本发明涉及一种机床用的主轴，该主轴包括一后主轴部分和一前主轴部 分，其中，后主轴部分和前主轴部分均可相互相对地围绕同一轴线转动。本发 明的主轴包括一个或多个弹簧元件，它们在后主轴部分和前主轴部分之间延 伸，由此，前主轴部分和后主轴部可以预定量转动，并且前主轴部分的转动限 制在该量上，施加于后主轴部分的一附加转动使弹簧变形，由此在前后主轴部 分之间产生一扭矩。
本发明还包括一种控制方法，该方法的目的在于控制一个主轴的位置，该 主轴通常为齿轮构件主轴，而不是控制施加在主轴上的扭矩。以这种方法，通 过如计算机数控设备(CNC)，齿轮构件主轴的位置可相对于小齿轮构件主轴 位置而受到控制。当小齿轮构件以某一速度转动时，通过CNC控制器可以(根 据它们的齿数比)保持齿轮构件与小齿轮配合。可以要求齿轮构件主轴包括附 加的转动组件，实际中，这些组件可促进或减缓与小齿轮相对的齿轮转动。

图1示意性地示出了一种已知的研磨机。
图2示出了图1机器的主轴配置的俯视图。
图3示出了根据本发明的主轴的轴剖视图。
图4示出了本发明的弹簧元件的放大视图。
图5示出了一定位螺丝的放大视图，该定位螺丝用于使图4中的主轴的弹 簧元件轴向定位。

以下，将参照附图说明本发明的细节。
图1示出了一种研磨机，该研磨机用标号20表示。这种研磨机为上述美 国专利No.6,120,355中揭示的那种类型。为了便于观察机器的不同组件，图1 示出的机器20不带有门和外部金属板。机器20包括一单个柱状物22，该柱状 物22也可以被认为是机器的框架或基座。柱状物22至少包括三个侧面，最好 为四个侧面，其中至少有两个侧面，第一侧面24和第二侧面26，它们是相互 垂直的。第一侧面和第二侧面均由一宽度和一高度构成(参见图1)。
第一侧面24包括一第一工件主轴28，该工件主轴可围绕AG转动(图2)， 并且最好由一直接驱动电动机30驱动，该电动机可安装在前后主轴轴承(未 图示)之间。主轴可沿第一侧面24的宽度以方向G在与柱状物直接相连的一 路径32上运动。方向G中的主轴28的运动可由电动机34通过一直接连接的 滚珠丝杠(未图示)来提供。较佳地，斜齿圈构件36通过本技术领域中已知 的适合的工件保持设备可释放地安装在主轴28上。
第二侧面26包括第二工件主轴38，该工件主轴可围绕轴线AP(图2)转 动，并且最好由一直接驱动电动机40驱动，该电动机40可安装在前后主轴轴 承(未图示)之间，而电动机可使小齿轮的转速约达到4000RPM。电动机30的 每分钟转速应为：小齿轮的每分钟转速/齿轮比。齿轮比的定义为：齿轮构件 的齿数/小齿轮构件的齿数。
主轴38可沿第二侧面26的宽度以方向H在与滑动件44相连的路径42上 活动。主轴38沿方向H的活动是由电动机46通过直接连接的滚珠丝杠而提供 的。较佳地，小齿轮构件48通过本技术领域中已知的适合的工件保持设备可 释放地安装在主轴38上。由于滑动件44可通过路径50以V方向移动，因此， 工件主轴38还可以沿第二侧面26的高度移动，而此种移动是由电动机52通 过一直接连接的滚珠丝杠来提供的。方向G、H和V相互垂直。为了便于实践 和说明，在图1中方向V是垂直的。
第一工件主轴28以方向G的移动、第二工件主轴38以方向H的移动、滑 动件44以方向V的移动以及第一主轴和第二主轴的转动分别由独立的驱动电 动机34、46、52、30和40提供的。上述组件可以相互独立运动，或者也可以 相互同时运动。相应电动机中的每一个同一反馈装置相联，反馈装置例如是作 为CNC系统的部件的线性或转动编码器(未图示)，它可以根据输入计算机控 制器的指令控制驱动电动机的运行，其中的计算机控制器例如可为Fanuc 1601 型。
