KR20060127208A

KR20060127208A - 불규칙 표면 성형용 자기 부상 고속 스핀들

Info

Publication number: KR20060127208A
Application number: KR1020067019277A
Authority: KR
Inventors: 알. 비숍 케네트; 제이. 즈데블릭 윌리엄
Original assignee: 페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-12-11
Also published as: WO2005082067A2; CN101341002B; US7264430B2; WO2005082067A3; EP1737588A4; EP1737588A2; US20050188798A1; JP2007525333A; CN101341002A

Abstract

자기 부상 고속 스핀들 조립체(20)는 공작물(24)내에 비원형 홀들(22) 또는 핀들상에 비원형 표면들을 형성하기 위해 제공된다. 비원형 홀들(22)은 고속으로 그리고 고정밀도로 치수적으로 변화하는 축방향 궤적으로 형성된다. 이것은 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들(58, 60) 사이에서 회전 스핀들(26)을 지지하고, 미리 결정된 궤도 경로 B로 스핀들(26)의 단부에서 성형 공구(32)를 이동시키기 위해 이들 베어링 클러스터들(58, 60)을 독립적으로 제어함으로써 달성된다. 다수의 입력-다수의 출력 제어 방법은 X 및 Y 축선으로 스핀들(26) 운동을 제어하기 위해 사용된다. 성형 공구(32)의 절단 에지(34)와 궤도 경로 B 사이의 경사 각도는 고속 작동 중에 성형 정밀도와 스핀들(26) 안정성을 더 향상시키기 위해 자기 베어링 클러스터들(58, 60)의 이러한 다수의 입력-다수의 출력 제어 하에서 수직하게 유지된다.

공작물, 축방향 궤적, 비원형 홀, 자기 부상 고속 스핀들, 성형 공구, 자기 베어링 클러스터, 비원형 궤도 경로, 방사상 베어링 제어기

Description

불규칙 표면 성형용 자기 부상 고속 스핀들{MAGNETICALLY LEVITATED HIGH-SPEED SPINDLE FOR SHAPING IRREGULAR SURFACES}

본 출원은 2004년 2월 26일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/547,891호의 우선권을 청구한다.

본 발명은 보통 비원형(non-circular) 표면을 성형하기 위한 자기 부상 고속 스핀들(magnetically levitated high-speed spindle) 조립체에 관한 것으로, 특히 공작물에 비원형 홀을 형성하기 위한 상기 조립체에 관한 것이다.

몇몇 제조 분야에서는 비원형 홀들의 형성을 필요로 한다. 예를 들여, 내연기관용 피스톤의 제조시에, 소위 리스트(wrist) 핀(피스톤 핀) 또는 거든(gudgeon) 핀(피스톤 핀)을 위해 형성된 핀(pn) 홀들은 피스톤 핀에서 굽힘(flex)을 수용하기 위해 중심을 향해 작은 트럼펫(trumpet)형 개구를 종종 갖는다. 부가적으로, 피스톤 핀의 이러한 트럼펫 형상은 그 다양한 사이클을 통해 이동할 때에 피스톤 핀에서 비틀림을 고려하여 작은 타원형(ovality;난형)으로 적합하게 설계된다. 핀 홀의 이러한 트럼펫 형상과 비원형 단면은 정확한 허용오차로 형성되어야만 한다. 예를 들면, 3 내지 5 미크론(micron) 범위의 허용오차가 본 기술 분야의 이들 형태를 위해 종종 요구된다.

유압식 작동 밀링 공구와 전기 화학적 가공 기술을 포함하는 정확한 허용오차 명세서로 상기 비원형 홀들을 생성하기 위한 기술적 방법이 있다. 종래 기술은 또한 활동적 자기 베어링들이 설치된 특정 기계 공구 스핀들을 사용하여 비원형 형상을 보링(boring)하는 것을 제시하고 있다. 활동적 자기 베어링들은 회전 스핀들이 전자석 스테이터에 의해 발생된 자장으로 지지되는 강자성체(ferromagnetic material)로 또는 강자성체와 함께 형성되는 원리에 따라 작용한다. 적합한 전력 증폭기(power amplifier)를 갖는 제어 시스템은 이것이 회전하는 동안 소정의 방사상 위치에 스핀들을 유지하기 위해 자장을 조절한다. 이러한 방사상 위치는 하중 조건 변경하에서도 균등하게 유지될 수 있다.

활동적 자기 베어링 시스템의 장점은 스핀들 운동을 제어하고 스핀들 회전시의 편차를 의도적으로 유도하며, 이에 의해 소정 경로로 성형 공구를 이동시키기 위한 능력에 존재한다. 그럼에도 불구하고, 종래 기술에서의 다수의 결점 및 제한이 존재한다. 예를 들면, 특히 3차원적으로 생산되는 비원형 홀 형상들은 특히 제한된다. 부가적으로, 공구 절단 에지의 위치를 정확하게 제어하기 위한 능력과 이에 의해 5 미크론 보다 적은 생산 허용오차 변동은 신뢰할 수 없다. 따라서, 본 발명의 목적은 이들 단점과 제한을 극복하기 위한 것이다.

본 발명은 치수적으로 변화하는 축방향 궤적(trajectory)을 갖는 비원형 홀을 공작물내에 형성하기 위한 자기 부상 고속 스핀들 조립체를 포함한다. 상기 조립체는 길이방향으로 연장하는 축방향 축선을 한정하고 그 성형 단부에 고정된 성형 공구를 갖는 스핀들을 포함한다. 제 1 자기 베어링 클러스터(clusters)는 축방향 축선에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 성형 공구에 근접한 상기 스핀들을 지지한다. 제 2 자기 베어링 클러스터는 제 1 자기 베어링 클러스터로부터 이격되고, 축방향 축선에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 성형 공구로부터 떨어진 위치에서 스핀들을 지지한다. 방사상 베어링 제어기는 스핀들의 자기 부상 회전 중에 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하고, 이에 의해 상기 성형 단부에서 축방향 축선을 미리 결정된 비원형 궤도(orbital) 경로내로 이동시키기 위해 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들을 독립적으로 제어한다. 본 발명의 이러한 특징에 따르면, 상기 특징은 축방향 축선을 따라 상기 공작물에 대해 상기 성형 공구를 이동시키는 한편 연속적으로 축방향으로 변화하는 궤적의 비원형 홀이 고속으로 그리고 고정밀도로 상기 공작물에 형성되도록 궤도 경로의 형상을 동시에 변화시키기 위한 축방향 움직임 제어기를 포함한다. 따라서, 연속적으로 변화하는 단면적과 형상을 갖는 비원형 홀들은 공작물에 대한 성형 공구의 축방향 위치와 자기 베어링 클러스터들의 독립적이고, 동시적인 제어에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 제 2 특징에 따르면, 자기 부상 고속 스핀들 조립체는 공작물내에 비원형 표면을 형성하기 위해 제공된다. 상기 조립체는 후방 단부와 성형 단부 사이에서 축방향 축선을 따라 연장하는 확대된 스핀들을 포함한다. 성형 공구는 성형 단부에 인접한 스핀들로부터 방사방향 외향으로 연장하고, 첨단형(point-like) 절단 에지에서 끝난다. 제 1 자기 베어링 클러스터는 축방향 축선에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 성형 공구에 근접한 스핀들을 지지한다. 제 1 자기 베어링 클러스터로부터 이격된 제 2 자기 베어링 클러스터는 축방향 축선에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 성형 단부로부터 떨어진 스핀들을 지지한다. 방사상 베어링 제어기는 스핀들의 자기 부상 회전 중에 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하고, 고속 절단 에지가 공작물내에 대응적으로 성형된 비원형 홀을 성형하도록 미리 결정된 비원형 궤도 경로내로 성형 단부를 이동시키기 위해 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들을 독립적으로 제어하기 위해 제공된다. 본 발명의 이러한 특징에 따르면, 절단 에지 제어기는 절단 에지와 궤도 경로 사이에 연속적인 경사 각도를 유지하기 위해 제공된다. 경사 각도는 축방향 축선으로부터 절단 에지까지 연장하는 반경과 궤도 경로를 따른 어떤 지점에 대한 접선 사이의 각도에 의해 한정되는 최적의 절단 각도를 포함하며, 이에 의해 비원형 홀이 향상된 정밀도로 형성되고 조립체는 보다 높은 회전 속도로 작동하는 한편, 커다란 스핀들 안정성을 제공한다.

