专利名称：用于加工成形非规则表面的磁悬浮高速机床主轴的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及用于加工成形非规则表面的磁悬浮高速机床主轴总 成，特别是，涉及这样一种在工件上加工成形非圆孔的总成。
2. 相关技术
在一些生产应用中，要求形成非圆孔。例如，在制造内燃机的活塞时，用 于肘节(wrist)的所谓销孔，或活塞销常具有一个略呈喇叭形、朝向中心的开 口，以配合活塞销中的弯曲。另外，销孔的喇叭形状的最优设计是具有轻微的 椭圆度，以进一步消除当肘节销在不同圆周中移动时的变形。销孔的这种喇叭 形和非圆形必须按照精确公差成形。例如，在这种类型的应用中，公差常常要 求在3到5微米的范围内。
在加工这种按照精密公差要求的非圆形孔的工业技术中包括液压铣刀和电 化学加工技术。现有技术也建议在镗出非圆形状时，使用一种特殊的装有主动 磁轴承的机床主轴。主动磁轴承的原理如下转动的主轴由一种铁磁性材料制 成，它由电磁定子所产生的磁场支承。带有适当的功率放大器的控制系统对磁 场进行调节，以使主轴在转动时保持在所需的径向位置上。甚至在负载发生变 化的情况下，这个径向位置也可以得到保持。
主动磁轴承系统的优点在于它控制主轴移动的能力，并有意识地使主轴转 动出现偏移，从而使成形工具沿所需的路径移动。但现有技术却有很多的缺点 和局限。例如，特别是可被加工成3维的非圆形孔的形状受到限制。并且，现 有技术中精确控制刀具刃口位置以及使公差变化低于5微米的能力并不可靠。
因此，本发明的目的是克服这些缺点和局限。
发明内容
本发明包括一个磁悬浮高速主轴总成，用于加工成形非圆形孔，而孔在工 件中具有在尺寸上变化的轴向轨迹。该总成包括一个主轴，它具有一个沿纵向 延伸的主轴轴线，并带有固定在它的成形端处的刀具。 一个第一磁性轴承组在 靠近刀具的位置支承主轴，使其围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转。 一个第二磁性 轴承组与第一磁性轴承组相隔一段距离，并在远离刀具的位置支承主轴，使其 围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转。 一个径向轴承控制器独立地控制第一和第二磁 性轴承组，以调节在主轴的磁悬浮旋转过程中主轴轴线的径向位置，因而使在 成形端的主轴轴线沿预定的非圆形轨道移动。根据本发明的这一方面，改进包 括一个轴向运动控制器，它使刀具相对于工件沿主轴轴线移动，同时改变轨道 的形状，以使具有连续地沿轴向变化的轨迹的非圆形孔在工件中以高速和高精 度形成。因此，通过对磁性轴承组以及刀具相对于工件的轴向位置进行独立 的、也是同步的控制可以形成具有连续变化的断面和形状的非圆形孔。
按照本发明的第二方面， 一种磁悬浮高速主轴总成用于在工件上加工成形 非圆形孔。总成包括一个伸长的主轴，它沿主轴轴线在后端和成形端之间延 伸。
一个刀具沿径向从主轴靠近成形端的位置向外延伸，终点是刃口。 一个第
一磁性轴承组在靠近成形端的位置支承主轴，使其围绕主轴轴线进行磁悬浮旋 转。 一个第二磁性轴承组与第一磁性轴承组相隔一段距离，并在远离成形端的 位置支承主轴，使其围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转。 一个径向轴承控制器独立 地控制第一和第二磁性轴承组，以在所述主轴的磁悬浮旋转过程中调节所述主 轴轴线的径向位置，并使成形端沿预定的非圆形轨道移动，从而使高速刃口在 工件中形成相应形状的非圆形孔。按照本发明的这个方面， 一个刃口控制器用 于保持在刃口和轨道之间有一个连续的倾角。倾角包括一个最优的切割角，这 个切割角由从主轴轴线延伸到刃口的半径与在轨道上任一点处的切线之间的角 确定，这样，非圆形孔的成形精度得到提高，总成可以在更高的旋转速度下运 行，同时主轴具有更大的稳定性。
按照本发明的另一个方面，提供了一种使高速主轴总成磁悬浮的方法。这 个方法用于在工件中形成一个具有尺寸上发生变化的轴向轨迹的非规则孔。这
个方法包括以下步骤将一个径向延伸的刀具固定在具有主轴轴线的主轴的一 个端部上；围绕主轴上靠近刀具的第一区域建立一个磁悬浮场以使主轴围绕主 轴轴线旋转；围绕主轴上与第一区域相隔一段距离并远离刀具的第二区域建立 一个磁悬浮场；使主轴在第一和第二磁悬浮场之间围绕主轴轴线旋转；并且通 过改变第一和第二磁悬浮场，来调节主轴旋转过程中主轴轴线在第一和第二区 域的径向位置，使主轴轴线在成形端沿预定的非圆形轨道运动。这个方法的特 征在于，通过使刀具相对于工件沿主轴轴线移动，并且同步调节主轴轴线在第 一和第二区域的径向位置，在工件中形成非规则的并且轨迹沿轴向变化的孔。
