主轴驱动系统及使用这种系统加工构件的方法.pdf

具体实施方式

图1显示了根据本发明的系统10，包括从动轴12，从动轴12上安装有刀头11，刀头11用于处理材料和/或从所述系统10所处的管状件T去除材料。只要内部横截面沿长度的轮廓不变，所述管T可具有任何内部横截面和外部横截面。实际上，在一些实施例中，所述管的两端甚至不需要是开口的。所述刀头11可为，例如，刀头、铣削头、切削头、切削工具、磨光机、抛光机或钻机，在下文称为刀头，但不用于由此进行任何限制。电机17(例如，在一个方面，为同步电机，例如，在一个方面，为33.4KW，11,100rpm的同步电机)耦接在齿轮系统16上，所述齿轮系统16具有设有伞齿轮15的主动轴18。所述伞齿轮15与主轴12上的对应伞齿轮14啮合，以旋转主轴12和刀头11。所述主轴12具有轴颈，以在外壳13内旋转。

支撑件或“稳固”系统9(和/或测量装置)将系统10支撑在管T内。可使用任何合适的支撑件或稳固系统，包括但不限于，以上所述的PCT/GB2008/001278公开的稳固系统。本发明的任何实施例可使用这种稳固支撑件9或本文公开或所述的任何支撑件或测量装置。示出了所述支撑件9位于电机17上。但其也可等同地设置在齿轮箱壳体16、主轴外壳13或其延长部(未显示)上。伸缩管19连接至电机17并延伸回构件10外部的机床工具架19a(图解显示)上。

在一个特定方面，所述管T由可加工材料制成，例如，PEEK等塑性材料。也可为诸如钢等的金属材料，例如，用于井下螺杆电机的定子的金属材料。例如，可使用根据本发明的系统(或本文公开的任何系统)形成具有本体82的定子80(见图8A-8D)，所述本体82具有突起(lobed)内部通道84，该内部通道84是由圆形轮廓起始管(start tube)加工的。

根据本发明的系统特别适用的定子80的内径约处于5厘米至20厘米之间。PCT/GB2008/001278所述的系统适合采用20厘米以上的内径，原因如下所述。另一方面，对本发明的申请原则上没有上限。

图2显示了根据本发明的系统20，其与系统10相似。但此处所述电机17通过主轴12上的伞齿轮14、主动轴18和伞齿轮15直接驱动主轴12。没有设置齿轮箱，因此该系统采用低速电机，或者，在本实施例中，所述刀头11是以高速运行的。

图3示出了内置电机系统30，其中，所述外壳13’设有安装电枢轴18’的轴承31a，31b，所述电枢轴18’上安装有转子33。所述外壳13’内还安装有定子34。

可以获得并已知合适的电机和定子/转子的组合，一家供应商为西门子公司(Siemens AG，例如，其1FE1电机，(例如)见http://www.automation.siemens.com/mc/mc-sol/en/f572aaf5-4af6-4948-b42d-.756399832445/index.aspx)，同时还有其他供应商。

图4显示了根据本发明的系统40，具有两个电机17a、17b，每个电机分别设有对应的齿轮系统16a、16b。主动轴18a、18b上的伞齿轮15a、15b分别驱动主轴12上的单个共用伞齿轮14。所述伞齿轮15a、15b和14(其中任何之一可为螺旋伞齿轮)设于外壳13’内，主轴12从外壳13’突出。

在一个特定方面，所述齿轮箱16a、16b的其中一个或两者为行星齿轮箱，提供从电机17a、17b到轴18a、18b的速度降低。主轴12上的扭矩可通过电机扭矩乘以齿轮比而进行计算。

同步电机的特征在于具有恒定扭矩，至少达到特定速度。由此可见，电机在该速度下以及超过该速度时达到最大功率范围。因此期望的是，在接近于或大于最大扭矩速度的恒定速度下运行电机。在大多数加工操作期间，扭矩不能过大，但有时扭矩却不足。在任何情况下，使用一个电机(例如电机16b)作为恒速电机，并且其具有齿轮箱16b，齿轮箱16b设置成在与电机16b的最大速度对应的预期转速下驱动主轴12。

轴角编码器43a、43b(或例如，霍尔效应装置43a和相应传感器43b)可以被设置成感应电机16b的速度。

另一个电机(电机16a)可以简单地被设置成增加扭矩并在“扭矩”模式下使用。因此，在正常操作期间，可不对电机17a进行有效通电。但是，如果在所述系统40运行期间系统速度下降(其由编码器43a、43b检测并传递到控制机构42)，那么所述机构42则引入扭矩增强模式。这用于激励电机17a，然后驱动电机17a为伞齿轮14增加更大扭矩，直到重新建立主轴12的预期目标速度。

但在实际系统中，可能一起驱动两个电机，每个电机均提供所需扭矩的50％左右。优选地，冠齿轮14具有奇数个齿(假定电机17a、17b绕齿轮14互相直接相对，间隔180°)。这种情况下，产生任何齿隙的可能性最小，因为齿轮15a、15b中的至少一个与所述冠齿轮14完全啮合，两者始终接触。实际上，所述齿轮14、15a、15b优选为螺旋伞齿轮，在任何情况下，期望系统中各齿轮应紧密啮合，以消除系统中的齿隙，或至少将其最小化。

