專利名稱：機床主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機床，尤其涉及諸如那些用于研磨或測試齒輪的機床的主軸。
背景技術(shù)：
研磨是一種用于對斜齒輪的齒面作精加工的較為確認的加工方法。這種加工方法為其它一些難以用于斜齒輪的精加工提供了一種經(jīng)濟的可替代的方案，并且除了某些航空器應(yīng)用之外，這種加工方法已被用于所有領(lǐng)域中。
在研磨方法中，通過合適的工件保持設(shè)備，小齒輪和齒圈被安裝到具有與測試機器類似的基本設(shè)計的研磨機中相應(yīng)的主軸上。在大多數(shù)齒輪組滾動情況中，小齒輪是驅(qū)動構(gòu)件而齒圈被制動。齒輪嚙合滾動，而研磨混合劑被注入嚙合區(qū)域中，其中研磨混合劑可以為油(或水)與金剛砂或類似研磨劑的混合物。在Nunkeler的美國專利Nos.3,099,901、Rebeski的美國專利Nos.3,142,940、Ellwanger等人的美國專利Nos.3,717,958、Gnadt等人的美國專利Nos.5,609,058以及Stadtfeld等人的美國專利Nos.6,120,355舉出了研磨和/或測試機器的實例。
大多數(shù)研磨機和測試機具有三個自由度，這三個自由度可以在齒圈和小齒輪之間實現(xiàn)相對運動。第一自由度為齒圈軸線方向中的相對運動，該軸線方向被稱為方向G或G軸線，第二自由度為小齒輪軸線方向中的相對運動，該軸線方向被稱為方向H或H軸線，而第三自由度為齒圈和小齒輪軸線之間的距離，這被稱之為方向V或V軸線。方向V又被稱之為“準雙曲面偏移”。
在研磨或測試的過程中，方向V和H中的相對運動會引起在齒輪組構(gòu)件的接觸斑點的位置變化，而實際上使接觸斑點改變。研磨涉及使嚙合的并受到在齒面上的所需位置處接觸的負載作用的齒輪構(gòu)件轉(zhuǎn)動。因此，當特定的G軸線定位獲得所需的齒間隙時，構(gòu)件可被定位在特定的V和H的位置處。當對齒輪組進行研磨時，通過實現(xiàn)這種接觸位移所必須的改變V和H的設(shè)置，觸點可移向齒面外部(齒跟)或內(nèi)部(齒頂)之一。當V和H被改變以實現(xiàn)移動時，G軸線的位置也必須改變以保持所需的齒間隙。
可以執(zhí)行研磨操作的小齒輪的心軸速度約從1000RPM到4000RPM。當以較高速度運行時(例如達2500-4000RPM時)，主軸結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)、齒輪組運動傳動誤差或運行條件的缺陷即使很輕微，也可能被放大而使傳動力矩中產(chǎn)生不希望的周期性變化，這種變化可能增加到若干振幅級，使得研磨過程難以控制成品中齒輪接觸面的斑點。
Ellwanger等人的美國專利No.3,807,094提出了一種對上述問題的解決方案，其中，研磨機包括一個彈性體連接件，該彈性體連接件安裝在與制動裝置相連的主軸上的一對安裝塊之間(通常為裝有齒輪構(gòu)件的從動軸)。彈性體連接件的轉(zhuǎn)動使得一個安裝塊相對于另一安裝塊轉(zhuǎn)動，從而隔離或緩解由于主軸的制動或上述其它一些缺陷而在轉(zhuǎn)動力矩中引起的任何偏差。
上述彈性體連接件呈現(xiàn)出一種阻尼和彈簧特性的固定的結(jié)合形式，而這些特性無需與主軸和齒輪的慣量良好配合。因此，當根據(jù)慣量、阻尼度和彈簧剛度通過控制整個系統(tǒng)的動態(tài)特性來最佳地隔離和吸收不希望產(chǎn)生的效應(yīng)時，彈性體連接件幾乎不能緩減此問題。
如已知機器那樣，可以在齒輪主軸上使用一機械制動器或者在齒輪主軸電動機上使用一電子扭矩控制件來控制在測試或研磨過程中施加于齒輪組齒上的負載。然而，這些方法不能良好地控制動態(tài)負載變量，其中該負載變量是作為關(guān)于齒輪或小齒輪的轉(zhuǎn)動以及齒對齒的滾動轉(zhuǎn)移的一個函數(shù)而產(chǎn)生的。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種改進的機床主軸，該機床主軸可呈現(xiàn)出一種優(yōu)化的動態(tài)特性，該主軸包括彈簧、阻尼和慣量元件。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種可用于本發(fā)明主軸的電子控制模式，以作為控制齒輪組構(gòu)件之間的動態(tài)力的另一種方法。