按照本发明的另一个方面，提供了一种使高速主轴总成磁悬浮的方法。这 个方法用于在工件中形成一个非圆形孔，并包括以下步骤在一个刀具上形成 刃口；将刀具固定在具有主轴轴线的主轴的一个端部上，使刃口从主轴轴线沿 径向向外；围绕主轴上靠近刀具的第一区域建立一个磁悬浮场以使主轴围绕主 轴轴线旋转；围绕主轴上与第一区域相隔一段距离并远离刀具的第二区域建立 一个磁悬浮场；使主轴在第一和第二磁悬浮场之间围绕主轴轴线旋转，并且通 过改变第一和第二磁悬浮场，来调节主轴旋转过程中主轴轴线在第一和第二区 域的径向位置，使刃口沿预定的非圆形轨道运动，以便在工件中形成非圆形 孔。改进包括在刃口和轨道之间保持一个连续的倾角，以使非圆形孔的成形精 度得到提高，并使主轴可以在更高的旋转速度和更大的稳定性下运行。倾角包 括一个最优的切割角，这个切割角由从主轴轴线延伸到刃口的半径与在轨道上 任一点处的切线之间的角确定。
按照本发明的孔成形总成和方法，克服了现有技术的局限和缺点，特别是 从三维的角度，扩大孔的形状的结构的可用范围，并使孔能在高速下以高精度 加工成形。
通过下面的详细说明和附图将会更容易理解本发明的上述以及其它特点和 优点，其中，
图1是根据本发明的主轴总成和用于孔加工成形的活塞工件的正视简图； 图2是根据本发明的磁悬浮高速主轴总成的简化断面图3是一个示意图，在图中，根据本发明的主轴磁悬浮在第一和第二磁轴 承组之间，并在各X和Y的坐标平面中为磁定子和位置传感器设有各自的径向 轴承控制器；
图4是工件上的非圆形孔的断面放大图，包括围绕以虚线表示的运行轨道 处于不同位置上的成形刀具；
图5是一个简化透视图，表示了一个在工件上的典型的孔的几何形状，其 中，刀具形成出一个连续的、沿轴向变化的轨迹；
图6中是另一个典型的非圆形孔的几何形状，它具有两个不规则的凸出
部；
图7是与图6 —样，但其中是另一个具有多个凸出部的非圆形孔的几何形
状；
图8是一个可选的刀具结构的端面视图，包括两个相对的刃口 ； 图9与图8 —样是一个端面视图，但所示的是另一个具有多个刃口的刀具 的可选实施例；
图10是主轴总成的一个简图。图中所示的是，在主轴的轴线在其运行轨 道上保持平行的情况下，它在第一和第二磁轴承组之间的上下轨道极限；
图11与图10—样，但其中所示的是，当主轴被第一和第二磁轴承组控制 在相对的极限位置上时的运行轨道的极限。
具体实施例方式
参阅附图，在各图中相似或相应的零件采用相同的附图标号，在图1和2 中，磁悬浮高速主轴总成由20表示。主轴总成20用来在工件24上加工成形 非圆形孔22。在图1中，工件24作为示例，只包括一个用于内燃机的活塞。 图中所示的非圆形孔22作为用来容纳在现有技术中已公知的肘节销(图未 示)的销孔。但是，工件24还可以包括任何零件，并不局限于活塞、发动 机，或者甚至不局限于在汽车上的应用。相反，它可用于任何采用具有高度精 确公差的非圆形孔22的场合。
总成20包括一个刚件的类似大轴的土轴，通常山26表示，它沼轴线A在 后端28和成形端30之间延伸。刀具32从主轴26上靠近成形端30的位置沿 径向向外延伸至尖锐的刃口 34。举例来说，刀具32可以包括一种具有任何一
个商业上可用的形状的可拆卸硬质合金刀片。如图2中的断面图所示，刀具32
可以夹持在一个可拆卸的刀夹36上，该刀夹通过锥度和螺栓装置38固定在 主轴26上。主轴26上在后端28和成形端30附近设有扳手开口 40，以便拆 卸刀具32进行保养以及更换刀夹36。
该总成20还包括一个外壳42,主轴26的后端28和成形端30从其中穿 过。在图2中由44表示的驱动马达布置在外壳42之内，并强制主轴26围绕 主轴轴线A转动。驱动马达44可以是已知的任何类型，既可以通过交流电也 可以通过直流电运转。或者，驱动马达44也可以是流体驱动、空气驱动或任 何一种其它类型的能源驱动。在所示的实例中，驱动马达44包括一个固定在 外壳42之内的电动定子46和一个固定在主轴26上的转子或电枢48。
一对辅助轴承50设置在外壳42相对两侧，并与主轴26之间有着明显的 间隙。辅助轴承50作为备用的安全机构，以便在磁悬浮系统出现故障的情况 下，使得高速旋转的主轴26可以在辅助轴承50上安全制动，而不损坏任何部 件。
为了保证主轴26在外壳42内轴向正确对中，磁性止推轴承，通常由52 表示，被布置在外壳42和主轴26之间。磁性止推轴承52包括两个布置在转 盘56相对两侧的定子54。该定子54可以由实心钢或实心钢锲(solid steel wedges)制成，钢锲在锲之间具有由薄片填充的径向槽。定子54也由线圈填 满，以便在包含转盘56的磁场中产生反作用的轴向力。虽然未在图中显示， 但总成20也可以包括与止推轴承52共同作用的轴向位置传感器，和功率放大 器以确定和控制主轴26的轴向位置。
在图3中，第一磁性轴承组通常由58表示，在最接近刀具32的位置支承 主轴26，以使它围绕着轴线A进行磁性悬浮旋转。类似的是，通常由60表示 的第二磁性轴承组，与磁性轴承组58相隔一段距离，以便在远离刀具32的另 一侧支承主轴26，以使它围绕着主轴轴线A进行磁性悬浮旋转。换句话说， 第一磁性轴承组58最接近主轴26的成形端30，而第二磁性轴承组60最接近 主轴26的后端28。