본 발명에 따른 다른 특징에 따르면, 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법이 제공된다. 이러한 방법은 치수적으로 변화하는 축방향 궤적을 갖는 비원형 홀을 공작물내에 형성하기 위해 실행된다. 상기 방법은 축방향 축선을 갖는 스핀들의 일 단부에 방사방향으로 연장하는 성형 공구를 부착하는 단계와, 축방향 축선에 관해서 회전하기 위해 성형 공구에 인접한 스핀들의 제 1 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 단계와, 제 1 영역으로부터 이격되고 성형 공구로부터 떨어진 스핀들의 제 2 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 단계와, 제 1 및 제 2 자기 부상 자장들 내의 스핀들을 축방향 축선에 관해서 회전시키는 단계, 및 독립적으로 제 2 부상 자장들을 변화시키고 미리 결정된 비원형 궤도 경로내로 성형 단부에서 축방향 축선을 이동시킴으로써 스핀들의 회전 중에 제 1 및 제 2 영역에서 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제 1 및 제 2 영역에서 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하는 상기 단계와 동시에 축방향 축선을 따라 공작물에 대해 성형 공구를 이동시킴으로써 공작물 내에 불규칙적이고 축방향으로 변화하는 궤적의 홀을 형성하는 단계를 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또다른 특징에 따르면, 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법이 제공된다. 이 방법은 공작물내에 비원형 홀을 형성하기 위해 실행되고, 성형 공구상에 절단 에지를 형성하는 단계와, 절단 에지가 축방향 축선으로부터 방사방향 외향으로 위치 설정되도록 축방향 축선을 갖는 스핀들의 일 단부에 성형 공구를 부착하는 단계와, 축방향 축선에 관해서 회전하기 위해 성형 공구에 인접한 스핀들의 제 1 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 단계와, 제 1 영역으로부터 이격되고 성형 공구로부터 떨어진 스핀들의 제 2 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 단계와, 제 1 및 제 2 자기 부상 자장들 내의 상기 스핀들을 축방향 축선 없이 회전시키는 단계와, 제 1 및 제 2 자기 부상 자장들을 변화시키고 공작물 내에 비원형 홀을 형성하기 위해 미리 결정된 비원형 궤도 경로 내로 절단 에지를 이동시킴으로써 스핀들의 회전 중에 제 1 및 제 2 영역에서 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하는 단계를 포함한다. 상기 방법의 특징은 비원형 홀이 향상된 정밀도로 형성되고 스핀들 보다 높은 회전 속도와 커다란 안정성으로 작동하도록 절단 에지와 궤도 경로 사이에 연속적인 경사 각도를 유지하는 단계를 포함한다. 상기 경사 각도는 축방향 축선으로부터 절단 에지까지 연장하는 반경과 비원형 궤도 경로를 따른 어떤 지점에 대한 접선 사이의 각도에 의해 한정되는 최적의 절단 각도를 포함한다.

본 발명에 따른 홀 형성 조립체와 방법은 특히 고속으로 고정밀도로 형성되는 3차원 센스로 홀 성형과 형상의 이용가능한 범위를 확장함으로써 종래 기술의 단점과 결점을 해결한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징과 장점은 하기 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하면 보다 쉽게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스핀들 조립체와 홀 형성 작동을 위해 준비된 피스톤 공작물의 간략화된 정면도.

도 2는 본 발명에 따른 자기 부상 고속 스핀들 조립체의 간략화된 단면도.

도 3은 각 X 및 Y 코디네이트(coordinate) 평면에서 자석 스테이터들과 위치 센서를 위한 각 방사상 베어링 제어기들과 함께, 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들(clusters) 사이에서 자기적으로 부상하는 본 발명에 따른 스핀들을 도시한 개략도.

도 4는 환형(phantom)으로 그 궤도 경로에 관해서 다양한 위치로 도시된 성 형 공구와 함께 공작물에 형성된 비원형 홀의 확대 단면도.

도 5는 연속적으로 축선 방향으로 변화하는 궤적(trajectory)이 성형 공구에 의해 생성되는 공작물에 예시적인 기하학적 홀을 도시한 간략화된 사시도.

도 6은 두 개의 불규칙 로브(lobe)를 갖는 다른 예시적인 기하학적 비원형 홀을 도시한 도면.

도 7은 다수의 로브들을 갖는 또 다른 기하학적 비원형 홀을 도시한 도 6과 유사한 도면.

도 8은 두 개의 대향하는 절단 에지들을 구비하는 대안적인 성형 공구 형상의 단면도.

도 9는 다수의 절단 에지들을 구비하는 성형 공구의 또다른 대안적인 실시예를 도시하는 도 8과 유사한 단면도.

도 10은 스핀들의 축방향 축선이 그 궤도 경로 전체를 통해서 평행하게 유지되는 상황을 위해 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들 내에서 상하 궤도 한계를 도시하는 스피들 조립체의 간략화된 도면.

도 11은 스핀들이 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들에 의해 반대측 말단 한계에서 제어될 때에 궤도 경로의 말단 한계를 도시하는 도 10과 유사한 도면.

도면을 참조하면, 동일한 참조 부호는 몇몇 도면을 통하여 동일 또는 대응하는 부분을 지시하고, 자기 부상 고속 스핀들(magnetically levitated high-speed spindle) 조립체는 도 1 및 도 2에서 전체적으로 참조 부호 20으로 도시되어 있다. 스핀들 조립체(20)는 공작물(24)내에 비원형(non-circular) 홀들(22)을 형성하기 위한 형상이다. 도 1에서 공작물(24)은 내연기관용 피스톤을 포함하는 예시적인 목적만을 위해서 도시되어 있다. 비원형 홀(22)은 본 기술 분야에 잘 공지된 바와 같이 피스톤 핀(wist pin)(도시 생략)을 함유하기 위한 핀 홀로서 도시되어 있다. 그러나, 공작물(24)은 어떤 부품을 포함할 수 있고, 피스톤, 엔진 또는 등가의 자동차 적용에 제한되지 않는다. 오히려, 고정밀 허용오차의 비원형 홀(22)이 적용될 수 있는 어떤 분야에도 적용하기 위해 시도될 수 있다.

