，其特征在于，所述刀具的終端是一個 尖銳的刃口。
18. 根據(jù)權利要求17所述的總成，其特征在于，它還包括一個刃口控 制器，它用于保持所述刃口和所述軌道之間有一個連續(xù)的傾角，其中，所述 傾角包括一個最優(yōu)的切割角，這個切割角由從所述主軸軸線延伸到所述刃口 的半徑與在所述軌道上任一點處的切線之間的角確定。
19. 根據(jù)權利要求18所述的總成，其特征在于，所述傾角是一個直角。
20. 根據(jù)權利要求18所述的總成，其特征在于，所述軌道呈非規(guī)則形狀。
21. 根據(jù)權利要求1所述的總成，其特征在于，它還包括一個外殼。
22. 根據(jù)權利要求21所述的總成，其特征在于，它還包括與所述主軸 相連的磁性止推軸承，用于限制所述主軸相對于所述外殼的軸向運動。
23. 根據(jù)權利要求21所述的總成，其特征在于，它還包括布置在所述 外殼內(nèi)的驅動馬達，用于強制所述主軸圍繞所述主軸軸線旋轉。
24. 根據(jù)權利要求21所述的總成，其特征在于，所述外殼包括至少兩 個輔助軸承。
25. —種磁懸浮高速主軸總成，用于在工件中加工成形非圓形表面，所 述總成包括一個伸長的主軸，它沿主軸軸線在后端和成形端之間延伸； 一個刀具，它沿徑向從所述主軸靠近所述成形端的位置向外延伸，終端 是尖銳的刃口；一個第一磁性軸承組，它在靠近所述成形端的位置支承所述主軸，以使 其圍繞所述主軸軸線進行磁懸浮旋轉；一個第二磁性軸承組，它與所述第一磁性軸承組相間隔開，并在遠離所 述成形端的位置支承所述主軸，以使其圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉；一個徑向軸承控制器，它獨立地控制所述第一和第二磁性軸承組，以在 所述主軸的磁懸浮旋轉過程中調節(jié)所述主軸軸線的徑向位置，并使所述成形 端沿預定的非圓形軌道移動，從而使所述刃口在工件中形成相應形狀的非圓 形孔；一個刃口控制器，它用于保持所述刃口和所述軌道之間有一個連續(xù)的傾 角，其中，所述傾角包括一個優(yōu)化的切割角，這個切割角由從所述主軸軸線 延伸到所述刃口的半徑與在所述軌道上任一點處的切線之間的角確定，由 此，非圓形孔的成形精度得到提高，所述總成在高旋轉速度和主軸穩(wěn)定性下 運行。
26. 根據(jù)權利要求25所述的總成，其特征在于，所述傾角是一個直角。
27. 根據(jù)權利要求25所述的總成，其特征在于，所述軌道呈非規(guī)則形狀。
28. 根據(jù)權利要求25所述的總成，其特征在于，所述第一磁性軸承組 包括至少三個磁性定子，它們布置在一個圍繞所述主軸軸線的共同平面內(nèi)， 相互之間隔著相等的弧線間距。
29. 根據(jù)^l利要求28所述的總成，其特征在于，它還包括至少三個第 一位置傳感器，它們布置在一個圍繞所述主軸軸線的共同平面內(nèi)，相互之間 隔著相等的弧線間距，并鄰近所述第一磁性軸承組的所述至少三個磁性定 子。
30. 根據(jù)權利要求29所述的總成，其特征在于，所述第二磁性軸承組 包括至少三個磁性定子，它們布置在一個圍繞所述主軸軸線的共同平面內(nèi)， 相互之間隔著相等的弧線間距。
31. 根據(jù)權利要求30所述的總成，其特征在于，還包括至少三個第二 位置傳感器，它們布置在一個圍繞所述主軸軸線的共同平面內(nèi)，相互之間隔 著相等的弧線間距，并鄰近所述第二磁性軸承組的所述至少三個磁性定子。
32. 根據(jù)權利要求25所述的總成，其特征在于，所述第一磁性軸承組 包括一對對置的X坐標磁性定子和一對對置的Y坐標磁性定子，X坐標磁 性定子在Y坐標磁性定子之間間隔排列，兩者并處于同一平面內(nèi)。
33. 根據(jù)權利要求32所述的總成，其特征在于，所述徑向軸承控制器 包括一對對置的X坐標位置傳感器，它們靠近所述第一磁性軸承組的所述 一對對置的X坐標磁性定子，還包括一對對置的Y坐標位置傳感器，它們 靠近所述第一磁性軸承組的所述一對對置的Y坐標磁性定子。
