CN103808462A - 用于确定静态不平衡度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助重心称量天平(10)确定具有定心面(31)的物体(30)的静态不平衡度的方法，其中，借助电位移传感器(16)测量物体(30)的定心面(31)相对于其支座的位置；借助评估电路根据位移传感器(16)的测量信号计算物体(30)的定心面(31)相对于天平(10)的基准点的偏心率；称量物体(30)并且检测物体(30)的质量和其重心相对于天平(10)的基准点的位置；借助评估电路根据天平(10)的测量信号以及物体(30)的定心面(31)相对于天平(10)的基准点的偏心率计算物体(30)的不平衡度。

Description

用于确定静态不平衡度的方法和装置
技术领域
本发明涉及借助设计用于确定物体重心的天平或秤确定具有定心面的物体的静态不平衡度的一种方法和一种装置，所述天平或秤具有用于物体的支座和定心器件，所述定心器件相对于天平的基准点将物体定心。
背景技术
DE 33 30 974 C2和DE 10 2009 016 123 A1均公开了所述类型的一种方法和一种装置。这种类型的方法和装置需要以较大的精度相对于天平的基准点将待检物体置于中心。如果由钻孔构成物体的定心面，则已知可借助啮合到该钻孔中的定心心轴将物体夹紧。对于较大、较重、通常呈盘形的物体，则首先在将物体放在支座的支承面上时进行预定心。接着借助膨胀心轴或者三爪卡盘将物体再次定心并且夹紧。已知的定心器件的缺点是，存在由于夹紧而损坏定心面的危险。为了将该危险保持在最小程度，必须分别调整夹具使之适合于夹紧面的直径。因此对于不同的夹紧直径，需要使用不同的、需要分别更换的夹紧器件。这就提高了装置的结构复杂性和成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种本文开头所述类型的方法以及一种用于执行该方法的装置，所述装置能够以很高的重复精度确定不平衡度，并且能可靠避免待测物体由于夹紧在支座中而受损。
该技术问题按照本发明通过一种用于借助设计用于确定物体重心的天平确定具有定心面的物体的静态不平衡度的方法和一种用于确定具有定心面的物体的静态不平衡度的装置解决。
按照本发明所述的方法，借助设计用于确定物体重心的天平或秤对具有定心面的物体的静态不平衡度进行确定，所述天平或秤具有用于物体的支座和定心器件，所述定心器件在将物体放在支座上时引导物体进入相对于天平的基准点基本上居中的位置，所述方法包括以下步骤：将物体放在天平的支座上；借助至少两个彼此相距一定夹角布置的电位移传感器测量物体定心面相对于支座的位置；借助连接到位移传感器的评估电路根据位移传感器的测量信号计算物体定心面相对于天平基准点的偏心率；称量物体并且检测物体的质量和重心相对于天平基准点的位置；借助评估电路根据由天平所获得的测量信号和物体定心面相对于天平基准点的偏心率计算物体的不平衡度。
本发明所述的方法不必相对于天平的基准点精确居中地定位物体，并且可以容忍放在支座上之后不精确的定位。取而代之地与已知的方法相对，借助位移传感器测量定心面的准确位置，并且在确定不平衡度时考虑和补偿定心面中心相对于天平基准点的现有偏心率。采用这种方式能以较高的重复精度精确确定不平衡度。
为了进行测量，仅需将物体预定位地放在支座上，之后不再移动物体。由于预定位仅需要很小的导向力而且并不施加较大压力用于夹紧在定心面上，因此几乎可以排除转子受损的危险。
本发明所述方法的另一个优点在于处理时间很短。位移传感器能够非常迅速地检测定心面的位置，所需时间少于借助夹紧装置将物体移动到测量位置上的时间。位置测量的重复精度仅仅取决于位移传感器的精度，并且能够实现比使用三爪卡盘更高的精度。
为了校准位移传感器，按照本发明的另一项建议，借助位移传感器测量放在支座上的旋转对称的校准块的位置，并且将校准块的中心点确定为对应于位移传感器的传感器坐标系的原点。接着通过借助天平称量校准块确定矢量，该矢量表示传感器坐标系相对于天平坐标系的偏心距，天平坐标系的原点处于天平的基准点上。该校准方法简单快捷，可保证精确校准天平。
按照本发明的另一项建议，能够以简单的方式通过以下措施确定需要确定其不平衡度的物体的定心面相对于天平基准点的偏心率，即，根据位移传感器的测量信号计算物体定心面中心点的位置以及表示定心面中心点相对于传感器坐标系原点的偏心率的矢量，并且通过计算的矢量与经过之前的校准获得的传感器坐标系相对于天平坐标系原点的偏心率的矢量的相加来计算表示定心面中心点相对于天平基准点的偏心率的矢量。
