CN103674430A - 加工机的动平衡刀把及其动平衡控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种加工机的动平衡刀把及其动平衡控制系统，主要是于一加工机的主轴上设有一动平衡刀把，供固定加工刀具，该动平衡刀把上设有一个以上的平衡调整环及一个以上的磁性.元件；当加工机的主轴运转时可由一动平衡控制系统取得主轴的振动量及动平衡刀把的相对位置，经过平衡控制系统运算后产生一调整角度值，供调整动平衡刀把上的平衡调整环角度，以修正主轴的不平衡量，进而避免主轴损坏、提高产品信赖度。

Description

加工机的动平衡刀把及其动平衡控制系统

技术领域

本发明涉及一种加工机的动平衡刀把及其动平衡控制系统，尤指一种利用磁性感应技术感应运算主轴上所设动平衡刀把的相对位置，并配合取得主轴振动量以运算出一调整角度值，供调整该动平衡刀把的角度以令其达到平衡的相关技术。

背景技术

由于各式加工机具有高速、高精度的加工需求，加工机在主轴高速化后遭遇质量不平衡造成的振动问题。

上述不平衡的衡量标准，是根据国际标准组织所制订定的ISO1940，转子依据转子使用的条件及运转时的振动量而加以区分，其将转子平衡等级分为11等，以2.5倍逐级递增为增量，由最佳的G0.4到最差的G4000，其中加工机主轴与刀具的动平衡等级为G6.3，其代表不平衡的质量位于转子半径上相对于转子总重量的值，亦代表不平衡对于转子轴心的偏心距离。

而造成加工机上主轴不平衡的因素很多，例如加工刀具的尺寸大小，经常造成主轴动平衡的差异太大，进而影响主轴寿命与加工品质。

为解决加工机的主轴不平衡问题，已知的修正技术包括以下数种：

1.重量消去法：是利用钻孔、铣削方式减少主轴上残余不平衡边的重量。

2.重量增加法：是在刀杆上预先钻好固定深度的螺孔，在测量取得动平衡残余值后，使用已知重量的螺丝加在预先钻好的螺孔内，以修正动平衡值。

3.动平衡环调整法：是在刀杆上设两个偏心且已知偏心量的动平衡环，通过改变其角度以调整刀杆的不平衡量。

以已知的动平衡调整法而言，是调整刀杆上两个已知偏心量的动平衡环角度，来调整刀杆的不平衡量。因此如何决定调整角度的大小，即直接影响不平衡量的调整效果。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种加工机的动平衡控制系统，主要是在加工机主轴的动平衡刀把上分设两个平衡调整环及一磁性元件，利用磁感应方式取得动平衡刀把的相对位置，且同时检测主轴运转时的振动值，以换算出两个平衡调整环应该调整的角度，藉以快速修正主轴的不平衡量。

为达成前述目的采取的主要技术手段是令前述加工机的动平衡控制系统包括：

一动平衡刀把，安装于一加工机的主轴上，供固定刀具，该动平衡刀把具有一刀把本体，刀把本体上分设有两个平衡调整环及一磁性元件；

一磁感应检测器，相对于前述动平衡刀把上的磁性元件；

一振动感测器，设于加工机的主轴上，用以测量主轴运转时的振动值；

一信号处理电路，分别与前述磁感应检测器、振动感测器连接，用以转换处理接收自磁感应检测器、振动感测器的感测信号；

一调整角度运算模块，与前述信号处理电路连接，用以根据信号处理电路的输出信号运算出一调整角度值，供调整动平衡刀把上两平衡调整环的角度；

以上所述的动平衡控制系统主要是在加工机主轴运转时，利用振动感测器测量主轴的振动值，同时由磁感应检测器取得动平衡刀把的相对位置，藉以换算出一调整角度值，并根据该调整角度值调整动平衡刀把上的平衡调整环，藉以修正主轴的不平衡量。利用上述系统是先测量加工机主轴修正不平衡量以前的振动值，配合动平衡刀把相对位置的取得及相关系数法的运算，得以运算出动平衡刀把上所设平衡调整环应该调整的角度，藉此可快速且准确地完成主轴不平衡量的修正。