34. 根據(jù)權利要求33所述的總成，其特征在于，所述第一磁性軸承組 包括一個第一轉子，它布置在位于相應的所述X坐標和丫坐標磁性定子之 間的共同平面內(nèi)的所述主軸的一個第一區(qū)域中。
35. 根據(jù)權利要求34所述的總成，其特征在于，所述第二磁性軸承組 包括一對對置的X坐標磁性定子和一對對置的丫坐標磁性定子，X坐標磁 性定子在Y坐標磁性定子之間間隔排列，兩者并處于同一平面內(nèi)。
36. 根據(jù)權利要求35所述的總成，其特征在于，所述徑向軸承控制器 包括一對對置的X坐標位置傳感器，它們靠近所述第二磁性軸承組的所述 一對對置的X坐標磁性定子，還包括一對對置的Y坐標位置傳感器，它們 靠近所述第二磁性軸承組的所述一對對置的Y坐標磁性定子。
37. 根據(jù)權利要求36所述的總成，其特征在于，所述第二磁性軸承組 包括第二轉子，它布置在位于相應的所述X坐標和Y坐標磁性定子之間的 共同平面內(nèi)的所述主軸的一個第二區(qū)域中。
38. 根據(jù)權利要求35所述的總成，其特征在于，所述徑向軸承控制器 包括一個可變電流發(fā)生器，用于按非線性的比例增量來改變輸送到所述第一 軸承組的所述一對X坐標磁性定子中的每一個的電流。
39. 根據(jù)權利要求25所述的總成，其特征在于，它還包括旋轉位置傳 感器，用于確定圍繞所述主軸軸線的所述刀具的角位置。
40. 根據(jù)權利要求39所述的總成，其特征在于，所述刀具圍繞所述主 軸軸線完成一個旋轉，同時成形端圍繞所述軌道運行一圈。
41. 根據(jù)權利要求25所述的總成，其特征在于，它還包括一個軸向運 動控制器，它使所述刀具相對于工件沿所述主軸軸線移動，同時改變所述軌 道的形狀，以使具有連續(xù)地沿軸向變化的軌跡的非圓形孔在工件中以高速和 高精度形成。
42. 根據(jù)權利要求41所述的總成，其特征在于，所述軸向運動控制器 包括一個工件夾具。
43. 根據(jù)權利要求25所述的總成，其特征在于，它還包括一個外殼。
44. 根據(jù)權利要求43所述的總成，其特征在于，它還包括與所述主軸 相連的一個磁性止推軸承，用于限制所述主軸相對于所述外殼的軸向運動。
45. 根據(jù)權利要求43所述的總成，其特征在于，它還包括布置在所述 外殼內(nèi)的驅動馬達，用于強制所述主軸圍繞所述主軸軸線旋轉。
46. 根據(jù)權利要求43所述的總成，其特征在于，所述外殼包括至少兩個輔助軸承。
47. —種磁懸浮一個高速主軸的方法，用于在工件中形成一個具有尺寸上發(fā)生變化的軸向軌跡的非規(guī)則孔，所述方法包括以下步驟將一個徑向延伸的刀具固定在具有主軸軸線的主軸的一端； 圍繞在主軸上靠近刀具的第一區(qū)域建立一個磁懸浮場以使主軸圍繞主軸 軸線旋轉；圍繞在主軸上與第一區(qū)域相隔開并遠離刀具的第二區(qū)域建立一個磁懸浮場；使主軸在第一和第二磁懸浮場之間圍繞主軸軸線旋轉； 通過改變第一和第二磁懸浮場，來調節(jié)主軸旋轉過程中主軸軸線在第一和第二區(qū)域的徑向位置，使刀具沿預定的非圓形軌道運動；通過使刀具相對于工件沿主軸軸線移動，并且同步調節(jié)主軸軸線在第一和第二區(qū)域的徑向位置，在工件中形成非規(guī)則的并且軌跡沿軸向變化的一個孔。
48. 根據(jù)權利要求47所述的方法，其特征在于，圍繞主軸的第一區(qū)域 建立一個磁懸浮場的步驟，包括將至少三個磁性定子定位在一個圍繞主軸軸 線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相等的弧線間距。
49. 根據(jù)權利要求48所述的方法，其特征在于，圍繞主軸的第二區(qū)域 建立一個磁懸浮場的步驟，包括將至少三個磁性定子定位在一個圍繞主軸軸 線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相等的弧線間距。
