CN101277785A

CN101277785A - 用于机床的磁性心轴

Info

Publication number: CN101277785A
Application number: CNA2006800363992A
Authority: CN
Inventors: W·D·麦格拉森
Original assignee: Gleason Works
Current assignee: Gleason Works
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2008-10-01
Also published as: EP1948389A1; US8795028B2; ATE485127T1; DE602006017723D1; JP2009509791A; WO2007040585A1; EP1948389B1; US20060073766A1

Abstract

一种用于机床的心轴包括外心轴部分(4)和内心轴部分(6)，该外心轴部分和该内心轴部分可各自围绕同一轴线相对于彼此转动。该外心轴部分和该内心轴部分各包括多个磁体(8、10)，它们以相对的方式相对于彼此布置，由此，心轴一部分的转动会因磁体之间吸力而引起所述心轴另一部分的转动。

Description

用于机床的磁性心轴

本申请要求对2005年10月4日提交的美国专利申请No.11/243,264的优先权，在此以参见的方式引入其全文。

技术领域

本发明涉及机床，具体来说，涉及用于诸如测试、研磨或磨削齿轮的机床的心轴。

背景技术

研磨是对锥齿轮齿面进行精加工的一种众所周知的加工过程。这种过程对锥齿轮其它硬精加工提供了经济性好的替代方案，其已经用于除了某些航空器应用之外的所有领域。

在研磨过程中，通过合适的工件夹紧设备，小齿轮和环形齿轮安装到研磨机中的对应心轴上，研磨机具有与测试机相同的基本设计。心轴可以是直接驱动型，其可通过马达、齿轮系或技术人员熟知的皮带和皮带轮系统进行驱动。在齿轮组滚动的大部分情形中，小齿轮是驱动构件，且环形齿轮是制动的。齿轮以滚动方式进行啮合，研磨复合物注入到啮合区域内，所述研磨复合物可以是油(或水)和碳化硅或类似磨料的混合物。研磨机和/或测试机的实例可见以下的美国专利：授予Hunkeler的3,099,901；授予Rebeski的3,142,940；授予ElIwanger等人的3,717,958和3,807,094；授予Gnadt等人的5,609,058；以及授予Stadtfeld等人的6,120,355。

大部分研磨和测试机床具有三个自由度，其用来实现环形齿轮和小齿轮之间的相对运动。第一自由度是沿环形齿轮轴线方向(其称之为方向G或G轴线)的相对运动，第二自由度是沿小齿轮轴线方向(其称之为方向H或H轴线)的相对运动，第三自由度是环形齿轮轴线和小齿轮轴线之间的距离(其称之为方向V或V轴线)。方向V也称之为“准双曲面偏移”。

在研磨或测试过程中，V和H方向的相对运动实现齿轮组构件的接触型式中的位置变化，事实上修改接触型式。研磨包括啮合中和在齿面上要求位置处发生接触的载荷下转动齿轮构件。因此，构件位于特别的V和H位置以及特别的G轴线位置，以实现理想的齿间隙。当齿轮组研磨时，通过改变V和H设定，其为实现接触位置偏移所必须的设定，接触朝向齿面的外(足跟)或内(足趾)部分之一偏移。当V和H改变而实现偏移时，G轴线位置也必须改变以保持理想的齿间隙。

研磨操作可在约为1000RPM至4000RPM范围之内的小齿轮心轴速度下进行。在较高速度下(例如2500-4000RPM)，会放大心轴结构的缺陷、驱动系的结构、齿轮组传动误差或运转状态(尽管很小)，从而在驱动力矩中产生不理想的周期性变化，这可达到幅值的水平，这样，由研磨过程难于控制最后产品中轮齿接触面型式。

授予ElIwanger等人的美国专利No.3,807,094表述了一个解决上述问题的方案。其中，研磨机包括安装在与制动装置相关联的心轴(通常是齿轮构件所安装的那个从动心轴)上的一对安装块之间的弹性体联接件。弹性体联接件扭转，因此允许一个安装块可相对于另一安装块转动，由此，隔绝和吸收由于制动心轴或如上讨论的其它缺陷引起的转动力矩中的任何失常。

