CN101023335A - 用于平衡旋转的构件的平衡环和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于一个绕一条转动轴线(3)旋转的构件(1)例如一个用于旋转刀具的刀具夹具或一个机器主轴等的平衡环。平衡环具有一个关于一条旋转对称轴线旋转对称的环体(11)、一个导向装置和多个沿环体(11)的圆周方向优选以彼此相等的角间距设置的、以可变的径向支承长度径向支承在环体(11)与构件(1)之间的调整元件(21)，导向装置以基本上平行于构件(1)的转动轴线(3)的旋转对称轴线可径向移动地、但轴向固定地在构件(1)上引导环体(11)。导向装置可以构成为轴向延伸的弹簧铰接装置或也可以构成为沿圆周方向延伸的弹簧接片。代替调整元件(2)也可以设置可电控的致动器，例如压电元件或毫微软管元件。

Description

用于平衡旋转的构件的平衡环和方法
技术领域
本发明涉及一种用于平衡一个绕转动轴线旋转的构件特别是一个刀具夹具等的平衡环以及方法。
背景技术
旋转的机器元件例如可与一台机床的驱动主轴连接的用于钻头、铣刀等的刀具夹具，但还有其他的旋转构件例如锭子或轴，按传统方式借助一些平衡环进行平衡，这些平衡环成对轴向并排地同心于构件的转动轴线可旋转地支承在构件上。两个平衡环具有偏心的质心，其根据两个平衡环的相对转动位置所产生的不平衡力在构件的平衡过程中反向抵消构件的不平衡力地被调整。通过各平衡环相互相对的转动可以改变各平衡环所产生的不平衡力的大小。通过两平衡环的共同转动可以改变所产生的不平衡力的作用方向。
发明内容
传统的平衡环对以精确加工的转动导向面为前提并且需要较大的结构空间。与此相反，本发明的目的是，提供一种可调的平衡环，它关于平衡环的最大不平衡度具有减小的尺寸。
按照本发明的用于一个绕一条转动轴线旋转的构件特别是一个刀具夹具等的平衡环，包括：
-一个关于一条旋转对称轴线旋转对称的环体；
-一个导向装置，该导向装置以平行于构件的转动轴线的旋转对称轴线可径向移动地、但轴向固定地在构件上引导环体，以及
-多个沿环体的圆周方向优选以彼此相等的角间距设置的、以可变的径向支承长度径向支承在环体与构件之间的调整元件。
一种这样的平衡环总体上是旋转对称的，其中所谓一种旋转对称的构形在这里应被理解为是一种形状，该形状在绕旋转对称轴线以保持不变的大小的角间距转动时总是可以与其本身吻合。一种这样的形状可以很精确和可复制地进行制造。不同于在传统的平衡环对中的情况，它们必须可绕构件的转动轴线转动地在构件上被引导，本发明的平衡环同心于构件，但沿圆周方向不变地固定在构件上。在其基本位置同心于构件的转动轴线的环体借助导向装置沿圆周方向可多方面径向偏移地在构件上被引导，其中环体相对于构件径向偏移的角位置和径向偏移的程度确定用于抵消构件的可能的不平衡度的不平衡力的大小和方向。设置沿圆周方向分布的三个或更多个调整元件，它们允许以基本上平行于转动轴线的旋转对称轴线但按照可选择的偏心度的大小和方向将环体相对于构件固定。
导向装置首先保证，以基本上平行于构件的转动轴线的旋转对称轴线可径向移动地在构件上引导环体。为此适用的例如是一些以彼此轴向间距设置的、环形盘形的、轴线垂直于转动轴线延伸的环形盘面，环体可径向移动地设置在这些环形盘面之间。但特别有利的是那些实施形式，其中环体借助一个可多方面径向偏移的弹簧铰接装置(Federlenkeranordnung)固定在构件上。这种实施形式的优点是，环体可以占有一个同心于构件的转动轴线的静止位置，它可以借助调整元件克服弹簧铰接装置的弹簧力从该位置偏移。环体可以按这种方式自动地占有其同心的静止位置，在该位置可以确定构件的不平衡度，而不会因环体的偏心度而歪曲该不平衡度。在一种优选的实施形式中设定，导向装置具有一个贴靠在构件的一个圆柱形的、同心于转动轴线的圆周面上的支承环，该支承环通过一个可多方面径向偏移的弹簧铰接装置与环体连接。但静止位置可以偏心于构件的转动轴线，因为也可以在平衡过程中考虑偏心度。