從下列描述和附圖中將更清晰地示出本發(fā)明的這些或其它的目的和優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種機床用的主軸，該主軸包括一后主軸部分和一前主軸部分，其中，后主軸部分和前主軸部分均可相互相對地圍繞同一軸線轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的主軸包括一個或多個彈簧元件，它們在后主軸部分和前主軸部分之間延伸，由此，前主軸部分和后主軸部可以預(yù)定量轉(zhuǎn)動，并且前主軸部分的轉(zhuǎn)動限制在該量上，施加于后主軸部分的一附加轉(zhuǎn)動使彈簧變形，由此在前后主軸部分之間產(chǎn)生一扭矩。
本發(fā)明還包括一種控制方法，該方法的目的在于控制一個主軸的位置，該主軸通常為齒輪構(gòu)件主軸，而不是控制施加在主軸上的扭矩。以這種方法，通過如計算機數(shù)控設(shè)備(CNC)，齒輪構(gòu)件主軸的位置可相對于小齒輪構(gòu)件主軸位置而受到控制。當小齒輪構(gòu)件以某一速度轉(zhuǎn)動時，通過CNC控制器可以(根據(jù)它們的齒數(shù)比)保持齒輪構(gòu)件與小齒輪配合。可以要求齒輪構(gòu)件主軸包括附加的轉(zhuǎn)動組件，實際中，這些組件可促進或減緩與小齒輪相對的齒輪轉(zhuǎn)動。


圖1示意性地示出了一種已知的研磨機。
圖2示出了圖1機器的主軸配置的俯視圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的主軸的軸剖視圖。
圖4示出了本發(fā)明的彈簧元件的放大視圖。
圖5示出了一定位螺絲的放大視圖，該定位螺絲用于使圖4中的主軸的彈簧元件軸向定位。
具體實施例方式
以下，將參照

本發(fā)明的細節(jié)。
圖1示出了一種研磨機，該研磨機用標號20表示。這種研磨機為上述美國專利No.6,120,355中揭示的那種類型。為了便于觀察機器的不同組件，圖1示出的機器20不帶有門和外部金屬板。機器20包括一單個柱狀物22，該柱狀物22也可以被認為是機器的框架或基座。柱狀物22至少包括三個側(cè)面，最好為四個側(cè)面，其中至少有兩個側(cè)面，第一側(cè)面24和第二側(cè)面26，它們是相互垂直的。第一側(cè)面和第二側(cè)面均由一寬度和一高度構(gòu)成(參見圖1)。
第一側(cè)面24包括一第一工件主軸28，該工件主軸可圍繞AG轉(zhuǎn)動(圖2)，并且最好由一直接驅(qū)動電動機30驅(qū)動，該電動機可安裝在前后主軸軸承(未圖示)之間。主軸可沿第一側(cè)面24的寬度以方向G在與柱狀物直接相連的一路徑32上運動。方向G中的主軸28的運動可由電動機34通過一直接連接的滾珠絲杠(未圖示)來提供。較佳地，斜齒圈構(gòu)件36通過本技術(shù)領(lǐng)域中已知的適合的工件保持設(shè)備可釋放地安裝在主軸28上。
第二側(cè)面26包括第二工件主軸38，該工件主軸可圍繞軸線AP(圖2)轉(zhuǎn)動，并且最好由一直接驅(qū)動電動機40驅(qū)動，該電動機40可安裝在前后主軸軸承(未圖示)之間，而電動機可使小齒輪的轉(zhuǎn)速約達到4000RPM。電動機30的每分鐘轉(zhuǎn)速應(yīng)為小齒輪的每分鐘轉(zhuǎn)速/齒輪比。齒輪比的定義為齒輪構(gòu)件的齒數(shù)/小齒輪構(gòu)件的齒數(shù)。
主軸38可沿第二側(cè)面26的寬度以方向H在與滑動件44相連的路徑42上活動。主軸38沿方向H的活動是由電動機46通過直接連接的滾珠絲杠而提供的。較佳地，小齒輪構(gòu)件48通過本技術(shù)領(lǐng)域中已知的適合的工件保持設(shè)備可釋放地安裝在主軸38上。由于滑動件44可通過路徑50以V方向移動，因此，工件主軸38還可以沿第二側(cè)面26的高度移動，而此種移動是由電動機52通過一直接連接的滾珠絲杠來提供的。方向G、H和V相互垂直。為了便于實踐和說明，在圖1中方向V是垂直的。
