CN1296176C - 在工具夹持设备中用于沿轴向移动一可旋转主轴的装置 - Google Patents

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Abstract

一种在工具夹持设备中用于沿轴向移动一可旋转主轴(1)的装置，该主轴(1)在第一端(4)承载用于在上述主轴旋转过程中进行加工的装置，该装置包括一用于上述旋转的电机(3)，及至少一个轴承(5，6)，该轴承(5，6)径向支承该主轴(1)并允许该主轴(1)沿轴向移动。根据本发明，该主轴(1)具有一自由第二端(7)，电磁装置用来作用于上述第二端，并克服沿相反轴向作用于上述第二端的压力的影响，将上述主轴沿轴向从第一端(4)拉到第二端(7)，设置装置(15)用来控制上述电磁装置，从而在该主轴旋转过程中实现该主轴(1)的上述轴向运动。

Description

在工具夹持设备中用于沿轴向移动 一可旋转主轴的装置
技术领域
本发明涉及一种在工具夹持设备中用于沿轴向移动一可旋转主轴的装置，该主轴在其第一端承载用于在上述主轴旋转过程中进行加工的装置，该装置包括一驱动装置，如一用于上述旋转的电机，及至少一个轴承，该轴承径向支承该主轴并允许该主轴沿轴向移动。
背景技术
在研磨孔的机器中，为了质量的缘故有利的是，砂轮在旋转加工过程中还能够沿轴向前后移动。与非摆动主轴相比，其质量，即表面光洁度及孔的直线度都得到了提高。砂轮的磨损也更均匀，而需要的修理也少了。
在这种常规机器中结构是这样的，整个主轴箱必须与心轴和砂轮一起沿轴向移动，从而沿轴向移动旋转主轴。由于此目的须很快完成且轴向位移很短，这些常规机器不能令人满意。主轴箱、心轴以及砂轮都必须快速移动，这就要求轴承结构刚度很大且无间隙，还需要大功率的驱动电机。主轴箱和驱动机构的磨损严重，这意味着需要很多维修工作。
在当今的制造工艺中生产速度很高，旋转速度经常高于100000转/分，这意味着在常规机器中，可旋转主轴不能以令人满意的高速度，即生产的高速度轴向移动或摆动，而为了使所完成工件获得高质量，轴向移动的高速度是必须的。
常规机器中必须移动的大质量在50-100千克范围，该质量导致振动并限制了摆动速度从而也限制了生产速度。
很长时间以来，对于上述问题的满意的解决方案就有很强的商业需求。上面结合砂轮对该问题进行了描述。但在其它带有可旋转主轴的机器中也存在同样问题，该主轴支承用于在该主轴旋转过程中完成加工的装置。一个这种例子是如用于制造电路板的钻床，该钻床将完成非常小而快速的轴向运动。
在德国专利公开DE3123199A1中，示出了一种用于轴向摆动一旋转主轴的结构，在该主轴上设置了一加工工具，如一砂轮。这种摆动是借助于两个弹簧而实现的，该两弹簧设置在位于该主轴上的一圆盘的相对侧，该两弹簧相互作用并被带入与该主轴沿轴向摆动的共振中。基于上述德国公开的装置有几个缺点。带入振动的质量非常大，如上所述，这是一严重的问题。另一个大的缺点是，摆动的速度被限制在弹簧系统的共振频率。
日本专利公开1-240266中描述了另一种解决方案。在该结构中可旋转主轴上设置了一个径向延伸的转子，在上述转子的每一侧设置了一个电磁体。通过控制每个电磁体中的电流强度并从而控制转子上的磁力，该主轴被轴向摆动。这种结构的一个缺点是，设置在主轴上的转子非常重，使旋转轴更重，这就限制了主轴的旋转速度。另一个缺点是，带有两个电磁体的结构非常昂贵。根据上述日本公开的该结构的另一个严重缺点是，电磁体和转子需要许多空间。
通过本发明获得一种装置，其中所有上述问题都被解决。
发明内容
根据本发明，提供一种在工具夹持设备中用于沿轴向移动一可旋转主轴的装置，该主轴在第一端承载用于在上述主轴旋转过程中进行加工的工具，包括一驱动装置，及至少一个轴承，该轴承径向支承该主轴并允许该主轴沿轴向移动，其特征在于，该主轴具有一自由的第二端，设置电磁装置以作用于上述第二端，该电磁装置克服沿作用在上述第二端的压力的影响而使上述主轴从第一端拉到第二端，及设置控制装置以控制上述电磁装置，从而在该主轴旋转过程中实现该主轴的上述轴向运动。