以上讨论的弹性体联接件显现出阻尼和弹簧特征的固定组合，它们不一定要和心轴和齿轮惯性很好地匹配。因此，在通过控制总系统在惯性、阻尼和弹簧系数方面的动态特性来最好地隔绝和吸收不理想的效应时，弹性体联接件可稍微缓解该问题。

欧洲专利申请No.0061086揭示了由弹性元件支承的心轴插入件，该弹性元件调整由安装在机器心轴上的齿轮构件的啮合作用造成的振动，因为心轴插入件的质量惯性矩很低。该揭示的系统是仅对机器上啮合齿轮的振动起作用的无源系统。

授予McGlasson等人的美国专利No.6,481,508介绍了机床心轴，其包括后心轴部分和前心轴部分，一个或多个弹簧元件延伸在后心轴部分和前心轴部分之间。后心轴部分和前心轴部分的相对转动位置在机器操作中受到控制，以实现弹簧元件预定的偏移，由此，导致弹簧元件预定地上紧并在啮合的齿轮组构件之间形成理想的和可控制的转矩量，该齿轮组包括安装在第一心轴上的第一齿轮组构件和安装在第二心轴上的第二齿轮组构件。

在测试或研磨过程中，已知机床使用齿轮心轴上的机械制动器或齿轮心轴马达上的电子转矩控制器来控制施加在齿轮组诸齿之间的载荷。然而，这些方法未能很好地控制发生的动态载荷振动，该振动取决于齿轮或小齿轮的转动以及齿对齿的滚动过渡。

发明内容

本发明涉及一种用于机床的心轴，该心轴包括后心轴部分和前心轴部分，后心轴部分和前心轴部分可各自围绕同一轴线相对于彼此转动。后心轴部分和前心轴部分各包括多个磁体，它们互相以相对的方式布置，由此，心轴一部分的转动会因磁体之间吸力而引起心轴另一部分的转动。

附图说明

图1是端视图，示出内和外心轴构件与其对应磁体的关系。

图2示意地示出本发明心轴的轴向截面图，显示内和外心轴构件与其对应的磁体。

具体实施方式

现将参照附图来描述本发明的详细内容。

本发明的心轴2包括两个转动构件，一个后部或外部构件4和一个前部或内部构件6，每个构件都可围绕如图1所示的同一轴线A转动。附连在每个心轴构件上的是多个(N个)永久磁体8、10，N个磁体在每个心轴构件上都相同。因此，磁体间距P变为360/N度。小的气隙将磁体间隔开。当内和外磁体的磁极对准时，两个转动构件之间的转矩为零，而当一个柱体相对于另一柱体转动(上紧)时，就形成回复转矩，该回复转矩为该种转动的函数。

图2示出包含在机床心轴中转动构件，这样，工具或工件和工件夹具(未示出)安装到支承在转动轴承12上的前部心轴构件6上，而心轴马达驱动皮带轮14安装到支承在转动轴承16上的后部心轴构件4上。应该理解到，术语“后部”和“前部”是相对性的术语，其被选择来描述心轴2诸部件的相对位置关系，并不表示心轴2任何特定的定向。心轴2可以定向在任何位置，不局限于图2所示的一般水平定向上。心轴2还包括外部固定外壳20、内部元件22和球套24，它们允许前部心轴构件6作轴向运动，这将在下面进一步描述。

心轴马达施加到工具或工件上的转矩因此通过磁体进行传递，且转矩导致一个心轴构件相对于另一个构件发生转动位移或上紧。对于机床加工正常范围内的转矩来说，这种上紧量小于+/-P/2度(磁体磁极间距之一半)。然而，在故障的情况下，转矩会变得越来越大足以造成心轴“嵌住”一个或多个磁极，通过马达与前部心轴解除偶联并限制力的发展来保护机床。