用于保持研磨混合剂的容器一般可放置在与第二侧面26相邻的工作腔室 区域的下面，其轮廓由标号54表示。以这种方式，容器可以保持在外部金属 板壳体内，由此使机器的占地大小最小化。同样地，柱状物22的挖去区域56 可以包括在柱状物远离主轴的一个区域处，该区域56可用于放置任何必须的 电气变压器。以这种结构，这些电气组件也可以保留在外部金属板壳体内，但 又能与主轴隔得足够远，这样电气组件辐射出的热量不会对主轴的精度或其它 公差敏感元件产生负面影响。
以直接驱动的主轴28和38，而不采用远程驱动的电动机、传动带以及皮 带轮，这可以大大减少并简化驱动系统的动力。
然而，即使采用了直接驱动的主轴，当齿轮组一起滚动时所产生的齿对齿 的动态力会受到惯量、弹簧刚度以及两主轴的阻尼特性很大影响。这三种特性 同摩擦以及其它偶然因素一起联合产生了主轴的总的动态响应。
研磨和测试的一个目标是控制转动构件之间的力(扭矩)。为了能控制力， 柔度(compliance)常常是有益的。柔度是与刚度的倒数，它确定了位置和力 之间的关系。例如，在一种很柔性的系统中，对力的作用微乎其微，而位置可 以变化很大，但在一种极不柔性的系统中，位置很小的变化就会导致力产生很 大的变化。
本发明采用柔度作为控制力的方法。较佳的，柔度可以以位于一个或两个 主轴上的转动感应件来实现。更佳地，柔度可以在齿轮主轴(例如图1或图2 中标号28所指出的)上实现。
图3示出了根据本发明的一主轴60。该主轴60包括两个部分，一后主轴 62以及一前主轴64，每个主轴均围绕同一轴线As转动。需理解的是，术语“后” 和“前”是选择用来描述主轴60组件的相对定位关系的关系术语，而并不表 明主轴60任何特定的方向。主轴60可以被以任何位置定向，而并不仅限于如 图3所示的基本水平的位置。
后主轴62结合有一直接驱动电动机(未图示)，需被研磨的齿轮被夹持 在工件保持设备(未图示)中，而工件保持设备螺栓连接于前主轴64上。前 主轴64在轴承66上相对于后主轴62转动。后主轴62和前主轴64通过一个 或多个弹簧元件68(图中仅示出一个)连接在一起，较佳地可使用三个弹簧元 件。或者，在后主轴62和前主轴64之间可以设置一阻尼元件70。后主轴62 保持固定，而前主轴64以及一工件可以自由转动(在弹簧元件的实际范围之 内)，如果前主轴64相对后主轴62转动，前主轴将会受到安装在主轴60中 的弹簧元件68以及任何阻尼元件70的有形力的作用。弹簧元件68可提供的 力与转动位移相对并且为关于转动位移的一函数。
图4和图5分别为弹簧元件68和定位螺杆80的放大视图。弹簧元件68 为一悬臂式元件，它包括：一第一端部72，该端部可定位在后主轴62内；一 梁部分69；一基本圆筒形的第二端部74，该端部具有一开孔76，最好是带有 螺纹的，它可用于连接定位螺杆80。虽然图中示出较佳形式为球形，但第一端 部或尖端72也可以为任何适于插入后主轴62中的形状。后主轴62可包括一 个用于接纳球形的第一端部72的孔71。
定位螺丝80包括一第一端部82，该端部最好是带有螺纹的，它可通过螺 纹插入至开孔76内而与弹簧元件68相连。定位螺杆80还包括一第二端部84， 该端部具有螺纹以及一驱动插孔86。当弹簧元件68和定位螺杆80固定在一起 时，该组装件可通过位于前主轴64前面的带有螺纹的开孔65(图3)插入。 通过在驱动孔86内的扭转动作，组装件可以前进，以使第一端部72定位在后 主轴62内，由此使弹簧元件68轴向固定在位，以阻止后主轴62和前主轴64 之间的相对转动。或者，弹簧元件68和定位螺杆80也可以形成为一单个单元。