本发明还提供一种加工机的动平衡刀把，具有一刀把本体，所述刀把本体上分设有两平衡调整环及一磁性元件，所述刀把本体呈圆柱状，其径面上形成有两朝轴心方向凹入的环槽，以分供设置一平衡调整环，所述环槽的槽高与槽形与平衡调整环的厚度、内缘轮廓匹配；各平衡调整环分别由两片半圆形的半环片组成，两半环片分别具有一表面及一底面，其中一半环片的底面两端分别形成有一凹部，两凹部使半环片两端的厚度变小，另一半环片的两端部分别朝圆周方向延伸一凸部，所述凸部底面与半环片的底面齐平，凸部的厚度适为另一半环片两端凹部的深度；每一平衡调整环的其中一半环片上设有一配重块。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明应用的加工机示意图；

图2是本发明在加工机主轴上所设动平衡刀把的分解图；

图3是本发明在加工机主轴上所设动平衡刀把的平面示意图；

图4是本发明的电路方块图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

涉及本发明的一较佳实施例，请参考图1所示，主要是在一加工机10的主轴11上设有一动平衡刀把20，该动平衡刀把20是用以固定刀具；又主轴11上设有一振动感测器12，在本实施例中，该振动感测器12是由一加速规构成。

请配合参考图2所示，该动平衡刀把20具有一刀把本体200，刀把本体200上分设有两平衡调整环30，30’及一磁性元件21；涉及平衡调整环30，30’的安装方式，详如以下所述：

该动平衡刀把20的刀把本体200呈圆柱状，该刀把本体200径面上形成有两朝轴心方向凹入的环槽201，202，以分供设置一平衡调整环30，30’，该环槽201，202的槽高与槽形与平衡调整环30，30’的厚度、内缘轮廓匹配。

该平衡调整环30，30’分别由两片半圆形的半环片31，32组成(由于两平衡调整环30，30’构造相同，以下仅以其中一平衡调整环30说明其构造)，两半环片31，32分别具有一表面及一底面，其中一半环片31的底面两端分别形成有一凹部310，两凹部310使半环片31两端的厚度变小(例如变成一半)，另一半环片32的两端部分别朝圆周方向延伸一凸部320，该凸部320底面与半环片32的底面齐平，凸部320的厚度适为另一半环片31两端凹部320的深度，且凸部320的周长适为凹部310的周长；当一半环片32以其凸部320完全地叠合于另一半环片31的凹部310上，适可组成一正圆形的平衡调整环30。又平衡调整环30的其中一半环片31上设有一配重块33，主要是在该半环片31上形成有一安装孔311，供配重块33嵌设其间，在本实施例中，两平衡调整环30，30’是分别在相对位置的半环片31，32上设置配重块33。

安装前述两平衡调整环30，30’时，是将其两半环片31，32分开，再分别嵌入环槽201，202内，使两半环片31，32的凹部310，凸部320得以匹配地叠合，利用公差与摩擦力使平衡调整环30，30’确实地固定在动平衡刀把20的刀把本体200上。

又本实施例中，是在刀把本体200下端套设有一螺帽22，螺帽22的径壁上形成有一开孔220，供嵌设该磁性元件21，本实施例中，该磁性元件21是由铷铁硼磁铁所构成。

再者，本发明是在前述动平衡刀把20的相对位置上设有一磁感应检测器40(如图3所示)，该磁感应检测器40以微小的距离(约3~4mm)相对于刀把本体200下端的磁性元件21，当主轴11旋转时，由磁感应检测器40检测动平衡刀把20的相对角度(位置)。本实施例中，磁感应检测器40是由一巨磁阻效应(GMR)感测器所构成。

请参考图4所示，本发明进一步包括有一信号处理电路50及一调整角度运算模块60，该信号处理电路50分别与前述磁感应检测器40、振动感测器12连接，用以转换处理接收自磁感应检测器40、振动感测器12的感测信号；该调整角度运算模块60是根据前述信号处理电路50输出的信号运算产生两平衡调整环30，30’须调整的角度，以修正主轴11的不平衡量。

该信号处理电路50主要是由一巨磁阻效应控制电路51、一波形转换电路52及一数字滤波电路53组成，该巨磁阻效应控制电路51与磁感应检测器40连接，以接收并处理磁感应检测器40传来的检测信号，该波形转换电路52则将巨磁阻效应控制电路51送出的弦波信号改为方波；该数字滤波电路53与振动感测器12连接，以便对振动感测器12送入的信号进行滤波处理。