作为马达和皮带14传动或传动装置的另一种替换形式，后部心轴构件4可以是计算机数字控制(CNC)系统中的直接驱动马达(未示出)的一个元件，而待测试或研磨的齿轮被夹紧在工件夹紧设备(未示出)内，夹紧设备用螺栓固定至前部心轴构件6。迄今为止还被参考的美国专利Nos.6,120,355或6,481,508图示和描述了这样一种机床的实例，在此以参见的方式引入其全文。

以上讨论旨在通过控制施加到心轴、通常是齿轮构件(具有多个齿的构件)心轴上的转矩，来提供齿轮组构件之间的转矩。该施加的转矩可取自于机械制动器、液压马达、电机控制或其它的装置。本方法的目的是保持一要求的转矩，而不管例如小齿轮构件心轴作用在齿轮构件心轴(通过齿轮啮合)的位置和速度如何。

尽管本发明心轴可在如上讨论的已知转矩控制装置下操作，但它也可在这样的控制方法下操作，该方法的目的是控制其中一个机床心轴例如齿轮构件心轴的位置，而不是转矩施加的位置。在该方法中，借助于诸如CNC控制的装置来控制齿轮构件心轴位置相对于小齿轮构件心轴的位置。一种选项是操作一个心轴为随动于另一心轴，例如，由电动齿轮箱(EGB)来完成。另一种选项是独立地控制两个心轴，但以命令协调方式进行。

在位置控制的方法中，根据机器中需被转动的零件上齿数比，与小齿轮心轴的转动保持定时的关系锁定后部心轴4的转动。因此，其目的是控制后部心轴4的位置而不是施加到后部心轴的转矩。当小齿轮构件以某速度转动时，齿轮构件通过CNC控制保持与小齿轮协调(根据其齿数比)。该位置关系可以称之为“协调位置”。此外，齿轮构件心轴可在命令之下包括附加的转动分量，事实上，该分量可推动或减慢齿轮相对于小齿轮的转动。这些附加的转动分量可以称之为“上紧命令”。

使用磁性元件来控制转矩的优点在于，与任何真正齿轮组相关的传动误差在每个心轴构件上的相反磁体的相对位置中造成很小的变化。由于这些偏差被心轴构件的运动和任何其它顺从元件(例如，阻尼器)所吸收，因此，与非顺从的心轴相比，传动误差对特定的过程(例如，研磨或测试)产生远小得多的影响。由此可见，磁体和心轴元件的物理动态特性可有利地用于研磨或测试过程中。磁性元件8、10提供与转动位移相反的力并是该位移的函数。通过允许齿轮组的传动误差动态地偏转磁体，转矩不严格恒定地保持在额定值上，但在磁体的情形中，随着较大的偏转而增加，且随着减小的偏转而减小。通过在高点使用比低点大的力来研磨高点，该种效应就可用来改进齿轮组传动误差(例如，齿轮偏心和小齿轮偏心)。

合适地选择磁体、阻尼器(如果有的话)和前部心轴惯性可以对传动误差提供理想的响应。从对齿轮提供传动误差的小齿轮的立体图中可看到，根据众所周知的对二次系统的动态分析，齿轮主要地可像一惯性体，像一弹簧，像一阻尼器，或上述任何的组合或全部的组合那样作用。而且，作用的类型是传动误差的频率量的函数。

在这样一个二次系统中，如果激励频率(赋于的传动误差)足够高，则前部心轴和齿轮将像一惯性体作用。如果频率足够低，则它将像弹簧那样作用。如何和究竟在什么频率上从低频的弹簧状作用过渡到高频惯性体状作用，则受弹簧、阻尼器和惯性值选择的支配。

在研磨过程中一般应避免对定期传动误差的惯性响应，因为对于赋予的传动误差，力异相地为180度。磁体的弹簧状响应一般来说是好的，因为力与激励直接地同相。换句话说，如果响应是惯性的，则高点用较小的力研磨，而低点用较大的力研磨。这意味着高点没有被研磨掉，但实际上可以磨得更加明显点。另一方面，如果响应如弹簧那样，则高点用较大的力研磨，而低点用较小的力研磨，这样，研磨可减小传动误差的大小。