为了确定物体的不平衡度，可以借助天平测量表示物体重心相对于天平坐标系的偏心率的矢量，并且通过该矢量与表示定心面相对于天平坐标系的偏心率的矢量的相减来计算表示重心相对于物体定心面中心点的偏心度的矢量。根据物体重心的偏心率及其质量能够按照已知的方式计算静态不平衡度。
本发明所述的方法可以使用非接触测量的传感器或者具有可运动的按键元件的传感器作为位移传感器。如果使用具有按键元件的位移传感器，则按键元件可能会影响不平衡度的测量，因为在探测定心面位置的过程中按键元件运动并且相对于天平的支座移动。为了避免这种对不平衡度测量的影响，按照本发明可以确定每个按键元件的可运动质量，然后根据相应按键元件的质量以及通过测量信号确定的运动行程针对每个按键元件计算不平衡度贡献量。然后可以从根据重心位置计算的物体不平衡度中减去计算的不平衡度贡献量。
按照本发明，用于执行所述方法的有利装置包括用于确定物体重心的天平，该天平具有用于物体的支座和若干定心器件，所述定心器件可在将物体放在支座上时引导物体进入相对于天平基准点基本上居中的位置，所述支座具有至少两个彼此相距一定夹角布置的电位移传感器，所述位移传感器测量物体定心面相对于支座的位置并且连接到评估电路上，所述评估电路设计用于根据位移传感器的测量信号计算物体定心面相对于天平基准点的偏心率，然后根据通过称量物体获得的天平的测量信号以及所计算的定心面偏心率计算物体的重心以及相对于其定心面中心点的不平衡度。
可以使用简单的机械构件以低廉成本实现按照本发明的装置，因为无需承受和产生很高的过程力。所述装置也能与不同的定心面直径适配，因为可以径向调整位移传感器。完成调整之后仅需将位移传感器重新校准到中心点。这能够以简单的方式通过校准环实现。
所述装置优选包括具有可运动的按键元件的位移传感器，所述按键元件可以贴靠在物体的定心面上，所述评估电路设计用于根据每个按键元件的质量和运动行程计算不平衡度贡献量，然后从所计算的物体不平衡度中减去所计算的不平衡度贡献量。因此按键元件的位置变化不影响不平衡度的确定。
按照本发明，所述装置的支座可以具有圆盘形状的支承盘，位移传感器与支承盘的中心等距地并且各自相距120°的角度地布置在所述支承盘上。可以用手或者借助可驱动的执行器沿径向移动位移传感器的按键元件。
用于待测物体的支座可以具有支承元件，这些支承元件从支承盘中伸出并且布置在位移传感器之间，并且具有处于同一个平面中的用于物体的支承面。
为了引导物体进入基本上居中的位置，可以给支座配置至少三个锥形导向元件，这些导向元件从支承面的平面中伸出，并且设计用于在定心面上引导物体。为了与不同的定心面直径适配，可以径向调整导向元件。
附图说明
以下将根据附图所示的实施例详细阐述本发明。在附图中：
附图1示出按照本发明的重心称量天平的俯视图以及
附图2示出用于阐述按照本发明的方法的坐标系。
具体实施方式
图1示出用于通过称量物体并且测量其重心位置来确定围绕轴线旋转的物体的不平衡度的天平10。天平10具有支承盘11，该支承盘具有平坦圆盘的形状。支承盘11具有两个自由度，并且沿垂直方向支承于至少三个力传感器上，所述力传感器位于支承盘下方并且输出模拟或者数字电测量信号。将测量信号传输至评估装置12，该评估装置具有用于指示所确定的不平衡数据的屏幕13和用于输入数据的键盘14。支承元件15和位移传感器16放射状地布置在支承盘11上。原则上有两个例如相距90°的位移传感器就足够了，但是三个位移传感器可提高位置测量精度。
支承元件15具有120°的中心距。位移传感器16分别位于支承元件15之间并且与这些支承元件具有60°的中心距。支承元件15的顶面构成支承面17，这些支承面均处在同一个与支承盘11平行地相隔一定距离布置的平面之中。将销状的导向元件18安置在支承元件15上，这些导向元件均向上超过支承面17的平面伸出并且具有向上逐渐变细的形状。各导向元件18与支承盘11的中心轴线之间的距离相等并且用于对放在支承元件上的物体进行定心。
位移传感器16在各支承面17的共同平面下方延伸并且具有按键元件20，这些按键元件向上超过支承面17的平面伸出并且具有径向外侧的探测面21，所述探测面设计用于贴靠在布置于支承元件15上的物体的钻孔表面上。按键元件20沿径向可运动地支承于位移传感器16的滑轨之中并且可以借助电执行器22运动。通过评估装置12控制执行器22。可以借助布置于位移传感器16上的位移发送器测量按键元件20的相应位置及其径向运动尺度。将位移传感器16的测量结果传输给评估装置12。