在本实施例中，信号处理电路50进一步与一相位运算器54及一数据撷取器55连接，该相位运算器54与波形转换电路52连接，以便根据磁感应检测器40输出的信号计算其相位，再通过数据撷取器55送至调整角度运算模块60，又振动感测器12输出的信号经过数字滤波电路53滤波后亦通过数据撷取器55送至调整角度运算模块60，以计算出两平衡调整环30，30’应调整的角度。在本实施例中，该相位运算器54是由一复杂可编程逻辑装置(CPLD)所构成，数据撷取器55则由一数据采集（Data Acquisition，简称DAQ）卡所构成。该调整角度运算模块60可以是一部电脑，在本实施例中，该调整角度运算模块60运算调整角度的方法是相关系数法，相关系数法原为估测转子不平衡量的方法之一，相关系数矩阵是一个转移函数(如下列式1-1)，振动量为不平衡量所产生的力经过该转移函数的输出：

$\left\{\stackrel{\‾}{V_0}\right\}=\left[\stackrel{\‾}{H}\right]\left\{M_0{\stackrel{\‾}{R}}_0\right\}---(1-1)$

相关系数矩阵；

主轴原始不平衡量所造成相对于参考点的振动信号相位与大小；

主轴原始不平衡量相对于参考点的相位与大小(未知)。

在本实施例中，前述两平衡调整环30，30’上的不平衡量相位相差180度，力量的输入为主轴11不平衡量所产生的不平衡力，而输出的振动向量为振动感测器(加速规)12测量得到的振动信号向量。在得到主轴原始不平衡量所造成的振动信号振幅大小与相位

后再作试重(trail weight)，而将两平衡调整环30，30’不平衡量的向量当作试重的不平衡量，再经由测量得到试重后的主轴不平衡量、两平衡调整环30，30’不平衡量三向量和的振动信号振幅大小和相位，藉此得到下式：

$\left\{\stackrel{\‾}{V_1}\right\}=\left[\stackrel{\‾}{H}\right]\{M_0{\stackrel{\‾}{R}}_0+M_1{\stackrel{\‾}{R}}_1\}---(1-2)$

试重后，两平衡调整环的不平衡量与主轴原始不平衡量向量和相对于参考点所造成的振动信号相位与大小；

试重后，两平衡调整环已知不平衡量向量和，相对于参考点的相位(未知)与大小。

将前述式(1-1)、式(1-2)两式相减，得到相关系数矩阵如下：

$\left\{\stackrel{\‾}{V_0}\right\}-\left\{\stackrel{\‾}{V_1}\right\}=\left[\stackrel{\‾}{H}\right]\{M_0{\stackrel{\‾}{R}}_0+M_1{\stackrel{\‾}{R}}_1\}-\left[\stackrel{\‾}{H}\right]\left\{M_0{\stackrel{\‾}{R}}_0\right\}=\left[\stackrel{\‾}{H}\right]\left\{M_1{\stackrel{\‾}{R}}_1\right\}$

$\left[\stackrel{\‾}{H}\right]=\frac{\left\{\stackrel{\‾}{V_0}\right\}-\left\{\stackrel{\‾}{V_1}\right\}}{M_1{\stackrel{\‾}{R}}_1}---(1-3)$

将式(1-3)代入式(1-1)后得到：

$\left\{\stackrel{\‾}{V_0}\right\}=\left[\frac{\stackrel{\‾}{V_0}-{\stackrel{\‾}{V}}_1}{M_1{\stackrel{\‾}{R}}_1}\right]\left\{M_0{\stackrel{\‾}{R}}_0\right\}$

$M_0{\stackrel{\‾}{R}}_0=\frac{\stackrel{\‾}{V_0}}{\stackrel{\‾}{V_1}-{\stackrel{\‾}{V}}_0}{M}_1{\stackrel{\‾}{R}}_1---(1-4)$

