CN113631903A - 用于机床的旋转主轴的平衡系统及相关控制方法 - Google Patents

Abstract

一种平衡系统，该平衡系统用于机床(1)的旋转主轴(3)；该平衡系统具有包括平衡头(7)的旋转部分，该平衡头(7)具有至少一个平衡块(8)和至少一个适于调整该平衡块位置的电动机(9)；该旋转部分还包括振动传感器(10)和控制系统(11)，该控制系统(11)具有至少一个硬件(12)和由硬件执行的至少一个软件(13)；该平衡系统还包括双向非接触式通信系统(14)，其在旋转控制系统和连接到机床控制单元(20)的固定处理和控制电子器件(15)之间建立通信。控制系统的软件的特征在于：管理应用(19)和服务应用(18)，管理应用(19)在正常操作期间执行平衡头和振动传感器的所有管理，服务应用(18)在控制系统在电源中断后通电时自动启动并启动管理应用，或者，如果需要软件更新，则用新版本覆盖管理应用的现有版本。

Description

用于机床的旋转主轴的平衡系统及相关控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于机床的旋转主轴的平衡系统及相关控制方法

背景技术

例如，在专利申请EP0690979A1、EP1870198A1和EP3134980A1中描述了一种用于机床的旋转主轴(轮毂)的平衡系统，具体是一种磨床，其中，主轴相对于框架旋转并支撑(至少)一个砂轮。平衡系统包括具有平衡头的旋转部分，该平衡头通常容纳在主轴的轴向开口中，基本上与砂轮相对应，或者布置在主轴的一端，也轴向对齐。平衡头包括至少一个相对于旋转轴线偏心的平衡块，其位置是可调节的，并且例如由电动机控制。

通常，旋转部分还携带振动传感器，通常与平衡头相关联，并出于实际原因物理集成在其中，以用于检测由砂轮和工件之间或砂轮和修整工具(修整器)之间的接触所发出的超声波发射。由振动传感器产生的电信号

(以已知方式)用于控制工作循环。

在旋转部分中存在电子设备或控制系统，其监督平衡头和振动传感器的操作，并且由硬件(通常是配备有存储器的微控制器)和软件(其存储在微控制器的存储器中或微控制器可访问的外部存储器中)组成。

提供了一种双向非接触式通信系统，其在旋转部分(具体是控制系统)和相对于机床的框架处于固定位置的处理和控制电子器件之间传输模拟和/或数字信息，并且依次连接到机床的控制单元。具体地，通信系统被处理和控制电子器件用于向旋转部分的控制系统发送控制信号(例如用于激活/停用振动传感器的读数，或用于驱动移动平衡块的电动机)，并用于在相反的方向上向处理和控制电子器件发送诊断信号和振动传感器的读数。由振动传感器提供的模拟电信号可以在旋转部分上进行处理和数字化，或者可以以模拟形式传输，并在处理和控制电子器件中进行处理和数字化。第二种选择虽然需要更大的系统复杂性，但由于它提供了更大的灵活性，因此通常是首选。

提供了一种非接触式电力传输系统，以向存在于旋转部分中的控制系统提供必要的电源。通常，电力传输系统包括空心变压器，该空心变压器具有布置在固定到机床框架的组件中的初级绕组和布置在旋转部分中的次级绕组。

有时需要更新旋转部分的控制系统的软件，并且因为提供完全覆盖存储器中包含的内容的这种更新操作需要工具操作，所以它相对较长且复杂。具体地，为了更新旋转部分的控制系统的软件，旋转部分必须从主轴上拆下，以将控制系统硬件物理连接(即，通过线缆)到外部计算机，该外部计算机用软件的新版本覆盖存储器中包含的内容。一旦覆盖完成，必须重新组装旋转部分。