50. 根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，調節(jié)主軸軸線在第一 和第二區(qū)域的徑向位置的步驟，包括將至少三個第一位置傳感器布置在一個 圍繞主軸軸線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相等的弧線間距，并鄰近第一區(qū) 域的至少三個磁性定子，以及將至少三個第一位置傳感器布置在一個圍繞主 軸軸線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相等的弧線間距，并鄰近第二區(qū)域的至 少三個磁性定子。
51. 根據(jù)權利要求47所述的方法，其特征在于，圍繞主軸的第一區(qū)域 建立一個磁懸浮場的步驟，包括將一對對置的X坐標磁性定子和一對對置 的Y坐標磁性定子定位，并使X坐標磁性定子在Y坐標磁性定子之間間隔 排列，兩者并處于同一平面內(nèi)。
52. 根據(jù)權利要求51所述的方法，其特征在于，圍繞主軸的第二區(qū)域 建立一個磁懸浮場的步驟，包括將一對對置的X坐標磁性定子和一對對置 的Y坐標磁性定子定位，并使X坐標磁性定子在Y坐標磁性定子之間間隔 排列，兩者并處于同一平面內(nèi)。
53. 根據(jù)權利要求52所述的方法，其特征在于，還包括按非線性的比 例增量來改變輸送到第一軸承組的一對X坐標磁性定子中的每一個的電流 的步驟。
54. 根據(jù)權利要求52所述的方法，其特征在于，調節(jié)主軸軸線在第一 和第二區(qū)域的徑向位置的步驟，包括將位置傳感器固定在鄰近每個所述磁性 定子的位置。
55. 根據(jù)權利要求47所述的方法，其特征在于，使刀具相對于工件移 動的步驟，包括移動工件，同時保持主軸在軸向上固定。
56. 根據(jù)權利要求47所述的方法，其特征在于，還包括在孔成形的步 驟當中確定刀具圍繞主軸軸線的即時角位置的步驟。
57. 根據(jù)權利要求56所述的方法，其特征在于，還包括對刀具的角速 度進行定時的步驟，以使刀具圍繞主軸軸線完成一個旋轉的同時，成形端圍 繞軌道運行一圈。
58. 根據(jù)權利要求47所述的方法，其特征在于，還包括保持刀具的刃 口與軌道之間的連續(xù)傾角的步驟，該傾角包括一個優(yōu)化的切割角，該切割角 由從主軸軸線延伸到刃口的半徑與在軌道上任一點處的切線之間的角確定。
59. 根據(jù)權利要求58所述的方法，其特征在于，保持連續(xù)傾角的步 驟，包括使傾角保持為一個直角。
60. 根據(jù)權利要求58所述的總成，其特征在于，包括使軌道成為非規(guī) 則形狀的步驟。
61. —種磁懸浮一個高速主軸的方法，用于在工件中形成一個非規(guī)則 孔，所述方法包括以下步驟在一個刀具上形成一個刃口 ；將該刀具固定在具有主軸軸線的主軸的一個端部上，使刃口從主軸軸線 徑向向夕卜；圍繞主軸上靠近刀具的第一區(qū)域建立一個磁懸浮場以使主軸圍繞主軸軸 線旋轉；圍繞主軸上與第一區(qū)域間隔開并遠離刀具的第二區(qū)域建立一個磁懸浮場；使主軸在第一和第二磁懸浮場之間圍繞主軸軸線旋轉； 通過改變第一和第二磁懸浮場，來調節(jié)主軸旋轉過程中主軸軸線在第一和第二區(qū)域的徑向位置，使刃口沿預定的非圓形軌道運動，從而在工件中形成非圓形孔，在刃口和軌道之間保持一個連續(xù)的傾角，該傾角包括一個優(yōu)化的切割 角，該切割角由從主軸軸線延伸到刃口的半徑與在軌道上任一點處的切線之 間的角確定，由此，非圓形孔以高精度成形且主軸在高旋轉速度和穩(wěn)定性下 運行。
62. 根據(jù)權利要求61所述的方法，其特征在于，保持連續(xù)傾角的步 驟，包括使傾角保持為一個直角。
63. 根據(jù)權利要求61所述的總成，其特征在于，它還包括使軌道成為 非規(guī)則形狀的步驟。
64. 根據(jù)權利要求61所述的方法，其特征在于，它還包括在孔成形的 步驟當中確定刀具圍繞主軸軸線的即時角位置的步驟。