第一磁性轴承组58包括至少三个、优选为四个磁性定子，它们布置在一 个垂直主轴轴线A的共同平面内，相互之间隔着一般来说相等的弧线间距。磁 性定子通常成对布置——一对对置的X坐标磁性定子62、 62'和一对对置的Y
坐标磁性定子64、 64'。 X坐标定子62、 62'本身位于一个所谓的X平面内， 沿对角穿过主轴轴线A，并与水平面成大致45。的角。上X坐标定义62位于 主轴轴线A的上方，而下X坐标定义62'位于主轴轴线A的下方。Y坐标定子 64、 64'布置在包含主轴轴线A的所谓的丫平面内，这个平面与水平面成大致 45°的角。Y平面与X平面垂直。因此，当主轴26优选地处在第一轴承组58 和第二轴承组60之间的中心线上时，主轴轴线A与X和Y平面的相交线重 合。X平面与Y平面的静止相交形成一个轴承轴线Z。因此，当主轴26处于 中立的中心位置时，轴承轴线Z与主轴轴线A重合。但是，当主轴26受到电 流波动和其它外部脉冲的影响时，主轴轴线A发生平移并相对于固定的轴承轴 线Z旋转。
相似的是，第二磁性轴承组60包括X坐标定子66、 66'和Y坐标定子 68、 68',它们的方位与第一磁性轴承组58中的定子相似。X坐标定子62、 62'、 66、 66'全部位于X平面内，Y坐标定子64、 64'、 68、 68'全部位于Y平 面内。在图3中，这些磁性定子被示意地画成U形的固定磁铁。但实际上，这 些定子也可以由叠片环叠置而成，磁极在它们的内径之上。线圈围绕在各磁极 上，从而使各轴承组可以分成四个象限。每个象限中的线圈起着一个单独的电 磁铁的作用。如上所述，特别是在主轴26在水平条件下被支承的情况中，各 象限与垂直面成45。角，以使重力的反作用力得到分散。
在图2中，第一磁性轴承组58包括布置在主轴26的第一区域72上的第 一转子70。第一转子70由叠片环叠置而成，它们安装在套筒上并与主轴26 配合。叠片可以有效地改善第一磁性轴承组58的灵敏度。同样，第二磁性轴 承组60包括布置在主轴26的第二区域76上的第二转子74。第一转子70和 第二转子74在结构上基本相同，但是根据总成20的设计应用，它们会在尺寸
和形状上有微小的差异。
至少三个、优选为四个第一位置传感器布置在一个相对主轴轴线A垂直的 共伺平面内，相互之间隔着一般来说相等的弧线间距，并邻近第一磁性轴承组 58。优选的是，如图3所示，第一位置传感器包括一对对置的、靠近各第一X 坐标定子62、 62'的X坐标传感器78、 78'，和一对对置的、靠近相应的Y坐 标定子64、 64'的Y坐标位置传感器80、 80'。相似的是，第二位置传感器的 对置的X坐标位置传感器82、 82'和Y坐标传感器84、 84'靠近各X和Y坐标
定子66、 66'、 68、 68'。所有这些位置传感器以电压的形式提供有关主轴26 位置的信息。正常来说，这些位置传感器均被校准，这样，当主轴26处于中 间位置时，传感器产生零电压。当主轴26高出中间位置时，则产生正电压。 而当主轴26低于中间位置时，则产生负电压。
径向的轴承控制器独立地控制第一磁性轴承组58和第二磁性轴承组60， 从而在主轴26的磁悬浮旋转过程中，调节主轴轴线A相对于轴承轴线Z的径 向位置。通过独立地控制主轴26相对于第一磁性轴承组58和第二磁性轴承组 60的位置，主轴轴线A在成形端30可以是铰接的(articulated)，并划出受 到高度控制的非圆形轨道B。径向轴承控制器可以集中协调来自所有传感器的 输入，并向所有的轴承组输出信号以实现所需的成形端30的铰接。
可选的是，径向轴承控制器可以包括一个X轴控制器86和一个单独的Y 轴控制器88。在这个结构中，X轴控制器86接收从X坐标位置传感器78、 78'、 82、 82'发出的电压信号，在一个数学模型中对信息进行处理，包括如到 刃口 34的轴向距离以及从主轴轴线A到刃口 34的刀具半径等尺寸关系，并向 一个集成的或单独的放大器发送电流(或电压)要求。这样，X轴控制器86 就可以接收多个输入，即来自X平面中的每个传感器的输入，并向X平面中的 所有定子发送多个输出，从而动态地控制主轴26。 X轴控制器86可以包括抗 混叠滤波器、模/数转换器、数字信号处理器和脉宽调制发生器。来自位置传感 器78、 78'、 82、 82'的电压穿过抗混叠滤波器，从信号中消除掉高频噪音。在 高频噪音被除掉后，模/数转换器对位置信号进行采样，并将电压信号转换成可 被数字信号处理器处理的形式。然后，数字信息经过数字过滤器，并根据预定 的值，生成一个与改正或调节主轴26的位置所需的电流(或电压)数量相称 的输出。所需的电流与磁性轴承组58应用的实际电流进行比较，并通过一个 模/数转换器发送、过滤和采样。实际和所需电流之间的误差被用来辨别发往放 大器的脉宽调制信号。然后，该信息被送往脉宽调制发生器，该发生器产生发 往放大器的脉宽调制波形。Y轴控制器88以相似的方式运行，它接收来自Y 坐标传感器80、 80'、 84、 84'的多个输入信号，并通过向第二磁性轴承组60 发送输出信号来进行多个校正动作。