图5显示了根据本发明的系统50，其与系统40相似，但电机17a、17b和伞齿轮15a、15b之间没有设置齿轮箱。在某些方面，这减少了可用扭矩(与系统40相比)，但可相应增加主轴12的可能驱动速度。

图6显示了根据本发明的系统60，其中，两个电机17’a、17’b串联，并通过齿轮系统16驱动主动轴18和伞齿轮15。根据图4，这种系统具有如上所述的保持速度的相同的优点，但无法控制齿隙。例如，电机17’a可以被设置成在恒定速度下(可能在机构42的控制下)进行驱动。但这种机构42通过传感器系统43a、43b检测主轴12的速度的降低，激励电机17’b以增加扭矩。

图7显示了根据本发明的系统70，其与系统60相似，但没有设置齿轮系统。

如图9所示，根据本发明的系统90具有电机17”，所述电机17”具有通过伞齿轮14”、15”驱动主轴12”的主动轴18”(图解显示)。由轴18”驱动时，所述主轴12”驱动铣刀头11”以从管T铣削材料，以形成凹槽84。

本领域技术人员应理解，在如所示的系统中，所述刀头11”进行的切削操作产生三个正交的反作用力。(这种情况下，但不一定如此)第一个为与正在加工的表面垂直且离开该表面方向的反作用力，处于与主轴12”旋转轴线100平行的箭头X的方向。第二个处于与其正交的方向，即，与管T的轴线200平行的箭头Y的方向。第三个反作用力处于与上述两个方向正交的方向(未显示)，即，朝向图9(Z轴线)的图的平面的内部或外部的方向。

如上所述，存在第四个反作用效应，即，切削工具11”绕其轴线100的潜在旋转反作用力。如果铣刀11”用于铣削实际路径，或者如果将振动和摩擦最小化，则每个反作用力必须由系统90的结构阻止。

稳固支撑件(或测量装置)9”将系统在支撑管T内，在一个方面，可包括PCT/GB2008/001278(其摘录包括在本文附录中)或我们的共同待决申请(与本申请的申请日期相同，申请人和发明人相同，归档在参考P123xxxGB下)中所述的装置，两者的完整内容结合于此，用于各种目的。所述测量装置9”跟踪管T的内部，以便于对其进行加工，并保持刀头11”相对于管T的位置。所述测量装置9”为上述第一个反作用力(即，沿箭头X的方向上的反作用力)提供必要抵抗力。

箭头Y的方向上的反作用力以两种方式表现。第一种方式为，绕与方向X，Y正交的Z轴的弯矩(bending moment)。为了抵消该反作用力，要求设置主轴12”的牢固精密的轴承92a、92b，内部布置有轴承的刚性外壳13，以及抵抗外壳绕Z轴旋转的稳固支撑件9”。第二种方式为，将外壳13”与地面91连接的轴19的张力(或者为压缩力，如果系统以推模式而不是拉模式使用)。

在一个实施例中(见图9)，所述电机17”通过螺钉93连接至板92。所述板92通过螺钉96连接至两个同心管件94、95。所述管件95的另一端通过螺钉101连接至基座97，处于管T的开口端98a外。所述基座97相对于地面91而固定，管T也是如此，不同之处在于，使用者可沿Y方向选择性地相对于彼此地移动管T和/或基座91。

因此，如需开始加工操作，将系统90插入管T中(无切削工具11”)，直到外壳13”从管的另一端98b突出。然后将切削工具插入主轴12”端部的插座内(未显示)，电机17”启动。电缆(未显示)通过管件94的孔连接至电机。电缆携带电流以驱动电机，向电机和从电机传递信号以控制电机，并从位于电机和/或外壳13”上的传感器(未显示)提供有关切削工艺的信息。例如，所述传感器可包括一个或多个温度传感器或探头、振动传感器或探头、速度传感器和位置传感器等。但显示了一个传感器，即附接于切削工具外壳13”前面的测斜仪103。测斜仪103可感测外壳13”绕Y轴的旋转位置(因此也可感测切削工具11”的旋转位置)。其被传递到控制系统(未显示)。

所述电机17”通电时，通过管T的孔拉动外壳13”开始切削，从而铣削凹槽84。这可通过相对于地面91移动基座97实现。基座97可包括(例如)滑动台。因此，在箭头Y方向上的反作用力的第二个方面由管件95内的张力抵抗，该张力由基座97与管T的轴向分隔而提供。毫无疑问期望的是，所述管件95不应为弹性，而应具有相对刚性，以减小Y方向上产生振动的趋势。

Z方向上的反作用力表现为绕Z轴的扭矩。扭转方向取决于所述刀头11”的旋转方向。该力由管件95的抗扭刚度以及电机17”和外壳13”的抗扭刚度抵抗。但是，无论在哪个方向，所述抗扭刚度与管件95的截面极二次矩成正比，其毫无疑问受管T的直径的限制。随着直径的减小，潜在刚度作为直径的指数函数而减小。因此，抗扭刚度是小直径管的特有问题。

