CN104977127A - 旋转体的动态平衡方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种旋转体(10)的平衡装置(1)，该平衡装置限定旋转轴线(10a)并包括：多个平衡头(30)，沿旋转轴线(10a)对齐，每个平衡头(30)均包括：平衡块体(31)，适合于至少沿运动圆周移动以消除旋转体(10)的失衡；至少一个电机(32)适合于彼此独立地移动所述平衡块体(31)，属于不同平衡头(30)的平衡块体(31)沿旋转轴线(10a)相互间隔开；失衡探测器(5)，包括多个振动探测器(5a)，这些振动探测器适合于测量旋转体(10)的失衡引起的振动。

Description

旋转体的动态平衡方法和装置

技术领域

本发明涉及一种旋转体的动态平衡装置，该旋转体限定旋转，该平衡装置包括适合整体连接到旋转体的旋转部，该旋转部包括：平衡块体，适合相对于旋转体沿运动圆周移动，以消除旋转体的失衡；多个电机，每个所述电机用于一个平衡块体，且适合移动平衡块体；多个电力线路，包括多根电线，每根电线服务于一个电动机。

具体地，本发明涉及一种装置和方法，其适合恢复工具的动态失衡。更具体地，其涉及一种研磨机，确切来说涉及一种磨轮以消除其失衡。

背景技术

如已知的，工具会存在动态失衡和/或旋转失衡。

当工具相对于其旋转轴线没有完全平衡时，也就是说当其重心没有位于旋转轴线上时，会出现旋转失衡。

然而，动态失衡是沿着经过磨轮轴线的截面的失衡。实际上可存在多个垂直于工具的旋转轴线的法向截面(正截面)，这些法向截面存在彼此相互补偿的旋转失衡，但这些旋转失衡会引起沿垂直于工具的旋转轴线的轴线的不期望的动量。因此存在沿两个平面的失衡。

在工具的旋转的激活期间，所述动态和/或旋转失衡导致不想要的振动，并因此决定了低质量机加工和多种缺陷。

为了避免这些问题，每当磨轮被放置在研磨机上时，操作员都要借助适当的装置和配重来平衡所述磨轮。

即使一开始是平衡的，随着磨轮逐渐磨损，其趋于改变其重心并因此将重心远离旋转轴线移动。事实上，当执行加工时，磨轮受到改变其几何形状的变形和磨损，导致失衡的状况。

因此，适合于测量磨轮的旋转失衡的平衡装置和方法适合持续改变磨轮的重心的位置，以使该重心再平衡。

平衡装置大体包括：两个往复运动的块体，适合于消除存在的失衡；传感器，适合于探测磨轮的失衡；以及控制装置，适合于根据失衡来控制块体的运动。

上述现有技术具有多个明显缺陷。

第一个缺陷是由于已知的平衡装置不能够实施旋转体的动态平衡。

第二个重要缺陷是，由于块体的移动是以基本随机的方式实施，已知的装置通过特别长的过程来执行平衡。事实上平衡过程提供的是，一旦探测到失衡时，就将块体移动到一个位置，并测量相对于之前位置时的失衡变化。如果结果不是如预期的一样，亦即如果磨轮没有被适当地平衡，则该过程被重复直至探测到能够消除磨轮失衡的块体的位置。