X轴控制器86和Y轴控制器88可被用于A类调谐或B类调谐。在B类 调谐中，被X轴控制器86输送到每个X坐标定子62、 62'、 66、 66'的电流， 按照非线性的比例增量在各对之间是不同的。这种B类调谐方法为轨道B的成
形过程带来了更大的灵活性，并有助于在离开轴承中心较远时控制主轴26的
刚度和稳定性。
可被用止推轴承控制器89控制更大的主轴26。如上所述，止推轴承控制 器89将接收来自轴向位置传感器(图未示)的输入信号，并向磁性止推轴承 发出校正输出信号。在这里，如图3所示，止推轴承控制器89可以和X轴控 制器58和Y轴控制器60连通，以便有目的地操纵磁性止推轴承52与径向轴 承62、 64、 66、 68相呼应。可选的是，这种对径向和止推轴承的联合控制可 以在一个集中轴承控制器的实施例中实现，它从一个^:置调度所有轴承。
在图4中，随着主轴轴线A沿着它的轨道B移动时，刀具32也相应移 动。在图中，刀具32为实心，主轴轴线A偏离轴承轴线Z。刃口 34与工件 24的非圆形孔22接触时的点建立了一个基准点。从轴承轴线Z到刃口 34的 直线包括成形半径90。从轴承轴线Z到主轴轴线A的直线包括轨道半径92。 从主轴轴线A到刃口 34的直线包括刀具半径94。在本发明的优选实施例中， 倾角即刀具半径94与轨道B的切线96之间的角保持不变，并在整个成形工序 中优选为直角。同样，在其和孔92的接触点处所画的切线98与刀具半径94 之间也成直角。如图4中的虚线所示，倾角在主轴轴线A沿轨道B运行的过程 中保持不变。为了实现连续不变的倾角，有必要通过使用多次输入一多次输出 的控制方法对第一磁性轴承组58和第二磁性轴承组60进行联合控制。即使在 成形半径90和轨道半径92之间的角100在轨道圆周上在正值和负值之间波 动，连续的、优选为直角的倾角仍保持不变。通过使用X轴控制器86和Y轴 控制器88来控制第一磁性轴承组58和第二磁性轴承组60，使刃口 34和轨道 B之间可以保持连续的倾角，从而使非圆形孔22在成形时具有相当的精确 度。同样，通过使倾角在沿轨道B的所有点上保持不变，使总成20可以更高 的旋转速度运行，并且主轴的稳定性提高，因为来自刀具32的反作用力的波 动变小。当然，优化的倾角可以不是90° ，而控制器86、 86'可被编程以便成 形过程中保持优化的倾角不变。
图3中示意地显示了以旋转编码器102为形式的旋转位置传感器，它用来 确定土轴26的角位置，以及刀具32围绕主轴轴线A的位置。旋转编码器102 与X轴控制器86和Y轴控制器88连通，可以联合调节第一磁性轴承组58和
第二磁性轴承组60。优选的是，这些控制器86、 88以下列方式控制刀具 32:它完成围绕主轴轴线A的一个旋转，同时主轴26的成形端30完成环绕轨 道B—周。这就可以使最优的倾角在整个轨道B的范围内保持不变。但是，由 于孔22的形状复杂，当主轴26重新定位时，有必要将刀具32提起以离开孔 22的表面。因此，复杂的孔形状会要求在每次环绕轨道B—圈时，刀具32完 成多次旋转。
在图1中，轴向运动控制器由104表示。轴向运动控制器104使刀具32 相对于工件24沿与主轴轴线A平行的方向移动，而刀具32同时成形出非圆形 孔22。同时，控制器86、 88驱动磁性轴承组58、 60，从而在尺寸上改变了 工件24中的孔22的轴向轨迹。轴向运动控制器104工作时可以使工件24静 止，并使主轴总成20平移，或者，如图1所示，可以包括一个工件夹具 106，它可以相对于静止的主轴总成20移动。可选的是，两个部件可以同时移 动。
轴向运动的联合，或轴向运动结合轨道B的连续变化，可以形成复杂的几 何形状，如图5所示。在这里，图中所示的孔22在工件24的开口处具有椭圆 形的轮廓，其中，椭圆形具有一个通常为垂直的主轴线108。随着孔22深入 到工件24中，椭圆的尺寸变小，而主轴线108沿顺时针方向旋转。这由在中 点110的虚线椭圆断面表示。随着孔22在工件24中进一步深入，孔22的形 状变大而主轴线108继续沿顺时针方向旋转，直到达到终点112，而椭圆形的 主轴线108基本为水平。复杂的、尺寸发生变化的孔22在工件24中的轴向轨 迹并不局限于图5所示的结构。例如，图6中是一个非椭圆的、不规则孔 22'，其形状有两个凸起，类似凸轮。可选的是，图7显示了一种带有多凸起的 孔22"。本领域的技术人员将会理解，几乎任何在几何上可以想象出的形状都 可以通过使用主轴总成20和控制器86、 88的多次输入一多次输出的控制方法 加工出。
图8和9中是刀具32'的不同布置形式，其中可以使用两个或更多的刃口 34'。可选的是，刃口 34"以砂轮片或砂轮(图未示)的形式可连续围绕着成 形端30"延伸，。