第一工件主軸28以方向G的移動、第二工件主軸38以方向H的移動、滑動件44以方向V的移動以及第一主軸和第二主軸的轉(zhuǎn)動分別由獨立的驅(qū)動電動機34、46、52、30和40提供的。上述組件可以相互獨立運動，或者也可以相互同時運動。相應(yīng)電動機中的每一個同一反饋裝置相聯(lián)，反饋裝置例如是作為CNC系統(tǒng)的部件的線性或轉(zhuǎn)動編碼器(未圖示)，它可以根據(jù)輸入計算機控制器的指令控制驅(qū)動電動機的運行，其中的計算機控制器例如可為Fanuc 1601型。
用于保持研磨混合劑的容器一般可放置在與第二側(cè)面26相鄰的工作腔室區(qū)域的下面，其輪廓由標號54表示。以這種方式，容器可以保持在外部金屬板殼體內(nèi)，由此使機器的占地大小最小化。同樣地，柱狀物22的挖去區(qū)域56可以包括在柱狀物遠離主軸的一個區(qū)域處，該區(qū)域56可用于放置任何必須的電氣變壓器。以這種結(jié)構(gòu)，這些電氣組件也可以保留在外部金屬板殼體內(nèi)，但又能與主軸隔得足夠遠，這樣電氣組件輻射出的熱量不會對主軸的精度或其它公差敏感元件產(chǎn)生負面影響。
以直接驅(qū)動的主軸28和38，而不采用遠程驅(qū)動的電動機、傳動帶以及皮帶輪，這可以大大減少并簡化驅(qū)動系統(tǒng)的動力。
然而，即使采用了直接驅(qū)動的主軸，當齒輪組一起滾動時所產(chǎn)生的齒對齒的動態(tài)力會受到慣量、彈簧剛度以及兩主軸的阻尼特性很大影響。這三種特性同摩擦以及其它偶然因素一起聯(lián)合產(chǎn)生了主軸的總的動態(tài)響應(yīng)。
研磨和測試的一個目標是控制轉(zhuǎn)動構(gòu)件之間的力(扭矩)。為了能控制力，柔度(compliance)常常是有益的。柔度是與剛度的倒數(shù)，它確定了位置和力之間的關(guān)系。例如，在一種很柔性的系統(tǒng)中，對力的作用微乎其微，而位置可以變化很大，但在一種極不柔性的系統(tǒng)中，位置很小的變化就會導(dǎo)致力產(chǎn)生很大的變化。
本發(fā)明采用柔度作為控制力的方法。較佳的，柔度可以以位于一個或兩個主軸上的轉(zhuǎn)動感應(yīng)件來實現(xiàn)。更佳地，柔度可以在齒輪主軸(例如圖1或圖2中標號28所指出的)上實現(xiàn)。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一主軸60。該主軸60包括兩個部分，一后主軸62以及一前主軸64，每個主軸均圍繞同一軸線As轉(zhuǎn)動。需理解的是，術(shù)語“后”和“前”是選擇用來描述主軸60組件的相對定位關(guān)系的關(guān)系術(shù)語，而并不表明主軸60任何特定的方向。主軸60可以被以任何位置定向，而并不僅限于如圖3所示的基本水平的位置。
后主軸62結(jié)合有一直接驅(qū)動電動機(未圖示)，需被研磨的齒輪被夾持在工件保持設(shè)備(未圖示)中，而工件保持設(shè)備螺栓連接于前主軸64上。前主軸64在軸承66上相對于后主軸62轉(zhuǎn)動。后主軸62和前主軸64通過一個或多個彈簧元件68(圖中僅示出一個)連接在一起，較佳地可使用三個彈簧元件。或者，在后主軸62和前主軸64之間可以設(shè)置一阻尼元件70。后主軸62保持固定，而前主軸64以及一工件可以自由轉(zhuǎn)動(在彈簧元件的實際范圍之內(nèi))，如果前主軸64相對后主軸62轉(zhuǎn)動，前主軸將會受到安裝在主軸60中的彈簧元件68以及任何阻尼元件70的有形力的作用。彈簧元件68可提供的力與轉(zhuǎn)動位移相對并且為關(guān)于轉(zhuǎn)動位移的一函數(shù)。
