CN1750905B - 用于研磨凿岩钻头上球齿的研磨设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对凿岩钻头上的硬质金属嵌入件执行研磨的研磨设备，所述研磨设备具有一研磨机，其被承载在一支撑系统上，在研磨过程中，该支撑系统可向所述研磨机提供进给压力，所述研磨机上装备有一研磨杆，其由马达驱动而绕其纵向轴线转动，其中，研磨杯的转速是可变的，且支撑系统能提供可变的进给压力。

Description

用于研磨凿岩钻头上球齿的研磨设备

技术领域

本发明涉及对一种设备的改进，该设备用于对凿岩钻头(冲击式或旋转式)、隧道钻进机(TBM)切削刀具、竖井掘进机(RBM)切削刀具的硬质金属嵌入件或工作端进行研磨，更具体来讲(但非排它性的)，该设备用于研磨凿岩钻头或切削刀具上的切削齿或球齿(button)。

背景技术

在钻进作业中，钻头或切削刀具上的切削齿(球齿)在经过连续的使用之后会变得扁平(磨损)。对钻头或切削刀具的定期维护能延长钻头/切削刀具的寿命、加快钻进速度、并降低钻掘成本，其中，对钻头或切削刀具的定期维护是通过这样的操作实现的：对球齿进行再次研磨(磨尖)以将其基本上复原到原先的外观轮廓。当球齿的磨损优选为球齿直径的1/3、最大为其一半时，就应当执行再次研磨。

各个生产商已研制出了多种不同形式的手动和半自动研磨机，这些研磨机包括手持研磨机、单臂和双臂的自动定心研磨机、以及特殊设计的研磨机，其中的特殊设计的研磨机是为安装在钻机、作业服务车或设立在车间中而特别设计的。本发明尤其适用于第5193312号美国专利所公开的那种活动式研磨设备、以及第5070654号美国专利和第WO 02/04169号国际申请所公开的半自动型研磨机。

这些类型的研磨机采用了在高速下旋转的主轴或转子的研磨机械，其中的转速一般约在12000RPM到22000RPM之间。安装在转子或主轴端部的研磨杯(grinding cup)对球齿执行研磨，一般来讲，其对钻头/切削刀具上环绕着球齿基部的表面进行研磨，以将球齿基本上复原到其最初的外观轮廓，从而可提高钻进的效能。除了研磨杯的转动之外，这些类型的研磨机还可具有这样的特征：研磨机被安装成相对于球齿的纵向轴线成一个角度，且研磨机被旋转而实现轨道运动，其中的转动中心位于研磨杯的中心。当对球齿执行研磨时，研磨机的对中特性趋于将研磨机对中，使其对准球齿上的最高点。在磨损不均匀的球齿(一般为测量球齿[gauge button])上，这样的设计将造成对球齿的再次研磨，使球齿相对于其纵向轴线偏心。

普通的研磨机在研磨压力与平衡压力之间进行切换，以达到理想的效果。举例来讲，这种方式不允许研磨压力等于零。在普通的研磨机中，最小研磨压力等于支臂或撑杆部分以及其上所连接的各个器件的总重量。

长期以来，这些类型的研磨机存在的问题是：由于高转速、磨损、气动系统需要大型的压缩机、且每个球齿都需要很长的研磨时间，所以，会产生振动和噪音，其中，大型球齿的研磨时间可长达6分钟或更长。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种研磨设备，其具有：一研磨机，其用于转动一研磨杯；钻头保持装置以及支撑系统，其中，研磨杯通过所述研磨机，以受控的变转速旋转，转速范围优选地是从约2200RPM到6000RPM，且支撑系统能提供受控的可变进给压力，可选或优选地，该压力能达到350公斤。可选地是，在对凿岩钻头的工作端执行研磨的工作周期内，研磨杯的转速及进给压力是可变的。