在根据本发明的装置中，只有可旋转主轴在轴向被移动或摆动。在根据本发明的装置中移动(摆动)的小的质量提高了高的加速度和最佳运动方式的可能性。
因此主轴的轴向运动并不局限于正弦形式。
附图说明
下面将参照附图中所示例子对本发明进行详细描述。
图1表示本发明第一实施例的示意性剖视图。
图2表示第二实施例的示意性剖视图。
图3是一示意图，用于表示一接触轴承(landing bearing)的一个例子的原理，该轴承用于承受在主轴轴向的力。
具体实施方式
文中公开了本发明的实施例，在一静止机械单元2，如一磨床的主轴箱中向一可旋转主轴1的提供轴向运动和高精度定位。设置一电机3向该可旋转主轴提供电能以在旋转过程中完成加工。
主轴1设计成在主轴的一第一端4承载一工具，如一砂轮(未示出)。该主轴1由两个轴承支承，一个滚动轴承5，如以商标CARB销售的滚动轴承，和一气润滑轴承6。这些轴承设置成可在轴向方向移动，如以轴向轴承游隙移动。
轴承5和6可以是具有密封功能并允许轴向移动的流体静力轴承或流体动力轴承。轴承6是非磁性的或环绕主轴包含一定厚度的非磁性材料，以减小由磁场产生的作用在主轴上的径向力。
主轴具有一第二端部7。一轴颈8设置成使其自由端靠近主轴1的第二端7，一磁性线圈9环绕上述轴颈设置，用于在上述轴颈的轴向产生一磁场。该磁场在附图中以B表示。轴颈8，磁性线圈9以及主轴1环绕该第二端7的一端部都封闭在一外壳10中，该外壳10设置成在封闭回路中对由线圈9产生的磁场进行导向，该封闭回路包括上述端部，上述轴颈8和位于主轴第二端与轴颈自由端之间的间隙11。磁场以一与轴颈8的自由端相反方向的力作用在主轴的上述端部。
外壳10环绕一空间12，该空间12包括位于主轴第二端7与轴颈自由端之间的间隙11。从气润滑轴承6漏出来的气体进入密封的上述空间12中，这样在上述空间中产生一过压。上述过压的强度由一阀(未示出)调节。
主轴通过磁场克服作用在主轴第二端7上的过压的效应而沿轴向从第一端拉到第二端。
在图1所示实施例中一位置检测装置13设置在穿过轴颈8的孔14中。该位置检测装置设置用来检测主轴1的轴向位置并向一控制装置15发出一相应的信号。
控制装置15设置用来响应来自该位置检测装置的信号对电磁线圈9中的电流进行控制，从而控制主轴1的运动。
该控制装置设计用来控制磁性线圈9中的电流强度，以一最佳方式移动或摆动主轴1和砂轮，从而以高质量进行磨削，该高质量涉及表面粗糙度、孔直线度、均匀磨损以及砂轮修整之间的较长间隔。
如上所述，上述过压调节阀还用作一安全装置，当磁场由于失效而消失时该调节阀打开从而消除过压。优选地，上述安全装置是一由上述控制装置15控制的磁阀。
根据本发明的装置的较大优点是，用于在主轴的轴向移动/摆动砂轮而必须移动的质量极小。只有主轴1和砂轮被移动。这种很小的可移动质量使得能够对控制装置进行设计以导引主轴完成最佳方式的运动。这种运动并不局限于正弦形式，且能够沿主轴的轴向使主轴1和砂轮产生一高的加速度。
当上述端部之间的距离减小时，主轴1的第二端7与轴颈8的自由端之间的磁力将增大。根据一优选实施例，在主轴自由端的端部表面和/或轴颈自由端的端部表面设置一接触轴承。在图1所示实施例中，该接触轴承包括一涂在轴颈自由端的端部表面上的一石墨夹层或涂层16，用于在磁力控制失灵情况下防止该主轴的第二端与轴颈的自由端直接接触。上述石墨必须具有一定的厚度或者必须涂在一由非磁性材料制成的夹层或垫片上，使组合的厚度足够大。加工旋转过程中上述端部之间直接接触或上述端部之间距离太短将导致在调节系统失效情况下心轴损坏。该石墨夹层用作耐磨表面，并能够设置成与其它非磁性材料相结合，从而对磁力进行限制。有了该石墨夹层以及可能的与另一非磁性材料夹层或垫片的组合，上述两端部可至少在一短时间内接触，而没有心轴被损坏的危险。
该接触轴承可以不是石墨夹层或涂层，而是由石墨制成的垫片。其它适合于夹层、涂层或垫片的材料是具有低摩擦力的非磁性材料，如人造金刚石。非磁性材料的其它例子是一空气夹层或由陶瓷球形成的夹层。