弹簧铰接装置可以沿一个同心于旋转对称轴线的圆设置，包括至少一个基本上沿旋转对称轴线的方向延伸的、可径向偏移的弹簧元件，该弹簧元件沿轴向看以其一端部区域连接在支承环上而以其另一端部区域与环体连接。一个这样的弹簧铰接装置按照一个具有弹性铰链(elastischen Lenkern)的平行铰接装置(Parallellenkeranordnung)的原理进行工作。在这种情况下，弹簧元件可以构成为同心于旋转对称轴线的、可径向弹性偏移的套筒。该套筒可以具有一个环形封闭的套筒壁，但它也可以沿圆周方向通过多个轴向延伸的切口分成一些可径向偏移的弹簧扇形段或弹簧接片。当然，切口宽度必要时还可以大于这些弹簧扇形段沿圆周方向的宽度。
在一种方案中，弹簧铰接装置可以包括沿环体的圆周方向分布的多对沿圆周方向延伸的弹簧接片，特别是多对这样的弹簧接片，它们以其沿圆周方向邻接的各端成对地保持在环体上或成对地保持在支承环上，并且以其沿圆周方向远离的各端保持在相应另外的部件即支承环或环体上。最后所述的弹簧接片的优点是，它们可以具有较长的弹性的接片长度，并且在环体径向移动时，能够精确地径向引导环体。
环体、弹簧装置和支承环可以涉及一些分开制造的构件，它们事后被结合成平衡环。但在一种优选的实施形式中，环体、弹簧装置和支承环结合成一件构成，这改善了平衡环的精度。
支承环可以涉及一种封闭的环，该环配合精确地套到并固定到构件的一个相应的圆周面上。符合目的地通过热收缩技术将支承环固定在构件上。当然，也可以利用其他传统的固定方式，例如通过螺钉拧紧在构件上或通过借助夹紧螺钉夹紧在其上。当然，支承环也可以钎焊、熔焊或胶合在构件上。也可设想，给支承环设置内螺纹，该支承环可通过内螺纹拧紧在构件上。
但支承环也可以构成为扇形的环，其各扇形段通过弹簧装置与环体连接。各支承环扇形段可以具有径向弹性的特性，借此平衡环可以通过一种径向弹性的夹紧配合保持在构件上。但在这里也可以采用上述的各种固定方式。
调整元件可以涉及可径向拧紧的调整螺钉。各调整螺钉可拧入到支承环的螺纹内并且支承在环体上。但一个可更简单制造和更简单调整的方案是，其中各调整螺钉安装在环体的螺纹孔中并且支承在支承环上或直接支承在构件上。
当然，代替可径向移动的调整元件，也可设置其他的径向偏移环体的调整元件。适用的例如是以斜面导向或铰链导向为基础的调整元件，它们允许铰链元件的一种偏离径向运动的调整运动。例如调整元件可以构成为楔面传动装置，其中或沿圆周方向、但优选沿轴向方向可移动的楔径向调整环体。一种这样的调整元件的调整运动平行于转动轴线延伸，从而各调整元件不影响环体的不平衡失量的角位置。
上述的调整元件涉及允许改变支承长度的机械传动元件。在一种方案中可以设定，导向装置具有一个贴靠在构件的一个圆柱形的、同心于转动轴线的圆周面上的支承环，环体通过多个沿圆周方向分布的、构成调整元件的致动器以可电控的径向支承长度支承在支承环上。这样的致动器可以涉及一些压电元件或毫微软管元件(Nano-Tube-Elemente)等，它们在施加一个电压或电流时改变其空间尺寸。
在第二方面，本发明涉及一种用于借助一个安装在构件上的平衡环平衡一个绕一条转动轴线旋转的构件的方法。该方法的特征在于，在构件上安装一个具有一个可径向移动地在构件上引导的环体的平衡环，通过多个沿环体的圆周方向优选按彼此相等的角间距设置的调整元件以相对于构件可变的支承长度支承平衡环，并且绕转动轴线旋转地驱动构件连同平衡环并且测量代表此时产生的不平衡力的参数的大小和方向，并且根据测定的不平衡参数如此地改变各调整元件的支承长度，使得环体移动到一个抵消不平衡力的径向位置。符合目的地，在这种情况下，根据测定的不平衡参数确定用于调整元件的长度调整信息。这可以例如这样来实现，即将每一调整元件在其支承长度上必须改变哪一值显示在一个测量不平衡参数的动平衡机的显示器上，以便抵消构件的不平衡度。至此设置一些调整螺钉作为调整元件，显示器可以指示每一单个调整螺钉应该旋转的整转的数目和方向。