实际上，这是本发明提出将驱动电机布置在待加工管的长度下方的重要原因。在一个方面，就抗扭刚度来说，相比本文所述的安装轴扭转时出现的问题，从动轴在扭转时出现的问题较少。但也意识到两个优点：缩短驱动轴，将电机布置在待加工管或构件的长度下方。所述优点描述如下。第一个优点为：从动轴，特别是PCT/GB2008/001278所述的从动轴，安装在支撑管内，因此，与管95相比，其直径较小，如图9所示。而本发明的支撑管95可尽量接近于管T的孔径，由此使其直径最大化。第二个优点为：本发明的一个方面提出以扭转方式对管件95施加预应力并动态调整其角位置，从而保持切削工具11”的位置。应在反作用力的方向施加预应力，以使管件绕轴线200偏转，并且必须施加相当大的力。

在图9所示的实施例中，所述内管件94施加预应力。图10A至10C显示了用于为管件94施加预应力的不同工具。在图10A中，系统110A包括驱动同步皮带122的伺服电机120，所述同步皮带122绕凸缘99上的齿轮125缠绕。伺服电机120由控制系统(未显示)的命令(F)驱动，以对测斜仪103的位置变化做出响应。

图10B显示了液压或气压系统110B，其中控制器132同样在命令F下来开关切换(switch)缸体130a、130b，以作用于连接至凸缘99的杆件(lever)134a、134b。

最后，在图10C中，螺旋系统110C包括固定于基座97且驱动丝杠140一端的另一个伺服电机120’，所述丝杠140的另一端支撑在同样固定在基座97上的轴承壳142内。杆件臂144固定于凸缘99并通过可滑动且可转动的接头146连接至拧在螺杆140上的螺母148。命令F操作电机120’，所述电机120’用于相对于基座97扭转管件94。

图9中由管件94、95代表的管道系统(如图9所示)连接至不包括齿轮箱的单个电机17”。但应明白，根据图1至7的以上所述的任何装置可用于图9和11的预应力管道系统。

因此，再次根据图9，管件94的扭转抵消了管件95的任何扭转，为其施加预应力，以响应于切削工具11”绕Y轴的反作用力而抵抗管T内切削工具外壳的旋转。

图11示出了不需要使用两个管件94、95的替代装置。实际上，如果所述电机布置在管T内部或外部，该系统运行良好，如同PCT/GB2008/001278所述的系统一样。此处，测斜仪103感测切削工具11的旋转位置并对其做出响应，来自控制器(未显示)的命令F激励将管T相对于地面(即，机床)91安装的卡盘150。因此，在绕Y轴的反作用力实际上将安装轴95’相对于位于机床91上的基座97’扭转的同时，改变了工件T的旋转位置，以进行补偿。如上所述，即使所述电机为安装在基座97’(如PCT/GB2008/001278所述)上的刀具驱动电机17x，或者当所述电机17处于本文所述的工件T之内，该装置仍然运行。因此，本发明的这个方面并不限于所述管T内的电机。

总之，因此，应明白的是，本发明和本文公开的实施例以及所附权利要求涵盖的实施例非常适合于实现所述的目标并获得其结果。只要不偏离权利要求所定义的本发明的精神和范围，可对主题进行某些改变。应了解的是，可在本发明的范围内进行改变，进一步，任何所附权利要求中列举的每个部件或步骤应参照步骤字面上的含义和/或所有等同部件或步骤进行理解。所附权利要求用于以可利用的任何方式将本发明涵盖在尽可能广泛的合法范围内。本文所述的本发明为符合35U.S.C.§102规定的新颖性，且满足§102中的可专利性条件。根据35U.S.C.§103，本文所述的本发明是非显而易见的，满足§103中的可专利性条件。本说明书和所附的权利要求符合35U.S.C.§112的所有规定。当某些设备可能没有明显偏离所附权利要求中列举的本发明的精确范围但却处于该范围之外时发明人可根据等同原则来确定和评估其发明和所附权利要求的范围。本文提到的所有专利和申请完全结合于此，用于各种目的。申请人的明确意图是，不采用35U.S.C.§112第6款对本文的任何权利要求进行任何限制，除了权利要求明确将词语“用于”与相关功能明确使用在一起的情况。在该专利文件中，所使用的词语“包括”表示非限制性含义，表示包括该词语之后的项目，但不排除没有明确涉及的项目。用不定冠词“a”提及的部件不排除存在一个以上部件的可能性，除非上下文明确要求有一个并仅有一个部件。