65. 根據(jù)權利要求64所述的方法，其特征在于，還包括對刀具的角速 度進行定時的步驟，以使刀具圍繞主軸軸線完成一個旋轉的同時，成形端圍 繞軌道運行一圈。
66. 根據(jù)權利要求61所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟通 過使刀具相對于工件沿主軸軸線移動，并且同步通過調節(jié)主軸軸線在第一和 第二區(qū)域的徑向位置，在工件中形成非規(guī)則的并且軌跡沿軸向變化的孔。
67. 根據(jù)權利要求66所述的方法，其特征在于，使刀具相對于工件移 動的步驟，包括移動工件，同時保持主軸在軸向上固定。
68. 根據(jù)權利要求61所述的方法，其特征在于，圍繞主軸的第一區(qū)域 建立一個磁懸浮場的步驟，包括將至少三個磁性定子定位在一個圍繞主軸軸 線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相等的弧線間距。
69. 根據(jù)權利要求68所述的方法，其特征在于，圍繞主軸的第二區(qū)域建立一個磁懸浮場的步驟，包括將至少三個磁性定子定位在一個圍繞主軸軸 線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相等的弧線間距。
70. 根據(jù)權利要求69所述的方法，其特征在于，調節(jié)主軸軸線在第一 和第二區(qū)域的徑向位置的步驟，包括將至少三個第一位置傳感器布置在一個 圍繞主軸軸線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相等的弧線間距，并鄰近第一區(qū) 域的至少三個磁性定子，以及將至少三個第一位置傳感器布置在一個圍繞主 軸軸線的共同平面內(nèi)，相互之間隔著相等的弧線間距，并鄰近第二區(qū)域的至 少三個磁性定子。
71. 根據(jù)權利要求61所述的方法，其特征在于，所述圍繞主軸的第一 區(qū)域建立一個磁懸浮場的步驟，包括將一對對置的X坐標磁性定子和一對 對置的Y坐標磁性定子定位，并使X坐標磁性定子在Y坐標磁性定子之間 間隔排列，兩者并處于同一平面內(nèi)。
72. 根據(jù)權利要求71所述的方法，其特征在于，圍繞主軸的第二區(qū)域 建立一個磁懸浮場的步驟，包括將一對對置的X坐標磁性定子和一對對置 的Y坐標磁性定子定位，并使X坐標磁性定子在Y坐標磁性定子之間間隔 排列，兩者并處于同一平面內(nèi)。
73. 根據(jù)權利要求72所述的方法，其特征在于，還包括按非線性的比 例增量來改變輸送到第一軸承組的一對X坐標磁定子中的每一個的電流的 步驟。
74. 根據(jù)權利要求72所述的方法，其特征在于，調節(jié)主軸軸線在第一 和第二區(qū)域的徑向位置的步驟，包括將位置傳感器固定在鄰近每個所述磁性 定子的位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種磁懸浮高速主軸總成(20)，用于在工件(24)中加工成形非圓形孔(22)或在銷釘上形成非圓形表面。該非圓形孔(22)可以在高速和高精確性下形成具有在尺寸上變化的軸向軌跡。這可通過在第一磁性軸承組(58)和第二磁性軸承組(60)之間支承一個旋轉主軸(26)并獨立地控制所述軸承組(58，60)使位于主軸(26)端部的刀具(32)沿預定軌道(B)移動而實現(xiàn)。采用多次輸入-多次輸出的控制方法控制主軸(26)在X和Y軸上移動。在刀具(32)的刃口(34)和軌道(B)之間的傾角在磁性軸承組(58，60)的這種多次輸入一多次輸出控制下保持垂直以進一步改善加工成形的精確性和主軸(26)在高速運轉時的穩(wěn)定性。
文檔編號B23Q1/48GK101341002SQ200580013114
公開日2009年1月7日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權日2004年2月26日
發(fā)明者威廉·J·茲德布利克, 肯尼思·R·比朔夫 申請人:費德羅-莫格爾公司