在工具夾持設備中用於沿軸向移動一可旋轉主軸的裝置的製作方法

2023-11-04 09:01:07

專利名稱：在工具夾持設備中用於沿軸向移動一可旋轉主軸的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在工具夾持設備中用於沿軸向移動一可旋轉主軸的裝置，該主軸在其第一端承載用於在上述主軸旋轉過程中進行加工的裝置，該裝置包括一驅動裝置，如一用於上述旋轉的電機，及至少一個軸承，該軸承徑向支承該主軸並允許該主軸沿軸向移動。
在研磨孔的機器中，為了質量的緣故有利的是，砂輪在旋轉加工過程中還能夠沿軸向前後移動。與非擺動主軸相比，其質量，即表面光潔度及孔的直線度都得到了提高。砂輪的磨損也更均勻，而需要的修理也少了。
在這種常規機器中結構是這樣的，整個主軸箱必須與心軸和砂輪一起沿軸向移動，從而沿軸向移動旋轉主軸。由於此目的須很快完成且軸向位移很短，這些常規機器不能令人滿意。主軸箱、心軸以及砂輪都必須快速移動，這就要求軸承結構剛度很大且無間隙，還需要大功率的驅動電機。主軸箱和驅動機構的磨損嚴重，這意味著需要很多維修工作。
在當今的製造工藝中生產速度很高，旋轉速度經常高於100000轉/分，這意味著在常規機器中，可旋轉主軸不能以令人滿意的高速度，即生產的高速度軸向移動或擺動，而為了使所完成工件獲得高質量，軸向移動的高速度是必須的。
常規機器中必須移動的大質量在50-100千克範圍，該質量導致振動並限制了擺動速度從而也限制了生產速度。
很長時間以來，對於上述問題的滿意的解決方案就有很強的商業需求。上面結合砂輪對該問題進行了描述。但在其它帶有可旋轉主軸的機器中也存在同樣問題，該主軸支承用於在該主軸旋轉過程中完成加工的裝置。一個這種例子是如用於製造電路板的鑽床，該鑽床將完成非常小而快速的軸向運動。
在德國專利公開DE3123199A1中，示出了一種用於軸向擺動一旋轉主軸的結構，在該主軸上設置了一加工工具，如一砂輪。這種擺動是藉助於兩個彈簧而實現的，該兩彈簧設置在位於該主軸上的一圓盤的相對側，該兩彈簧相互作用並被帶入與該主軸沿軸向擺動的共振中。基於上述德國公開的裝置有幾個缺點。帶入振動的質量非常大，如上所述，這是一嚴重的問題。另一個大的缺點是，擺動的速度被限制在彈簧系統的共振頻率。
日本專利公開1-240266中描述了另一種解決方案。在該結構中可旋轉主軸上設置了一個徑向延伸的轉子，在上述轉子的每一側設置了一個電磁體。通過控制每個電磁體中的電流強度並從而控制轉子上的磁力，該主軸被軸向擺動。這種結構的一個缺點是，設置在主軸上的轉子非常重，使旋轉軸更重，這就限制了主軸的旋轉速度。另一個缺點是，帶有兩個電磁體的結構非常昂貴。根據上述日本公開的該結構的另一個嚴重缺點是，電磁體和轉子需要許多空間。
通過本發明獲得一種裝置，其中所有上述問題都被解決。
根據本發明的裝置特徵在於，主軸具有一自由的第二端，電磁裝置設置用來作用於上述第二端，並克服沿相反軸向作用於上述第二端的壓力的效應，將上述主軸沿軸向從第一端拉到第二端，及設置裝置用來控制上述電磁裝置，從而在該主軸旋轉過程中實現該主軸的上述軸向運動。
根據本發明的一優選實施例，其特徵在於，上述電磁裝置包括一軸頸，該軸頸設置成使其自由端靠近主軸的上述第二端，一磁性線圈環繞上述軸頸設置，用於在上述軸頸的軸向產生一磁場，上述軸頸，磁性線圈以及主軸環繞該第二端的一端部都封閉在一外殼中，該外殼設置用來在封閉迴路中對上述磁場進行導向，該封閉迴路包括上述端部，上述軸頸，及一位於主軸第二端與軸頸自由端之間的間隙，從而該磁場以一與軸頸的自由端相反方向的力作用在主軸的上述端部。
在根據本發明的裝置中，只有可旋轉主軸在軸向被移動或擺動。在根據本發明的裝置中移動(擺動)的小的質量提高了高的加速度和最佳運動方式的可能性。
因此主軸的軸向運動並不局限於正弦形式。
下面將參照附圖中所示例子對本發明進行詳細描述。


圖1表示本發明第一實施例的示意性剖視圖。
圖2表示第二實施例的示意性剖視圖。