附录

PCT/GB2008/001278具体说明摘录

下文将根据附图对本发明的实施例进行进一步说明，附图中：

图A4为大位移主轴驱动系统的第二实施例的示意图；

图A5为图4的驱动系统的侧剖面图；

图A6为图4的夹具外壳和夹具组件的透视剖面图；

图A7为分别连接两个伸缩管和轴的图4的轴承壳和水平轴(plane shaft)的透视剖面图；

图A8为图4的转接板(adapter plate)、稳固组件和主轴头的侧剖面图；

图A9为沿图8的稳固组件的X-X线的剖面图；

图A10为示出了刀头和在工件的内表面加工凹槽的方法的示意图；

图A11为加工之后的工件的横断面图；以及

图A12为图7的轴承壳的透视图，示出了突起(lobed)的路径。

在下文中，涉及图N(N为4至12之间的任何数)时，实际上指图AN。另外，本附录中的附图标记指图A4至A12中的标记。

图4示出了大位移主轴驱动系统100’、500’的示意图。所述驱动系统包括电机10、夹具外壳12、伸缩管14a-14c、轴承壳16、稳固装置18和主轴头20。所述伸缩管14a-14c由轴承壳16互相分隔。在图4公开的实施例中，所述伸缩管14a-14c由电机伸缩管14a、中间伸缩管14b和铣削伸缩管14c组成。所述伸缩管14a-14c是包覆动力轴22a-22c的外壳套筒(见图5)。与伸缩管14a-14c的命名原则类似，所述轴由电机轴22a、中间轴22b和铣削轴22c组成。虽然以上说明中公开的实施例包括三个伸缩管14a-14c和轴22a-22c，有经验的读者应理解的是，本发明并不限于这种情况，从而在替代实施例中，本发明可包括n个伸缩管和轴，在n＞1的情况下，本发明进一步包括将伸缩管和轴分隔的n-1个轴承壳16。

在图5显示的驱动系统的剖面图中可以看出，所述电机10具有旋转输出装置10a，所述旋转输出装置10a具有非圆形恒定横截面，并与布置在夹具外壳12内的夹具组件12a中的插座接合。所述夹具组件12a固定在电机轴22a的近端，使扭矩以无振动且基本无弹性的方式从旋转输出装置10a传递到电机轴22a。

图6显示了夹具组件12a的更详细视图。优选地，使用角度灵活的联轴器12b，所述联轴器12b包括交替地夹持于动力轴22a和夹具12a的空心层状圆盘。另外，所述夹具组件12a可包括机械和/或电气装置，以监控和限制传递到电机轴22a的扭矩。例如，可采用扭矩限制器(未显示)，以防止过载情况的发生，从而防止对传输线下方的部件造成损坏。

所述轴22a-22c包括空心柱形管，并延伸离开伸缩管14a-14c的孔14d内的夹具组件。处于角刚度(angular rigidity)的原因，所述伸缩管14a-14c应具有尽量大的直径，使其构造为管壁相对较薄的管。在相对于夹具组件12a的远端，所述电机轴22a包括轴联轴器23(见图7)，所述轴联轴器23容纳布置在轴承壳16内的水平轴102的一端。所述水平轴102具有非圆形横截面，并与相应的轴联轴器23接合，从而使其以驱动方式连接，使扭矩在无滑移的情况下从旋转电机轴22a传递到水平轴102。在图7公开的实施例中，所述水平轴102的端部具有花键，端部的花键与轴22a-22c的端部的相应凹槽接合。轴向弓形分段孔23a使联轴器23的靠近轴102的花键的壁变薄。螺纹孔23b与轴向孔23a相交，使平头螺钉(未显示)将薄壁夹紧在水平轴102上，从而消除其间的旋转连接的任何松弛部分，同时仍然保持同心度。伸缩管壁中的径向孔运行钥匙插入，以操作所述平头螺钉。

所述水平轴102具有轴颈，以通过轴承25而在轴承壳16的孔内旋转。轴承护圈可将轴承25保持在适当位置。将所述轴承壳16密封，以防止多余材料进入并中断运行。考虑被支撑的部件的尺寸，所述轴承较小。但出于两个原因，这一点非常必要。首先，将由轴承吸收的力较小，基本上仅包括动力轴22和水平轴102的重量。其次，轴承较大，要求的预负荷也较大，以缩短不可避免的齿隙。因此，小轴承可吸收正在产生的较小力，并且再次地，要求的预负荷较低，这意味着其运行相对自由。但是，当轴承较小时，仅指体积较小，而不是直径较小；直径尽可能大，以保持系统的角刚性。实际上，所述轴承的直径不应是驱动系统的任何部分中的最小直径。特别地，所述轴承应大于联轴器23，在本实施例中，所述联轴器23的直径最小，因此对于特定扭矩，潜在扭转最多。因此，所述轴承的外径优选至少为50mm，外径与内径的差至少为10mm。实际上，在一个实施例中，外径为65mm，外径与内径的差为15mm。但是这取决于轴承壳16的外径D_H，从而轴承外径D_B与轴承壳外径D_H的比值R优选为30％至60％。本实施例中的轴承壳外径为150mm(R＝0.43)。此外，轴承外径和内径的差(D_B-D_BI)优选为DB((D_B-D_BI)/D_B＝0.23)的10％至30％。优选地，所述轴承壳的外径D_H为50mm至200mm。毫无疑问，这也是管的孔的内径。所述管的长度(L)优选为2m至5m，由此刀具直径与位移(D_H/L)的比为1/100至1/10，优选为1/60至1/20。

所述轴承壳16还包括通过多个螺钉26附接于轴承壳16的外表面的多个接触板24。当附接所述接触板24时，所述螺钉26的螺钉头位于接触板24的螺钉孔24a内较深的位置。所述螺钉26相对于管轴线1径向布置在螺钉孔24a内。这种设置可使驱动系统的操作人员具有一些灵活性以通过(例如)研磨而减小接触板24的厚度，但不干扰螺钉26，因此不会对接触板24附接至轴承壳16的牢固附接产生影响。操作人员在微调驱动系统时可能希望进行该步骤，以加工具有特定内径的工件。同样，当然，所述接触板可填上垫片，以增加直径。