圖4和圖5分別為彈簧元件68和定位螺桿80的放大視圖。彈簧元件68為一懸臂式元件，它包括一第一端部72，該端部可定位在后主軸62內(nèi)；一梁部分69；一基本圓筒形的第二端部74，該端部具有一開孔76，最好是帶有螺紋的，它可用于連接定位螺桿80。雖然圖中示出較佳形式為球形，但第一端部或尖端72也可以為任何適于插入后主軸62中的形狀。后主軸62可包括一個用于接納球形的第一端部72的孔71。
定位螺絲80包括一第一端部82，該端部最好是帶有螺紋的，它可通過螺紋插入至開孔76內(nèi)而與彈簧元件68相連。定位螺桿80還包括一第二端部84，該端部具有螺紋以及一驅(qū)動插孔86。當彈簧元件68和定位螺桿80固定在一起時，該組裝件可通過位于前主軸64前面的帶有螺紋的開孔65(圖3)插入。通過在驅(qū)動孔86內(nèi)的扭轉(zhuǎn)動作，組裝件可以前進，以使第一端部72定位在后主軸62內(nèi)，由此使彈簧元件68軸向固定在位，以阻止后主軸62和前主軸64之間的相對轉(zhuǎn)動?；蛘?，彈簧元件68和定位螺桿80也可以形成為一單個單元。
這樣，彈簧元件68的第二端部74作為一個懸臂件與前主軸64固定(通過定位螺桿80)。球形尖端72最好被機加工成本身作為單一元件的彈簧68。尖端72的球形可緊密配合在后主軸62中的孔71內(nèi)。在彈簧變形的過程中，當孔71內(nèi)的彈簧尖端的角度和軸向距離改變時，尖端72僅球形部分與孔71接觸。這實現(xiàn)了一種幾乎不帶摩擦和齒間隙的簡支梁的加載。無論通過開孔65插入所得的轉(zhuǎn)動位置如何，圓形截面梁69都同樣可以使彈簧元件68起作用。
如彈簧設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域中已知的那樣，梁69的截面直徑隨著其長度變化，以使總的彈簧變形最大化，并且沿其長度產(chǎn)生均勻的彎曲應(yīng)力。不同的彈簧剛度可以通過制造不同長度和/或截面的梁來實現(xiàn)。彈簧的變形可受到主軸上的止動裝置機械地限制，這種止動裝置較佳為機械硬止動件的形式，以防止彈簧元件的變形超過它的疲勞極限。
隨著前主軸64轉(zhuǎn)動的所有部件的慣量提供了一個力，該力與施加在前主軸上的加速度相反并呈線性關(guān)系。這樣，相對于后主軸62的前主軸64的動力成為關(guān)于前主軸慣量(前主軸64、工件保持設(shè)備以及工件，即一齒輪)、彈簧元件和阻尼元件的一個函數(shù)。必須選擇適合該慣量的彈簧和阻尼元件的量值來控制齒輪的動態(tài)響應(yīng)。
后主軸62結(jié)合有一個直接驅(qū)動電動機(未圖示)，該電動機是伺服控制的。通過輸入到可提供適當電子阻尼和剛性的機器控制器內(nèi)的伺服控制算法，可以控制后主軸62的動態(tài)。
較佳地，小齒輪主軸(主動主軸)也可以結(jié)合一伺服控制的直接驅(qū)動電動機。小齒輪被夾在與主軸螺栓固定的工件保持設(shè)備中。所有這些元件作為一個整體而一同轉(zhuǎn)動。可以用一種伺服控制的算法來提供適當?shù)碾娮幼枘岷蛣傂浴?br> 與現(xiàn)有技術(shù)中的阻尼或測試機器相比，本發(fā)明的主軸60(通常為齒的心軸)未采用扭矩控制模式的主軸電動機，并且不采用任何可產(chǎn)生負載的機械制動器。取而代之的是，根據(jù)將在機構(gòu)中運行的部件的齒數(shù)的比率，后主軸62的轉(zhuǎn)動將以一種關(guān)于小齒輪主軸的轉(zhuǎn)動而進行時間控制的關(guān)系鎖定。因此，后主軸62的伺服控制的目標是控制后主軸62的位置，而不是施加于后主軸62的扭矩。
采用有形彈簧元件而不使用電子電動機扭矩控制的優(yōu)點在于，控制這些簡單裝置的物理定律的應(yīng)用不會帶來數(shù)字量化噪音或計算機數(shù)字控制(CNC)頻率限制。與任何真實的齒輪組相關(guān)的運動傳輸誤差會對彈簧元件的變形造成少量的動態(tài)改變，并且如果采用阻尼器時，也會對阻尼器變形產(chǎn)生影響。由于這些變形可以由彈簧元件以及諸如阻尼器之類的任何其它的柔性元件吸收，因此同非柔性的主軸相比，運動傳輸誤差對伺服控制過程產(chǎn)生的影響極小。