因此可认识到的另一个缺陷是，由于平衡过程缓慢，机加工周期的时间会增加。

另一个缺陷是，由于磨轮的磨损和需要具有恒定的切向速度，已知的装置不能够执行磨轮的平衡，并且结果，操作者被迫中断机加工以装配机器。

具体地，这些缺陷在以高的轴向延伸旋转磨轮时(比如在用于机加工齿轮时)被证明是重大的。

发明内容

在这样的情况下，根据本发明的技术任务是提供一种能够基本克服上述缺陷的、用于旋转体的动态平衡装置和方法。

在所述技术任务的范围内，本发明的一个重要目标是获得一种平衡装置和方法，该平衡装置和方法能够对正在被加工的工件精确地进行动态平衡。

在所述技术任务的范围内，本发明的一个重要目标是获得一种平衡装置和方法，该平衡装置和方法保证旋转体的快速且几乎完全的平衡。

因此，本发明的另一个重要目标是，设计一种适合于允许高质量生产的平衡装置和方法。

本发明的另一个目标是，设计一种能够确保磨轮的优化的静态和动态平衡的平衡装置和方法。

技术任务和具体目标是通过以下特征实现的：一种旋转体的平衡装置，该旋转体限定旋转，平衡装置包括适合于整体连接到旋转体的旋转部；旋转部包括：平衡块体，适合相对于旋转体沿运动圆周移动，以消除旋转体的失衡；多个电机，每个电机用于一个平衡块体，且适合于移动平衡块体；多个电力线路，包括电线，每根电线服务一个电动机；其中，至少一些与多个电机相关联的电力线路被设置成网络，从而只需要减少的数量的电线被定位在旋转部内。

附图说明

从以下对本发明的优选实施例的详细描述，并参照附图，可清楚地知道本发明的多个特征和优点，附图中：

图1示出根据本发明的旋转体的平衡装置的一部分；

图2示出根据本发明的平衡装置的矢状剖视图；

图3示出包括根据本发明的装置的平衡系统；

图4示出平衡装置的可能的测量值；以及

图5示出装置的一部分的示意图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明的旋转体的平衡装置在全文中由附图标记1表示。

该平衡装置适合与旋转体10相关联，适合被设置为围绕旋转轴线10a进行旋转，从而平衡至少一种类型的失衡。具体来说，装置1适合于整体连接到旋转体10，特别适合于沿旋转体10的轴线被容置在该旋转体的内部，从而围绕轴线10a并与其一体地旋转。

优选地，平衡装置1适合于用在工具中，更优选地，适合于用在研磨机中，特别适合与构成旋转体10的磨轮相关联地使用，从而在旋转期间测量并消除它的失衡。

旋转体10或工具本身是机械工具20的一部分，机械工具20包括旋转部21(包括旋转体10)、固定部22和控制单元(图3)。

平衡装置1主要包括旋转部2和固定部3，旋转部2优选地适合于整体连接到旋转体10的内部，并连接到旋转部21，以围绕旋转轴线10a进行旋转；固定部3适合于连接到邻近旋转部2的固定部22，并借助电缆连接到适合于控制平衡装置的运行的控制单元23。

具体地，旋转部2和固定部3借助非接触连接(特别是感应式的非接触连接)进行电连接。具体来说，旋转部2与固定部3之间的连接是通过两个线圈4而获得的，一个线圈连接到旋转部2，一个线圈连接到固定部3，且适合于通过感应来互相通信，具体来说，通过改变一个线圈4中的磁场以在另一个线圈4中产生与这样的磁场变化成比例的电流来互相通信。本申请的申请人所拥有的专利IT-A-MI5090100中描述了这样的无线连接的一个示例(见第3页第23行-第8页第10行，以及图1、图3和图4)。

平衡装置1优选地包括失衡探测器5，该失衡探测器适合于测量由旋转体10的失衡引起的振动。这些失衡探测器优选地包括多个、且优选为两个振动探测器5a。这些振动探测器优选为相互远离，特别是沿旋转轴线10a相互远离，且优选地设置为与固定部22相关联。振动探测器5a通过电缆等适当地电连接到控制单元23。

优选地，平衡装置1包括多个平衡头30，且优选为两个平衡头30，上述平衡头适合于根据失衡探测器5测量到的失衡使旋转体10再平衡。所述平衡头30优选地沿旋转轴线10a对齐且可以相互接触，因此由平衡头30的外部尺寸限定的距离间隔开一定距离，或彼此间隔开一定距离。

具体地，在旋转体10沿旋转轴线10a的延伸大于直径的长度的情况下(比如特别是在用于齿轮的磨轮中)，平衡装置1适当地具有被容置在旋转部2(图2)中的平衡头30，旋转部2整体地连接到旋转体10(优选连接在所述旋转体10的基部)。