此外，在已知的平衡系统中，可由平衡头提供的诊断是有限的。具体地，在使用主轴通过相应的砂轮执行机械加工时，由双向非接触式通信系统定义的通信信道不能用于发送由旋转部分的控制系统产生的任何数字诊断信号，这种通信信道用于以模拟形式从旋转部分向处理和控制电子器件发送振动传感器的读数。因此，控制系统仅能够在主轴不工作时回应来自处理和控制电子器件的任何诊断查询。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于机床的旋转主轴的平衡系统及相关控制方法，该平衡系统没有上述缺点，并且同时易于制造和成本低廉。

根据本发明，根据所附权利要求中要求保护的内容，提供了一种用于机床的旋转主轴的平衡系统及相关控制方法。

权利要求描述了形成本说明书的组成部分的本发明的实施例。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，附图涉及实施例，并作为非限制性示例给出，其中：

-图1是设置有支撑砂轮并配备有平衡系统的旋转主轴的机床的示意性和局部剖面图；以及

-图2是平衡系统的控制组件和相关软件的一部分的框图。

具体实施方式

在图1中，示意性地并且部分地示出了机床(具体是磨床)，并用附图标记1表示。

机床1包括框架2，该框架2通过插入轴承(未示出)可旋转地支撑主轴3，使得后者可以围绕旋转轴线4旋转。

主轴3通过相应的砂轮毂支撑砂轮5，后者通过已知且未示出的包括例如锥形离合器的装置可移除地固定到主轴3。主轴3和砂轮毂限定了机床1的旋转部分。主轴3具有中央轴向开口6，其中容纳有具有平衡头7的平衡系统的旋转部分。平衡头7是已知类型，并且包括两个相对于旋转轴线4偏心的平衡块8，以及用于调整平衡块8的角位置的相关电动机9。振动传感器10(即，声学传感器)也与平衡头7相关联，并且通常被认为是平衡系统的一部分。

在优选实施例中并且出于实际原因，与平衡头7相关联(具体是与其集成)的振动传感器10可以不同地布置在旋转部分中。

具有平衡头7和振动传感器10的平衡系统通常具有两个功能：平衡砂轮5，在每次更换砂轮5时、实际使用砂轮5执行加工之前、以及在砂轮的使用寿命期间必要或认为合适的时候执行该操作，以及通过与平衡头7相关联的振动传感器10执行过程监控。

在这点上，重要的是要注意主轴3是由制造商平衡的，而安装在其上的砂轮5通常是不平衡的，并且在其使用寿命期间，砂轮5的不平衡是变化的。因此，平衡头7与砂轮5一体成型，使得前者可以在需要时迅速地校正后者的不平衡，对机床1的生产效率和工件的质量有很大的影响。

平衡系统包括用于控制旋转部分的控制系统11，其监督平衡头7和相关联的振动传感器10的操作，并且由硬件12(通常是配备有存储器的微控制器)和软件13组成，后者存储在微控制器的存储器中。

平衡系统还包括具有处理和控制电子器件15的固定部分，该处理和控制电子器件15由机床1的框架2支撑并连接到机床1的控制单元20。

双向非接触式通信系统14设置在平衡系统的旋转部分和固定部分之间，该通信系统适用于在控制系统11与处理和控制电子器件15之间建立通信，以用于传输模拟和数字信息。通信系统14优选地是光学类型，并且包括固定部分中的第一收发器设备16，其耦合到机床1的框架2，并通过电缆(未示出)连接到处理和控制电子器件15以及旋转部分中的第二收发器设备17，该第二收发器设备17面向第一收发器设备16，并通过容纳在轴向开口6中的盘绕电缆连接到控制系统11。

通信系统14例如根据前述专利申请EP0690979A1中描述的备选方案之一以已知方式制成，并且在此未详细说明。

通信系统14被处理和控制电子器件15用于向旋转部分的控制系统11发送数字控制信号(例如用于激活/停用振动传感器10的读数，或用于驱动移动平衡块8的电动机9)，并被旋转部分的控制系统11用于在相反方向上向处理和控制电子器件15发送数字诊断信号和振动传感器10的通常为模拟形式的读数。