所述轴承壳16通过与管轴线平行的螺栓30固定于伸缩管14a-14c。使用者可通过轴承壳16内的凹口28插入螺栓30。接触板24拧到适当位置时，所述凹口28由接触板24覆盖，防止螺栓30进一步插入。

所述轴承壳16可进一步包括与伸缩管14a-14c内的类似通道排在一起的交叉钻孔。通过伸缩管14a-14c和轴承壳16连接的所述交叉钻孔通道可用于为主轴头20提供冷却空气，并从刀头上吹掉废料，防止加工工艺对废料重新加工，这会缩短刀头寿命，增加功率要求。还可为主轴头20提供润滑剂，以将运行温度保持在可接受的水平，并确保在其运行寿命期间进行适当润滑。所述主轴头20可穿过电气接头而使电气接头连接换能器，以测量由于加工扭矩或主轴头所需的任何其他形式的电气控制对组件产生的扭矩/振动或扭转角度。在某些方面，所述主轴头20的输入/输出比符合主轴速度和扭矩所需的最佳工艺要求。

在图8中可以看出，所述铣削伸缩管14c通过多个螺栓34(图8中仅一个螺栓34可见)连接至转接板32上。使用者可通过铣削伸缩管14c中的凹口36插入所述螺栓34。在所述铣削伸缩管14c内，铣削轴22c通过另一个成角度的轴向的灵活(但径向上具有刚性)的联轴器22d与刀具输入轴38连接，如同电机轴22a与电机输出装置10a之间的上述联轴器12b一样。实际上，理想的是每个动力轴22与轴承轴102之间都设有这种联轴器。所述刀具输入轴38具有非圆形恒定横截面(例如，具有花键)，并与铣削轴22c的对应联轴器23接合，使两者38、22c以驱动方式连接(如同平头螺钉和弓形槽(未显示)一样夹紧，如上所述)。所述转接板32的内径大于刀具输入轴38的外径，但小于铣削伸缩管14c的外径。所述转接板32包括第一段32a、第二段32b和第三段32c。所述第一段32a的外径与铣削伸缩管14c基本上相等。所述第二段32b从第一段32a沿刀具输入轴38的长度延伸，第二段外径小于第一段32a。所述刀具输入轴38具有轴颈，以由两组环形轴承40在转接板32的孔内旋转。所述转接板32具有保持环形轴承40的螺钉33，使其根据需要而被预加负荷。

组装系统时，所述稳固装置18在第二段32b上开缝，并用螺栓42a(图8中仅一个螺栓42a可见)附接在第一段32a上。间隔件(或垫片)43将稳固装置与第一段32a分隔，并被螺栓42a在其间紧紧固定。一旦所述稳固装置18附接在转接板32之后，所述主轴头20可安装到从稳固装置18伸出的第二段32b的剩余的第三段32c上。所述主轴头20由螺栓42b(图8中仅一个螺栓42b可见)附接至稳固装置。使用者可通过稳固装置18的表面内的凹口44插入螺栓42a、42b。注意到，所述主轴头20仅固定在稳固装置18上，不直接拧在转接板32上，因此，如果没有设置螺栓42a，主轴头20和稳固装置18将绕管轴线1相对于转接板32一起自由旋转。

在图8公开的实施例中，所述转接板32包括通道46a，其将铣削伸缩管14c的交叉钻孔通道46b与主轴头20的交叉钻孔通道46c连接。通道46a-46c可通过钻孔成形，其中端部可由封口47密封，以形成期望的通道路径。所述路径包括主轴头20内的围绕转接板的第三段32c的圆槽46d。因此，钻孔46a可与通道46c连接，无论主轴头相对于转接板的旋转方向是否绕刀具输入轴38的轴线1。

所述稳固装置18与通道46a-46c的系统独立设置。所述稳固装置用于向工件内部推动多个滚珠轴承触点48，并向相反侧推动主轴头20。这确保了材料去除的一致深度，增加了刚性，并且减少了主轴头20和刀具的振动。可参照图9更好理解所述稳固装置18。

在图9中，所述滚珠轴承48安装在加载在弹簧52上的插座50内。插座50’由螺钉54保持，并通过可选择性地增加插座50’的视厚度(apparent thickness)的平头螺钉51而防止产生插座50及其滚珠轴承48’的径向移动。相反地，因为没有设置平头螺钉，或平头螺钉从插座50”内的对应孔53中抽出，所以剩余的滚珠轴承48”可自由地相对于弹簧52上相应的插座50”径向移动。期望的是，固定滚珠轴承48’与工件的内部接触(与刀具头相对)，以抵抗其移动。图9显示的滚珠轴承装置使得工件上运行的刀具头产生的与管轴线1垂直的力在所示的大约10:00位置受到刚性抵抗。