圖3是一示意圖，用於表示一著陸軸承的一個例子的原理，該軸承用於承受在主軸軸向的力。
文中公開了本發明的實施例，在一靜止機械單元2，如一磨床的主軸箱中向一可旋轉主軸1的提供軸向運動和高精度定位。設置一電機3向該可旋轉主軸提供電能以在旋轉過程中完成加工。
主軸1設計成在主軸的一第一端4承載一工具，如一砂輪(未示出)。該主軸1由兩個軸承支承，一個滾動軸承5，如以商標CARB銷售的滾動軸承，和一氣潤滑軸承6。這些軸承設置成可在軸向方向移動，如以軸向軸承遊隙移動。
軸承5和6可以是具有密封功能並允許軸向移動的流體靜力軸承或流體動力軸承。軸承6是非磁性的或環繞主軸包含一定厚度的非磁性材料，以減小由磁場產生的作用在主軸上的徑向力。
主軸具有一第二端部7。一軸頸8設置成使其自由端靠近主軸1的第二端7，一磁性線圈9環繞上述軸頸設置，用於在上述軸頸的軸向產生一磁場。該磁場在附圖中以B表示。軸頸8，磁性線圈9以及主軸1環繞該第二端7的一端部都封閉在一外殼10中，該外殼10設置成在封閉迴路中對由線圈9產生的磁場進行導向，該封閉迴路包括上述端部，上述軸頸8和位於主軸第二端與軸頸自由端之間的間隙11。磁場以一與軸頸8的自由端相反方向的力作用在主軸的上述端部。
外殼10環繞一空間12，該空間12包括位於主軸第二端7與軸頸自由端之間的間隙11。從氣潤滑軸承6漏出來的氣體進入密封的上述空間12中，這樣在上述空間中產生一過壓。上述過壓的強度由一閥(未示出)調節。
主軸通過磁場克服作用在主軸第二端7上的過壓的效應而沿軸向從第一端拉到第二端。
在圖1所示實施例中一位置檢測裝置13設置在穿過軸頸8的孔14中。該位置檢測裝置設置用來檢測主軸1的軸向位置並向一控制裝置15發出一相應的信號。
控制裝置15設置用來響應來自該位置檢測裝置的信號對電磁線圈9中的電流進行控制，從而控制主軸1的運動。
該控制裝置設計用來控制電磁線圈9中的電流強度，以一最佳方式移動或擺動主軸1和砂輪，從而以高質量進行磨削，該高質量涉及表面粗糙度、孔直線度、均勻磨損以及砂輪修整之間的較長間隔。
如上所述，上述過壓調節閥還用作一安全裝置，當磁場由於失效而消失時該調節閥打開從而消除過壓。優選地，上述安全裝置是一由上述控制裝置15控制的磁閥。
根據本發明的裝置的較大優點是，用於在主軸的軸向移動/擺動砂輪而必須移動的質量極小。只有主軸1和砂輪被移動。這種很小的可移動質量使得能夠對控制裝置進行設計以導引主軸完成最佳方式的運動。這種運動並不局限於正弦形式，且能夠沿主軸的軸向使主軸1和砂輪產生一高的加速度。
當上述端部之間的距離減小時，主軸1的第二端7與軸頸8的自由端之間的磁力將增大。根據一優選實施例，在主軸自由端的端部表面和/或軸頸自由端的端部表面設置一著陸軸承。在圖1所示實施例中，該著陸軸承包括一塗在軸頸自由端的端部表面上的一石墨夾層或塗層16，用於在磁力控制失靈情況下防止該主軸的第二端與軸頸的自由端直接接觸。上述石墨必須具有一定的厚度或者必須塗在一由非磁性材料製成的夾層或墊片上，使組合的厚度足夠大。加工旋轉過程中上述端部之間直接接觸或上述端部之間距離太短將導致在調節系統失效情況下心軸損壞。該石墨夾層用作耐磨表面，並能夠設置成與其它非磁性材料相結合，從而對磁力進行限制。有了該石墨夾層以及可能的與另一非磁性材料夾層或墊片的組合，上述兩端部可至少在一短時間內接觸，而沒有心軸被損壞的危險。
該著陸軸承可以不是石墨夾層或塗層，而是由石墨製成的墊片。其它適合於夾層、塗層或墊片的材料是具有低摩擦力的非磁性材料，如人造金剛石。非磁性材料的其它例子是一空氣夾層或由陶瓷球形成的夾層。
在根據圖2的實施例中，一氣潤滑軸承17設置在主軸1的第二端與軸頸8之間。該氣潤滑軸承設置用來作用於主軸的第二端，一活塞18用來藉助於該氣潤滑軸承將力從彈簧19傳遞到主軸。該實施例適用於需要高的軸向力的情況，如當本發明用於鑽床中時。在根據圖2的實施例中，靠近第二端的徑向軸承是一滾柱軸承20。
如果使用一個氣動活塞機構(未示出)，就可以不用藉助於圖2所示的彈簧而傳遞高的軸向力。