此外，這些機械元件的動態(tài)物理屬性可以有利地用在研磨過程中。由于允許齒輪組運動傳輸誤差動態(tài)地使彈簧變形，扭矩的名義值不確切地保持為一常數(shù)，但是在彈簧的實例中，扭矩可隨著變形量加大而增加，隨著其減少而遞減。由于研磨凸點的力比凹點的力更大，這種效應(yīng)可以被用來改善齒輪組的運動傳輸誤差(例如齒輪的偏心率以及小齒輪的偏心率)。
正確的選擇彈簧、阻尼器以及前主軸的慣量，可以將所需的響應(yīng)傳遞至運動傳輸誤差。根據(jù)二級系統(tǒng)的已知的動態(tài)分析，從將運動傳動誤差傳輸?shù)烬X輪的小齒輪的觀點出發(fā)，齒輪可以主要作慣量、主要作為一彈簧、主要作為一阻尼器起作用，或者也可以主要作為任意一些或所有上述這些的結(jié)合而起作用。此外，作用類型是關(guān)于運動傳輸誤差的頻率內(nèi)容的函數(shù)。
在這樣一種二級系統(tǒng)中，如果激勵頻率(施加的運動傳輸誤差)足夠高，那么，前主軸和齒輪將像一慣量那樣起作用。如果頻率足夠低，它將像一彈簧那樣起作用。從低頻的彈簧狀屬性向高頻的慣量狀屬性的轉(zhuǎn)變所采用的方式以及所采取的頻率可以受到選擇的彈簧、阻尼器以及慣量值的控制。
一般而言，由于力與施加的運動傳輸誤差的相位差180度，因此，在研磨過程中應(yīng)當避免周期性運動誤差的慣量響應(yīng)。一般而言，由于力與激勵頻率正好是同相的，因此，彈簧響應(yīng)是良好的。換言之，如果響應(yīng)是慣量的，高點以較小的力研磨，而低點以較大的力研磨。這就意味著，高點不會由于研磨而被去除，而實際中，它們將變得更加顯著。另一方面，如果響應(yīng)象一彈簧，高點將以較大的力被研磨，而低點以較小的力被研磨，這樣研磨可以減少運動誤差的大小。
由齒輪組運動而引起的力的變化疊加在所需的平均力能級的頂上。這樣，通過控制后主軸62和前主軸64之間的物理柔性元件的位移，可以控制機器上齒輪構(gòu)件之間的平均力。除了結(jié)合小齒輪主軸位置控制后主軸62的位置，或使后主軸的位置從屬于小齒輪主軸位置，當零件嚙合以相對于后主軸62來控制前主軸64的相對位移、速度和加速度時，會使后主軸64的產(chǎn)生附加的運動。通過了解特定彈簧和阻尼元件的動態(tài)響應(yīng)，可以確定在齒輪組構(gòu)件之間產(chǎn)生所需力的位移軌跡。
彈簧元件68可以提供一個與旋轉(zhuǎn)位移相反的力，并且該力是關(guān)于旋轉(zhuǎn)位移的一個函數(shù)。除了圖中68所示的形式之外，彈簧元件還能以其它形式實現(xiàn)，例如位于轉(zhuǎn)動構(gòu)件之間的拉伸或壓縮螺旋彈簧、直接扭轉(zhuǎn)的圓柱體或套管或直接扭轉(zhuǎn)的螺旋彈簧?；蛘?，彈簧元件也可以設(shè)置在工件保持設(shè)備的軸中或主軸的其它附加零件中。彈簧元件68可提供直線性的彈簧剛度、較小的摩擦力和較小的滯后作用。無需拆開主軸60，該主軸60就可以改動主軸前面的彈簧元件68。因此，根據(jù)被研磨或測試的特定任務(wù)，可以選擇較弱或較硬的彈簧元件。
任選的阻尼元件70可提供與前主軸64相對于后主軸62的速度相反的力，并且該力是關(guān)于該速度的一個函數(shù)。阻尼元件70可以為一種液壓機構(gòu)、流體剪切或彈性體元件的形式。其中彈性體元件的元件是較佳的。通過改變幾何尺寸和材料，根據(jù)加工的需要可以改變阻尼度。
如上所述，在本發(fā)明的主軸中可以使用任意數(shù)量的彈簧元件68，其中三個是較佳的。每個彈簧元件最好可具有一個圓截面的梁69(長度約為4英寸(101.60毫米))，它平行于主軸設(shè)置并且等距地設(shè)置在直徑為3.75英寸(95.25毫米)圓形上，這樣前主軸64相對于后主軸62的轉(zhuǎn)動使每個彈簧如一簡支梁那樣變形。彈簧元件可以由任何適合的彈簧材料制成，而如彈簧應(yīng)用已知的，其中經(jīng)過熱處理的鉻釩合金鋼是較佳的。單個彈簧元件產(chǎn)生的位移彈簧剛度約為185磅/英寸(lbs./in)，而一主軸中的三個這樣的彈簧元件一同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動彈簧剛度約為25英寸-磅/度(in-lbs./deg)。