조립체(20)는 후방 단부(28)와 성형 단부(30) 사이에서 축방향 축선 A를 따라 연장하는 전체적으로 참조 부호 26으로 지시된 강성 샤프트형 스핀들(26)을 포함한다. 성형 공구(32)는 그 성형 단부(30)에 인접한 스핀들(26)로부터 방사상 외향으로 연장하고, 첨단형(point-like) 절단 에지(34)에서 끝난다. 성형 공구(34)는 예를 들어 어떤 상업적으로 이용가능한 형상의 제거가능한 카바이드 팁(carbide tip)을 포함한다. 도 2에 단면도로 도시된 바와 같이, 성형 공구(32)는 테이퍼(taper)와 볼트 구성(38)을 거쳐서 스핀들(26)에 고정되는 제거가능한 공구 홀더(36)에 유지된다. 스핀들(26)에는 공구 홀더(36)를 유지하고 상호 교환하기 위한 성형 공구(32)의 제거를 촉진하기 위해 그 후방 단부(28)와 성형 단부(30)에 인접한 랜치 평탄부(wrench flats)(40)가 구비되어 있다.

스핀들 조립체(20)는 스핀들(26)의 후방 단부(28)와 성형 단부(30)가 이를 통해서 연장하는 하우징(42)을 부가로 포함한다. 도 2에서 전체적으로 참조 부호 44로 도시된 구동 모터(44)는 하우징(42)내에 배치되어 있고, 그 축방향 축선 A에 관해서 스핀들(26)을 강제적으로 회전시키기 위해 작동한다. 구동 모터(44)는 AC 또는 DC로 작동하는 어떤 공지된 종류일 수 있다. 대안적으로, 구동 모터(44)는 유압 작동식, 공압 작동식 또는 어떤 다른 형태의 에너지 원으로부터 작동될 수 있다. 도시된 실시예에서, 구동 모터(44)는 하우징(42) 내부에 고정된 전기 스테이터(46)와 스핀들(26)에 고정된 로터 또는 아마츄어(48)를 포함한다.

한 쌍의 보조 베어링들(50)은 하우징(42)의 양 단부들에 지지되어 있고, 스핀들(26)과의 사이에 실질적인 간극을 제공한다. 보조 베어링(50)은 자기 부상 시스템의 고장시에, 고속으로 회전하는 스핀들(26)이 어떤 부품의 손상 없이 보조 베어링(50)에 의해 안전한 정지를 유도하도록 백업(back up) 안전 기구로서 작용한다.

하우징(42)내에 스핀들(26)의 적합한 축방향 정렬을 보장하기 위하여, 전체적으로 참조 부호 52로 지시된 자기 추력(thrust) 베어링(52)은 하우징(42)과 스핀들(26) 사이에 끼워져 있다. 자기 추력 베어링들(52)은 로터 디스크(56)의 양 측면들에 배치된 두개의 스테이터들(54)을 포함한다. 스테이터들(54)은 강성 스틸(solid steel), 또는 쐐기(wedge)들 사이의 방사상 슬롯을 갖는 강성 스틸 쐐기로 이루어지고 적층물로 채워진다. 스테이터들(54)을 로터 디스크(56)를 포함하는 자장에서 축방향 반대 힘을 생성하는 코일들로 또한 채워진다. 도시되지 않았을 지라도, 조립체(20)는 추력 베어링(52)과 관련하여 작용하는 축방향 위치 센서와, 스핀들(26)의 축방향 위치를 결정하고 제어하기 위한 전력 증폭기(power amplifier)를 또한 포함한다.

도 3을 참조하면, 전체적으로 참조부호 58로 도시된 제 1 자기 베어링 클러스터(cluster)(58)는 그 축방향 축선 A에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 성형 공구(32)에 가장 근접한 스핀들(26)을 지지한다. 유사하게, 전체적으로 참조부호 60으로 도시된 제 2 자기 베어링 클러스터(60)는 그 축방향 축선 A에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 성형 공구(32)의 다른 측면상에서 스핀들(26)을 지지하기 위해 제 1 자기 베어링 클러스터(58)로부터 이격되어 있다. 다른 한편, 제 1 자기 베어링 클러스터(58)는 스핀들(26)의 성형 단부(30)에 근접한 반면에, 제 2 자기 베어링 클러스터(60)는 스핀들(26)의 후방 단부(28)에 근접하다.

제 1 자기 베어링 클러스터(58)는 축방향 축선 A에 대해 수직한 공통 평면 내에서 보통 동일한 아치형 증분(increment)들로 이격된 적어도 세개, 적합하게는 네개의 자석 스테이터들을 포함한다. 자석 스테이터들은 보통 쌍으로 배치, 즉 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트(coordinate) 자석 스테이터들(62, 62')과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들(64, 64')로 배치되어 있다. X-코디네이트 스테이터들(62, 62')은 축방향 축선 A를 통해서 대각선적으로 통과하는 X-평면에 포함되어 있고 수평면에 대해 대략 45도 각도로 배향되어 있다. 상부 X-코디네이트 스테이터(62)는 축방향 축선 A 위에 배치된 반면에, 하부 X-코디네이트 스테이터(62')는 축방향 축선 A 아래에 배치되어 있다. Y-코디네이트 스테이터(64, 64')는 수평면에 대해 대략 45도인 축방향 축선 A를 포함하는 Y-평면에 배치되어 있다. Y-평면은 X-평면에 대해 수직하다. 따라서, 축방향 축선 A는 스핀들(26)이 제 1 및 제 2 베어링 클러스터들(58, 60) 내에 완전히 중심 설정될 때에 X- 및 Y-평면의 교차점과 일치한다. X-평면과 Y-평면의 정지 교차점은 베어링 축선 Z를 형성한다. 따라서, 스핀들(26)이 중립적인 중심 위치에 있을 때에, 베어링 축선 Z와 축방향 축선 A는 일치한다. 그러나, 스핀들(26)이 전류 변동과 다른 외부 임펄스(impulse)에 의해 조작된다면, 축방향 축선 A는 고정된 베어링 축선 Z에 대해 병진되고 회전된다.

유사하게, 제 2 자기 베어링 클러스터(60)는 제 1 자기 베어링 클러스터(58)의 구성들과 유사한 방식으로 배향된 X-코디네이트 스테이터들(66, 66')과 Y-코디네이트 스테이터들(68, 68')을 포함한다. X-코디네이트 스테이터들(62, 62', 66, 66') 모두는 X-평면내에 놓여있고, Y-코디네이트 스테이터들(64, 64', 68,68') 모두는 Y-평면내에 놓여있다. 도 3에서, 이들 자석 스테이터들은 개략적으로 U형 고정 자석들로 도시되어 있다. 그러나, 실제로 이들 스테이터들은 그 내경에서 폴(pole;극성)을 갖는 적층 링들의 퇴적물로 이루어진다. 코일들은 각 베어링 클러스터가 네개의 사등분(quadrant)으로 분할되도록 각 극성 둘레에 감긴다. 상술한 바와 같이, 특히 스핀들(26)이 보통 수평 상태로 지지되는 상황에서, 사등분은 중력 반자용력을 분배하기 위해 수직으로부터 45도로 배열되어 있다.