例如有一个应测量其不平衡度的物体30位于天平10上。物体30旋转对称并且具有定心面31，该定心面在本示例中就是物体30的圆柱形钻孔的壁。物体30在其轴向端部具有平坦的端面32，所述端面位于垂直于定心面31轴线的平面中。物体30的下端面32置放在支承元件15的支承面17上。导向元件18在放在定心面31上时引导物体30，使其相对于支承盘11基本上居于中心。但是定心并不精确，因为导向元件18与支承盘11的轴线相隔一定距离布置，使得可以很容易地将物体30放在天平10上，而不会有例如由于夹紧而引起受损的危险。
在放上物体30之后，通过控制执行器22使得按键元件20的探测面21以很小的力贴靠在定心面31上。物体30不会因此而运动，并且保持其放置位置不变。
由位移传感器16的测量信号通过与之前获得的保存在评估装置12中的校准数据的比较计算物体30的位置与精确定心的位置和天平10的基准点之间的偏差，并且在确定不平衡度时予以补偿。
以下将根据附图2所示的坐标系对计算方式进行详细阐述。在附图2中以W表示原点位于天平10的基准点上的天平坐标系，以S表示原点位于位移传感器16的中心点上的传感器坐标系，以R表示原点位于物体30的定心面31的中心点上的物体坐标系。通过使用校准块进行校准操作，借助转换补偿(Umschlagkompensation)确定天平10的基准点和位移传感器16的中心点，其中，将位移传感器16校准到校准块的中心点，然后通过称重确定矢量eS，该矢量表示传感器坐标系S相对于天平坐标系W的偏心率。
若要确定物体30的不平衡度，首先根据位移传感器16的测量信号(这些测量信号说明按键元件20相对于通过校准获得的零点位置的位移)计算定心面31的中心点，接着计算矢量eSR，该矢量说明定心面31的中心点相对于传感器坐标系S的原点的偏心率。通过将矢量eSR和校准时获得并且保存的矢量eS相加，计算矢量eR，该矢量说明物体30的定心面31的中心点相对于天平坐标系W的原点的偏心率。
可以根据天平10的测量信号，以常见的方式确定物体30的重心SPR相对于天平坐标系W的位置，并且通过矢量eSP，W进行描述。然后将矢量eSP， W和eR相减，即可在涉及定心面31的中心点的物体坐标系R中计算用于计算不平衡度的矢量eSP，R。所计算的矢量eSP，R表示物体30的重心的偏心率。然后可以根据物体30的重心偏心率和质量，按照已知的方式计算物体30的不平衡度的大小和角位置。
计算不平衡度时也要考虑到当按键元件20贴靠在定心面31上时，其位移会影响所测量的不平衡度。根据可运动的按键元件20的质量以及可以从位移传感器16的测量信号获取的位移行程，针对每个位移传感器16计算不平衡度贡献量，为了获得物体30的真实不平衡度，需要从根据物体30的重心偏心率和质量计算的不平衡度中减去该不平衡度贡献量。
本发明所述的方法和装置适用于所有用于确定不平衡度的静天平的已知应用。在待测物体的大小和重量方面还可以扩大应用范围，因为不需要移动所放置的物体来进行更精确的定心。应用也不局限于凹形的定心面，而是同样也适合于凸形的定心面。位移传感器和支承元件可以径向移动或者错开地安置在支承盘上，以便适应于不同的直径。也可以使用光学和非接触式工作的位移传感器替代机电式位移传感器。

Claims (11)

1.一种用于借助设计用于确定物体(30)重心的天平(10)确定具有定心面(31)的物体(30)的静态不平衡度的方法，所述天平具有能够支承具有垂直定向的旋转轴线的物体(30)的支座以及定心器件，所述定心器件能在将物体(30)放在支座上时引导物体进入相对于天平(10)的基准点基本上居中的位置，所述方法包括以下步骤：
将物体(30)放在天平(10)的支座上，
借助至少两个彼此相距一定夹角布置的电位移传感器(16)测量物体(30)的定心面(31)相对于支座的位置，
借助连接在位移传感器(16)上的评估电路根据位移传感器(16)的测量信号计算物体(30)的定心面(31)相对于天平(10)的基准点的偏心率，
称量物体(30)，并且检测物体(30)的质量和其重心相对于天平(10)的基准点的位置，