在根據圖2的實施例中，如果產生磁場B的電磁裝置失效或停止工作，也一定能夠快速減小軸向力。如果與由上述磁場產生的力相反作用的軸向力是由圖2中所示彈簧產生的，那麼彈簧的動作可以通過一磁力裝置來控制，該磁力裝置在上述電磁裝置失效或停止工作時將該彈簧帶到一不工作位置。
如果使用一氣動活塞而不是一彈簧，可設置一磁力閥，用於在電磁裝置失效或停止工作時減小氣體壓力。
位於主軸自由的第二端的端部表面和/或位於軸頸自由端的端部表面上的著陸軸承不必如上所述那樣是一塗層或一墊片。著陸軸承其它適合的例子有氣潤滑軸承、空氣靜力軸承或空氣動力軸承。
例如空氣動力軸承可以如圖3所示通過在主軸1第二端部7的端部表面上設置螺旋槽21而獲得。這樣當主軸1旋轉時可在該端部表面外部獲得空氣壓力。
空氣動力軸承，例如圖3所示螺旋槽形式的，還可以用於產生作用在該主軸第二自由端7上的壓力。
該槽當然可以具有除螺旋槽之外的其它形式，如可以具有人字形形式。
當整個心軸裝置向一工件移動、例如用於對工件上的一孔進行磨削時，如果具有高速的主軸對該孔錯位並撞在該工件的端部表面上，常規裝置中的心軸將被損壞。在一優選實施例裝置中，如圖1所示實施例中的檢測裝置13，設置成當心軸裝置向一工件移動過程中該主軸的實際軸向位置與一參考位置不同時進行檢測，與參考位置的這種偏移表明已經有不期望的力作用在該主軸上。由於本發明裝置中的主軸可以相對於心軸軸向移動一距離，這樣就有時間將信號從該檢測裝置傳送到控制裝置，從而當心軸在剛性條件下撞向該工件之前，即該主軸的自由端直接靠在可能在其間帶有一著陸軸承的軸頸的自由端上之前，停止該軸的運動。
本發明並不局限於上述實施例，而是能夠在下面權利要求的範圍內進行多種改變。
權利要求
1. 一種在工具夾持設備中用於沿軸向移動一可旋轉主軸(1)的裝置，該主軸(1)在第一端(4)承載用於在上述主軸旋轉過程中進行加工的裝置，包括一驅動裝置，如一用於上述旋轉的電機(3)，及至少一個軸承(5，6)，該軸承(5，6)徑向支承該主軸(1)並允許該主軸(1)沿軸向移動，其特徵在於，該主軸(1)具有一自由的第二端(7)，設置電磁裝置以作用於上述第二端，並克服沿相反軸向作用於上述第二端的壓力的影響，將上述主軸沿軸向從第一端(4)拉到第二端(7)，及設置裝置(15)以控制上述電磁裝置，從而在該主軸旋轉過程中實現該主軸(1)的上述軸向運動。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，上述電磁裝置包括一軸頸(8)，該軸頸(8)設置成使其自由端靠近主軸(1)的第二端(7)，環繞上述軸頸(8)設置一磁性線圈(9)，用於在上述軸頸(8)的軸向產生一磁場(B)，上述軸頸(8)，磁性線圈(9)以及主軸(1)環繞該第二端(7)的一端部都封閉在一外殼(10)中，該外殼(10)設置用來在封閉迴路中對上述磁場(B)進行導向，該封閉迴路包括上述端部，上述軸頸(8)，及一位於主軸(1)第二端與軸頸(8)自由端之間的間隙(11)，從而該磁場以一與軸頸(8)的自由端相反方向的力作用在主軸(1)的上述端部。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，上述外殼(10)環繞一空間(12)，該空間(12)包括位於主軸(1)的第二端(7)與軸頸(8)的自由端之間的上述間隙(11)，設置裝置(6)用來在上述空間(12)中產生上述作用在主軸(1)第二端(7)上的壓力。
4. 根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，設置一軸承(6)用來支承可旋轉主軸(1)的上述端部，上述軸承包括環繞上述主軸(1)的具有一定厚度的非磁性材料，以限制可旋轉主軸(1)的上述端部上的徑向磁力。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，上述位於主軸(1)端部的軸承(6)是一氣潤滑軸承，上述壓力是通過使用從上述氣潤滑軸承中漏出的氣體獲得的。