도 2를 다시 참조하면, 제 1 자기 베어링 클러스터(58)는 스피들(26)의 제 1 영역(72)에 배치된 제 1 로터(70)를 포함하는 것을 도시하고 있다. 제 1 로터(70)는 슬리브상에 장착되고 스핀들(26)에 고정된 적층 링들의 퇴적물로 구성된다. 적층물들은 제 1 자기 베어링 클러스터(58)의 반응성(responsiveness)을 향상시키기 에 효과적이다. 또한, 제 2 자기 베어링 클러스터(60)는 슬리브(26)의 제 2 영역(76)에 배치된 제 2 로터(74)를 포함한다. 제 1 및 제 2 로터들(72, 74)은 보통 동일한 구성을 가지나, 조립체(20)를 위한 설계 적용에 따라 치수와 형상에 있어서 약간 변화될 수 있다.

적어도 세개, 적합하게는 네개의 제 1 위치 센서들은 축방향 축선 A에 대해 공통 수직 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격되어 있고, 제 1 자기 베어링 클러스터(58)에 인접하게 배치되어 있다. 적합하게는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 위치 센서들은 각각 제 1 X-코디네이트 스테이터들(62, 62')에 인접한 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 위치 센서들(78, 78')과 대응하는 Y-코디네이트 스테이터들(64, 64') 다음에 배치된 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 위치 센서들(80, 80')을 포함한다. 유사한 방식으로, 대향하는 X-코디네이트 위치 센서들(82, 82')과 Y-코디네이트 위치 센서들(84, 84')의 제 2 위치 센서들은 각각 X 및 Y-코디네이트 스테이터들(66, 66', 68, 68')에 인접하게 배치되어 있다. 위치 센서들 모두는 전기적 전압의 형태로 스핀들(26)의 위치에 관한 정보를 공급함으로써 작동한다. 통상적으로, 이들 위치 센서들은 스핀들(26)이 중립 위치에 있을 때에 센서가 영 전압(null voltage)을 발생하도록 조정된다. 스핀들(26)이 중립 위치 위로 이동면, 양(positive)의 전압이 발생된다. 스핀들(26)이 중립 위치 아래로 이동할면, 음(negative)의 전압이 발생된다.

방사상 베어링 제어기는 스핀들(26)의 자기 부상 회전 중에 베어링 축선 Z에 대해 축방향 축선 A의 방사상 위치를 조절하기 위해 제 1 및 제 2 자기 베어링 클 러스터들(58,60)을 독립적으로 제어한다. 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들(58, 60)에 대해 스핀들(26) 위치를 독립적으로 제어함으로써, 성형 단부(30)에서의 축방향 축선 A는 높게 제어된 비원형 궤도 경로 B를 선 긋기 위해 명료하게 구분된다. 방사상 베어링 제어기는 모든 센서들로부터의 입력을 동등하게 하고 성형 단부(30)의 필요한 명확한 구분을 달성하기 위해 모든 베어링 클러스터에 대한 출력을 발생하는 중심 설정된 형태이다.

대안적으로, 방사상 베어링 제어기는 X-축선 제어기(86)와 다른 Y-축선 제어기(88)를 포함한다. 이러한 형상에서, X-축선 제어기(86)는 X-코디네이트 위치 센서들(78, 78', 82, 82')로부터의 전압 신호들을 수신하고, 절단 에지(34)까지의 축방향 거리와 축방향 축선 A로부터 절단 에지(34)까지 측정된 공구 반경과 같은 치수 관계들을 구비하는 수학적 모델(mathematical model)내에서 이러한 정보를 처리하며, 통합식(integrated) 또는 자립형(stand-alone) 증폭기에 필요한 전류(또는 전압)을 보낸다. 따라서, X-축선 제어기(86)는 다수의 입력들, 즉 X-평면에서 각 센서로부터의 입력들을 수신하고, 스핀들(26)을 동력학적으로 제어하기 위해 X-평면에서 모든 스테이터들에 다수의 출력을 발생한다. X-축선 제어기(86)는 반 앨리어싱(anti-aliasing) 필터들, 아날로그-대-디지탈 변환기들, 디지탈 신호 프로세서, 및 펄스-폭 변조 발생기들을 포함한다. 위치 센서들(78, 78', 82, 82')로부터의 전압은 신호로부터의 고주파수 노이즈(소음)를 제거하기 위해 반 앨리어싱 필터들을 통과한다. 고주파 내용이 제거된 후에, 위치 신호는 디지탈 신호 프로세서에 의해 처리되는 형태로 전압 신호를 변환하는 아날로그-대-디지탈 변환기에 의해 샘 플된다. 그런 다음 디지탈 정보는 디지탈 필터를 통과하여 미리 결정된 값에 따라 스핀들(26)의 위치를 교정 또는 조절하기 위해 필요한 전류(또는 전압)의 양에 비례하는 출력을 발생한다. 필요한 전류는 아날로그-대-디지탈 변환기로 또한 보내지지고 필터되어 샘플되는 자기 베어링 클러스터(58)에 공급된 실제 절류와 비교된다. 실제 전류와 필요한 전류 간의 에러는 증폭기들에 보내진 펄스-폭 변조 신호를 특성화하기 위해 사용된다. 그런 다음, 이 정보는 증폭기에 보내진 펄스-폭 변조 파형을 생성하는 펄스-폭 변조 발생기에 보내진다. Y-축선 제어기(88)는 Y-코디네이트 센서들(80, 80', 84, 84')로부터 다수의 입력 신호들을 수신하고, 출력부를 거쳐서 제 2 자기 베어링 클러스터(60)에서 다수의 교정 작용을 발생하는 유사한 방식으로 작동한다.

X-축선 제어기(86)와 Y-축선 제어기(88)는 클래스 A 튜닝(tuning) 또는 클래스 B 튜닝을 위해 설계될 수 있다. 클래스 B 튜닝에서, X-축선 제어기(86)에 의한 X-코디네이트 스테이터들(62, 62', 66, 66') 각각에 제공된 전류 공급은 비선형 비례 증분으로 각 대향하는 스테이터들 사이에서 변화한다. 클래스 B 튜닝의 이러한 방법은 궤도 경로 B의 형상 발생에서 커다란 가요성을 생성하기에 유용하고, 베어링의 중심으로부터 떨어진 커다란 운동으로 스핀들(26)에서 강성과 안정성을 제어하는 기구이다.