失衡探测器5，特别是振动探测器5a可由适合于测量旋转体10的失衡的任何传感器(适当地为压电传感器)构成。优选地，每个振动探测器5a均可在本申请的申请人所拥有的专利EP-A-1645362(第[0031]-[0082]段，图1和图5-10)中描述的传感器中识别出。平衡头30类似于专利EP-A-0409050(从第3栏第34行到第5栏第53行，以及图1-图3)，或IT-A-MI5081953(从第3页第12行到第8页第8行，以及图1、图2a和图2b)中描述的平衡头，这两个专利都为本申请的申请人所拥有。

因此，每个平衡头30包括：两个平衡块体31，适合于被移动以消除旋转体10的失衡；至少一个电机32，适合于彼此独立地移动平衡块体31；以及传动机构33，适合于将运动从电机32传递到平衡块体31。

因此，不同平衡头30的平衡块体31沿旋转轴线10a相互间隔开，也就是说，不具有与这样的轴线一致的重心。替代地，属于同一个平衡头30的平衡块体31适当地具有沿旋转轴线10a的相同的重心位置。

具体地，每个平衡头30均包括沿旋转轴线10a对称地延伸的两个电机32，每个电机用于一个平衡块体31。适当地，电机32为电动机，特别适当地为直流电动机。

而且，平衡装置1在其旋转部2中至少包括多个电力线路38，每个电力线路均由多根电线组成，以输送所需的各种直流电或交流电通道(在图5中，电线均用斜线段标出)。具体地，至少存在一个电力线路38与每个所述电机32功能关联和/或被每个所述电机驱动。术语“关联”指的是电线并非排他性地与电机32相关，也不是严格地与其多个元件有关，比如下文描述的多个传感器。

具体地，每个电机32存在至少一个数据线路380和至少一个供电线路381。数据线路380适合传输数据信号，且基本上为低功率信号，而供电线路381适合于用于传输运行电机32的电能。

而且，至少一些与多个电机32关联的电力线路38被设置成网络，从而只需要减少的数量的电线被定位在所述旋转部2内。

术语“网络”指的是，存在公共线路，该公用线路对应于多个电机32而分支。

较少或减少数量的电线的意思是，存在较少或较短的电线，大致的意思是，旋转部2内的电线的总质量或重量较小。

特别是，优选存在两个网络，一个网络用于数据线路380而一个网络用于供电线路381，替代地，仅存在这两个网络之一。

一个或多个网络适当地接入装置1中存在的所有电机。

多个平衡块体31基本上相同且优选地具有圆弧形的轮廓，并且基本上以旋转轴线10a为重心。它们适合于沿运动圆周进行平移，该运动圆周与旋转轴线10a基本上同轴且位于基本上垂直于旋转轴线10a的平面中。

传动机构33本身是已知的，其限定平衡块体31与电机32之间的传动比，该传动比大致处于1/8000至1/15000之间，且优选地大致等于1/10000。

优选地，除了上述多个部件之外，每个平衡头3还包括：至少一个位置传感器34，适合于监测平衡块体31的位置；以及至少一个电子控制卡35，适合于传输来自电机32的信号，并且优选地还将信号传输到电机32，这将在下文进行描述。术语“电子控制卡35”意指电路板或其它电子装置，这些电子装置本身是已知的并在下文中描述。

位置传感器34适合于探测每个单独的平衡块体31沿运动圆周的绝对位置，从而根据由振动探测器5a探测到的这些平衡块体的初始位置以及旋转体10的失衡，使电机32能够控制块体31沿所述圆周的相互运动。

具体地，每个位置传感器34包括位移传感器36，该位移传感器适合于判定块体31的移动或移位。具体来说，位移传感器36由编码器构成，功能性连接到单个电机32并适合于探测被连接的平衡块体31的驱动和相对旋转次数或旋转部分、以及随后运动。所述编码器优选为增量旋转型编码器，然而可以使用任何类型的旋转编码器(包括绝对式旋转编码器)且因此不需要下文描述的参考传感器，或者甚至不需要发音轮。