图10和11中是主轴26的通过理论圆周114、 116定位极限的可能性， 显示了主轴26的第一区域72和第二区域76分别在第一磁性轴承组58和第二磁性轴承组60之间最大活动范围。刃口 34的切割半径由虚线表示的理论圆周 118表示。通过控制器86、 88所采用的多次输入一多次输出控制方法，在图 示的可能的活动范围内运行的情况下，？L 22的形状可以出现无穷的变化，可 以沿着轴向连续改变。并且，这种控制方法可以用于高速制造工序，例如，主 轴26的速度超过10,000 RPM。
虽然本发明的实施例是通过更传统意义上的孔的成形来加以说明的，但本 领域的技术人员将会理解，这些新颖的技术可以应用到外部表面。因此，只需 直接对刀具34进行改动，就可以在凸状部分加工出非圆形的表面。所以，本 发明的目的是提供一种表面成形技术和装置，可以同样有效地用于要求具有非 圆形状的孔和销状物，并且具有在尺寸上变化的轨迹。
显然，按照上述说明，可以对本发明进行大量的修改和变型。因此，必须 指出的是，在权利要求的范围内，本发明可以不按上述说明予以实施。权利要 求书对本发明进行了限定。
权利要求
1.一种磁悬浮高速主轴总成，用于在工件中加工成形具有在尺寸上变化的轴向轨迹的非圆形表面，所述总成包括一个主轴，它限定一个主轴轴线，并带有一个固定在其成形端的刀具；一个第一磁性轴承组，它在靠近所述刀具的位置支承所述主轴，以使主轴围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转；一个第二磁性轴承组，它与所述第一磁性轴承组间隔开，并在远离所述刀具的位置支承所述主轴，以使主轴围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转；一个径向轴承控制器，它独立地控制所述第一和第二磁性轴承组，以调节在所述主轴的磁悬浮旋转过程中所述主轴轴线的径向位置，并使在所述成形端的所述主轴轴线沿预定的非圆形轨道移动；一个轴向运动控制器，它使所述刀具相对于工件沿所述主轴轴线移动，同时改变所述运行轨道的形状，以使具有连续地沿轴向变化的轨迹的非圆形孔在工件中以高速和高精度形成。
2. 根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述第一磁性轴承组包 括至少三个磁性定子，它们布置在一个围绕所述主轴轴线的共同平面内，相 互之间隔着相等的弧线间距。
3. 根据权利要求2所述的总成，其特征在于，包括至少三个第一位置 传感器，它们布置在一个围绕所述主轴轴线的共同平面内，相互之间隔着相 等的弧线间距，并邻近所述第一磁性轴承组的所述至少三个磁性定子。
4. 根据权利要求3所述的总成，其特征在于，所述第二磁性轴承组包 括至少三个磁性定子，它们布置在一个围绕所述主轴轴线的共同平面内，相 互之间隔着相等的弧线间距。
5. 根据权利要求4所述的总成，其特征在于，包括至少三个第二位置 传感器，它们布置在一个围绕所述主轴轴线的共同平面内，相互之间隔着根 等的弧线间距，并邻近所述第二磁性轴承组的所述至少三个磁性定子。
6. 根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述第一磁性轴承组包 括一对对置的X坐标磁性定子和一对对置的Y坐标磁性定子，X坐标磁性 定子在丫坐标磁性定子之间间隔排列，两者并处于同一平面内。
7. 根据权利要求6所述的总成，其特征在于，所述径向轴承控制器包 括一对对置的X坐标位置传感器，它们靠近所述第一磁性轴承组的所述一对对置的X坐标磁性定子，还包括一对对置的Y坐标位置传感器，它们靠 近所述第一磁性轴承组的所述一对对置的Y坐标磁性定子。
8. 根据权利要求7所述的总成，其特征在于，所述第一磁性轴承组包 括一个第一转子，它布置在位于相应的所述X坐标和Y坐标磁性定子之间 的共同平面内的所述主轴的一个第一区域中。
9. 根据权利要求8所述的总成，其特征在于，所述第二磁性轴承组包 括一对对置的X坐标磁性定子和一对对置的Y坐标磁性定子，X坐标磁性 定子在Y坐标磁性定子之间间隔排列，两者并处于同一平面内。
10. 根据权利要求9所述的总成，其特征在于，所述径向轴承控制器包 括一对对置的X坐标位置传感器，它们靠近所述第二磁性轴承组的所述一 对对置的X坐标磁性定子，还包括一对对置的Y坐标位置传感器，它们靠 近所述第二磁性轴承组的所述一对对置的Y坐标磁性定子。
11. 根据权利要求10所述的总成，其特征在于，所述第二磁性轴承组 包括第二转子，它布置在位于相应的所述X坐标和Y坐标磁性定子之间的 共同平面内的所述主轴的一个第二区域中。
12. 根据权利要求9所述的总成，其特征在于，所述径向轴承控制器包 括一个可变电流发生器，用于按非线性的比例增量来改变输送到所述第一轴 承组的所述一对X坐标磁性定子中的每一个的电流。
13. 根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述轴向运动控制器包 括一个工件夹具。