6. 根據權利要求2至5中任一項所述的裝置，其特徵在於，為安全起見，在可旋轉主軸(1)第二端的端部表面上和/或軸頸(8)自由端的端部表面上設置一著陸軸承(16或17)。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，上述著陸軸承(16或17)包括具有低摩擦力的耐磨墊片或塗層，上述墊片或塗層由石墨或其它具有低摩擦力的非磁性材料，如人工金剛石製成。
8. 根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，上述著陸軸承是一氣潤滑軸承(17)。
9. 根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，上述著陸軸承(16或17)是一空氣靜力軸承。
10. 根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，上述著陸軸承(16或17)是一空氣動力軸承。
11. 根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於，上述空氣動力軸承以徑向延伸的螺旋槽(21)或人字形槽的形式設置在主軸(1)第二端(7)的端部表面上或軸頸的端部表面上，從而當主軸(1)旋轉時上述槽(21)在主軸第二端(7)的端部表面外部產生一增加的氣體壓力。
12. 根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於，設置上述空氣動力軸承還用來產生作用在主軸(1)第二端(7)上的壓力。
13. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，設置位置檢測裝置(13)用來至少檢測上述主軸(1)的軸向位置，並向上述控制裝置(15)發出一相應的信號，用於控制該電磁裝置，設置上述控制裝置(15)用來響應來自位置檢測裝置(13)的上述信號而對電磁裝置中的電流進行控制，從而控制主軸(1)的運動。
14. 根據權利要求1-5中任一項所述的裝置，其特徵在於，在主軸(1)的第二端(7)與軸頸(8)之間設置一氣潤滑軸承或一流體靜力軸承(17)，設置上述氣潤滑軸承或流體靜力軸承(17)用於作用在主軸(1)的第二端(7)，設置裝置用來通過上述軸承(17)向上述第二端施加一力，從而產生一作用於上述第二端的壓力。
15. 根據權利要求14所述的裝置，其特徵在於，上述裝置是一彈簧(19)或一氣動活塞。
16. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，設置了安全裝置，用於在電磁裝置失效或停止工作時，使上述裝置(19)或上述產生一作用於上述第二端(7)的力的壓力停止工作。
17. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，設置裝置(13)，用於在心軸裝置向一工件運動過程中主軸(1)的實際軸向位置與一參考位置不同時進行檢測，這種與參考位置的偏移表明不期望的力作用在主軸(1)上，設置上述控制裝置，用於在發生上述偏移時停止心軸裝置向該工件的移動。
全文摘要
一種在工具夾持設備中用於沿軸向移動一可旋轉主軸(1)的裝置,該主軸(1)在第一端(4)承載用於在上述主軸旋轉過程中進行加工的裝置,該裝置包括一用於上述旋轉的電機(3),及至少一個軸承(5,6),該軸承(5,6)徑向支承該主軸(1)並允許該主軸(1)沿軸向移動。根據本發明,該主軸(1)具有一自由第二端(7),電磁裝置用來作用於上述第二端,並克服沿相反軸向作用於上述第二端的壓力的影響,將上述主軸沿軸向從第一端(4)拉到第二端(7),設置裝置(15)用來控制上述電磁裝置,從而在該主軸旋轉過程中實現該主軸(1)的上述軸向運動。
文檔編號B23Q1/38GK1295901SQ0013378
公開日2001年5月23日 申請日期2000年11月10日 優先權日1999年11月10日
發明者布·約蘭松 申請人:Skf諾瓦股份公司