提供了一种无线电力传输系统(通常与通信系统14集成在一起)以向旋转部分的控制系统11提供必要的电源。通常，电力传输系统包括空心变压器，其具有布置在固定到机床1的框架2的组件中(例如集成在第一收发器设备16中)的初级绕组和布置在连接到主轴3的旋转部分中(例如集成在第二收发设备17中)的次级绕组。

如图2所示，控制系统11的软件13包括服务应用18和管理应用19，它们都被配置为通过通信系统14彼此独立地与处理和控制电子器件15接口连接。服务应用18被配置为仅当旋转部件(具体是控制系统11)接收到电源(即，开机)时才执行有限数量的任务，而管理应用19(其构成平衡头7的固件)被配置为在正常操作期间执行平衡头7和相关联的振动传感器10的所有管理。具体地，当控制系统11通电时，或在中断后或在断电一段时间后(即，开机时)接收到电源时，仅服务应用18自动启动，并被配置为根据从处理和控制电子器件15接收到的命令执行必要的步骤以启动平衡系统的正常操作或执行软件更新。具体地，如果平衡系统必须正常操作，则服务应用18启动管理应用19并停止直到下一次启动。相反，如果需要执行软件更新，则服务应用18不启动管理应用19，并

准备好(通过通信系统14)从处理和控制电子器件15代码接收代码分组。服务应用18通过覆盖管理应用19的先前的、现有版本，将代码分组写入硬件12的存储器，而后者显然在更新完成之前无法启动。更具体地，当更新完成时，服务应用18可以在启动管理应用19之后停止，或者可以关闭控制系统11。在砂轮5与正在加工的工件接触的机械工作期间，或在砂轮5与修整工具(修整器)接触的砂轮5的维护期间，控制系统11的软件的管理应用19使用通信系统14来连续地传输(优选地以模拟形式)振动传感器10的读数。同时，管理应用19通过存在于旋转部分中(例如，在平衡头7中和/或在硬件12中和/或在第二收发器设备17中)的一个或多个传感器(例如，检测旋转部分的温度的一个或多个温度传感器)循环读取旋转部分的一个或多个参数的当前值，并检查参数(或多个参数)的当前值是否在可接受的值范围内。如果至少一个参数的当前值(例如，旋转部分的温度值)明显超出相应的可接受值的范围(例如，如果检测到的温度过高)，则管理应用19将检测到的异常的记录存储在硬件12的存储器中，并中断振动传感器10的读数的传输。当振动传感器10的读数中断时，处理和控制电子器件15产生警报，并将其发送到机床1的控制单元20，该控制单元20可以基于相关控制程序的规定来决定立即停止正在进行的操作。另外，处理和控制电子器件15请求旋转部分的控制系统11(更具体地是管理应用19)重新启动振动传感器10的模拟读数。响应于来自处理和控制电子器件15的该请求，管理应用19被编程为不重新启动振动传感器10的模拟读数，而是以数字形式传送刚刚记录的异常，并且因此，振动传感器10的模拟读数被中断，然后将关于如何进行的最终决定委托给处理和控制电子器件15。

到目前为止所描述的内容是指以模拟形式传输振动传感器10的读数的优选情况。另一方面，如果振动传感器10的读数在旋转部分中被处理和数字化，并且被数字地发送到处理和控制电子器件15，则可以将该传输与数字信号相关联，该数字信号在检测到异常时立即识别异常。因此，在这种情况下，振动传感器10的读数的传输不会被中断，并且将异常的记录写入硬件12的存储器是可选的，该记录对于后续处理仍然是有用的。

在附图所示的实施例中，旋转部分的控制系统11包括单个硬件12(即，单个微控制器)。根据未示出的其他实施例，旋转部分的控制系统11具有模块化架构，该模块化架构具有多个硬件12，通常是两个或三个硬件12(即，两个或三个微控制器)，多个硬件12在物理上彼此分开，并且例如通过BUS通信信道彼此连接。在这种情况下，控制系统11的所有硬件12都具有类似的结构，并且由相同类型的软件13控制，该软件13被划分为自身的服务应用18和管理应用19。