추력 베어링 제어기(89)는 보다 커다란 스핀들(26) 제어를 위해 임의로 형성될 수 있다. 추력 베어링 제어기(89)는 축방향 위치 센서(도시 생략)로부터의 입력을 수신하고, 상술한 바와 같이 자기 추력 베어링(52)에서 교정 출력을 발생한 다. 여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 추력 베어링 제어기(89)는 방사상 베어링들(62, 64, 66, 68)과 협력하여 자기 추력 베어링(52)을 의도적으로 처리하기 위해 X-축선 제어기(86) 및 Y-축선 제어기(88)와 연통할 수 있다. 대안적으로, 방사상 및 추력 베어링들의 이러한 코디네이티드 제어는 모든 베어링들을 신호 상황에 따라 명령하는 중심 설정된 베어링 제어기의 실시예내에서 달성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 성형 공구(32)의 운동은 축방향 축선 A가 그 궤도 경로 B에 관해서 이동하는 것을 도시하고 있다. 성형 공구(32)는 스핀들의 축방향 축선 A가 베어링 축선 Z으로부터 오프셋된 것을 실선으로 도시한다. 절단 에지(34)가 공작물(24)의 비원형 홀(22)과 접촉하는 지점은 기준 지점을 확립한다. 베어링 축선 Z로부터 절단 에지(34)까지 그린 선은 성형 반경(90)을 포함한다. 베어링 축선 Z로부터 축방향 축선 A까지 그린 선은 궤도 반경(92)을 포함한다. 축방향 축선 A로부터 절단 에지(34)까지 그린 선은 공구 반경(94)을 포함한다. 본 발명의 적합한 실시예에서, 경사 각도, 예를 들어 궤도 경로 B상에서 접선(96)에 대한 공구 반경(94)의 각도는 일정하게 유지되고, 적합하게는 전체 성형 작동을 통하여 수직하게 유지된다. 공구 반경(94)은 홀(22)과 접촉하는 지점에서 그린 접선(98)과 똑같이 수직하게 유지된다. 도 4에 가상선으로 도시한 바와 같이, 이러한 경사 각도는 궤도 경로 B에 관해서 축방향 축선 A의 운동을 통하여 일정하게 유지된다. 다수의 입력-다수의 출력 제어 방법을 사용하는 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들(58, 60)의 코디네이티드 제어는 이러한 연속적으로 유지되는 경사 각도를 달성하기 위해 필요하다. 이러한 연속적인, 적합하게는 수직한 경사 각도는 성형 반경(90)과 궤도 반경(92) 사이의 경사직 각도(100)가 궤도 사이클을 통하여 양의 값과 음의 값 사이에서 변동할지라도 유지된다. 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들(58, 60)을 제어하기 위해 X-축선 및 Y-축선 제어기들(86, 88)를 사용함으로써, 연속적인 경사 각도는 비원형 홀(22)이 상당한 정밀도로 성형되도록 절단 에지(34)와 궤도 경로 B 사이에서 유지될 수 있다. 또한, 궤도 경로 B를 따라 모든 지점에서 경사 각도를 유지함으로써, 조립체(20)는 성형 공구(32)의 반작용력이 적게 변동하기 때문에 높은 회전 속도와 커다란 스핀들 안정성으로 작동할 것이다. 물론, 최적의 경사 각도는 때때로는 90°이외일 수 있고, 제어기들(86, 86')은 성형 사이클을 통하여 최적의 각도를 유지하기 위해 프로그램될 수 있다.

회전 엔코더(encoder)(102) 형태의 회전 위치 센서는 스핀들(26)의 환형 위치, 따라서 축방향 축선 A에 관한 성형 공구(32)의 위치를 결정하기 위해 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 회전 엔코더(102)는 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들(58, 60)로 코디네이티드 조절을 가능하게 하기 위해 X-축선 제어기(86) 및 Y-축선 제어기(88)와 연통할 수 있다. 적합하게, 이들 제어기들(86, 88)은 스핀들(26)의 성형 단부(30)가 궤도 경로 B 둘레에서 하나의 랩(lap)을 완료하는 동시에 축방향 축선 A에 관해서 일 회전을 완료하는 방식으로 성형 공구(32)를 제어한다. 이것은 궤도 경로 B의 전체 스위피(sweep)를 통하여 최적 경사 각도의 유지를 촉진한다. 그러나, 홀(22) 성형을 완료하기 위해, 스핀들(26)이 위치 변경되는 동안 홀(22) 표면으로부터 성형 공구(32)를 상승시킬 필요가 있다. 따라서, 복잡한 홀 성형은 궤도 경로 B에 관한 각 랩에 대해 성형 공구(32)의 다수의 회전을 필요 로 한다.

축방향 움직임 제어기는 도 1에 참조 부호 104로 개략적으로 도시되어 있다. 축방향 움직임 제어기(104)는 축방향 축선 A와 보통 평행한 방향으로 공작물(24)에 대해 성형 공구(32)를 이동시키는 한편, 성형 공구(32)는 비원형 홀(22)을 동시에 형성한다. 동시에, 제어기들(86, 88)은 자기 베어링 클러스터들(58, 60)을 작동시키고, 따라서 공작물(24)내의 홀(22)의 축방향 궤적이 치수적으로 변화한다. 축방향 움직임 제어기(104)는 공작물(24) 정지를 유지하고 스핀들 조립체(20)를 병진 운동시킴으로써 작동하거나, 또는 도 1에 도시된 바와 같이 정지 스핀들 조립체(20)에 대해 이동하는 공작물 홀더(106)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 양 부품은 동시에 이동된다.

축방향, 또는 연속적으로 변화하는 궤도 경로 B와 결합된 축방향 운동의 조합은 도 5에 도시된 바와 같이 기하학적으로 복잡한 형상의 생성을 가능하게 한다. 여기서, 홀(22)은 공작물(24)의 개구에서 보통 타원형 프로파일을 갖는 것을 도시하고, 타원은 보통 수직한 주 축선(108)을 갖는다. 홀(22)이 공작물(24)안으로 더 깊이 연장할 때에, 타원의 치수가 감소하는 한편, 주 축선(108)은 시계 방향으로 회전한다. 이것은 중심점(110)에서 가상 타원형 단면으로 나타난다. 홀(22)이 공작물(24) 안으로 계속 더 깊이 들어가면, 홀(22)의 형상은 확대되는 한편, 주 축선(108)은 종점(112)에 도달할 때까지 시계 방향으로 계속 회전하여, 타원 형상의 주 축선(108)은 이제 보통 수평하다. 공작물(24) 내의 홀(22)의 복잡하고 치수적으로 변화하는 축방향 궤적은 도 5에 도시된 형상에 제한되지 않는다. 예를 들면, 도 6은 2-로브식(lobe) 캠형 형상의 비타원형 불규칙 홀(22')을 도시한다. 대안적으로, 도 7은 홀(22")의 다수의 로브식 형상을 도시한다. 당업자들은 어떤 기하학적으로 상상할 수 있는 형상이 상술한 스핀들 조립체(20)와 제어기들(86, 88)의 다수의 입력-다수의 출력 제어 방법을 사용하여 생산할 수 있다는것을 이해할 것이다.

도 8 및 도 9는 성형 공구(32')의 다양한 대안적인 구성을 도시하고, 이러한 구성에서는 두개 이상의 절단 에지들(34')이 사용될 수 있다. 대안적으로, 절단 에지(34")는 연삭 디스크 또는 휠(도시 생략)의 형태로 성형 단부(30") 둘레를 연속적으로 연장한다.