齿轮组运动诱发的力的变化被叠加在所要求的平均力水平上。然后，通过控制顺从元件的位移，即，发生在后心轴构件4和前心轴构件6之间的磁体的位移，控制机器上诸齿轮构件之间的平均力。除了协同或从属于小齿轮心轴位置来控制后心轴构件4的位置之外，还可以实现后心轴构件4的附加运动，同时，诸零件啮合而控制前心轴构件6相对于后心轴构件4的相对位移、速度和加速度。由于知道了特定磁体和任何阻尼元件的的动态响应，所以，可以确定产生齿轮组构件之间要求力的位移轨迹。

本发明的心轴也可允许其两个构件4、6之间发生轴向位移。在许多机床应用中，工件或工具心轴具有带轴向自由度或顺从性的操作模式是有利的。这通常与机械弹簧16和/或活塞18力组合的小的轴向自由度(图2)可允许某些类型的刺探操作。工件可与其配合物轻轻地接触，或工具可与工件轻轻地接触。传感器或线性变换器通常监视该轴向的顺从性运动。在锥齿轮和圆柱齿轮研磨和滚动测试机中，齿轮组构件常一起滚动且使轮齿实现双齿腹接触而达到一种类型的齿轮质量测试。在此情形中，轴向顺从的心轴根据齿轮组的滚动偏差被允许内外浮动，同时，轻微的轴向弹簧或活塞力将齿轮构件保持在一起。

还应该指出的是，所要求的轴向力可由磁体8、10足够地提供，这样，前心轴构件6的任何轴向位移可与推动磁体返回到轴向对准的磁体之间的固有力相对，所述轴向位移可使磁体8、10的相对轴向对准发生位移。在此情形中，为提供必要的力来允许前心轴构件6的浮动，并不一定需要弹簧16和/或活塞18。

为了以最大的响应性和最轻巧的力来实现这些刺探操作，则目的就要在其轴向顺从性运动中所包括的质量和摩擦力最小。因此，通过内部构件22和球套24将轴向运动只限制在前心轴构件6上，可在本磁性心轴中得以实现，其允许在两个构件4、6之间不只是发生转动位移而且还发生轴向顺从性位移。这使得后心轴4、心轴马达(未示出)和皮带14或齿轮系统可沿轴向保持不动，这简化了心轴和其驱动系统的设计。前心轴构件6的轴向运动不局限于球套24，也可用任何数量的已知装置来支承，以导向和支承线性运动，其包括辊套等。

在前心轴构件6不需要轴向运动的情形中，一个或多个活塞18可延伸出以强制内部元件22的邻接表面与外心轴固定部分20的互补的邻接表面接合，如此的互补表面例如图示在附图标记26。

尽管本发明已经对于研磨机进行了讨论和说明，但本发明的心轴和控制过程也可被包括在用于圆柱齿轮、锥齿轮和准双曲面齿轮的测试机中，以及被包括在诸如磨床、剃齿机或珩磨机之类的其它类型的精加工机床中。在测试机中，成对构件中一个构件(通常是齿轮构件)的齿面被涂以标记的化合物，然后，该对构件在轻的载荷下一起转动。标记化合物将从接触到匹配小齿轮构件齿面的齿轮齿面区域中除去，这导致在齿轮的齿面上显现出接触图形或“足迹”。然后可对接触图形的位置和长度进行评价。

尽管本发明已经参照优选实施例进行了描述，但应该理解到，本发明不局限于其特定的细节。本技术领域内的技术人员会明白到与本发明主题相关的各种修改，本发明意图包括这些不脱离附后权利要求书的精神和范围的所有修改。