这样，弹簧元件68的第二端部74作为一个悬臂件与前主轴64固定(通 过定位螺杆80)。球形尖端72最好被机加工成本身作为单一元件的弹簧68。 尖端72的球形可紧密配合在后主轴62中的孔71内。在弹簧变形的过程中， 当孔71内的弹簧尖端的角度和轴向距离改变时，尖端72仅球形部分与孔71 接触。这实现了一种几乎不带摩擦和齿间隙的简支梁的加载。无论通过开孔65 插入所得的转动位置如何，圆形截面梁69都同样可以使弹簧元件68起作用。
如弹簧设计技术领域中已知的那样，梁69的截面直径随着其长度变化， 以使总的弹簧变形最大化，并且沿其长度产生均匀的弯曲应力。不同的弹簧刚 度可以通过制造不同长度和/或截面的梁来实现。弹簧的变形可受到主轴上的 止动装置机械地限制，这种止动装置较佳为机械硬止动件的形式，以防止弹簧 元件的变形超过它的疲劳极限。
随着前主轴64转动的所有部件的惯量提供了一个力，该力与施加在前主 轴上的加速度相反并呈线性关系。这样，相对于后主轴62的前主轴64的动力 成为关于前主轴惯量(前主轴64、工件保持设备以及工件，即一齿轮)、弹簧 元件和阻尼元件的一个函数。必须选择适合该惯量的弹簧和阻尼元件的量值来 控制齿轮的动态响应。
后主轴62结合有一个直接驱动电动机(未图示)，该电动机是伺服控制 的。通过输入到可提供适当电子阻尼和刚性的机器控制器内的伺服控制算法， 可以控制后主轴62的动态。
较佳地，小齿轮主轴(主动主轴)也可以结合一伺服控制的直接驱动电动 机。小齿轮被夹在与主轴螺栓固定的工件保持设备中。所有这些元件作为一个 整体而一同转动。可以用一种伺服控制的算法来提供适当的电子阻尼和刚性。
与现有技术中的阻尼或测试机器相比，本发明的主轴60(通常为齿的心轴) 未采用扭矩控制模式的主轴电动机，并且不采用任何可产生负载的机械制动 器。取而代之的是，根据将在机构中运行的部件的齿数的比率，后主轴62的 转动将以一种关于小齿轮主轴的转动而进行时间控制的关系锁定。因此，后主 轴62的伺服控制的目标是控制后主轴62的位置，而不是施加于后主轴62的 扭矩。
采用有形弹簧元件而不使用电子电动机扭矩控制的优点在于，控制这些简 单装置的物理定律的应用不会带来数字量化噪音或计算机数字控制(CNC)频 率限制。与任何真实的齿轮组相关的运动传输误差会对弹簧元件的变形造成少 量的动态改变，并且如果采用阻尼器时，也会对阻尼器变形产生影响。由于这 些变形可以由弹簧元件以及诸如阻尼器之类的任何其它的柔性元件吸收，因此 同非柔性的主轴相比，运动传输误差对伺服控制过程产生的影响极小。
此外，这些机械元件的动态物理属性可以有利地用在研磨过程中。由于允 许齿轮组运动传输误差动态地使弹簧变形，扭矩的名义值不确切地保持为一常 数，但是在弹簧的实例中，扭矩可随着变形量加大而增加，随着其减少而递减。 由于研磨凸点的力比凹点的力更大，这种效应可以被用来改善齿轮组的运动传 输误差(例如齿轮的偏心率以及小齿轮的偏心率)。
正确的选择弹簧、阻尼器以及前主轴的惯量，可以将所需的响应传递至运 动传输误差。根据二级系统的已知的动态分析，从将运动传动误差传输到齿轮 的小齿轮的观点出发，齿轮可以主要作惯量、主要作为一弹簧、主要作为一阻 尼器起作用，或者也可以主要作为任意一些或所有上述这些的结合而起作用。 此外，作用类型是关于运动传输误差的频率内容的函数。
在这样一种二级系统中，如果激励频率(施加的运动传输误差)足够高， 那么，前主轴和齿轮将像一惯量那样起作用。如果频率足够低，它将像一弹簧 那样起作用。从低频的弹簧状属性向高频的惯量状属性的转变所采用的方式以 及所采取的频率可以受到选择的弹簧、阻尼器以及惯量值的控制。