도 10 및 도 11은 각각 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들(58, 60) 내에서 스핀들(26)의 제 1 및 제 2 영역들(72, 76)을 위한 최대 움직임 범위를 나타내는 이론적인 원들(114, 116)에 의한 극단적인 스핀들(26) 배향 가능성을 도시하고 있다. 절단 에지(34)의 절단 반경은 가상선의 이론적인 원(118)으로 나타냈다. 이해하고 있는 바와 같이, 제어기들(86, 88)을 통해서 전개되고 예측된 가능한 움직임 범위 내에서 작동하는 다수의 입력-다수의 출력 제어 방법은 축선 방향으로 연속적으로 변화할 수 있는 홀(22) 형상의 무수한 다양성을 가능하게 한다. 그리고, 제어 방법은 고속 제조 작동, 즉 스핀들(26)이 10,000 RPM 이상으로 구동되는 것에 쉽게 채용될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예가 가장 적통적인 방식으로 홀 형성과 관련하여 설명되었을지라도, 당업자들은 이들 신규한 기술들이 외부면상에서 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 비원형 표면의 성형은 직선-전방향으로의 변경만으로 필요한 수만큼 성형 공구(34)로 실행될 것이다. 따라서, 본 발명은 치수적으로 변화하는 궤적들로 비원형 형상들을 필요로 하는 홀들과 핀형 외형들 상에서 동일한 효율성으로 사용되는 표면 성형 방법론과 장치를 예측할 수 있다.

명백한 바와 같이, 본 발명의 많은 변경과 변화는 상술한 기술에 비추어 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 본 발명은 구체적으로 설명된 것 이외의 것을 예측할 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해서 한정된다.

Claims

치수적으로 변화하는 축방향 궤적(trajectory)을 갖는 비원형(non-circular) 표면을 공작물내에 형성하기 위한 자기 부상 고속 스핀들 조립체로서,

축방향 축선을 한정하고 그 성형 단부에 고정된 성형 공구를 갖는 스핀들과,

상기 축방향 축선에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 상기 성형 공구에 근접한 상기 스핀들을 지지하는 제 1 자기 베어링 클러스터(clusters)와,

상기 제 1 자기 베어링 클러스터로부터 이격되고, 상기 축방향 축선에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 상기 성형 공구로부터 떨어진 상기 스핀들을 지지하는 제 2 자기 베어링 클러스터와,

상기 스핀들의 자기 부상 회전 중에 상기 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하고, 이에 의해 상기 성형 단부에서 상기 축방향 축선을 미리 결정된 비원형 궤도 경로(orbital path)내로 이동시키기 위해 상기 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들을 독립적으로 제어하는 방사상 베어링 제어기, 및

상기 축방향 축선을 따라 상기 공작물에 대해 상기 성형 공구를 이동시키는 한편 상기 궤도 경로의 형상을 동시에 변화시키며, 이에 의해 연속적으로 축방향으로 변화하는 궤적의 비원형 홀이 고속으로 그리고 고정밀도로 상기 공작물에 형성되는 축방향 움직임 제어기를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 자기 베어링 클러스터는 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 자석 스테이터들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 2 항에 있어서, 상기 제 1 자기 베어링 클러스터의 상기 적어도 세개의 자석 스테이터들에 근접한 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 제 1 위치 센서들을 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 3 항에 있어서, 상기 제 2 자기 베어링 클러스터는 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 자석 스테이터들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 4 항에 있어서, 상기 제 2 자기 베어링 클러스터의 상기 적어도 세개의 자석 스테이터들에 근접한 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 제 2 위치 센서들을 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 자기 베어링 클러스터는 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트(coordinate) 자석 스테이터들과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들을 포함하고, 상기 X-코디네이트 자석 스테이터들은 상기 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에서와 보통 이들과 공동 평면에서 이격되어 있는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 6 항에 있어서, 상기 방사상 베어링 제어기는 상기 제 1 자기 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들에 인접한 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 위치 센서들과 상기 제 1 자기 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들에 인접한 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 위치 센서들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 7 항에 있어서, 상기 제 1 자기 베어링 클러스터는 상기 대응하는 X-코디네이트와 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에 형성된 상기 공통 평면 내에서 상기 스핀들의 제 1 영역상에 배치된 제 1 로터를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 8 항에 있어서, 상기 제 2 자기 베어링 클러스터는 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들을 포함하고, 상기 X-코디네이트 자석 스테이터들은 상기 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에서와 보통 이들과 공동 평면에서 이격되어 있는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 9 항에 있어서, 상기 방사상 베어링 제어기는 상기 제 2 자기 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들에 인접한 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 위치 센서들과 상기 제 2 자기 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들에 인접한 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 위치 센서들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 10 항에 있어서, 상기 제 2 자기 베어링 클러스터는 상기 대응하는 X-코디네이트와 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에 형성된 상기 공통 평면 내에서 상기 스핀들의 제 2 영역상에 배치된 제 2 로터를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 9 항에 있어서, 상기 방사상 베어링 제어기는 비선형 비례 증분으로 상기 제 1 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 X-코디네이트 자석들 각각에 대한 전류 공급을 변화하기 위한 가변 전류 발생기를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 축방향 움직임 제어기는 공작물 홀더를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 축방향 축선에 관해서 상기 성형 공구의 환형 위치를 결정하기 위한 회전 위치 센서를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 체.
제 14 항에 있어서, 상기 성형 공구는 상기 궤도 경로 둘레에서 하나의 랩(lap)을 완료하는 동시에 상기 축방향 축선에 관해서 일 회전을 완료하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 성형 공구는 상기 축방향 축선에 관해서 보통 동일한 아치형 증분으로 배치된 복수의 첨단형(point-like) 절단 에지들에서 끝나는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 성형 공구는 첨단형 절단 에지에서 끝나는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 17 항에 있어서, 상기 절단 에지와 상기 궤도 경로 사이에서 연속적인 경사 각도를 유지하기 위한 절단 에지 제어기를 부가로 포함하고, 상기 경사 각도는 상기 축방향 축선으로부터 상기 절단 에지까지 연장하는 반경과 상기 궤도 경로를 따른 어떤 지점에 대한 접선 사이의 각도에 의해 한정되는 최적의 절단 각도를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 18 항에 있어서, 상기 경사 각도는 실질적으로 직각인 자기 부상 고속 스 핀들 조립체.
제 18 항에 있어서, 상기 궤도 경로는 불규칙 형상인 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 1 항에 있어서, 하우징을 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 21 항에 있어서, 상기 하우징에 대해 상기 스핀들의 축방향 운동을 제한하기 위해 상기 스핀들과 관련된 자기 추력 베어링을 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 21 항에 있어서, 상기 축방향 축선에 관해서 상기 스핀들을 가압적으로 회전시키기 위해 상기 하우징 내에 배치된 구동 모터를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 21 항에 있어서, 상기 하우징은 적어도 두개의 보조 베어링들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
공작물내에 비원형 표면을 형성하기 위한 자기 부상 고속 스핀들 조립체로 서,

후방 단부와 성형 단부 사이에서 축방향 축선을 따라 연장하는 확대된 스핀들과,

상기 성형 단부에 인접한 상기 스핀들로부터 방사방향 외향으로 연장하고, 첨단형(point-like) 절단 에지에서 끝나는 성형 공구와,

상기 축방향 축선에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 상기 성형 공구에 근접한 상기 스핀들을 지지하는 제 1 자기 베어링 클러스터와,