附图说明
以下借助附图更详细地说明本发明的各实施例。其中：
图1  一个本发明的平衡环的局部剖切的轴向视图；
图2  沿图1中线II-II截取的平衡环的轴向纵剖面图；
图3  图1的平衡环的第一方案的局部剖切的轴向视图；
图4  沿图3中线IV-IV截取的第一方案的轴向纵剖面图；
图5  图1的平衡环的第二方案的局部剖切的轴向视图；
图6  沿图5中线VI-VI截取的第二方案的轴向纵剖面图；
图7  一个平衡环的第二实施形式的局部剖切的轴向视图；
图8  沿图7中线VIII-VIII截取的第二实施形式的轴向纵
     剖面图；
图9  一个平衡环的第三实施形式的局部剖切的轴向视图；
     以及
图10至12图9的平衡环的各方案的局部剖切的轴向视图。
具体实施方式
为了平衡一个在图1和2中总体用1标记的绕一条转动轴线3旋转的构件例如一个刀具夹具、一个刀具、一根轴或一台机器的工作主轴，在构件的一个圆柱形圆周面5上固定一个可径向调整的平衡环7。该平衡环7具有一个环形封闭的支承环9以及一个构成一个可径向调整的平衡质量的环体11，平衡环借助支承环例如以收缩配合保持在圆周面5上，环体通过一个弹簧铰接装置与支承环9相连接，该弹簧铰接装置的形式为一个同心于转动轴线3径向在支承环9与环体11之间延伸的套筒13。套筒13基本上具有一个环形封闭的圆周壁并且在其一端在其整个圆周上借助一个径向接片15与支承环9连接而在其轴向另一端在其整个圆周上借助一个径向接片17与环体11连接。
套筒13将环体11保持在一个同心于转动轴线3的静止位置，环体11从该静止位置在套筒13径向弹性变形情况下以基本上平行于转动轴线3的旋转对称轴线可径向弹性偏移。此时套筒13沿圆周方向多方面地按一个平行铰接装置的方式起作用。
沿圆周方向以相等的角间距分布的在环体11的螺纹孔19中安装三个可径向从外面接近的、可径向拧紧的调整螺钉21，它们穿过套筒13进入通孔23中并且支承在自身固定在构件上的支承环9的外圆周上。通过拧紧调整螺钉21，可以将环体11从其同心于转动轴线3的静止位置以基本平行于转动轴线的旋转对称轴线径向调整到一个偏心位置，其中通过调整三个调整螺钉21，可选择偏心度的大小和角位置。将环体11的偏心度选择成使由环体11和必要时由套筒13产生的不平衡力抵消构件1的一种可能的不平衡度。
传统上在一台动平衡机上的旋转过程中按大小和角位置来测定构件1的不平衡度。动平衡机按照如此确定的不平衡参数确定平衡环7的为平衡该不平衡度所需的偏心度的大小和角位置并符合目的地例如以对每一调整螺钉21的螺钉角度信息的形式提供用于各调整螺钉21的调整参数。当然，不平衡参数不一定必须从环体11的静止位置开始确定。相反，环体11的任何位置，即使偏心位置都是适用的，该偏心位置然后导致用于各调整螺钉21的调整值，这些调整值考虑到环体11的任意的起始位置。
在上述的实施例中，支承环9以热收缩方法热压套装到构件1的圆周面5上，从而它通过压配合力保持在构件1上。当然，支承环也可以另外地固定在构件1上，例如可以熔焊、钎焊或胶合。也可以形锁合地固定支承环9，例如借助一种在其内圆周上的内螺纹或者还可以通过夹紧装置例如夹紧螺钉等将其固定或拧紧。
支承环9、套筒13和环体11结合成一体相互连结并且优选由金属构成。
以下说明平衡环的一些方案和实施形式。相同作用的部件分别用上述的标记表示并且为区别起见设有一个字母。为了说明结构、作用原理和可能的方案分别涉及以上描述。
按图1和2的平衡环7具有三个相互角位错120°地在环体11上可径向拧紧的调整螺钉21。图3和4示出平衡环7a的一种方案，与图1和2的平衡环7不同，它包括四个相互角位错90°地在其环体11a上可径向拧紧的调整螺钉21a。此外各调整螺钉21a不支承在支承环9a上，而是穿过支承环9a的通孔25并且直接支承在构件1a的圆周面5a上。