考虑到平衡块体31与电机32之间的所述传动比，编码器构成的位移传感器36的精度是可知的，使得电机的一次完整旋转导致块体31相对于轴线10a旋转1/10000转的角度，即千分之几度。

位置传感器34至少包括一个参考传感器37，该参考传感器适合于确定块体31相对于旋转部2的位置，作为至少一个角位置。参考传感器优选地包括：磁性元件37a，放置在每个块体31上；敏感元件37b，与所述磁性元件37a配合。

借助参考传感器37和位移传感器36的存在，位置传感器因此适于确定在每个时刻单个块体31相对于旋转部2的位置。

电子控制卡35由电子电路构成。电子控制卡35(尤其是控制电路)设置为并且放置成接触或靠近每个电机32，并且优选位于所述电机32的一端并与电机一体化。

电子控制卡在输入中(且优选地还在输出中)接收来自被单个电机驱动的位置传感器34的模拟信号。具体地，电子控制卡35与位移传感器36通信并优选还与参考传感器37通信。

更具体地，由多根电线或多个电连接件(优选为三个连接件或两个连接件)组成的第一线路350连接到参考传感器37(优选为磁性式)。所述连接件构成电源和信号。第一线路350由此适合于将参考传感器37连接到相关电机32的控制卡35。

于是，存在第二线路351，该第二线路将位移传感器36(优选为编码器)连接到控制电路35。这样的第二线路优选地包括多个电连接件(优选为四个)。所述连接件构成编码器和电源的两个相位(phase)。对于两个相反的旋转方向，编码器实际上需要单独的导线。

还可存在用于电动机32的第二供电线路，该第二供电线路将电机32连接到电子控制卡35。替代地，仅存在一个直接连接到相关网络的供电线路381。这样的线路由两根或三根电线或电连接件组成。

因此，功能性连接到单个平衡块体31的每个电机32需要到大量电线(优选在6根至12根之间，且更优选为9根)的电子器件的通道。

电子控制卡35优选适合于将接收到的信号由模拟信号转换成数字信号，优选转换所有的信号。数字信号由此将来自与单个电机32或单个块体31相关的所有传感器的信息集合(group)成单个编码信号，即，来自优选由位移传感器36和参考传感器37组成的位置传感器34的信息。

从电子控制卡35输出并指向控制单元23的数字信号被传输到数据线路380，该数据线路优选由在旋转部2内部且从旋转部2输出的两根电线组成。

而且，适当地，在旋转部2包括两个或四个电机32、且因此包括两个或四个电子控制卡35的情况下，同一个数据线路380输送通向和/或来自所有电子控制卡35的信号，构成数据线路380的所述网络。

这样的方案是新颖的方案，其中旋转部2的电子器件并非集合成单个部件，而是分成数个电子控制卡35，每个电子控制卡服务于一电机32，从而能够具有两个电力线路380和381，这两个电力线路适当地由总数为四根的电线组成，这四根电线从抵靠多根电线的平衡头30引出，来自平衡头30的共计四根电线，在没有这样的创新的情况下，每个电子控制卡35需要九根电线，因此总共需要36根电线。这么多的电线会在电线的通道中导致明显的装配问题。

电子控制卡35对于具有通常技能的本领域技术人员是容易制作的。

最后，平衡装置1包括探测装置6，该探测装置适合于测量旋转体10相对于固定部22围绕所述旋转轴线10a的角位置α(特别是在执行加工期间)。

这样的探测装置6包括：至少一个磁体6a，选择性地连接到旋转部2或固定部3；以及一个霍尔传感器6b或其它类似传感器，适合于探测磁场并被选择性地设置在固定部3或旋转部2上的磁体6a的前面。