先前的一個目的在于，通過控制施加于一主軸的扭矩，通常為施加于齒輪構(gòu)件的主軸的扭矩，可提供齒輪組構(gòu)件之間的扭矩。這種施加的扭矩可以來自機械制動器、液壓電動機、電子電動機控制器或其它方法。這些方法的目標在于，無論齒輪構(gòu)件主軸(通過齒輪嚙合)的位置和速度如何，通過小齒輪構(gòu)件主軸可以保持所需的扭矩。
盡管，本發(fā)明的主軸也可以在上述已知的扭矩控制裝置下進行工作，但它也可以在本發(fā)明的一種控制方法下工作，該方法的目的是控制齒輪構(gòu)件主軸的位置，而不是施加于其上的扭矩。在這種方法中，通過諸如CNC控制器之類的裝置，可以相對于小齒輪構(gòu)件主軸的位置來控制齒輪構(gòu)件主軸位置。也可以使一主軸從屬于另一主軸工作，這可以通過一電子齒輪箱(EGB)來實現(xiàn)。另一選擇是獨立地但以指令協(xié)調(diào)的方式控制兩主軸。
本發(fā)明方法的一個目的在于，根據(jù)安裝的齒輪組構(gòu)件的齒數(shù)比來保持齒輪和小齒輪主軸的位置。當小齒輪構(gòu)件以某一速度轉(zhuǎn)動時，通過CNC控制器可以(根據(jù)它們的齒數(shù)比)保持齒輪構(gòu)件與小齒輪配合。這種位置關(guān)系可以被稱為“聯(lián)動位置”。此外，可以要求齒輪構(gòu)件的主軸包括附加的轉(zhuǎn)動組件，實際上，這些組件可以增進或減緩齒輪相對于小齒輪的轉(zhuǎn)動。這些附加轉(zhuǎn)動組件可以被稱之為“卷繞命令”。
舉例說明，如上所述設(shè)置的三個彈簧元件可以被用在美國專利No.6,120,355中在先描述的那種類型的研磨機的主軸中，該研磨機可用于研磨汽車的準雙曲面齒輪組，而該齒輪組包括具有41個齒的小齒輪構(gòu)件以及包括11個齒的齒輪構(gòu)件。齒輪構(gòu)件安裝在本發(fā)明的主軸上。研磨扭矩選定為50英寸-磅。當齒輪和小齒輪嚙合時，并且通過CNC伺服運動控制器使小齒輪主軸和后齒輪主軸鎖定為11×41轉(zhuǎn)動關(guān)系(基于41∶11的齒數(shù)比)，主軸加速至3000小齒輪RPM的研磨速度。彈簧梁不會變形，這樣，施加在齒輪對構(gòu)件之間的扭矩極小。接著，命令齒輪后主軸額外轉(zhuǎn)動2度。由于齒輪的前主軸不能轉(zhuǎn)動(實際地受到小齒輪嚙合的限制)，由于彈簧元件轉(zhuǎn)動2度，彈簧元件發(fā)生變形這種變形量可以達到所需的50英寸-磅的齒輪組扭矩。當V、H和G軸線進行少量研磨運動時，可命令齒輪構(gòu)件主軸進行附加的補償運動，以保持所需的彈簧變形。
小齒輪構(gòu)件主軸和齒輪構(gòu)件主軸均具有旋轉(zhuǎn)編碼器，以測定它們的位置。由于這些編碼器不直接安裝在齒輪和小齒輪構(gòu)件上，因此，在這些編碼器和它們相應(yīng)的齒輪組構(gòu)件之間存在一定的旋轉(zhuǎn)機械柔性。柔性的一個來源是齒輪組齒的本身，這些齒在受到負載作用時是會彎曲的。因此，當卷繞運動受到嚙合的齒輪組構(gòu)件的支配時，如旋轉(zhuǎn)編碼器所測得的，仍然可能獲得那些卷繞主軸的位置，但需要一些電動機扭矩來實行這種柔性。這樣，在需被研磨或測試的齒輪組構(gòu)件之間可感覺到該扭轉(zhuǎn)的一部分。
這種柔性效應(yīng)可以用來在研磨過程中實現(xiàn)所需的平均齒輪組扭矩。卷繞運動的大小可基于對該系統(tǒng)柔性性的了解。如果需要極小的卷繞運動，則可以利于齒輪組齒、軸桿，其它直列式設(shè)置的裝置以及主軸本身的內(nèi)在柔性。如果需要較大的卷繞運動，如本發(fā)明的主軸已證明的，可將附加柔性設(shè)計結(jié)合到一個或多個主軸中。
控制主軸位置而不是控制施加于主軸的扭矩的益處在于，這樣可以控制平均齒輪力的量值，而不是控制瞬間的量值。實際上，當齒輪齒表面的高點和低點滾過嚙合點時，瞬間力的量值就可以較高或較低。由于高點研磨施加的力比低點施加的力大，這將有助于使高點減小，因此這樣的研磨過程的質(zhì)量是上佳的。而原先的扭矩控制方法則無論高點或低點都保持相同的扭矩。