本发明的另一个目的是提供一种研磨设备，该设备的研磨机采用了一种电动机，该电机在整个转速范围内都能产生很大的转矩，且其尺寸较为紧凑，重量也轻。

本发明的又一个目的是提供一种研磨设备，其具有一水冷电机，可选地是，该电机所采用的冷却剂与通过研磨杯进行研磨过程中所用的冷却剂相同。

本发明的再一个目的在于提供一种研磨设备，其具有一变频器，其可优化研磨机功率和/或转矩与尺寸的比值，并能增加其灵活性以按照合适的方式改变电机性能特性用于优化的研磨器性能。

本发明的另一个目的是提供一种研磨设备，其具有一可编程的电子控制系统，其能控制、监控、调节所有的或选定的工作参数。

因而，本发明提供了一种用于对硬质金属嵌入件或凿岩钻头进行研磨的研磨设备。其中的硬质金属嵌入件可以是冲击式或旋转式的钻头、隧道掘进机的切削刀具、或竖井掘进机的切削刀具。研磨设备具有一研磨机、钻头保持装置、以及一支撑系统。在研磨过程中，支撑系统为研磨机提供进给压力。研磨机上设置有一研磨杯，其由一电动机驱动，由此使研磨杯绕其纵向轴线以可控的、可变的速度转动，其转速优选地是从2200RPM到6000RPM。支撑系统提供了可控、可变的进给压力，优选地是，该压力可达到350公斤。在一实施方式中，支撑系统包括在研磨过程中限制研磨机行程距离和/或移动速度的装置。

本发明的另一方面涉及一种研磨机，其采用了一种能在整个转速范围内产生高转矩的电动机，其中转速范围优选地是从2200RPM到6000RPM，且该电动机的大小较为紧凑，重量也较轻。为了进一步优化功率和/或转矩与尺寸的比值、并增加其灵活性以按照合适的方式改变电机性能特性，本发明优选地是采用了一个变频器。优选地是，电动机是水冷电机，可选地是，其使用的冷却剂与研磨杯在执行研磨过程中所用的冷却剂相同。

本发明的再一方面涉及一种研磨设备，其具有一控制系统，可选但优选地是，该控制系统包括相互连接的控制模块，控制模块包括一操作者输入面板和一个可选的、连接着的可编程控制卡模块和/或独立的倾斜/激光器控制卡模块，所有这些组成部件都与一适当定位的多功能输入/输出卡模块相连接，该模块作为所有各个模块的中央通讯中心，其中的各个模块作为控制系统的部件，该控制系统作为一个整体能监控和调节与其相连的所有器件和/或子系统，其监控和调节对象包括从一组工作参数中选出的一个或多个工作参数，这组工作参数包括：进给压力、研磨杯转速、以及研磨时间。在另一实施方式中，可编程的控制系统能监控和调节一个或多个另外的工作参数，此工作参数是从一组参数中选出的，该组参数包括：流向硬质金属嵌入件表面的冷却剂的流量、流向电动机的冷却剂的流量、变频器的输出频率和/或电压、侧向偏置载荷、平衡压力、钻头定位状态、钻头的功率标定值、研磨机的角度、旋转马达的转速、保持着钻头的工作台或其它支撑体的倾斜度等。

电子程控系统及其内置的各功能件的优点在于：转速的范围例如可被升级和/或调整以符合未来的需求。例如，对于本发明的构造，例如如果研制出了新的研磨杯基材和/或新的总体结构，则可将转速的整个范围改变到1000RPM到11000RPM。操作特性需要改变的一个潜在的原因是球齿中被研磨的材料发生了改变。由于整个控制系统及与其相连的器件/模块本身就具有适应性，所以就使研磨设备满足未来需求的能力最大。

在下文的详细描述中，将介绍本发明其它的特征，或者这些特征将变得显而易见。

附图说明

为便于更清楚地理解本发明，下文将参照附图示例性地对本发明的优选实施方式作详细的描述，在附图中：

图1是对根据本发明研磨设备的一种实施方式所作的左向立体图，该研磨设备具有一研磨机和用于保持着被研磨钻头的装置，其中的研磨机被一支撑系统承载着，以便于在垂直和水平方向上进行调整；