具体地，探测装置6包括：两个磁体6a，相对于旋转轴线10a对称设置并连接到旋转部2以面对固定部3；以及一个霍尔传感器6b，连接到固定部3并面对旋转部2。

在结构意义上，以上描述的旋转体的平衡装置的运行如下。

具体地，平衡装置1的运行限定一种新颖的旋转体10的平衡方法。

简而言之，这样的平衡方法包括启动阶段、测量阶段和平衡阶段，在测量阶段中至少测量旋转体2的失衡，而在平衡阶段中，沿运动圆周移动两个平衡块体31。

最初，在启动阶段中，装置1测量初始位置，其中利用传感器34将平衡块体31沿运动的圆周放置在平衡头30内部。

在限定初始位置后，启动阶段结束且旋转体10被设置为旋转。

首先(且随后周期性地)执行校准阶段。在这样的校准阶段中，优选地，每个平衡头30在不同的时间被分别激活，此外，多个平衡头30的多个组合可被一起激活。

具体地，每个平衡头30产生失衡，来修改(通过已知的测量)平衡块体31沿运动圆周的位置，同时位置传感器34识别块体31的位置。因此，失衡的实体(entity)和位置借助平衡块体31的直接测量和位置而被直接测量，并且其实体被精确地测量。这样的测量优选由位置传感器34执行。

与此同时，失衡探测器5(特别是每个振动探测器5a)测量由这样的失衡引起的振动，且可在测量的振动与失衡的实体及位置之间执行精确的关联和一一对应。

实际上，知道失衡的位置和实体对于精确计算所引起的振动是不够的。实际上，振动还取决于机械工具20的旋转部21的质量、直径、速度和其它性质，所有参数并不总是已知的或者并不总是以足够的精度已知。

而且，在旋转部21的这些参数随着磨轮或构成旋转部21的部件的其它工具的磨损而变化的情况下，特别是当旋转速度随着工具的磨损而变化时，校准阶段被周期性的执行。

这样的测量值被适当地储存，使得当工具被更换时，由于平衡装置1从生成的数据库中进行提取，所以不再需要执行校准步骤。

而且，通过获知平衡头30内部的失衡关于旋转部21的位置，并借助探测装置6，能够使不平衡的位置与固定部22关联。具体来说，在这样的测量阶段期间，振动探测器5a沿预定角位置测量旋转体21的失衡，图4中给出了一个这样测量的示例，其在纵坐标上示出了力F(F1或F2，由于优选设有两个振动探测器5a)并在横坐标上示出了旋转体的角位置α，同时位置传感器34探测平衡块体31沿运动圆周的位置。

而且，在这样的校准阶段中，探测装置6利用霍尔效应测量旋转部2相对于固定部3的角位置α，既旋转部21和连接的旋转体10的角位置。在图4中，给出了旋转体10的角位置α的测量值的示例，其中峰值对应于磁体6a给到霍尔传感器6b的脉冲I的叠加。

由两个不同的振动探测器5a测量到的绝对位置(即相对于固定部22的位置)和与振动相关的失衡的实体由此被精确关联。

而且，存在至少两个不同的且间隔开的振动探测器5a，并且存在至少两个平衡头30，失衡被探测到并与沿轴向测得的振动以及旋转部21和连接的旋转体10的周向位置相关联。

在校准阶段之后(或甚至独立于该校准阶段)，执行失衡测量阶段和平衡阶段。

在测量阶段，平衡装置1通过探测器5(特别是通过振动探测器5a)测量旋转部21和连接的旋转体10的失衡引起的振动。由于上述校准阶段，测得的振动与旋转部21的失衡精确地关联，失衡的实体以及轴向和周向位置优选地相对于固定部22被精确地计算。

在平衡阶段期间，控制单元23计算消除测得的失衡所需的平衡头30的块体31的位置，并优选同时控制所有所述平衡头，使得所述块体31因此被移动，沿轴向和周向对失衡进行再平衡，并因此对旋转部21和连接的旋转体10的动态失衡和/或旋转失衡进行再平衡。

因此，平衡和移动并不通过反复尝试而出现，而是会从初始位置直接达到实现平衡的位置。

本发明实现了一些重要优点。

实际上，将数据线路380和/或供电线路381设置成网络的方案能够减少存在的电线的数量。

此外，不将旋转部2的电子器件设置为集合成单个部件，而是分成数个电子控制卡35，每个电子控制卡服务于一个电机32，这种新颖的方案能够具有数据线路380，或者在任何情况下，在所述旋转部2的内部具有较少的电力线路。