只要變形量是恒定的或變化很慢，任何其特征表現(xiàn)為一真實阻尼響應(yīng)的阻尼元件都不會提供扭矩。
雖然，本發(fā)明是關(guān)于一研磨機進行論述與說明的，但本發(fā)明的主軸和控制方法也可以被包括在用于圓柱齒輪、斜齒輪以及準雙曲面齒輪的測試機器中，以及被包括在諸如磨床、剃齒機或珩床等其它類型的精加工機器中。在測試機器中，齒輪對的一個構(gòu)件的齒面(通常為齒輪構(gòu)件)覆有涂色劑，而后這對構(gòu)件在輕微的負載下一同運轉(zhuǎn)。與配合的小齒輪構(gòu)件的齒面接觸的齒面區(qū)域上的涂色劑會被除去，從而一種接觸形式或“印跡”會在齒輪的齒面上顯露出來。這樣，就可以估算接觸形式的位置和長度。
盡管本發(fā)明還設(shè)想可使用具有非圓形截面的彈簧。例如，可以使用平面的或橢圓形的彈簧。然而，應(yīng)予注意的是，當安裝非圓形彈簧時，為了變形而又不受到損壞，彈簧必須以適當?shù)姆较蛟O(shè)置。
本發(fā)明是參照較佳實施例描述的，但需理解的是，本發(fā)明并不僅限于這些特例。本發(fā)明還包括一些變化形式，在不脫離所附權(quán)利要求的精神和范圍的前提下，這些變化形式是本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員能夠顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于機床的主軸，所述主軸可圍繞一軸線轉(zhuǎn)動，該主軸包括一后主軸部分；一前主軸部分，所述后主軸部分和所述前主軸部分均可圍繞所述軸線相互相對轉(zhuǎn)動；一個或多個彈簧元件，所述彈簧元件在所述后主軸部分和所述前主軸部分之間延伸。
2.一種用于機床的主軸，所述主軸可圍繞一軸線轉(zhuǎn)動，該主軸包括一后主軸部分；一前主軸部分，所述后主軸部分和所述前主軸部分均可圍繞所述軸線相互相對轉(zhuǎn)動；一個或多個彈簧元件，所述彈簧元件在所述后主軸部分和所述前主軸部分之間延伸；藉此，所述前主軸部分和所述后主軸部分以預(yù)定量轉(zhuǎn)動，而前主軸的轉(zhuǎn)動限制在所述量，施加于所述后主軸部分的一附加轉(zhuǎn)動使所述一個或多個彈簧元件變形，由此在所述前后主軸部分產(chǎn)生一扭矩。
3.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，該主軸包括三個彈簧元件。
4.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，該主軸至少包括一個阻尼元件。
5.如權(quán)利要求4所述的主軸，其特征在于，至少一個阻尼元件設(shè)置在所述前主軸部分和所述后主軸部分之間。
6.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，所述彈簧元件包括一圓形截面部分。
7.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，所述彈簧元件作為一懸臂梁與所述前主軸部分和所述后主軸之一固定。
8.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，所述彈簧元件具有沿其長度變化的直徑。
9.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，至少所述前主軸部分和所述后主軸部分之一包括一個可限制彈簧元件變形的止動裝置，由此使所述彈簧元件不超過其疲勞極限。
10.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，所述后主軸部分包括一直接驅(qū)動的電動機。
11.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，所述主軸設(shè)置在一齒輪研磨機上。
12.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，所述主軸設(shè)置在一齒輪測試機上。
