CN109952712B - 具有选择性磨损指示的滑环 - Google Patents

Abstract

一种滑环单元，包括具有多个电刷的电刷块，所述多个电刷可相对于具有多个滑动轨道的模块旋转。角度编码器连接到电刷块和模块，用于检测其间的相对位置。评估单元从位置编码器接收信号并产生其取决于位置的磨损指示信号。评估单元具有多个磨损计数器，所述多个磨损计数器分配给多个位置和/或部分。如果在某个部分内检测到移动，则递增相关的磨损计数器。这允许监测不连续旋转的滑环处的磨损。

Description

具有选择性磨损指示的滑环

技术领域

本发明涉及用于在旋转部件之间传输电信号的滑环。

背景技术

电滑环用于在旋转部件和静止部件之间传递电功率和/或信号。这些装置用于不同的应用中，如风能设备或计算机断层扫描仪。还有许多国防和航空航天应用。

在滑环中，在具有沿轴向方向布置的滑动轨道的圆柱形鼓或具有径向布置的拥有不同直径的滑动轨道的盘与电刷之间建立电接触。电刷通常包括一个或多个接触导线。

所有这些应用通常需要高寿命和低接触电阻以及低接触噪声。由于电刷和滑动轨道之间的机械摩擦，因此存在导致滑环随时间退化的磨损。

从现有技术中已知磨损指示器，其确定碳刷的长度并因此指示该电刷的磨损。在大多数滑环中，滑动轨道具有比电刷明显更长的寿命，但是它们也易于磨损。在WO 2002/03403 A2中，公开了滑环诊断系统。所述滑环诊断系统通过测量如接触电阻或接触噪声的电气参数来确定磨损状态。

在CN 202 340 045 U中公开了一种具有添加的角度编码器的滑环。该角度编码器用于监控转速、角加速度、角度和角位置。没有用于测量或指示磨损的装置。

US 2013/218514 A1公开了一种具有集成温度传感器的滑动电刷，用于连续旋转机器，如电动机和发电机。随着电刷温度的升高，磨损增加，并且指示相应地需要维护。由于电刷的热惯性，因此仅可以在许多分钟期间或针对大量旋转进行长时间观察。

GB 2 461 533 A公开了一种用于估计风力涡轮机滑环中的磨损的装置。测量连续旋转的转子的旋转速度并计算其磨损指数。

大量测试已经表明，轨道磨损的种类和分布可能因应用而异。在如雷达天线的连续旋转装置处的滑环轨道在轨道的整个长度上具有均匀分布的磨损。如果在如工业机器人的不连续操作装置中使用滑环，滑动轨道的某些部分可能比其他部分显示出更多的磨损。这使得磨损指示相对困难且不可靠。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种可靠的磨损指示，其能够指示滑动轨道的磨损。

在优选实施例中，一种滑环单元，包括至少一个滑动轨道和在轨道上滑动的至少一个电刷，所述至少一个电刷相对于轨道可移动和/或可旋转地布置。此外，提供编码器，用于检测所述至少一个滑动轨道和所述至少一个电刷之间的相对角位置和/或角移动。编码器机械地联接到所述至少一个滑动轨道和所述至少一个电刷。

编码器可以是位置或角度编码器。它可以基于光学、磁性、机械或任何其他合适的编码器技术。编码器可以具有可相对于标记部分移动的传感器。标记部分优选地包括多个标记，所述多个标记可以由传感器检测。优选地，传感器机械地连接到所述至少一个电刷，而标记部分机械地连接到所述至少一个滑动轨道。可以将传感器安装到保持多个电刷的电刷块上而获得非常紧凑的设计。还可以交换传感器和标记部分，使得传感器机械地连接到滑动轨道并且标记部分机械地连接到电刷。编码器也可以是单件式部件，例如像具有壳体和驱动轴的角度编码器。编码器也可以是驱动包括滑环的复杂装置的电动机编码器的一部分。编码器优选地直接连接到滑环，但是它也可以间接地连接，例如通过齿轮箱。术语机械连接具有固定或固定地连接的含义，使得只存在用于补偿机械公差的轻微移动。它是不可旋转或可滑动的连接。连接可以是直接或间接连接，例如电刷和编码器安装到相同的印刷电路板。

编码器可以是绝对或相对编码器或用于获得滑环角位置数据的任何其他装置。在相对编码器的情况下，必须存在至少一个绝对位置参考。这种参考可以是不同或附加的标记。替代地，绝对位置参考可以由机械止挡给出，该机械止挡机械地限制移动范围。