在根据图2的实施例中，一气润滑轴承17设置在主轴1的第二端与轴颈8之间。该气润滑轴承设置用来作用于主轴的第二端，一活塞18用来借助于该气润滑轴承将力从弹簧19传递到主轴。该实施例适用于需要高的轴向力的情况，如当本发明用于钻床中时。在根据图2的实施例中，靠近第二端的径向轴承是一滚柱轴承20。
如果使用一个气动活塞机构(未示出)，就可以不用借助于图2所示的弹簧而传递高的轴向力。
在根据图2的实施例中，如果产生磁场B的电磁装置失效或停止工作，也一定能够快速减小轴向力。如果与由上述磁场产生的力相反作用的轴向力是由图2中所示弹簧产生的，那么弹簧的动作可以通过一磁力装置来控制，该磁力装置在上述电磁装置失效或停止工作时将该弹簧带到一不工作位置。
如果使用一气动活塞而不是一弹簧，可设置一磁力阀，用于在电磁装置失效或停止工作时减小气体压力。
位于主轴自由的第二端的端部表面和/或位于轴颈自由端的端部表面上的接触轴承不必如上所述那样是一涂层或一垫片。接触轴承其它适合的例子有气润滑轴承、空气静力轴承或空气动力轴承。
例如空气动力轴承可以如图3所示通过在主轴1第二端部7的端部表面上设置螺旋槽21而获得。这样当主轴1旋转时可在该端部表面外部获得空气压力。
空气动力轴承，例如图3所示螺旋槽形式的，还可以用于产生作用在该主轴第二自由端7上的压力。
该槽当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。
当整个心轴装置向一工件移动、例如用于对工件上的一孔进行磨削时，如果具有高速的主轴对该孔错位并撞在该工件的端部表面上，常规装置中的心轴将被损坏。在一优选实施例装置中，如图1所示实施例中的检测装置13，设置成当心轴装置向一工件移动过程中该主轴的实际轴向位置与一参考位置不同时进行检测，与参考位置的这种偏移表明已经有不期望的力作用在该主轴上。由于本发明装置中的主轴可以相对于心轴轴向移动一距离，这样就有时间将信号从该检测装置传送到控制装置，从而当心轴在刚性条件下撞向该工件之前，即该主轴的自由端直接靠在可能在其间带有一接触轴承的轴颈的自由端上之前，停止该轴的运动。
本发明并不局限于上述实施例，而是能够在下面权利要求的范围内进行多种改变。

Claims (18)

1.一种在工具夹持设备中用于沿轴向移动一可旋转主轴(1)的装置，该主轴(1)在第一端(4)承载用于在上述主轴旋转过程中进行加工的工具，包括一驱动装置(3)，及至少一个轴承(5，6，20)，该轴承(5，6，20)径向支承该主轴(1)并允许该主轴(1)沿轴向移动，其特征在于，该主轴(1)具有一自由的第二端(7)，设置电磁装置以作用于上述第二端，该电磁装置克服沿作用在上述第二端(7)的压力的影响而使上述主轴从第一端(4)拉到第二端(7)，及设置控制装置(15)以控制上述电磁装置，从而在该主轴旋转过程中实现该主轴(1)的上述轴向运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上述电磁装置包括一轴颈(8)，该轴颈(8)设置成使其自由端靠近主轴(1)的第二端(7)，环绕上述轴颈(8)设置一磁性线圈(9)，用于在上述轴颈(8)的轴向产生一磁场(B)，上述轴颈(8)，磁性线圈(9)以及主轴(1)环绕该第二端(7)的一端部都封闭在一外壳(10)中，该外壳(10)设置用来在封闭回路中对上述磁场(B)进行导向，该封闭回路包括上述端部，上述轴颈(8)，及一位于主轴(1)第二端与轴颈(8)自由端之间的间隙(11)，从而该磁场以一与轴颈(8)的自由端相反方向的力作用在主轴(1)的上述端部。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，上述外壳(10)环绕一空间(12)，该空间(12)包括位于主轴(1)的第二端(7)与轴颈(8)的自由端之间的上述间隙(11)，设置轴承(6)用来在上述空间(12)中产生上述作用在主轴(1)第二端(7)上的压力。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，设置一轴承(6)用来支承可旋转主轴(1)的上述端部，上述轴承包括环绕上述主轴(1)的具有一定厚度的非磁性材料，以限制可旋转主轴(1)的上述端部上的径向磁力。