14. 根据权利要求1所述的总成，其特征在于，还包括旋转位置传感 器，用于确定围绕所述主轴轴线的所述刀具的角位置。
15. 根据权利要求14所述的总成，其特征在于，所述刀具围绕所述主 轴轴线完成一个旋转，同时成形端围绕所述轨道运行一圈。
16. 根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述刀具的终端是众多 尖锐的刃口，它们围绕所述主轴轴线布置，相互之间隔着相等的弧线间距。
17. 根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述刀具的终端是一个 尖锐的刃口。
18. 根据权利要求17所述的总成，其特征在于，它还包括一个刃口控 制器，它用于保持所述刃口和所述轨道之间有一个连续的倾角，其中，所述 倾角包括一个最优的切割角，这个切割角由从所述主轴轴线延伸到所述刃口 的半径与在所述轨道上任一点处的切线之间的角确定。
19. 根据权利要求18所述的总成，其特征在于，所述倾角是一个直角。
20. 根据权利要求18所述的总成，其特征在于，所述轨道呈非规则形状。
21. 根据权利要求1所述的总成，其特征在于，它还包括一个外壳。
22. 根据权利要求21所述的总成，其特征在于，它还包括与所述主轴 相连的磁性止推轴承，用于限制所述主轴相对于所述外壳的轴向运动。
23. 根据权利要求21所述的总成，其特征在于，它还包括布置在所述 外壳内的驱动马达，用于强制所述主轴围绕所述主轴轴线旋转。
24. 根据权利要求21所述的总成，其特征在于，所述外壳包括至少两 个辅助轴承。
25. —种磁悬浮高速主轴总成，用于在工件中加工成形非圆形表面，所 述总成包括一个伸长的主轴，它沿主轴轴线在后端和成形端之间延伸； 一个刀具，它沿径向从所述主轴靠近所述成形端的位置向外延伸，终端 是尖锐的刃口；一个第一磁性轴承组，它在靠近所述成形端的位置支承所述主轴，以使 其围绕所述主轴轴线进行磁悬浮旋转；一个第二磁性轴承组，它与所述第一磁性轴承组相间隔开，并在远离所 述成形端的位置支承所述主轴，以使其围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转；一个径向轴承控制器，它独立地控制所述第一和第二磁性轴承组，以在 所述主轴的磁悬浮旋转过程中调节所述主轴轴线的径向位置，并使所述成形 端沿预定的非圆形轨道移动，从而使所述刃口在工件中形成相应形状的非圆 形孔；一个刃口控制器，它用于保持所述刃口和所述轨道之间有一个连续的倾 角，其中，所述倾角包括一个优化的切割角，这个切割角由从所述主轴轴线 延伸到所述刃口的半径与在所述轨道上任一点处的切线之间的角确定，由 此，非圆形孔的成形精度得到提高，所述总成在高旋转速度和主轴稳定性下 运行。
26. 根据权利要求25所述的总成，其特征在于，所述倾角是一个直角。
27. 根据权利要求25所述的总成，其特征在于，所述轨道呈非规则形状。
28. 根据权利要求25所述的总成，其特征在于，所述第一磁性轴承组 包括至少三个磁性定子，它们布置在一个围绕所述主轴轴线的共同平面内， 相互之间隔着相等的弧线间距。
29. 根据^l利要求28所述的总成，其特征在于，它还包括至少三个第 一位置传感器，它们布置在一个围绕所述主轴轴线的共同平面内，相互之间 隔着相等的弧线间距，并邻近所述第一磁性轴承组的所述至少三个磁性定 子。
30. 根据权利要求29所述的总成，其特征在于，所述第二磁性轴承组 包括至少三个磁性定子，它们布置在一个围绕所述主轴轴线的共同平面内， 相互之间隔着相等的弧线间距。
31. 根据权利要求30所述的总成，其特征在于，还包括至少三个第二 位置传感器，它们布置在一个围绕所述主轴轴线的共同平面内，相互之间隔 着相等的弧线间距，并邻近所述第二磁性轴承组的所述至少三个磁性定子。
32. 根据权利要求25所述的总成，其特征在于，所述第一磁性轴承组 包括一对对置的X坐标磁性定子和一对对置的Y坐标磁性定子，X坐标磁 性定子在Y坐标磁性定子之间间隔排列，两者并处于同一平面内。
33. 根据权利要求32所述的总成，其特征在于，所述径向轴承控制器 包括一对对置的X坐标位置传感器，它们靠近所述第一磁性轴承组的所述 一对对置的X坐标磁性定子，还包括一对对置的Y坐标位置传感器，它们 靠近所述第一磁性轴承组的所述一对对置的Y坐标磁性定子。
34. 根据权利要求33所述的总成，其特征在于，所述第一磁性轴承组 包括一个第一转子，它布置在位于相应的所述X坐标和丫坐标磁性定子之 间的共同平面内的所述主轴的一个第一区域中。
35. 根据权利要求34所述的总成，其特征在于，所述第二磁性轴承组 包括一对对置的X坐标磁性定子和一对对置的丫坐标磁性定子，X坐标磁 性定子在Y坐标磁性定子之间间隔排列，两者并处于同一平面内。