由式(1-4)可以得出，

为经过一次试重后，估算出的主轴原始不平衡量的大小与相对参考点的相位，因此只要调整两平衡调整环向量和的大小与相等，而相位与

相差180度，即可修正主轴11上的不平衡量。

根据上述可知，实际上调整动平衡刀把20上两平衡调整环30，30’的方式是如以下所述：

1.测量取得主轴11的振动大小；

2.改变动平衡刀把20上两平衡调整环30，30’的角度；

3.再次测量取得主轴11的振动大小；

4.计算最佳化角度；

5.将两平衡调整环30，30’调整至最佳化角度(本实施例为手动调整)；

6.再次测量主轴11的振动大小，以确认主轴11的不平衡量是否获得有效修正。

由上述可知，本发明是先测量加工机主轴修正不平衡量以前的振动值，配合动平衡刀把相对位置的取得及相关系数法的运算，得以运算出动平衡刀把上所设平衡调整环应该调整的角度，藉此可快速且准确地完成主轴不平衡量的修正。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种加工机的动平衡控制系统，其特征在于，所述加工机的动平衡控制系统包括：

一动平衡刀把，安装于一加工机的主轴上，供固定刀具，所述动平衡刀把具有一刀把本体，刀把本体上分设有两个平衡调整环及一磁性元件；

一磁感应检测器，相对于所述动平衡刀把上的磁性元件；

一振动感测器，设于加工机的主轴上，用以测量主轴运转时的振动值；

一信号处理电路，分别与所述磁感应检测器、振动感测器连接，用以转换处理接收自磁感应检测器、振动感测器的感测信号；

一调整角度运算模块，与所述信号处理电路连接，并根据信号处理电路的输出信号运算出一调整角度值，供调整动平衡刀把上两平衡调整环的角度。

2.根据权利要求1所述加工机的动平衡控制系统，其特征在于，所述磁感应检测器是一巨磁阻效应感测器；

所述信号处理电路包括一巨磁阻效应控制电路、一波形转换电路及一数字滤波电路，所述巨磁阻效应控制电路与磁感应检测器连接，以接收并处理磁感应检测器传来的检测信号，所述波形转换电路将巨磁阻效应控制电路送出的弦波信号改为方波；所述数字滤波电路与振动感测器连接。

3.根据权利要求2所述加工机的动平衡控制系统，其特征在于，所述波形转换电路与调整角度运算模块间进一步设有一相位运算器、一数据撷取器，以便根据磁感应检测器输出的信号计算其相位，再通过数据撷取器送至调整角度运算模块；

所述数字滤波电路输出端也通过数据撷取器与调整角度运算模块连接。

4.根据权利要求3所述加工机的动平衡控制系统，其特征在于，所述相位运算器是一复杂可编程逻辑装置；

所述数据撷取器为一数据采集DAQ卡。

5.根据权利要求4所述加工机的动平衡控制系统，其特征在于，所述振动感测器是一加速规。

6.一种加工机的动平衡刀把，具有一刀把本体，所述刀把本体上分设有两平衡调整环及一磁性元件，其特征在于：

所述刀把本体呈圆柱状，其径面上形成有两朝轴心方向凹入的环槽，以分供设置一平衡调整环，所述环槽的槽高与槽形与平衡调整环的厚度、内缘轮廓匹配；

各平衡调整环分别由两片半圆形的半环片组成，两半环片分别具有一表面及一底面，其中一半环片的底面两端分别形成有一凹部，两凹部使半环片两端的厚度变小，另一半环片的两端部分别朝圆周方向延伸一凸部，所述凸部底面与半环片的底面齐平，凸部的厚度适为另一半环片两端凹部的深度；

每一平衡调整环的其中一半环片上设有一配重块。

7.根据权利要求6所述加工机的动平衡刀把，其特征在于，所述平衡调整环的一半环片上形成有一安装孔，供配重块嵌设其间。

8.根据权利要求7所述加工机的动平衡刀把，其特征在于，所述两平衡调整环分别在相对位置的半环片上设置配重块。

9.根据权利要求6至8中任一项所述加工机的动平衡刀把，其特征在于，所述刀把本体下端套设一螺帽，螺帽的径壁上形成有一开孔，供嵌设所述磁性元件。

10.根据权利要求9所述加工机的动平衡刀把，其特征在于，所述磁性元件是由铷铁硼磁铁所构成。

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