图5和6示出借助图1和2说明的平衡环7的另一方案，其支承环9是环形封闭的。与此不同，图5和6的平衡环7b的支承环9b通过多个切口27分成一些扇形段29，它们径向弹性地贴靠在构件1b的圆周5b上并且将平衡环7b固定在构件1b上。各切口27可以限制在支承环9b上。但它们也可以延伸到径向接片15b和必要时延伸到套筒13b和径向接片17b中，如图6中在31处所示。虽然各调整螺钉21b也可以直接支承在构件1b上，但在这里优选支承在扇形段29上，以便改进平衡环7b在构件1b上的固定。当然，代替图5中所示的三个调整螺钉21b也可以设置更多个调整螺钉。
在图1-6的实施形式中，各调整元件构成为待手工操作的调整螺钉。图7和8示出平衡环7c的方案，其中各调整元件构成为可电控的致动器21c，这些致动器在有未更详细示出的供给电信号时可改变其径向尺寸。致动器21c例如涉及一些压电元件和毫微软管元件等。各致动器21c一方面安装在支承环9c的外表面上的导向开口中而另一方面安装在环体11c的内表面上的导向开口中并且由此同时承担环体11c在支承环9c上的径向和轴向的导向和固定。如图7和8中所示，各导向开口可以构成为环形槽33或35，在其中分别以彼此相等的角间距固定各致动器21c。当然，可电控的致动器也可以用于上述的和后面的实施例中。支承环9c可以按上述的方式固定在构件1c的外圆周5c上。
在以上借助图1-6说明的方案中，构成弹簧铰接装置的套筒的轴向长度首先确定弹簧特性。如在下面说明的实施例中，当弹簧铰接装置的弹性长度不沿环体的轴向方向而是沿圆周方向延伸时，平衡环沿轴向方向的尺寸可以保持很小。沿圆周方向为安装弹簧连接装置提供了较多的结构空间。这样图9示出平衡环7d的一种方案，其环体11d通过多对沿圆周方向延伸的弹簧接片13d与一个沿圆周方向分成多个扇形段的支承环的各个扇形段9d相连接。在所示的实施例中，支承环包括三个扇形段9d，它们沿圆周方向相互接连，同时形成间隙37，其中安装在环体的螺纹孔19d中的、可径向拧紧的各调整螺钉21d通过这些间隙37并且直接支承在构件1d的外圆周5d上。
各对基本上构成为沿圆周方向弯曲的片簧的弹簧接片13d以其彼此远离的各端分别与其中一个支承环扇形段9d的沿圆周方向设置的各端相连接。所述对的弹簧接片13的相互邻接的各端居中地在沿圆周方向接连的各调整螺钉21d之间与环体11d相连接。
各支承环扇形段9d可以由于其固有弹性固定在构件1d上，但它们也可以按另外的方式固定，例如胶合或钎焊或拧上。
图10的平衡环7e与图9的平衡环7d的区别基本上只在于，支承环9e构成为环形封闭的支承环，为了通过调整螺钉21e，类似于图3和4的方案，该支承环设有一些通孔25e，各调整螺钉21e穿过这些通孔直接支承在构件1e的外圆周5e上。各弹簧接片13e分别在每一调整螺钉21e的两侧与支承环9e相连接。
图11中所示的平衡环7f的方案与图9中的平衡环7d的区别只在于，构成一个扇形的支承环的各扇形段9f不在其彼此远离的各端与沿圆周方向延伸的各弹簧接片13f成对地连接，而是分别在其中部区域在两个沿圆周方向接连的调整螺钉21f之间相互连接。因此每一对的各弹簧接片13f在其沿圆周方向远离设置的各端与环体11f连接。在图11的方案中，各支承环扇形段9f也构成各间隙37f，通过它们各调整螺钉21f直接贴靠在构件1f的外圆周5f上。
图12示出平衡环7g的一种方案，其中支承环9g按照图10的方案是环形封闭的，其中各调整螺钉21g再次通过各通孔25g并直接支承在构件1g的外圆周5g上。但不同于图10的平衡环7e，在平衡环7g中，在两个沿圆周方向接连的各调整螺钉21g之间成对设置的各弹簧接片13g以其相互邻接的各端与支承环9g相连接，而彼此远离的各端轴向在各通孔25g的两侧与环体11g连接。
当然，在图10和12中所示的平衡环的调整螺钉21g和21e也可以支承在环形封闭的支承环上，如这对于在图1和2中的平衡环7所说明的那样。可以通过热压套装、胶合、焊接实现支承环在构件上的固定，如这以上所说明的那样。

Claims (16)