36. 根据权利要求35所述的总成，其特征在于，所述径向轴承控制器 包括一对对置的X坐标位置传感器，它们靠近所述第二磁性轴承组的所述 一对对置的X坐标磁性定子，还包括一对对置的Y坐标位置传感器，它们 靠近所述第二磁性轴承组的所述一对对置的Y坐标磁性定子。
37. 根据权利要求36所述的总成，其特征在于，所述第二磁性轴承组 包括第二转子，它布置在位于相应的所述X坐标和Y坐标磁性定子之间的 共同平面内的所述主轴的一个第二区域中。
38. 根据权利要求35所述的总成，其特征在于，所述径向轴承控制器 包括一个可变电流发生器，用于按非线性的比例增量来改变输送到所述第一 轴承组的所述一对X坐标磁性定子中的每一个的电流。
39. 根据权利要求25所述的总成，其特征在于，它还包括旋转位置传 感器，用于确定围绕所述主轴轴线的所述刀具的角位置。
40. 根据权利要求39所述的总成，其特征在于，所述刀具围绕所述主 轴轴线完成一个旋转，同时成形端围绕所述轨道运行一圈。
41. 根据权利要求25所述的总成，其特征在于，它还包括一个轴向运 动控制器，它使所述刀具相对于工件沿所述主轴轴线移动，同时改变所述轨 道的形状，以使具有连续地沿轴向变化的轨迹的非圆形孔在工件中以高速和 高精度形成。
42. 根据权利要求41所述的总成，其特征在于，所述轴向运动控制器 包括一个工件夹具。
43. 根据权利要求25所述的总成，其特征在于，它还包括一个外壳。
44. 根据权利要求43所述的总成，其特征在于，它还包括与所述主轴 相连的一个磁性止推轴承，用于限制所述主轴相对于所述外壳的轴向运动。
45. 根据权利要求43所述的总成，其特征在于，它还包括布置在所述 外壳内的驱动马达，用于强制所述主轴围绕所述主轴轴线旋转。
46. 根据权利要求43所述的总成，其特征在于，所述外壳包括至少两个辅助轴承。
47. —种磁悬浮一个高速主轴的方法，用于在工件中形成一个具有尺寸上发生变化的轴向轨迹的非规则孔，所述方法包括以下步骤将一个径向延伸的刀具固定在具有主轴轴线的主轴的一端； 围绕在主轴上靠近刀具的第一区域建立一个磁悬浮场以使主轴围绕主轴 轴线旋转；围绕在主轴上与第一区域相隔开并远离刀具的第二区域建立一个磁悬浮场；使主轴在第一和第二磁悬浮场之间围绕主轴轴线旋转； 通过改变第一和第二磁悬浮场，来调节主轴旋转过程中主轴轴线在第一和第二区域的径向位置，使刀具沿预定的非圆形轨道运动；通过使刀具相对于工件沿主轴轴线移动，并且同步调节主轴轴线在第一和第二区域的径向位置，在工件中形成非规则的并且轨迹沿轴向变化的一个孔。
48. 根据权利要求47所述的方法，其特征在于，围绕主轴的第一区域 建立一个磁悬浮场的步骤，包括将至少三个磁性定子定位在一个围绕主轴轴 线的共同平面内，相互之间隔着相等的弧线间距。
49. 根据权利要求48所述的方法，其特征在于，围绕主轴的第二区域 建立一个磁悬浮场的步骤，包括将至少三个磁性定子定位在一个围绕主轴轴 线的共同平面内，相互之间隔着相等的弧线间距。
50. 根据权利要求49所述的方法，其特征在于，调节主轴轴线在第一 和第二区域的径向位置的步骤，包括将至少三个第一位置传感器布置在一个 围绕主轴轴线的共同平面内，相互之间隔着相等的弧线间距，并邻近第一区 域的至少三个磁性定子，以及将至少三个第一位置传感器布置在一个围绕主 轴轴线的共同平面内，相互之间隔着相等的弧线间距，并邻近第二区域的至 少三个磁性定子。
51. 根据权利要求47所述的方法，其特征在于，围绕主轴的第一区域 建立一个磁悬浮场的步骤，包括将一对对置的X坐标磁性定子和一对对置 的Y坐标磁性定子定位，并使X坐标磁性定子在Y坐标磁性定子之间间隔 排列，两者并处于同一平面内。
52. 根据权利要求51所述的方法，其特征在于，围绕主轴的第二区域 建立一个磁悬浮场的步骤，包括将一对对置的X坐标磁性定子和一对对置 的Y坐标磁性定子定位，并使X坐标磁性定子在Y坐标磁性定子之间间隔 排列，两者并处于同一平面内。
53. 根据权利要求52所述的方法，其特征在于，还包括按非线性的比 例增量来改变输送到第一轴承组的一对X坐标磁性定子中的每一个的电流 的步骤。
54. 根据权利要求52所述的方法，其特征在于，调节主轴轴线在第一 和第二区域的径向位置的步骤，包括将位置传感器固定在邻近每个所述磁性 定子的位置。
55. 根据权利要求47所述的方法，其特征在于，使刀具相对于工件移 动的步骤，包括移动工件，同时保持主轴在轴向上固定。
56. 根据权利要求47所述的方法，其特征在于，还包括在孔成形的步 骤当中确定刀具围绕主轴轴线的即时角位置的步骤。
57. 根据权利要求56所述的方法，其特征在于，还包括对刀具的角速 度进行定时的步骤，以使刀具围绕主轴轴线完成一个旋转的同时，成形端围 绕轨道运行一圈。
58. 根据权利要求47所述的方法，其特征在于，还包括保持刀具的刃 口与轨道之间的连续倾角的步骤，该倾角包括一个优化的切割角，该切割角 由从主轴轴线延伸到刃口的半径与在轨道上任一点处的切线之间的角确定。