Claims

1.一种用于机床的心轴，所述心轴可围绕转动轴线转动，所述心轴包括：

外心轴部分；

内心轴部分，所述外心轴部分和所述内心轴部分可各自围绕所述轴线相对于彼此转动；

多个第一磁体和多个第二磁体，所述多个第一磁体围绕所述外心轴部分的内表面成环形布置，所述多个第二磁体围绕所述内心轴部分的外表面成环形布置，所述多个第一磁体和所述多个第二磁体数量相同，

所述多个第一磁体和所述多个第二磁体彼此面对。

2.一种用于机床的心轴，所述心轴可围绕转动轴线转动，所述心轴包括：

外心轴部分；

多个第一磁体和多个第二磁体，所述多个第一磁体围绕所述外心轴部分的内表面成环形布置，所述多个第二磁体围绕所述内心轴部分的外表面成环形布置，所述多个第一磁体和所述多个第二磁体数量相同，由此，所述心轴一部分的转动会因所述磁体之间吸力而引起所述心轴另一部分的转动，

所述多个第一磁体和所述多个第二磁体彼此面对，并在没有转矩施加到所述外或内心轴部分上的情况下，它们彼此一对一地对准，

由此，所述外心轴部分或所述内心轴部分之一的转动位移导致所述多个磁体的相对运动脱离一对一的对准，由此，形成相对的磁力，并实现所述外心轴部分和所述内心轴部分之间的转矩。

3.如权利要求1所述的心轴，其特征在于，还包括固定的外壳。

4.如权利要求1所述的心轴，其特征在于，所述内心轴部分上的所述多个第二磁体径向地与所述外心轴部分上的所述多个第一磁体间隔开，由此，所述内心轴部分沿着所述转动轴线相对于所述外心轴部分可移动。

5.如权利要求4所述的心轴，其特征在于，所述内心轴部分通过可轴向地在限定的停止位置之间移动的内部元件而可轴向地移动预定量。

6.如权利要求5所述的心轴，其特征在于，所述限定的停止位置定位在径向地布置在所述内元件外面的固定外壳的一个或多个内表面上。

7.如权利要求6所述的心轴，其特征在于，至少一个所述内表面包括用于移动所述内元件和内心轴部分的弹簧和/或活塞。

8.如权利要求6所述的心轴，其特征在于，所述内心轴部分和所述内元件通过导向和支承装置可相对于所述固定的外心轴部分移动。

9.如权利要求8所述的心轴，其特征在于，所述导向和支承装置包括球套和/或辊套。

10.一种用于测试和研磨齿轮的计算机控制的机床，所述机床包括可围绕第一轴线转动的第一心轴，以及可围绕第二轴线转动的第二心轴，所述机床还包括：

所述第一心轴和所述第二心轴中的至少一个，其包括，

外心轴部分；

11.一种在测试或研磨齿轮的计算机控制的机床上进行研磨或测试操作中提供齿轮组诸构件之间转矩的方法，所述机床包括可围绕第一轴线转动的第一心轴以及可围绕第二轴线转动的第二心轴，所述方法包括：

对所述第一心轴和所述第二心轴中的至少一个心轴提供：外心轴部分和内心轴部分，使所述外心轴部分和所述内心轴部分可各自围绕所述轴线相对于彼此转动；多个第一磁体和多个第二磁体，所述多个第一磁体围绕所述外心轴部分的内表面成环形布置，所述多个第二磁体围绕所述内心轴部分的外表面成环形布置，所述多个第一磁体和所述多个第二磁体数量相同，所述多个第一磁体和所述多个第二磁体彼此面对，并在没有转矩施加到所述外或内心轴部分上的情况下，它们彼此一对一地对准，

将齿轮构件定位在所述第一和第二心轴中的一个上，并将小齿轮构件定位在所述第一和第二齿轮构件中的另一个上，

使所述齿轮和小齿轮构件啮合，并根据它们对应的齿数之比，转动所述齿轮和小齿轮构件，

调整所述齿轮或小齿轮之一的转动位移，由此，在对准的所述多个第一和第二磁体中发生位移，所述位移形成相对的磁力，并在所述外和内心轴部分之间以及由此在所述齿轮和小齿轮构件之间产生转矩量。