一般而言，由于力与施加的运动传输误差的相位差180度，因此，在研磨 过程中应当避免周期性运动误差的惯量响应。一般而言，由于力与激励频率正 好是同相的，因此，弹簧响应是良好的。换言之，如果响应是惯量的，高点以 较小的力研磨，而低点以较大的力研磨。这就意味着，高点不会由于研磨而被 去除，而实际中，它们将变得更加显著。另一方面，如果响应象一弹簧，高点 将以较大的力被研磨，而低点以较小的力被研磨，这样研磨可以减少运动误差 的大小。
由齿轮组运动而引起的力的变化叠加在所需的平均力能级的顶上。这样， 通过控制后主轴62和前主轴64之间的物理柔性元件的位移，可以控制机器上 齿轮构件之间的平均力。除了结合小齿轮主轴位置控制后主轴62的位置，或 使后主轴的位置从属于小齿轮主轴位置，当零件啮合以相对于后主轴62来控 制前主轴64的相对位移、速度和加速度时，会使后主轴64的产生附加的运动。 通过了解特定弹簧和阻尼元件的动态响应，可以确定在齿轮组构件之间产生所 需力的位移轨迹。
弹簧元件68可以提供一个与旋转位移相反的力，并且该力是关于旋转位 移的一个函数。除了图中68所示的形式之外，弹簧元件还能以其它形式实现， 例如位于转动构件之间的拉伸或压缩螺旋弹簧、直接扭转的圆柱体或套管或直 接扭转的螺旋弹簧。或者，弹簧元件也可以设置在工件保持设备的轴中或主轴 的其它附加零件中。弹簧元件68可提供直线性的弹簧刚度、较小的摩擦力和 较小的滞后作用。无需拆开主轴60，该主轴60就可以改动主轴前面的弹簧元 件68。因此，根据被研磨或测试的特定任务，可以选择较弱或较硬的弹簧元件。
任选的阻尼元件70可提供与前主轴64相对于后主轴62的速度相反的力， 并且该力是关于该速度的一个函数。阻尼元件70可以为一种液压机构、流体 剪切或弹性体元件的形式。其中弹性体元件的元件是较佳的。通过改变几何尺 寸和材料，根据加工的需要可以改变阻尼度。
如上所述，在本发明的主轴中可以使用任意数量的弹簧元件68，其中三个 是较佳的。每个弹簧元件最好可具有一个圆截面的梁69(长度约为4英寸 (101.60毫米))，它平行于主轴设置并且等距地设置在直径为3.75英寸(95.25 毫米)圆形上，这样前主轴64相对于后主轴62的转动使每个弹簧如一简支梁 那样变形。弹簧元件可以由任何适合的弹簧材料制成，而如弹簧应用已知的， 其中经过热处理的铬钒合金钢是较佳的。单个弹簧元件产生的位移弹簧刚度约 为185磅/英寸(lbs./in)，而一主轴中的三个这样的弹簧元件一同产生的转 动弹簧刚度约为25英寸-磅/度(in-lbs./deg)。
先前的一个目的在于，通过控制施加于一主轴的扭矩，通常为施加于齿轮 构件的主轴的扭矩，可提供齿轮组构件之间的扭矩。这种施加的扭矩可以来自 机械制动器、液压电动机、电子电动机控制器或其它方法。这些方法的目标在 于，无论齿轮构件主轴(通过齿轮啮合)的位置和速度如何，通过小齿轮构件 主轴可以保持所需的扭矩。
尽管，本发明的主轴也可以在上述已知的扭矩控制装置下进行工作，但它 也可以在本发明的一种控制方法下工作，该方法的目的是控制齿轮构件主轴的 位置，而不是施加于其上的扭矩。在这种方法中，通过诸如CNC控制器之类的 装置，可以相对于小齿轮构件主轴的位置来控制齿轮构件主轴位置。也可以使 一主轴从属于另一主轴工作，这可以通过一电子齿轮箱(EGB)来实现。另一 选择是独立地但以指令协调的方式控制两主轴。