59. 根据权利要求58所述的方法，其特征在于，保持连续倾角的步 骤，包括使倾角保持为一个直角。
60. 根据权利要求58所述的总成，其特征在于，包括使轨道成为非规 则形状的步骤。
61. —种磁悬浮一个高速主轴的方法，用于在工件中形成一个非规则 孔，所述方法包括以下步骤在一个刀具上形成一个刃口 ；将该刀具固定在具有主轴轴线的主轴的一个端部上，使刃口从主轴轴线 径向向夕卜；围绕主轴上靠近刀具的第一区域建立一个磁悬浮场以使主轴围绕主轴轴 线旋转；围绕主轴上与第一区域间隔开并远离刀具的第二区域建立一个磁悬浮场；使主轴在第一和第二磁悬浮场之间围绕主轴轴线旋转； 通过改变第一和第二磁悬浮场，来调节主轴旋转过程中主轴轴线在第一和第二区域的径向位置，使刃口沿预定的非圆形轨道运动，从而在工件中形成非圆形孔，在刃口和轨道之间保持一个连续的倾角，该倾角包括一个优化的切割 角，该切割角由从主轴轴线延伸到刃口的半径与在轨道上任一点处的切线之 间的角确定，由此，非圆形孔以高精度成形且主轴在高旋转速度和稳定性下 运行。
62. 根据权利要求61所述的方法，其特征在于，保持连续倾角的步 骤，包括使倾角保持为一个直角。
63. 根据权利要求61所述的总成，其特征在于，它还包括使轨道成为 非规则形状的步骤。
64. 根据权利要求61所述的方法，其特征在于，它还包括在孔成形的 步骤当中确定刀具围绕主轴轴线的即时角位置的步骤。
65. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于，还包括对刀具的角速 度进行定时的步骤，以使刀具围绕主轴轴线完成一个旋转的同时，成形端围 绕轨道运行一圈。
66. 根据权利要求61所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤通 过使刀具相对于工件沿主轴轴线移动，并且同步通过调节主轴轴线在第一和 第二区域的径向位置，在工件中形成非规则的并且轨迹沿轴向变化的孔。
67. 根据权利要求66所述的方法，其特征在于，使刀具相对于工件移 动的步骤，包括移动工件，同时保持主轴在轴向上固定。
68. 根据权利要求61所述的方法，其特征在于，围绕主轴的第一区域 建立一个磁悬浮场的步骤，包括将至少三个磁性定子定位在一个围绕主轴轴 线的共同平面内，相互之间隔着相等的弧线间距。
69. 根据权利要求68所述的方法，其特征在于，围绕主轴的第二区域建立一个磁悬浮场的步骤，包括将至少三个磁性定子定位在一个围绕主轴轴 线的共同平面内，相互之间隔着相等的弧线间距。
70. 根据权利要求69所述的方法，其特征在于，调节主轴轴线在第一 和第二区域的径向位置的步骤，包括将至少三个第一位置传感器布置在一个 围绕主轴轴线的共同平面内，相互之间隔着相等的弧线间距，并邻近第一区 域的至少三个磁性定子，以及将至少三个第一位置传感器布置在一个围绕主 轴轴线的共同平面内，相互之间隔着相等的弧线间距，并邻近第二区域的至 少三个磁性定子。
71. 根据权利要求61所述的方法，其特征在于，所述围绕主轴的第一 区域建立一个磁悬浮场的步骤，包括将一对对置的X坐标磁性定子和一对 对置的Y坐标磁性定子定位，并使X坐标磁性定子在Y坐标磁性定子之间 间隔排列，两者并处于同一平面内。
72. 根据权利要求71所述的方法，其特征在于，围绕主轴的第二区域 建立一个磁悬浮场的步骤，包括将一对对置的X坐标磁性定子和一对对置 的Y坐标磁性定子定位，并使X坐标磁性定子在Y坐标磁性定子之间间隔 排列，两者并处于同一平面内。
73. 根据权利要求72所述的方法，其特征在于，还包括按非线性的比 例增量来改变输送到第一轴承组的一对X坐标磁定子中的每一个的电流的 步骤。
74. 根据权利要求72所述的方法，其特征在于，调节主轴轴线在第一 和第二区域的径向位置的步骤，包括将位置传感器固定在邻近每个所述磁性 定子的位置。
全文摘要
本发明提供了一种磁悬浮高速主轴总成(20)，用于在工件(24)中加工成形非圆形孔(22)或在销钉上形成非圆形表面。该非圆形孔(22)可以在高速和高精确性下形成具有在尺寸上变化的轴向轨迹。这可通过在第一磁性轴承组(58)和第二磁性轴承组(60)之间支承一个旋转主轴(26)并独立地控制所述轴承组(58，60)使位于主轴(26)端部的刀具(32)沿预定轨道(B)移动而实现。采用多次输入-多次输出的控制方法控制主轴(26)在X和Y轴上移动。在刀具(32)的刃口(34)和轨道(B)之间的倾角在磁性轴承组(58，60)的这种多次输入一多次输出控制下保持垂直以进一步改善加工成形的精确性和主轴(26)在高速运转时的稳定性。
文档编号B23Q1/48GK101341002SQ200580013114
公开日2009年1月7日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月26日
发明者威廉·J·兹德布利克, 肯尼思·R·比朔夫 申请人:费德罗-莫格尔公司