在附图所示的实施例中，机床1的主轴3支撑单个砂轮5。根据未示出的另一实施例，机床1的主轴3支撑两个砂轮5，该两个砂轮5布置在主轴3的相对两端。

在附图所示的实施例中，平衡系统包括具有单个平衡头7的旋转部分。而根据未示出的另一实施例，平衡系统的旋转部分包括若干平衡头7。例如，在包括单个砂轮5或两个不同的砂轮5的实施例中，两个平衡头7可以布置在主轴3的相对两端。

如前所述，平衡头7配备有两个平衡块8(例如，共面块)，它们可以围绕主轴3的旋转轴线4旋转，以便补偿存在于砂轮5中的不平衡。如果仅校正一个平面中的不平衡就足够了，则一个平衡头7就足够。在一些情况下，需要校正主轴3两侧的不平衡，因此需要使用在主轴3的相对端适当地协调并布置的两个平衡头7。

对单个平衡头7的使用意味着操纵两个平衡块8，而对两个平衡头7的使用意味着操纵四个平衡块8(每个平衡头7有两个平衡块8)。

基本上有两种用于平衡砂轮5的策略：启发式策略和确定性策略。启发式策略基于对动作的执行、对结果的观察、以及对下一个动作的规划，直到不平衡被消除，或者不平衡被降低到预定的阈值以下，不平衡由至少一个特定振动传感器(低频)(图中未示出)检测，并以已知方式连接到机床1的框架2。如果朝着减少不平衡的方向采取动作(例如，平衡块8的特定运动)，则它将沿相同方向进行，否则会产生不同的作用。确定性策略基于对不平衡向量的计算，并且因此基于对必须采用平衡头7(或多个平衡头7)的平衡块8以消除不平衡的位置的计算。为了实现该类型的策略，需要准确了解平衡头7的平衡块8的位置(例如，角位置)，该位置可以通过使用适当的位置传感器或其他设备(例如，角编码器)来获得。

如果使用启发式策略，则平衡头7中的位置传感器或编码器不是必需的，但是，能够检测平衡头7的平衡块8何时处于引起旋转部分上的零不平衡的位置的“中位”传感器或“原位”传感器是有用的。

这两种策略可以例如在平衡过程中相互组合，该平衡过程包括第一阶段和第二细化阶段，在第一阶段中，采用确定性类型的策略来显著减少不平衡，在第二细化阶段中，启发式类型的策略允许进一步减少和显著消除剩余不平衡。

能够通过采用两种可能的策略来驱动更多的平衡头7(例如，两个平衡头)的控制系统11使系统更加灵活，并且更容易适应特定的应用需求。

有两种驱动电动机9的主要方式，该电动机9在旋转部分的控制系统11的控制下移动同一平衡头7的平衡块8。更具体地，两个平衡块8可以同时或交替地移动，即，一次一个。如果应用的旋转部分在同一主轴3上具有两个平衡头7，则应用相同的原理，即，两个平衡头7可以由控制系统11同时或交替地驱动。

取决于所使用的组合，可以同时移动一个或多个(从最少一个到最多四个)平衡块8。

根据本发明的平衡系统的另一方面在于容易改变带宽和增益的可能性，这简化了处理和控制电子器件15的应用程序的配置，该应用程序处理由振动传感器10提供的模拟信号并提高其有效性。

根据本发明的平衡系统可以相对于图中示意性示出的和至此描述的内容不同地体现。控制系统11例如可以部分地或全部地集成在第二收发器设备17中、或者与其一体成型、通过盘绕电缆连接到平衡头7。不同的备选方案在于将旋转部分实现为整体件，即，在这种情况下，第二收发器设备17、控制系统11和平衡头7是单个元件的部分或彼此刚性连接的元件的部分，并且没有盘绕电缆。