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，上述位于主轴(1)端部的轴承(6)是一气润滑轴承，上述压力是通过使用从上述气润滑轴承中漏出的气体获得的。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，为安全起见，在可旋转主轴(1)第二端的端部表面上和/或轴颈(8)自由端的端部表面上设置一接触轴承(16或17)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，上述接触轴承(16或17)包括具有低摩擦力的耐磨垫片或涂层，上述垫片或涂层由石墨或其它具有低摩擦力的非磁性材料制成。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，上述接触轴承是一气润滑轴承(17)。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，上述接触轴承(16或17)是一空气静力轴承。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，上述接触轴承(16或17)是一空气动力轴承。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，上述空气动力轴承以径向延伸的螺旋槽(21)或人字形槽的形式设置在主轴(1)第二端(7)的端部表面上或轴颈的端部表面上，从而当主轴(1)旋转时上述槽(21)在主轴第二端(7)的端部表面外部产生一增加的气体压力。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，设置上述空气动力轴承还用来产生作用在主轴(1)第二端(7)上的压力。
13.根据权利要求1-5和7-12中任一项所述的装置，其特征在于，设置位置检测装置(13)用来至少检测上述主轴(1)的轴向位置，并向上述控制装置(15)发出一相应的信号，用于控制该电磁装置，设置上述控制装置(15)用来响应来自位置检测装置(13)的上述信号而对电磁装置中的电流进行控制，从而控制主轴(1)的运动。
14.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，设置位置检测装置(13)用来至少检测上述主轴(1)的轴向位置，并向上述控制装置(15)发出一相应的信号，用于控制该电磁装置，设置上述控制装置(15)用来响应来自位置检测装置(13)的上述信号而对电磁装置中的电流进行控制，从而控制主轴(1)的运动。
15.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，在主轴(1)的第二端(7)与轴颈(8)之间设置一气润滑轴承、空气静力轴承或空气动力轴承(17)，设置上述气润滑轴承、空气静力轴承或空气动力轴承(17)用于作用在主轴(1)的第二端(7)，设置装置用来通过上述轴承(17)向上述第二端施加一力，从而产生一作用于上述第二端的压力。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，上述装置是一弹簧(19)或一气动活塞。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置了安全装置，用于在电磁装置失效或停止工作时，使上述装置(19)或上述产生一作用于上述第二端(7)的力的压力停止工作。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置装置(13)，用于在心轴装置向一工件运动过程中主轴(1)的实际轴向位置与一参考位置不同时进行检测，这种与参考位置的偏移表明不期望的力作用在主轴(1)上，设置上述控制装置，用于在发生上述偏移时停止心轴装置向该工件的移动。
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