상기 제 1 자기 베어링 클러스터로부터 이격되고, 상기 축방향 축선에 관해서 자기 부상 회전하기 위해 상기 성형 단부로부터 떨어진 상기 스핀들을 지지하는 제 2 자기 베어링 클러스터와,

상기 스핀들의 자기 부상 회전 중에 상기 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하고, 상기 절단 에지가 상기 공작물내에 대응적으로 형성된 비원형 홀을 형성하도록 미리 결정된 비원형 궤도 경로내로 상기 성형 단부를 이동시키기 위해 상기 제 1 및 제 2 자기 베어링 클러스터들을 독립적으로 제어하는 방사상 베어링 제어기, 및

상기 절단 에지와 상기 궤도 경로 사이에 연속적인 경사 각도를 유지하기 위한 절단 에지 제어기를 포함하고,

상기 경사 각도는 상기 축방향 축선으로부터 상기 절단 에지까지 연장하는 반경과 상기 궤도 경로를 따른 어떤 지점에 대한 접선 사이의 각도에 의해 한정되는 최적의 절단 각도를 포함하며, 이에 의해 상기 비원형 홀이 향상된 정밀도로 형 성되고 상기 조립체는 보다 높은 회전 속도와 커다란 스핀들 안정성으로 작동하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 25 항에 있어서, 상기 경사 각도는 실질적으로 직각인 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 25 항에 있어서, 상기 궤도 경로는 불규칙 형상인 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 25 항에 있어서, 상기 제 1 자기 베어링 클러스터는 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 자석 스테이터들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 28 항에 있어서, 상기 제 1 자기 베어링 클러스터의 상기 적어도 세개의 자석 스테이터들에 근접한 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 제 1 위치 센서들을 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 29 항에 있어서, 상기 제 2 자기 베어링 클러스터는 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 자석 스테 이터들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 30 항에 있어서, 상기 제 2 자기 베어링 클러스터의 상기 적어도 세개의 자석 스테이터들에 근접한 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 제 2 위치 센서들을 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 25 항에 있어서, 상기 제 1 자기 베어링 클러스터는 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들을 포함하고, 상기 X-코디네이트 자석 스테이터들은 상기 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에서와 보통 이들과 공동 평면에서 이격되어 있는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 32 항에 있어서, 상기 방사상 베어링 제어기는 상기 제 1 자기 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들에 인접한 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 위치 센서들과 상기 제 1 자기 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들에 인접한 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 위치 센서들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 33 항에 있어서, 상기 제 1 자기 베어링 클러스터는 상기 대응하는 X-코 디네이트와 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에 형성된 상기 공통 평면 내에서 상기 스핀들의 제 1 영역상에 배치된 제 1 로터를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 34 항에 있어서, 상기 제 2 자기 베어링 클러스터는 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들을 포함하고, 상기 X-코디네이트 자석 스테이터들은 상기 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에서와 보통 이들과 공동 평면에서 이격되어 있는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 35 항에 있어서, 상기 방사상 베어링 제어기는 상기 제 2 자기 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들에 인접한 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 위치 센서들과 상기 제 2 자기 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들에 인접한 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 위치 센서들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 36 항에 있어서, 상기 제 2 자기 베어링 클러스터는 상기 대응하는 X-코디네이트와 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에 형성된 상기 공통 평면 내에서 상기 스핀들의 제 2 영역상에 배치된 제 2 로터를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 35 항에 있어서, 상기 방사상 베어링 제어기는 비선형 비례 증분으로 상기 제 1 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 X-코디네이트 자석들 각각에 대한 전류 공급을 변화하기 위한 가변 전류 발생기를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 25 항에 있어서, 상기 축방향 축선에 관해서 상기 성형 공구의 환형 위치를 결정하기 위한 회전 위치 센서를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 39 항에 있어서, 상기 성형 공구는 상기 궤도 경로 둘레에서 하나의 랩을 완료하는 동시에 상기 축방향 축선에 관해서 일 회전을 완료하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 25 항에 있어서, 상기 축방향 축선을 따라 상기 공작물에 대해 상기 성형 공구를 이동시키는 한편 상기 궤도 경로의 형상을 동시에 변화시키며, 이에 의해 연속적으로 축방향으로 변화하는 궤적의 비원형 홀이 고속으로 그리고 고정밀도로 상기 공작물에 형성되는 축방향 움직임 제어기를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 41 항에 있어서, 상기 축방향 움직임 제어기는 공작물 홀더를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 25 항에 있어서, 하우징을 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 43 항에 있어서, 상기 하우징에 대해 상기 스핀들의 축방향 운동을 제한하기 위해 상기 스핀들과 관련된 자기 추력 베어링을 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 43 항에 있어서, 상기 축방향 축선에 관해서 상기 스핀들을 가압적으로 회전시키기 위해 상기 하우징 내에 배치된 구동 모터를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
제 43 항에 있어서, 상기 하우징은 적어도 두개의 보조 베어링들을 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립체.
치수적으로 변화하는 축방향 궤적을 갖는 불규칙한 홀을 공작물내에 형성하기 위한 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법으로서,

축방향 축선을 갖는 스핀들의 일 단부에 방사방향으로 연장하는 성형 공구를 부착하는 단계와,

상기 축방향 축선에 관해서 회전하기 위해 상기 성형 공구에 인접한 상기 스핀들의 제 1 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 단계와,

상기 제 1 영역으로부터 이격되고 상기 성형 공구로부터 떨어진 상기 스핀들의 제 2 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 단계와,

상기 제 1 및 제 2 자기 부상 자장들 내의 상기 스핀들을 상기 축방향 축선에 관해서 회전시키는 단계와,

상기 제 1 및 제 2 자기 부상 자장들을 변화시키고 미리 결정된 비원형 궤도 경로내로 상기 성형 공구를 이동시킴으로써 상기 스핀들의 회전 중에 상기 제 1 및 제 2 영역에서 상기 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하는 단계, 및