如上所述，根据本发明的平衡系统的旋转部分可以以单件形式实现，也可以布置在主轴3的一端，而不是容纳在主轴3的轴向开口6中。

根据本发明的未示出的其他实施例，机床1的主轴3可以安装不同于砂轮5的旋转工具。

在不脱离本发明的范围的情况下，本文描述的实施例可以相互组合。

上述控制方法具有许多优点。

首先，上述控制方法允许以简单和快速的方式更新旋转部分的控制系统11的软件13，因为软件13更新是在没有操作者拆卸和重新组装机械部件的任何物理干预的情况下执行的，并使用线缆和适当的连接器电连接和断开它们。换言之，管理应用19(即，平衡头7的固件)可以由处理和控制电子器件15直接更新，而无需操作者的任何物理干预，更具体地说，干预可能是复杂和微妙的干预，这些干预不可避免地会显著减慢更新过程，并因此延长机床无法操作的时间段。

在这点上，重要的是要注意服务应用18不需要任何类型的更新，因为它仅执行两个简单和快速的任务，并且因此，在使服务应用18更快和/或更高效方面没有真正的优势，因为服务应用18有效就足够了，即，它正确地执行上述两个任务就足够了。当然，在需要的情况下，服务应用18在任何情况下都可以通过拆卸硬件12来更新，以便将后者物理连接到外部计算机。

具有始终处于活动状态并因此能够及时传达可能会损坏旋转部分(并且因此，主轴3和/或砂轮5)的控制系统11的故障或环境现象的发生的诊断功能提高了应用和机床1的可靠性。及时了解故障或潜在问题的发生可以防止对主轴3和/或砂轮5造成严重损坏。如果环境发生变化(例如，主轴3内部的温度升高，其可能对系统造成损坏)，则将该信息迅速传输到处理和控制电子器件15允许机床1的控制单元20采取动作以防止损坏。

最后，上述控制方法的实现不会增加任何成本，因为由两个应用18和19组成的软件13相对于通常在已知平衡系统中采用的硬件而言不需要任何附加的或更多的执行硬件。

具有硬件(例如，微控制器)和软件的固定控制系统可以被设置在固定部分中(例如，处理和控制电子器件15中)，并且这种软件可以包括服务应用和管理应用，其具有与旋转部分的控制系统11中的软件13的上述服务应用18和管理应用19的特征和操作方式类似的特征和操作方式。

Claims (10)

1.一种平衡系统，所述平衡系统用于机床(1)的旋转主轴(3)的，所述平衡系统包括：

·旋转部分，连接到所述主轴(3)并且包括

·至少一个平衡头(7)，所述平衡头(7)具有

至少一个平衡块(8)，相对于旋转轴线(4)偏心布置，以及

至少一个电动机(9)，适于调整所述平衡块(8)的位置；

·至少一个振动传感器(10)；以及

·控制系统(11)，包括至少一个硬件(12)和适于由所述硬件(12)执行的至少一个软件(13)；

·固定部分，具有处理和控制电子器件(15)；以及

·双向非接触式通信系统(14)，适于在所述控制系统(11)和所述处理和控制电子器件(15)之间建立通信；

所述平衡系统的特征在于所述控制系统(11)的软件(13)包括：

-管理应用(19)，被配置为在正常操作期间执行所述平衡头(7)和所述振动传感器(10)的整体管理；以及

-服务应用(18)，当所述控制系统(11)在电源中断后通电时自动启动，并被配置为启动所述管理应用(19)，或者用所述管理应用(19)的新版本覆盖所述管理应用(19)的现有版本。

2.根据权利要求1所述的平衡系统，其中，当所述控制系统(11)在电源中断后通电时，仅自动启动所述服务应用(18)。

3.根据权利要求1或2所述的平衡系统，其中，当所述控制系统(11)在电源中断后通电时，取决于通过所述通信系统(14)从所述处理和控制电子器件(15)接收到的控制，所述服务应用(18)被配置为：