借助评估电路根据从天平(10)获得的测量信号以及物体(30)的定心面(31)相对于天平(10)的基准点的偏心率计算物体(30)的不平衡度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了进行校准，借助位移传感器(16)测量放在支座上的旋转对称的校准块的位置，并且将校准块的中心点确定为配属于位移传感器(16)的传感器坐标系(S)的原点，并且借助天平(10)以称量校准块的方式确定表示传感器坐标系(S)相对于天平坐标系(W)的偏心率的矢量(eS)，所述天平坐标系的原点位于天平(10)的基准点上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据位移传感器(16)的测量信号计算物体(30)的定心面(31)的中心点的位置和矢量(eSR)，该矢量表示定心面(31)的中心点相对于传感器坐标系(S)的原点的偏心率，并且通过定心面(31)的中心点的偏心率的矢量(eSR)和传感器坐标系(S)相对于天平坐标系(W)的原点的偏心率的矢量(eS)的相加来计算表示物体(30)的定心面(31)的中心点相对于天平(10)的基准点的偏心率的矢量(eR)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助天平(10)测量物体(30)的重心(SPR)相对于天平坐标系(W)的偏心率的矢量(eSP，W)，并且通过物体重心(SPR)的偏心率的矢量(eSP，W)和物体(30)的定心面(31)相对于天平坐标系(W)的偏心率的矢量(eR)的相减来计算表示重心(SPR)相对于定心面(31)的中心点的偏心率的矢量(eSP，R)，并且根据重心(SPR)相对于定心面(31)的中心点的偏心率以及物体(30)的质量计算物体(30)的不平衡度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有能够贴靠在物体(30)的定心面(31)上的可运动的按键元件(20)的位移传感器(16)，确定每个按键元件(20)的可运动质量，并且根据各个按键元件(20)的质量以及通过测量信号得知的运动行程计算每个按键元件(20)的不平衡度贡献量，并且将根据重心(SPR)的偏心率计算的物体(30)的不平衡度减去计算的不平衡度贡献量。
6.一种用于确定具有定心面(31)的物体(30)的静态不平衡度的装置，包括设计用于确定物体(30)重心的天平(10)，该天平具有能够支承具有垂直定向的旋转轴线的物体(30)的支座以及定心器件，所述定心器件能在将物体(30)放在支座上时引导物体进入相对于天平(10)的基准点基本上居中的位置，所述支座具有至少两个彼此相距一定夹角布置的电位移传感器(16)，所述位移传感器测量物体(30)的定心面(31)相对于支座的位置，其中，所述位移传感器(16)连接到评估电路上，所述评估电路设计用于根据位移传感器(16)的测量信号计算物体(30)的定心面(31)相对于天平(10)的基准点的偏心率，并且根据通过称量物体(30)获得的天平(10)的测量信号以及所计算的定心面(31)的偏心率计算物体(30)的重心和不平衡度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，每一个位移传感器(16)均具有可运动的按键元件(20)，所述按键元件能够贴靠在物体(30)的定心面(31)上，并且评估电路设计用于根据每个按键元件(20)的质量和运动行程计算不平衡度贡献量，然后从所计算的物体(30)的不平衡度中减去所计算的不平衡贡献量。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，能够用手或者借助可驱动的执行器(22)沿径向移动位移传感器(16)的按键元件(20)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述支座具有圆盘形状的支承盘(11)，所述至少两个位移传感器(16)与支承盘(11)的中心等距地并且各自相距120°的角度地布置在所述支承盘上。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述支座具有支承元件(15)，所述支承元件在支承盘(11)上布置在位移传感器(16)之间并且具有处于同一个平面中的用于物体(30)的支承面(17)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述支座具有至少三个锥形的导向元件(18)，所述导向元件从支承面(17)的平面中伸出，并且设计用于在定心面(31)上引导物体(30)进入相对于天平(10)的基准点基本上居中的位置。
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