此外，提供评估单元。评估单元构造成从位置编码器接收信号并产生其取决于角位置的磨损指示信号。磨损指示信号可以是指示故障状况的单个数字信号。可以存在指示多个磨损阶段的多个信号。还可以存在提供指示磨损量的值的模拟信号。此外，可以提供总线以用于传递详细的磨损信息。该总线也可用于构造评估单元。优选地，评估单元被构造成接收复位信号，例如当滑动轨道或电刷已经接受一些维护或已经对其更换时。这种复位信号可以经由总线、通过信号线、通过开关接收，该开关也可以是磁触发开关或任何其他合适的装置。磨损指示信号还可以是存储器中的值或任何其他信号。

评估单元优选地被构造成用于选择性地记录一个或多个电刷在滑动轨道的特定角位置上的存在和/或移动。评估单元还可以被构造成用于选择性地记录一般而言的旋转和/或可移动角部分之间的存在和/或移动。后者执行起来更简单并且需要更少的储存器和计算能力资源。

优选地，评估单元被构造成接收编码器信号并生成其位置值。在最简单的情况下，位置值与编码器信号相同。还可能需要缩放和/或校准编码器信号。它可以乘以或除以某个因子，也可以加上和/或减去位置偏移。如果位置值没有改变，则显然电刷没有相对于轨道移动。如果位置值改变，则检测到移动。通常，这种移动产生磨损。

评估单元可以包括微控制器、FPGA、台式计算机、工业控制或具有数据存储或存储介质的任何其他合适的设备，该数据存储或存储介质包括用于执行评估任务的软件。它可以集成到滑环单元壳体中，或者它可以容纳在与滑环单元分开的分立壳体中。它也可以是更大系统的控制单元的一部分，例如，包括滑环单元的制造机器。

在优选实施例中，存在专用于(分配给)多个角位置和/或角部分的多个磨损计数器。例如，包括360°的一整圈旋转可以被分成36个部分，每个部分覆盖10°。优选具有更高的分辨率，如1°或0.1°。如果在某个部分中检测到移动，则可以增加该部分的磨损计数器。针对任何一个移动方向可以设置独立的磨损计数器。在另一实施例中，可以检测移动速度，例如通过评估改变位置值之间的时间。磨损计数器可以根据速度而增加。随着速度可以存在线性或指数增加，使得例如在低速条件下磨损计数器增加1并且速度为两倍条件下磨损计数器增加2。另外，磨损计数器可以根据最大加速度或减速度而递增，该最大加速度或减速度在行进通过相应于(ressembling)部分的计数器时施加在电刷上。除了加速度(速度的导数)之外，加速度的导数还可能对磨损计数器产生影响，以相应于滑环的实际电刷磨损。

在另一个实施例中，存在至少一个辅助传感器，用于检测和/或测量至少一个操作值，如温度、湿度、加速度等。还可以测量如跨滑环的电压或通过滑环的电流之类的电气值。众所周知，电负载也会影响磨损，因此可以通过磨损计数器来考虑。测量值可以进一步影响磨损计数器值。在示例中，在标准温度下磨损计数器增加1将在高10°的温度下改变为2的值，在高20°的温度下改变为4的值等等。

如果在滑环中使用多个电刷，则可以增加分配给电刷所在部分的相应的磨损计数器。例如，如果提供3个电刷(每个电刷与下一个电刷间隔开120°)，则可以增加3个部分的磨损计数器，所述3个部分间隔开120°并且对应于电刷。在相同的滑环中，针对不同的轨道应用，可以实施单独的磨损计数器：例如，每个不同模块直径，一个用于信号而一个用于电力传输，每个不同电刷构造，例如一个用于单导线电刷而一个用于多导线电刷，每个不同接触技术，例如一个用于金属石墨刷而一个用于金线刷。

如上所述，根据不同部分中的相对磨损，磨损计数器可在这些部分处不同地增加。如果至少一个磨损计数器接近和/或达到极限值，则可以给出磨损指示信号。还可以发出磨损警告信号，例如，在至少一个计数器快速增加的情况中。这种磨损警告信号可以被指示为光信号，例如通过LED。它也可以是电模拟或数字信号。

评估单元可以具有备用电池，其还可以在不向评估单元供电时允许操作。评估单元还可以具有用于存储长时间值的非易失性存储器。还可以存在用于监视电池状态的电池检查电路。

本发明的另一方面涉及工业机器人中的磨损指示。这里，编码器可以是机器人的一部分。编码器可以集成到臂或任何其他部分中。评估单元也可以是机器人的一部分，如运动控制计算机。这里，评估可以通过软件进行。

这里示出的实施例涉及可旋转和/或可倾斜的滑环装置的角位置的测量和评估。因此，如位置、移动等的术语总是涉及相对于旋转轴线的角位置、角移动等。此外，是滑环模块还是电刷旋转没有区别。必不可少的是相互之间的相对移动。