出于下文将进一步说明的原因，将所述稳固装置18(也称为测量装置)绕转接板32上的轴线1的旋转位置设为无穷变量。至少应理解的是，所述滚珠轴承触点48布置在相对于转接板的任何(或至少，多个不同的)角度方位。将稳固装置18夹紧在转接板32上的螺钉42a、42b布置在转接器的孔内，它们布置在四个象限12:00、03:00、06:00和09:00上。图9的稳固装置18具有七个角度等分的滚珠轴承触点48，它们互相间隔51.4°，这意味着，任何触点48与一个象限之间具有五个不同的角，即，0°；a₁＝51.4°；a₂＝(90-51.4)＝38.6°；a₃＝(2a₁-90)＝12.9和a₄＝(90-a₁-a₃)＝2a₃＝a₁/2＝25.7°。因此，如果用于容纳螺钉42a、42b的稳固装置内的孔径41为弓形，以轴线为中心，并允许最低12.9°的调节，则可实现稳固装置相对于转接器32的所有角位置。实际上，在一般情况下，如果螺钉42b的数量为m且滚珠轴承48的数量为x，那么弓形槽41的最小圆周范围p可由p＝360°/(f₁(m，x))得出，其中，f₁(m，x)是基于m和x值的某个函数，可返回稳固装置18相对于刀具头20及其刀架60的可能的不同方位的数量。

同样，穿过n个螺钉42b的弓形槽41的最小圆周范围q取决于多项因素，包括已经确定的范围p和螺钉42a、42b的数量m和n。但是，本领域技术人员可确定达到刀头输出装置60相对于转接板32和端部套筒14的任何角度方位以及滚珠轴承48相对于刀头输出装置60的任何角度方位两者所需的因素。

为了进行下文说明，存在这些调整可能性。但是，在图8中可以看出，所述刀具输入轴38在主轴头20内终止。在所述输入轴38的终止端，第一螺旋伞齿轮56与刀具输出轴60上对应的(complimentary)第二螺旋伞齿轮58接合。所述刀具输出轴60与主轴头内的刀具轴线2平行布置，与刀具输入轴38和管轴线1垂直。所述第二伞齿轮58由螺钉64和销钉66固定在刀具输出轴60的下端。共同地，所述螺钉64和销钉66分别防止伞齿轮58发生相对于刀具输出轴60的意外轴向移动和剪切移动。所述刀具输出轴60具有轴颈，以由主轴头20内的两对轴承68a、68b旋转。

所述刀具输出轴60的下端60a设置在主轴头20的下部20a的孔径72内。所述两对轴承68a、68b保持在适当位置，由垫圈组和相关螺钉70a、70b预加载。所述垫圈70a、70b在其间将轴承68a、68b的外圈挤压在主轴头20的内凸缘20c上。所述内圈被挤压在输出轴60的凸缘60c、垫片60d和伞齿轮58之间。但是，垫片58a插入并确定伞齿轮58的轴向位置(相对于刀具输出轴60的轴线2)。这一点非常重要，可使齿轮58与伞齿轮56精确啮合。实际上，同样地，所述垫片43的厚度确定了伞齿轮56的轴向位置(相对于刀具输入轴38的轴线1)。所述刀具输出轴60的上端60b通过主轴头20的上部而伸出。所述上端60b包括用于牢固容纳刀具头并将扭矩传递到刀具头的刀具主轴62。其连接方式已知，不需要进一步说明。

可根据图10更好理解用于加工工件的内表面74的方法。所述工件(空心钢筒，用于形成螺杆泵和螺杆电机的定子)套装在主轴头20和伸缩管14a-14c上。在一个实施例中，当工件在滚珠轴承上方穿过时，所述滚珠轴承48刻入或凹进工件的内表面74。因此，这种刻入有利于工件在滚珠轴承48上方进一步通过，优选地，工件在套装到伸缩管14a-14c上时绕管轴线1旋转。如果该操作完成，则刻线将能在以后的操作中(下文进一步说明)引导工件在滚珠轴承48上方通过，刻线形成轨道以供滚珠48重复地跟随。当工件处于适当位置时，工件的长轴(“工件轴线”)基本上与管轴线1同心，主轴头20从工件的邻近电机10的相反一端处的开口端伸出。

随后，第一浅宽铣削刀具头I(图10)插入刀具主轴62并固定在适当位置，所述电机10启动。当所述刀具头I旋转时，刀具100’、500在远离工件的方向沿管轴线1平移，工件同时绕管轴线1旋转。第一铣削刀具头I的厚度为T，宽度为W，且在与刀具轴线2垂直的角度查看时，横截面为矩形(具体见下文)。当所述工件相对于刀具头I平移时，刀具头I在内表面74内铣削螺旋槽。在第一通(first pass)之后，即，刀具头进行了平移使得从工件一端到另一端铣削出凹槽时，移除刀具头I，工件再次放置在伸缩管14a-14c上方，在执行第二通之前，重新插入刀具头I。应注意的是，在刀具100’、500重新放置在工件内之后，不必移除和重新插入刀具头。相反，所述刀具可简单地返回至工件，刀具头I跟随着在前期铣削操作期间形成的凹槽的路线移动。实际上，在这种情况下，电机将继续操作以确保刀具头无阻碍(jamb)。所述工件可绕轴线1被标记小量的刻度，以达到两个潜在的预期优点。第一个可以使得所述刀具头对中地跟踪凹槽切削，应记住，无论动力轴14的抗扭刚度如何，其在加工期间不可避免地会出现扭转，这将需要在返回通过(没有将刀具头对中的对应扭转力)时抵消。第二个可以是，确保切削实际是在返回通过期间进行的。确保刀具与之前铣削的表面之间没有摩擦可能仅具有很小的量即可，因为这会使刀具头的边缘变钝。