-如果所述平衡系统必须正常操作，则启动所述管理应用(19)并停止；或者

-准备好通过所述通信系统(14)从所述处理和控制电子器件(15)接收代码分组，所述服务应用(18)将所述代码分组写在所述硬件(12)的存储器上，以覆盖所述管理应用(19)的现有版本。

4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的平衡系统，其中，所述服务应用(18)和所述管理应用(19)都被配置为彼此独立地与所述通信系统(14)接口连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的平衡系统，所述平衡系统用于携带砂轮(5)的旋转主轴(3)，其中，所述管理应用(19)被配置为：在所述砂轮(5)接触正在加工的工件的机械工作期间，或在所述砂轮(5)与修整工具接触的所述砂轮(5)的维护期间，使用所述通信系统(14)将所述振动传感器(10)的读数优选地以模拟形式连续发送到所述处理和控制电子器件(15)。

6.根据权利要求5所述的平衡系统，其中，所述旋转部分包括至少一个传感器，所述管理应用(19)被配置为：在所述砂轮(5)与正在加工的工件接触的机械工作期间，或在所述砂轮(5)与修整工具接触的所述砂轮(5)的维护期间，通过所述至少一个传感器循环地读取所述旋转部分的至少一个参数的当前值，并检查所述参数的当前值是否在可接受值的范围内。

7.根据权利要求6所述的平衡系统，其中，所述管理应用(19)被配置为：如果所述参数的当前值在可接受值的相应范围之外，则将检测到的异常的记录存储在所述硬件(12)的存储器中，并中断所述振动传感器(10)的读数的传输。

8.根据权利要求7所述的平衡系统，其中，所述管理应用(19)被配置为：在中断所述振动传感器(10)的模拟读数的传输之后，将所述检测到的异常的先前存储的记录发送到所述处理和控制电子器件(15)。

9.一种平衡系统的控制方法，所述平衡系统用于机床(1)的旋转主轴(3)，所述平衡系统包括：

·旋转部分，连接到所述主轴(3)并且包括

·至少一个平衡头(7)，所述平衡头(7)具有

-至少一个平衡块(8)，相对于旋转轴线(4)偏心布置，以及

-至少一个电动机(9)，适于调整所述平衡块(8)的位置；

·至少一个振动传感器(10)；以及

·控制系统(11)，包括至少一个硬件(12)和至少一个适于由所述硬件(12)执行的软件(13)；

·固定部分，具有连接到所述机床(1)的控制单元(20)的处理和控制电子器件(15)；以及

·双向非接触式通信系统(14)，适于在所述控制系统(11)和所述处理和控制电子器件(15)之间建立通信；

其中，所述控制系统(11)的软件(13)包括管理应用(19)和服务应用(18)，所述管理应用(19)被配置为在正常操作期间，执行所述平衡头(7)和所述振动传感器(10)的整体管理，所述服务应用(18)被配置为启动所述管理应用(19)；当所述控制系统(11)在所述电源中断后通电时，所述控制方法包括以下阶段：

·仅自动启动所述服务应用(18)；

·使所述服务应用(18)启动所述管理应用(19)，然后停止所述服务应用(18)；以及

·当需要执行软件更新时，通过所述服务应用(18)，用所述管理应用(19)的新版本覆盖所述管理应用(19)的现有版本。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其中，当所述控制系统(11)在所述电源中断后通电时，取决于通过所述通信系统(14)从所述处理和控制电子器件(15)接收到的控制，如果所述平衡系统必须正常操作，则所述服务应用(18)启动所述管理应用(19)并停止；或者

准备好通过所述通信系统(14)从所述处理和控制电子器件(15)接收代码分组，所述服务应用(18)通过覆盖所述管理应用(19)的现有版本，将所述代码分组写在所述硬件(12)的存储器上。

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