1.用于一个绕一条转动轴线(3)旋转的构件(1)特别是一个刀具夹具等的平衡环，包括：
-一个关于一条旋转对称轴线旋转对称的环体(11)；
-一个导向装置(13、21c)，该导向装置以基本上平行于构件(1)的转动轴线(3)的旋转对称轴线可径向移动地、但轴向固定地在构件(1)上引导环体(11)；以及
-多个沿环体(11)的圆周方向优选以彼此相等的角间距设置的、以可变的径向支承长度径向支承在环体与构件之间的调整元件(21)。
2.按照权利要求1所述的平衡环，其特征在于，导向装置具有一个贴靠在构件(1)的一个圆柱形的、同心于转动轴线的圆周面上的支承环(9)，该支承环通过一个可多方面径向偏移的弹簧铰接装置(13)与环体(11)连接。
3.按照权利要求2所述的平衡环，其特征在于，弹簧铰接装置(13)沿一个同心于旋转对称轴线的圆设置并且包括至少一个基本上沿旋转对称轴线的方向延伸的、可径向偏移的弹簧元件(13)，该弹簧元件沿轴向看以其一端部区域(15)连接在支承环(9)上而以其另一端部区域(17)与环体(11)连接。
4.按照权利要求3所述的平衡环，其特征在于，弹簧元件为一个同心于旋转对称轴线的可弹性偏移的套筒(13)。
5.按照权利要求4所述的平衡环，其特征在于，套筒(13)沿圆周方向通过多个轴向延伸的切口(27)或凹槽分成一些可径向偏移的弹簧扇形段。
6.按照权利要求2所述的平衡环，其特征在于，弹簧铰接装置包括沿环体的圆周方向分布的多对沿圆周方向延伸的弹簧接片(13d-g)，这些弹簧接片以其沿圆周方向邻接的各端成对地保持在环体(11d-g)上或成对地保持在支承环(9d-g)上，并且以其沿圆周方向远离的各端保持在相应另外的部件即支承环(9d-g)或环体(11d-g)上。
7.按照权利要求2至6之一所述的平衡环，其特征在于，环体(11)、弹簧装置(13)和支承环(9)结合成一件构成。
8.按照权利要求2至7之一所述的平衡环，其特征在于，支承环(9、9a、e、d)构成为封闭的环。
9.按照权利要求8所述的平衡环，其特征在于，支承环(9)可热压套装到构件(1)上。
10.按照权利要求2至7之一所述的平衡环，其特征在于，支承环(9b、d、f)构成为扇形的环，其各扇形段通过弹簧装置(13b、d、f)与环体(11b、d、f)连接。
11.按照权利要求1至10之一所述的平衡环，其特征在于，各调整元件构成为可径向拧紧的调整螺钉(21)。
12.按照权利要求11结合权利要求2至10之一所述的平衡环，其特征在于，各调整螺钉(21)安装在环体(11)的螺纹孔(19)中并且支承在支承环上或直接支承在构件上。
13.按照权利要求1的平衡环，其特征在于，导向装置具有一个贴靠在构件(1c)的一个圆柱形的、同心于转动轴线(3)的圆周面上的支承环(9c)，环体(11c)通过多个沿圆周方向分布的、构成调整元件的致动器(21c)以可控的径向支承长度支承在该支承环上。
14.按照权利要求13所述的平衡环，其特征在于，致动器构成为压电元件或毫微软管元件。
15.用于借助一个安装在构件(1)上的平衡环(7)平衡一个绕一条转动轴线(3)旋转的构件的方法，其特征在于，在构件(1)上安装一个具有一个可径向移动地在构件(1)上引导的环体(11)的平衡环(7)，通过多个沿环体(11)的圆周方向优选按彼此相等的角间距设置的调整元件(21)以相对于构件(1)可变的支承长度支承平衡环，并且绕转动轴线(3)旋转地驱动构件(1)连同平衡环(7)并且测量代表此时产生的不平衡力的不平衡参数的大小和方向，并且根据测定的不平衡参数如此地改变各调整元件的支承长度，使得环体(11)移动到一个抵消不平衡力的径向位置。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，根据测定的不平衡参数确定用于调整元件(21)的长度调整信息。
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