实际上，原则上来说，没有原因使得非要返回路径无法完整切削新凹槽。但是，如果进行了这样的设置，则需要在适当位置放置支撑件，以保持动力轴14平直并与轴线1同心。当所述电机10在轴向相对于工件行进时，这些支撑件需要为可移除的。在工件旁边，所述支撑件需要绕轴线1延伸360°，以在所有方向支撑刀具头，并确保轴线1的方向上仅有一个自由度。但是，一种可能的设置是铰接抓斗式设置。

仅建议前述两种选择(沿刀具头凹槽重新跟踪刀具头，或在相反方向切削新凹槽)的目的仅在于有效利用时间，对本发明来说并非必要特征。必要特征为，将刀具返回到其起始位置，使其可第二次或多次通过工件。

在第二次通过期间，所述刀具I在工件表面74中铣削出与第一个凹槽相同的凹槽，但圆周位置不同。随后的多次通过可形成所需数量的凹槽和突起，如果采用七个滚珠48的支撑件，凹槽则为七个。一旦刀头I的所有通过次数完成后，用刀头II重复所述过程。与刀头I相比，刀头II的厚度和宽度较小，但穿入工件内的深度较大(即，在径向上与轴线1的距离较大)。用刀头II重复所述过程可增加凹槽的深度，从而增加凹槽之间的突起80的相对高度(参见图11)。同样，随后用刀头III至刀头V的后续通过步骤可去除材料，从而在内表面74内形成阶梯状凹槽75a。剩余材料76(图10中的阴影部分)可通过用合适形状的刀具头的额外通过一次而去除，从而形成最终轮廓78。最终的圆截面凹槽78的(“大”)直径为D1，由(“小”)直径为D2的突出圆突起80进行外切。实际上，所述突起80的轮廓使得直径D2的圆伸入工件的表面74内，从而在每个突起80上形成“平”冠77。当然，“平”冠77并非完全平坦的，而具有原始孔74的轮廓。其仅在与旋转中心轴线1等距的方面是平坦的。

虽然可以设想，具有适合形状的刀具头的一次通过会形成期望凹槽78和突起80，但这种方法对刀具头的要求非常高，会产生大量的长切屑，有效去除长切屑可能有问题。图10公开的实施例采用横截面为矩形的刀具头I-V时，本领域技术人员应理解，其他实施例使用横截面不同的刀具头，用于形成期望轮廓78、80。实际上，刀具头V还可以设置成去除下方的阴影部分，因为，为了使刀头的宽度足以去除突起80附近的三角形材料，刀具头的旋转速度必须非常快以有效去除材料，或旋转速度必须非常慢以便去除(刀具头V下方的)中心部分。

图10显示的刀具头I-V的横截面为矩形，由每个刀具头形成的每个台阶之间留有连续丝线(ligament)76a，但两者都不是优选的。在图10右侧，所述刀具头I-V的轮廓与左侧的轮廓在两个方面不同。首先，每个刀具头的直径W较大，使其伸到最终轮廓78内并形成最终轮廓78的一部分。其优点将在下文说明。其次，每个刀具头的角并不尖锐，而具有平滑轮廓，使所有刀具头I-V都通过之后的轮廓75b的内角平滑弯曲。同样，其优点将在下文说明。

同样，虽然所述刀具头I至V被描述为在支架60内径向横切且在径向绕横向轴线2旋转，但也存在刀头向后倾斜的情况。这种倾斜的作用在于，由于与工件的接触而消除运动零点(每个刀具头的旋转中心)。因此，虽然所示的刀架60处于相对于刀具头的公共轴线1的径向，倾斜也可能具有某些优点。

实际上，毫无疑问应注意的是，所述电机处于变速状态，使刀具在适用于进行中的任务的适当速度下旋转。应注意的是，在任何情况下，所述齿轮56、58处于减速状态。这具有多个优点。第一个优点为，减小了由传动列加载到刀具输出轴上的扭矩，由此减小了轴承25上的负荷。由于扭矩减小，扭转较小，因此动力轴刚性较大，扭转振动的减小延长了刀具寿命。还说明，伞齿轮56的直径小，意味着齿轮58更靠近轴线1，伸入工件实心部分的可能性更小。

图11显示了当向下看工件轴线1时工件300的示例横截面。所述凹槽78和突起80明显可见。实际上，可指定工件形成泥浆电机或其他螺杆机器的定子，可用弹性材料层302完全覆盖，所述层302对转子(未示出)和定子300之间的触点进行缓冲和密封。图的插图中显示了突起80的放大部分。所述层302可由任何方便的方式固定，但当前工艺包括，在施加弹性体之前沉淀一层底漆和之后的一层粘合剂。已知的是，实心物体的尖锐外角从角部泄漏涂敷在物体上的液体，因此，在采用粘合剂的情况下，粘合剂可能不足，从而影响这些尖锐边缘上的强粘合。同样已知的是，尖锐的凹陷会使得液体会积聚在凹陷内。在采用粘合剂的情况下，这可能具有的结果是，妨碍适当的固化或增加粘合剂的深度，两者都会使粘合无效。另一方面，同样已知的是，表面面积越大，表面区域越粗糙，粘合强度能够越高。