상기 제 1 및 제 2 영역에서 상기 축방향 축선의 상기 방사상 위치를 조절하는 상기 단계와 동시에 상기 축방향 축선을 따라 상기 공작물에 대해 상기 성형 공구를 이동시킴으로써 상기 공작물 내에 불규칙적이고 축방향으로 변화하는 궤적의 홀을 형성하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 47 항에 있어서, 상기 스핀들의 상기 제 1 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 상기 단계는 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 자석 스테이터들을 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에 위치 설정하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 48 항에 있어서, 상기 스핀들의 상기 제 2 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 상기 단계는 보통 동일한 아치형 증분으로 적어도 세개의 자석 스테이터들을 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에위치 설정하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 49 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 영역에서 상기 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하는 상기 단계는 상기 제 1 영역의 상기 적어도 세개의 자석 스테이터들에 근접한 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 적어도 세개의 제 1 위치 센서들을 이격시키는 단계와, 상기 제 2 영역의 상기 적어도 세개의 자석 스테이터들에 근접한 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 적어도 세개의 제 1 위치 센서들을 이격시키는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 47 항에 있어서, 상기 스핀들의 상기 제 1 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 상기 단계는 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들을 위치 설정하는 단계와, 상기 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에서와 보통 공동 평면에서 상기 X-코디네이트 자석 스테이터들을 이격시키는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 51 항에 있어서, 상기 스핀들의 상기 제 2 영역에 관해서 자기 부상 자장 을 확립하는 상기 단계는 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들을 위치 설정하는 단계와, 상기 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에서와 보통 공동 평면에서 상기 X-코디네이트 자석 스테이터들을 이격시키는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 52 항에 있어서, 비선형 비례 증분으로 상기 제 1 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 X-코디네이트 자석들 각각에 대한 전류 공급을 변화하는 단계를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 52 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 영역에서 상기 축방향 축선의 상기 방사상 위치를 조절하는 상기 단계는 상기 자석 스테이터들의 각각에 인접한 위치 센서를 고정하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 47 항에 있어서, 상기 공작물에 대해 상기 성형 공구를 이동시키는 상기 단계는 상기 공작물을 이동시키는 동안 축방향으로 고정된 상기 스핀들을 유지하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 47 항에 있어서, 상기 홀을 형성하는 상기 단계 중에 상기 축방향 축선에 관해서 상기 성형 공구의 순간적인 환형 위치를 결정하는 단계를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 56 항에 있어서, 상기 성형 공구가 상기 궤도 경로 둘레에서 하나의 랩을 완료하는 동시에 상기 축방향 축선에 관해서 일 회전을 완료하도록 상기 성형 공구의 환형 속도를 타이밍하는 단계를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 47 항에 있어서, 상기 성형 공구의 상기 절단 에지와 상기 궤도 경로 사이에 연속적인 경사 각도를 유지하는 단계를 부가로 포함하고, 여기서 상기 경사 각도는 상기 축방향 축선으로부터 상기 절단 에지까지 연장하는 반경과 상기 궤도 경로를 따른 어떤 지점에 대한 접선 사이의 각도에 의해 한정되는 최적의 절단 각도를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 58 항에 있어서, 연속적인 경사 각도를 유지하는 단계는 실질적으로 직각으로 상기 경사 각도를 유지하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 58 항에 있어서, 불규칙 형상으로 상기 궤도 경로를 안내하는 단계를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
공작물내에 비원형 홀을 형성하기 위한 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법으 로서,

성형 공구상에 절단 에지를 형성하는 단계와,

상기 절단 에지가 축방향 축선으로부터 방사방향 외향으로 위치 설정되도록 축방향 축선을 갖는 스핀들의 일 단부에 상기 성형 공구를 부착하는 단계와,

상기 축방향 축선에 관해서 회전하기 위해 상기 성형 공구에 인접한 상기 스핀들의 제 1 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 단계와,

상기 제 1 영역으로부터 이격되고 상기 성형 공구로부터 떨어진 상기 스핀들의 제 2 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 단계와,

상기 제 1 및 제 2 자기 부상 자장들 내의 상기 스핀들을 상기 축방향 축선에 관해서 회전시키는 단계와,

상기 제 1 및 제 2 자기 부상 자장들을 변화시키고 상기 공작물 내에 상기 비원형 홀을 형성하기 위해 미리 결정된 비원형 궤도 경로 내로 상기 절단 에지를 이동시킴으로써 상기 스핀들의 회전 중에 상기 제 1 및 제 2 영역에서 상기 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하는 단계, 및

상기 절단 에지와 상기 궤도 경로 사이에 연속적인 경사 각도를 유지하는 단계를 포함하고,

상기 경사 각도는 상기 축방향 축선으로부터 상기 절단 에지까지 연장하는 반경과 상기 비원형 궤도 경로를 따른 어떤 지점에 대한 접선 사이의 각도에 의해 한정되는 최적의 절단 각도를 포함하며, 이에 의해 상기 비원형 홀이 향상된 정밀도로 형성되고 상기 스핀들은 보다 높은 회전 속도와 커다란 안정성으로 작동하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 61 항에 있어서, 연속적인 경사 각도를 유지하는 단계는 실질적으로 직각으로 상기 경사 각도를 유지하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 61 항에 있어서, 불규칙 형상으로 상기 궤도 경로를 안내하는 단계를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 61 항에 있어서, 상기 홀을 형성하는 상기 단계 중에 상기 축방향 축선에 관해서 상기 성형 공구의 순간적인 환형 위치를 결정하는 단계를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 64 항에 있어서, 상기 성형 공구가 상기 궤도 경로 둘레에서 하나의 랩을 완료하는 동시에 상기 축방향 축선에 관해서 일 회전을 완료하도록 상기 성형 공구의 환형 속도를 타이밍하는 단계를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 61 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 영역에서 상기 축방향 축선의 상기 방사상 위치를 조절하는 상기 단계와 동시에 상기 축방향 축선을 따라 상기 공작물 에 대해 상기 성형 공구를 이동시킴으로써 상기 공작물 내에 불규칙적이고 축방향으로 변화하는 궤적의 홀을 형성하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법
제 66 항에 있어서, 상기 공작물에 대해 상기 성형 공구를 이동시키는 상기 단계는 상기 공작물을 이동시키는 동안 축방향으로 고정된 상기 스핀들을 유지하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 61 항에 있어서, 상기 스핀들의 상기 제 1 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 상기 단계는 보통 동일한 아치형 증분으로 이격된 적어도 세개의 자석 스테이터들을 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에 위치 설정하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 68 항에 있어서, 상기 스핀들의 상기 제 2 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 상기 단계는 보통 동일한 아치형 증분으로 적어도 세개의 자석 스테이터들을 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에 위치 설정하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 69 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 영역에서 상기 축방향 축선의 방사상 위치를 조절하는 상기 단계는 상기 제 1 영역의 상기 적어도 세개의 자석 스테이터 들에 근접한 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 적어도 세개의 제 1 위치 센서들을 이격시키는 단계와, 상기 제 2 영역의 상기 적어도 세개의 자석 스테이터들에 근접한 상기 축방향 축선에 관해 공통 평면에서 보통 동일한 아치형 증분으로 적어도 세개의 제 1 위치 센서들을 이격시키는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 61 항에 있어서, 상기 스핀들의 상기 제 1 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 상기 단계는 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들을 위치 설정하는 단계와, 상기 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에서와 보통 공동 평면에서 상기 X-코디네이트 자석 스테이터들을 이격시키는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 71 항에 있어서, 상기 스핀들의 상기 제 2 영역에 관해서 자기 부상 자장을 확립하는 상기 단계는 한 쌍의 대향하는 X-코디네이트 자석 스테이터들과 한 쌍의 대향하는 Y-코디네이트 자석 스테이터들을 위치 설정하는 단계와, 상기 Y-코디네이트 자석 스테이터들 사이에서와 보통 공동 평면에서 상기 X-코디네이트 자석 스테이터들을 이격시키는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 72 항에 있어서, 비선형 비례 증분으로 상기 제 1 베어링 클러스터의 상기 한 쌍의 X-코디네이트 자석들 각각에 대한 전류 공급을 변화하는 단계를 부가로 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.
제 72 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 영역에서 상기 축방향 축선의 상기 방사상 위치를 조절하는 상기 단계는 상기 자석 스테이터들의 각각에 인접한 위치 센서를 고정하는 단계를 포함하는 자기 부상 고속 스핀들 조립 방법.