13.如權(quán)利要求2所述的主軸，其特征在于，所述彈簧元件包括一第一端部和一第二端部，其中所述第一端部為球形。
14.如權(quán)利要求13所述的主軸，其特征在于，所述球形可插入所述前主軸部分和所述后主軸部分之一中形成的一孔內(nèi)，并可以在該孔內(nèi)活動。
15.一種在機床上的齒輪組的第一和第二構(gòu)件之間形成一定量扭矩的方法，所述構(gòu)件均具有相應(yīng)的齒數(shù)，所述方法包括將所述第一構(gòu)件安裝在第一機床主軸上；將所述第二構(gòu)件安裝在第二機床主軸上；將所述第一和第二構(gòu)件以嚙合狀態(tài)設(shè)置，由此將所述第一和第二主軸定位在相互轉(zhuǎn)動位置中；根據(jù)齒輪構(gòu)件所述相應(yīng)的齒數(shù)比使所述第一和第二主軸以相應(yīng)的速度轉(zhuǎn)動；在基于所述齒數(shù)比的所述轉(zhuǎn)動中，修改所述第一和第二主軸的至少其中之一的轉(zhuǎn)動位置；由此，所述修改在所述第一和第二齒輪組構(gòu)件之間產(chǎn)生一定量的扭矩。
16.一種在機床上的齒輪組的第一和第二構(gòu)件之間形成一定量扭矩的方法，所述構(gòu)件均具有相應(yīng)的齒數(shù)，所述方法包括將所述第一構(gòu)件安裝在第一機床主軸上，所述第一機床心軸包括一后主軸部分；一前主軸部分，所述前主軸部分和所述后主軸部分均可相互相對地圍繞一公共軸線轉(zhuǎn)動；以及一個或多個彈簧元件，所述彈簧元件在所述前主軸部分和所述后主軸部分之間延伸；將所述第二構(gòu)件安裝在第二機床主軸上；將所述第一和第二構(gòu)件以嚙合狀態(tài)設(shè)置，由此將所述第一和第二主軸定位在相互轉(zhuǎn)動位置中；根據(jù)齒輪構(gòu)件所述相應(yīng)的齒數(shù)比使所述第一和第二主軸以相應(yīng)的速度轉(zhuǎn)動；在基于所述齒數(shù)比的所述轉(zhuǎn)動中，修改后主軸部分相對前主軸部分的轉(zhuǎn)動位置；由此，所述修改可實現(xiàn)所述一個或多個彈簧元件的變形，從而在所述第一和第二齒輪組構(gòu)件之間產(chǎn)生一定量的扭矩。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一構(gòu)件由一齒圈構(gòu)成，而所述第二構(gòu)件由一小齒輪構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機床用的主軸，該主軸包括一后主軸部分(62)和一前主軸部分(64)，后主軸部分和前主軸部分均可相互相對地圍繞同一軸線轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的主軸包括一個或多個彈簧元件(68)，它們在后主軸部分和前主軸部分之間延伸，由此，前主軸部分和后主軸部可以預(yù)定量轉(zhuǎn)動，并且前主軸部分的轉(zhuǎn)動限制在該量上，施加于后主軸部分的一附加轉(zhuǎn)動使彈簧變形，由此在前后主軸部分之間產(chǎn)生一扭矩。本發(fā)明還包括一種控制方法，該方法的目的在于控制一個主軸的位置，該主軸通常為齒輪構(gòu)件主軸，而不是控制施加在主軸上的扭矩。以這種方法，通過如計算機數(shù)控設(shè)備(CNC)，齒輪構(gòu)件主軸的位置可相對于小齒輪構(gòu)件主軸位置而受到控制。當小齒輪構(gòu)件以某一速度轉(zhuǎn)動時，通過CNC控制器可以(根據(jù)它們的齒數(shù)比)保持齒輪構(gòu)件與小齒輪配合?？梢砸簖X輪構(gòu)件主軸包括附加的轉(zhuǎn)動組件，在實際中，這些組件可促進或減緩與小齒輪相對的齒輪轉(zhuǎn)動。
文檔編號B23F23/00GK1433348SQ00818817
公開日2003年7月30日 申請日期2000年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者W·D·麥格拉森, D·A·賴特, M·W·羅伯茨, A·J·諾爾塞利 申請人:格里森工場