第一个重要优点是装置1能够平衡动态失衡。

另一个重要优点是，由于探测平衡块体31沿圆周的位置的位置传感器34，平衡装置1在任何时刻都识别块体31沿圆周的位置，因而能够探测块体的位移，从而抵消旋转体10的失衡。

然而，在已知的装置和方法中，平衡块体在任何时刻的位置实际上是未知的，因此平衡块体31不得不进行随机移动，装置1通过在任何时刻获知平衡块体31的位置，能够容易地识别如何移动所述块体。

这样的能力借助以下事实进一步加强：由于探测装置6，该装置1和方法通过探测旋转体10的角位置α，识别平衡块体31必须采用的位置，从而消除失衡。

另一个优点是，由于位置传感器34和探测装置6的存在，该平衡装置1和方法在极短时间内即可消除失衡。

所以，与已知的装置和方法不同，本申请的装置和方法使研磨机能够实现极高等级的效率和精度。

另一个重要优点是，由于电机32与块体31之间减小的传动比，装置1对块体31执行特别精确的定位，因此能够确保几乎完全消除旋转体10的失衡。

在不脱离权利要求中限定的发明构思的范围的前提下，可对本文描述的发明做出多种变型。本文描述和主张的所有元件可由等效元件替代，且多种细节、材料、形状和尺寸可为权利要求范围内的任何情况。

Claims (10)

1.一种旋转体(10)的平衡装置(1)，

所述旋转体(10)限定旋转轴线(10a)；

所述平衡装置(1)包括旋转部(2)，所述旋转部适合于整体连接到所述旋转体(10)；

所述旋转部(2)包括：

多个平衡块体(31)，适合于相对于所述旋转体(10)沿运动圆周移动，以消除所述旋转体(10)的失衡；

多个电机(32)，每个所述电机用于一个所述平衡块体(31)，且适合于移动所述平衡块体(31)；

多个电力线路(38)，包括多根电线(38a)，每根电线服务于一个所述电机(32)；

其特征在于，与多个电机(32)相关联的至少一些电力线路(38)被设置成网络，从而减少需要设置在所述旋转部(2)内部的电线的数量。

2.根据权利要求1所述的平衡装置(1)，其中，所述电力线路(38)包括数据线路(380)。

3.根据权利要求2所述的平衡装置(1)，其中，所述电力线路(38)包括供电线路(381)。

4.根据权利要求3所述的平衡装置(1)，其中，所述电力线路(38)仅包括供电线路(381)和数据线路(380)。

5.根据权利要求1所述的平衡装置(1)，其中，与全体的所述电机(32)相关联的电力线路(38)被设置成网络。

6.根据前述权利要求中一项或多项所述的平衡装置(1)，包括电子控制卡(35)，所述电子控制卡关联至并被放置在每个所述电机(32)上，且适合将接收到的模拟信号转换为数字信号，并连接到网络中的所述电力线路(38)。

7.根据权利要求6所述的平衡装置(1)，其中，每个所述电机(32)包括相关联的控制电子器件(35)，且其中，所述控制电子器件在所述网络中连接到所述数据线路(380)。

8.根据权利要求1所述的平衡装置(1)，包括至少一个位置传感器(34)，所述位置传感器适合于识别由所述电机(32)之一移动的所述平衡块体(31)之一的位置，且其中，所述位置传感器(34)连接到与所述电机相关联的电子控制卡(35)。

9.根据权利要求1所述的平衡装置(1)，其中，所述位置传感器(34)包括位移传感器(36)和参考传感器(37)，所述位移传感器适合于判定所述平衡块体(31)的移动或移位，所述参考传感器适合于确定所述块体(31)相对于所述旋转部(2)的位置。

10.根据权利要求9所述的平衡装置(1)，其中，所述位移传感器(36)为编码器。