本发明方法的一个目的在于，根据安装的齿轮组构件的齿数比来保持齿轮 和小齿轮主轴的位置。当小齿轮构件以某一速度转动时，通过CNC控制器可以 (根据它们的齿数比)保持齿轮构件与小齿轮配合。这种位置关系可以被称为 “联动位置”。此外，可以要求齿轮构件的主轴包括附加的转动组件，实际上， 这些组件可以增进或减缓齿轮相对于小齿轮的转动。这些附加转动组件可以被 称之为“卷绕命令”。
举例说明，如上所述设置的三个弹簧元件可以被用在美国专利 No.6,120,355中在先描述的那种类型的研磨机的主轴中，该研磨机可用于研磨 汽车的准双曲面齿轮组，而该齿轮组包括具有41个齿的小齿轮构件以及包括 11个齿的齿轮构件。齿轮构件安装在本发明的主轴上。研磨扭矩选定为50英 寸-磅。当齿轮和小齿轮啮合时，并且通过CNC伺服运动控制器使小齿轮主轴 和后齿轮主轴锁定为11×41转动关系(基于41∶11的齿数比)，主轴加速至 3000小齿轮RPM的研磨速度。弹簧梁不会变形，这样，施加在齿轮对构件之间 的扭矩极小。接着，命令齿轮后主轴额外转动2度。由于齿轮的前主轴不能转 动(实际地受到小齿轮啮合的限制)，由于弹簧元件转动2度，弹簧元件发生 变形这种变形量可以达到所需的50英寸-磅的齿轮组扭矩。当V、H和G轴线 进行少量研磨运动时，可命令齿轮构件主轴进行附加的补偿运动，以保持所需 的弹簧变形。
小齿轮构件主轴和齿轮构件主轴均具有旋转编码器，以测定它们的位置。 由于这些编码器不直接安装在齿轮和小齿轮构件上，因此，在这些编码器和它 们相应的齿轮组构件之间存在一定的旋转机械柔性。柔性的一个来源是齿轮组 齿的本身，这些齿在受到负载作用时是会弯曲的。因此，当卷绕运动受到啮合 的齿轮组构件的支配时，如旋转编码器所测得的，仍然可能获得那些卷绕主轴 的位置，但需要一些电动机扭矩来实行这种柔性。这样，在需被研磨或测试的 齿轮组构件之间可感觉到该扭转的一部分。
这种柔性效应可以用来在研磨过程中实现所需的平均齿轮组扭矩。卷绕运 动的大小可基于对该系统柔性性的了解。如果需要极小的卷绕运动，则可以利 于齿轮组齿、轴杆，其它直列式设置的装置以及主轴本身的内在柔性。如果需 要较大的卷绕运动，如本发明的主轴已证明的，可将附加柔性设计结合到一个 或多个主轴中。
控制主轴位置而不是控制施加于主轴的扭矩的益处在于，这样可以控制平 均齿轮力的量值，而不是控制瞬间的量值。实际上，当齿轮齿表面的高点和低 点滚过啮合点时，瞬间力的量值就可以较高或较低。由于高点研磨施加的力比 低点施加的力大，这将有助于使高点减小，因此这样的研磨过程的质量是上佳 的。而原先的扭矩控制方法则无论高点或低点都保持相同的扭矩。
只要变形量是恒定的或变化很慢，任何其特征表现为一真实阻尼响应的阻 尼元件都不会提供扭矩。
虽然，本发明是关于一研磨机进行论述与说明的，但本发明的主轴和控制 方法也可以被包括在用于圆柱齿轮、斜齿轮以及准双曲面齿轮的测试机器中， 以及被包括在诸如磨床、剃齿机或珩床等其它类型的精加工机器中。在测试机 器中，齿轮对的一个构件的齿面(通常为齿轮构件)覆有涂色剂，而后这对构 件在轻微的负载下一同运转。与配合的小齿轮构件的齿面接触的齿面区域上的 涂色剂会被除去，从而一种接触形式或“印迹”会在齿轮的齿面上显露出来。 这样，就可以估算接触形式的位置和长度。
尽管本发明还设想可使用具有非圆形截面的弹簧。例如，可以使用平面的 或椭圆形的弹簧。然而，应予注意的是，当安装非圆形弹簧时，为了变形而又 不受到损坏，弹簧必须以适当的方向设置。
本发明是参照较佳实施例描述的，但需理解的是，本发明并不仅限于这些 特例。本发明还包括一些变化形式，在不脱离所附权利要求的精神和范围的前 提下，这些变化形式是本发明所属的技术领域的熟练人员能够显而易见的。
本申请要求1999年12月17日提交的美国临时申请No.60/172,461的权 益。