另一方面涉及一种滑环的磨损评估的方法，该滑环包括至少一个电刷，所述至少一个电刷可相对于至少一个滑动轨道旋转。该方法包括以下步骤：

接收来自用于检测至少一个电刷和之间的相对位置的编码器的信号；和

产生其取决于位置的磨损指示信号。

此外，可以将多个磨损计数器分配给滑环的多个位置和/或部分。

而且，如果在相关位置处已经检测到位置变化，则可以递增磨损计数器。

上述方法可以与本文描述的任何其他特征组合。

附图说明

在下文中，将参考附图，通过示例而非限制本发明的总体构思，在实施例的示例中描述本发明。

图1以剖视正视图示出了优选实施例。

图2示出了侧视图。

图3示出了磨损计数器图。

图4示出了加权磨损计数器图。

图5示出了旋转滑环模块的更多细节。

图6示出了具有滑动轨道的滑环模块，该滑动轨道具有取决于位置的磨损。

具体实施方式

在图1中，示出了优选实施例。示例性滑环单元包括圆柱形滑环模块160，其具有由如金属的导电材料制成的至少一个滑动轨道161，该滑动轨道由优选地由塑料材料制成的绝缘体162支撑。模块可围绕中心轴线165旋转，在此所述中心轴线也称为旋转轴线。参考线170表示零度位置，其中滑环模块(或电刷块)相对于其旋转。示例性地，箭头180表示顺时针旋转。可以存在优选固定的电刷块100，其包括保持至少一个接触导线201、202的绝缘体110。接触导线可以通过焊接连接121、122焊接到绝缘体110的通孔中。接触导线具有接触区域211、212，在所述接触区域处它们与模块160接触。可以理解的是在该实施例中可以使用任何其他类型的滑环、轨道或电刷。传感器单元310(优选地是编码器的一部分)还包括评估单元311，其可以向磨损信号输出312提供信号。在该节省空间的实施例中，两个单元处于相同的壳体中。显然，它们也可以容纳在单独的壳体中。可以存在第一和第二电源触点313、314，以向传感器单元提供操作电力。通常，这可以是介于5至24伏特范围内的低电压和几瓦特的低功率。

在图2中，以侧视图示出示例性滑环单元。圆柱形模块示出了由绝缘体162间隔开的滑动轨道161。滑动轨道161具有用于引导接触导线的V形槽。在该图中，示出了彼此隔离开的三个滑动轨道161以及对应的电刷202，所述电刷也彼此隔离开，从而允许在滑环上同时传输三个信号或三个电流路径。

此外，示出了位置编码器300。位置编码器包括传感器单元310，该传感器单元包括评估单元311。位置编码器还包括标记部分320，所述标记部分还包括多个第一标记321和至少一个可选的第二标记322。优选地，第一标记等距间隔开并且可以给出相对参考，而所述至少一个第二标记可以给出绝对参考。传感器单元可以通过光学、磁性或任何其他合适的传感器检测标记。评估单元311优选地包含数字逻辑和/或微控制器。评估单元被构造成从位置编码器信号产生磨损指示信号。它优选地具有多个磨损计数器，所述多个磨损计数器分配给与电刷块和模块之间的相对角度相关的角部分。优选地，如果在其分配的角部分中指示位置变化，则增加磨损计数器。

图3显示了磨损计数器图。在右侧，存在指示0°至360°的相对角度的角度轴410。顶部的计数器值轴420表示从零到100,000的以千计的计数器值。曲线示出了取决于可以在工业机器人中使用的滑环的相对角度的计数值。这种工业机器人具有例如由于机械限制而不可用的角度操作范围。这些范围对应于计数器曲线430的计数器曲线部分431和436，其中计数器值处于或接近零。可能存在次级操作范围，例如当将机器人从闲置位置移动到主要操作位置时。这样的范围由曲线部分432表示，仅检测到少量的计数。在主要操作范围433、434和435中，显示了显著更高的计数。很明显，部分434中的最高计数是滑环寿命的最大限制因素。

图4显示了加权磨损计数器图。该图基于上图，但是对旋转速度给予了额外的权重。在右侧，存在指示0°至360°的相对角度的角度轴510。顶部的计数器值轴520指示从零到100,000的以千计的计数器值。如在该示例中，机器人以最高可能的速度移动通过第二操作范围，磨损计数器由于高速而获得额外的权重并且达到加权计数器曲线530的最高值532。在主要操作部分中需要高精度并且因此操作速度较低，从而导致权重较轻，如部分533、534和535所示。同样，未使用部分531和536中的计数器值非常低。