因此，由于这些原因，优选采用曲线轮廓75b。另外，在每个刀具头I-V的底角308平滑弯曲时，(因此防止粘合剂积聚)，则其也伸入“最终”轮廓78。这意味着，任何时间任何丝线76a都不会将相邻三角形76b结合。因此，当末级刀具头去除三角形76b时，可避免产生长切屑颗粒。实际的最终轮廓还可在角308之间留有弯曲峰310，其再次使角为非尖锐状，不会造成粘合剂的耗损。然而，非常有利的是，由于角308的原因，管的用于与弹性体层302粘合的表面面积增加。因此，本发明不仅提供了用于形成定子的螺旋通道78的有效方法，还可提高弹性体层粘合在定子上时的附接强度。实际上，所述峰310和角308限定了突起80的侧翼内的起伏。

图11的插图还显示了当刀具来回拉动通过定子300时由滚珠48的重复跟踪所形成的冠77内的凹陷304。在上述加工工艺中，该凹陷起重要作用。

当刀具第一次插入孔内时，刀具至少进行一次，也可能进行多次试通过，使滚珠48在孔内确实凹进轨迹304。这些凹陷不仅穿过表面77，还在任一侧成形出凸缘304a。可在已知滚珠28和管300的材料硬度及弹簧52施加的力的情况下根据简单计算来确定凹陷和凸缘的精确尺寸。但更重要的是，所述凹陷和凸缘在刀具对轮廓78进行切削时抵抗刀具的扭力。所述刀具头的反作用力处于相对于轴线1的周向，因此滚珠必须在对弹簧52进行压缩的凸缘304a上放置。毫无疑问，使得凸缘产生任何向上移动所需的力相当大，因此该作用使刀具的扭转刚度大大增加。

另外，由于所述凹陷304具有滚珠48的半径，不会在涂敷粘合剂之后造成粘合剂的积聚。所述凸缘304a为非尖锐状，不会造成耗损。因此，这些特征也提高了弹性体层粘合到定子300的孔的强粘合。

如图8所示，所述主轴头20、稳固装置18和转接板32都可绕轴线1相对于彼此旋转。该旋转自由度使得有关主轴头20和稳固装置20的滚珠轴承48的方位的配置的所有组合都是可行的。这对建立工件的保持和最有效缓冲非常重要。所述滚珠轴承48的有关刀具配置的方位同样重要，因为期望的是，滚珠轴承48与在加工工件的内表面74时形成的突起80相接触并沿其放置。

同样，所述转接板32、稳固装置18和主轴头20相对于轴承壳16的可调整性可使突起80与为工件提供支撑的接触板14接触。优选地，每个接触板24在加工期间的任何时刻与至少两个突起80接触。图12显示了在工件沿管轴线1在路径72上平移且同时绕管轴线1旋转时突起80的穿过轴承壳16的接触板24的路径72。

刀具运行期间，可能期望的是，所述刀具头能够处于与工件形成任何角度的方向，但不会干扰夹具12、12’a。因此，可将刀头向一侧或竖直向上按压，可最有效地清除切屑。第二，期望的是，凹槽数量、节距和螺距都应根据最终装置(螺杆泵或电机或其他装置)的要求进行选择。因此凹槽数量确定其间的突起数量，从而确定了测量元件48的数量。由于刀具和稳固装置18之间必然有轴向间隔，所以稳固装置的角位置必须与螺旋槽的节距和螺距紧密相关，螺旋槽的节距和螺距毫无疑问由凹槽的数量(至少在有节距的情况下)以及管的绕刀具旋转的相对速率和刀具拉动通过管的拉动速率而确定。

替代实施例可在主轴头20、稳固装置18和转接板32中的任何一个或全部上设有刻度，以协助使用者建立与螺旋槽78的节距P及其螺距L相关的期望配置，螺距L是特定凹槽78完整旋转一次的长度。

本发明的特定实施例具有以下一个、多个或所有优点：

a.间隔支撑的动力轴以刚性方式保持；

b.轴承壳提供支撑以保持动力轴成直线；

c.由于上述a.和b.，转速增加；

d.相比小直径实心轴，增加了轴的截面的极二次矩；

e.增加了扭矩传递；

f.增加了轴的刚性；

g.增加了功率；

h.减小了质量惯性矩；

i.抵消了弯曲和偏差(横向/轴向/角度的)；

j.(由动力轴)抵消了不均匀热膨胀；

k.装置可通过交叉钻孔通道而连接；

l.可以容易地制造实现精密公差的较短部分，确保了工件的配合良好，增加刚性，降低加工期间的振动(增加刀具寿命)；

m.易于组装/维护；

n.可根据工件长度增加或移除各部分；

o.内部稳固装置减少振动，并且增加切削深度的一致性；以及

p.动力轴具有灵活性，可抵消(热效应产生的)轴向偏差和(头的移动和弯曲产生的)角偏差，可用于协助设计具有小横截面的主轴头，将主轴头的旋转中心从PTO的轴线移开。