图5显示了旋转滑环模块的更多细节。除了0°位置170之外，还示出了90°位置171、180°位置172和270°位置173。如上所述，可以通过监视在这些位置处的存在来监视例如在这些提到的位置中的每一个位置周围的磨损。而且，可以使用任何其他数量，优选地任何更高数量的位置来进行磨损指示。此外，示出了3个示例性角部分190、191和192。在该实施例中，它们具有30°的相同角度，但是它们可以具有任何其他角度。此外，在0到360度的整个角度范围内所述部分可能非均匀分布。它们的尺寸和位置可能不同，这取决于具体的磨损模式或要求。

图6示出了具有滑动轨道的滑环模块，该滑动轨道具有取决于位置的磨损。位置151、152、153处存在显著磨损。位置153处的磨损最大。因此，部分191中的磨损指示具有最大值。

附图标记列表

100 电刷块

110 绝缘体

121 焊接连接

122 焊接连接

151，152，153 磨损位置

160 滑环模块

161 滑动轨道

162 绝缘体

165 旋转轴线

170 零度角度参考线

171 90°位置

172 180°位置

173 270°位置

180 旋转方向

190，191，192 角部分

201 接触导线

202 接触导线

211 接触区域

212 接触区域

300 编码器

310 传感器单元

311 评估单元

312 磨损信号输出

313，314 电源触点

320 标记部分

321 第一标记

322 第二标记

410 角度轴

420 计数器轴

430 计数器曲线

431-436 计数器曲线部分

510 角度轴

520 计数器轴

530 加权计数器曲线

531-536 加权计数器曲线部分

Claims (15)

1.一种滑环单元，其包括能够相对于至少一个滑动轨道(161)旋转的至少一个电刷(201)、位置编码器(300)和评估单元(311)，所述位置编码器检测所述至少一个电刷(201)和所述至少一个滑动轨道(161)之间的相对角位置，并且

所述评估单元(311)构造成从位置编码器接收表示所述相对角位置的信号，并且由从所述位置编码器接收的所述信号产生针对所述至少一个滑动轨道的取决于相对角位置的磨损指示信号。

2.根据权利要求1所述的滑环单元，其特征在于，所述评估单元(311)具有分配给多个角位置和/或角部分的多个磨损计数器。

3.根据权利要求2所述的滑环单元，其特征在于，所述评估单元(311)构造成如果位置编码器值改变则检测到移动。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的滑环单元，其特征在于，所述评估单元(311)构造成如果在一位置处已经检测到移动则递增与该位置相关的磨损计数器。

5.根据权利要求2至3中任一项所述的滑环单元，其特征在于，所述评估单元(311)构造成根据角移动的速度和/或角移动的加速度或减速度来增加磨损计数器的增量。

6.根据权利要求2至3中任一项所述的滑环单元，其特征在于，所述滑环单元包括至少一个另外的辅助传感器，用于测量至少一个操作值，并且所述评估单元(311)构造成根据传感器值中的至少一个来增加所述磨损计数器的增量，其中，所述传感器值能够对应于所述滑环处的温度、湿度、加速度、电压或电流中的至少一个。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的滑环单元，其特征在于，所述位置编码器包括传感器单元(310)和能够相对于所述传感器单元移动的至少一个标记部分(320)。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的滑环单元，其特征在于，所述位置编码器机械地连接到所述至少一个电刷(201)和所述至少一个滑动轨道(161)。

9.根据权利要求7所述的滑环单元，其特征在于，所述传感器单元(310)机械地固定到保持所述至少一个电刷(201)的电刷块(100)，并且所述至少一个标记部分(320)固定到保持所述至少一个标记部分(320)的滑环模块(160)。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的滑环单元，其特征在于，所述位置编码器是具有驱动轴和壳体的单件式部件。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的滑环单元，其特征在于，所述滑环和所述位置编码器是工业机器人的一部分。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的滑环单元，其特征在于，所述评估单元(311)能够包括微控制器或微处理器，还包括保持用于执行评估任务的软件的存储器；和/或，所述评估单元(311)能够布置成远离所述至少一个电刷(201)和所述至少一个滑动轨道(161)。

13.一种滑环的磨损评估的方法，所述滑环包括能够相对于至少一个滑动轨道(161)旋转的至少一个电刷(201)，所述方法还包括以下步骤：

-接收来自用于检测所述至少一个滑动轨道(161)和所述至少一个电刷(201)之间的相对角位置的位置编码器(300)的信号，所述信号表示所述相对角位置；和

-由从所述位置编码器接收的所述信号产生针对所述至少一个滑动轨道的取决于相对角位置的磨损指示信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其还包括以下步骤：将多个磨损计数器分配给所述滑环的多个角位置和/或角部分。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其还包括以下步骤：如果在一角位置处已经检测到位置变化，则递增与该角位置相关的磨损计数器。

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