图2中的立体图表示了一冲击式钻头；

图3是图1所示研磨设备的左侧视图；

图4是图1、3所示研磨设备的俯视图；

图5中的正视图表示了开口箱和支柱，该开口箱和支柱是图1所示研磨设备中支撑系统的组成部件；

图6是图5所示开口箱和支柱的左侧视图，该视图表示出了对工作台倾斜的控制，其中的工作台可枢转地安装在开口箱中；

图7是图5、6所示开口箱和支柱的俯视图；

图8中局部剖开的俯视图表示了用于保持钻头的工作台，该工作台可枢转地安装在图5、6所示的开口箱中；

图9中的侧向平面图表示了一支撑架组件，其被连接到图8所示工作台的前方；

图10是图1所示支撑系统的第一臂部分的后视图；

图11是图10所示第一臂部分的仰视图；

图12是图10、11所示第一臂部分的左侧视图；

图13中的内侧视图表示了图1所示支撑系统的第一箱部分和第二臂部分；

图14中局部剖开的左侧视图表示了图1所示研磨设备的第二箱部分；

图15中的正视图表示了图14所示的第二箱部分以及附接的研磨机；

图16中局部剖开的放大侧视图表示了用于图15所示研磨机的电机壳体；

图17是图16所示电机壳体的剖视图；

图18是图16、17所示电机壳体的仰视图；

图19中放大的剖视图表示了用于图15所示研磨机的主轴组件；以及

图20是图19所示主轴组件的仰视图。

具体实施方式

参见图1、3、4，根据本发明的研磨设备的一种实施方式在这些图中总体上由标号1指代。研磨设备1包括：一研磨机2；用于保持着一个或多个待研磨钻头的装置，该装置在图中总体上由标号3指代；以及一支撑系统，其总体上由标号4指代。研磨机2、用于保持钻头的装置3、以及支撑系统4被布置成允许研磨机2与被研磨的钻头之间产生相对运动，从而允许将研磨机2与钻头上球齿的纵向轴线对正。优选地是，研磨设备1包括一控制系统，其具有一可编程的操作者控制面板5，其能监控并调节一个或多个工作参数。从一组工作参数中选出最为关心的工作参数，这组工作参数包括进给压力、研磨杯的转速、以及研磨时间。优选地是，控制系统能监控并调节一个或多个另外的工作参数，这些工作参数是从一组参数中选出的，这组参数包括：流向硬质金属嵌入件表面的冷却剂流量、流向电动机的冷却剂的流量、变频器的输出频率和/或电压、侧向偏置载荷、平衡压力、钻头定位状态、钻头的功率标定值、研磨机的角度、旋转马达的转速、保持着钻头的工作台或其它支撑体的倾斜度等。

图2表示了一种冲击式凿岩钻头10。该钻头10具有一头部11和一杆柄12。头部11具有一个前面13和一外周边缘15。在前面15上组装了多个球齿14。环绕着外周边缘(标准地)设置了一系列测量球齿16。球齿14、16一般被制成圆柱形，它们是用耐磨损的硬质金属—例如碳化钨制成的。在该实例中，球齿14被安装成这样：其纵向轴线17垂直于钻头10的前面13。外周边缘15是斜面，测量球齿16被安装成其纵向轴线18成一定的角度。球齿14、16工作端19、20的外观轮廓一般被设置成半球形、部分球形、锥形、半弹道形或弹道形，其直径在6mm到26mm之间或更大，具体数值取决于钻头10的尺寸。如上所述，在连续的使用之后，球齿将被磨平。通过对球齿执行再次研磨以将其基本上复原到原先的外观轮廓，就能实现对钻头或切削刀具的定期维护，该维护能延长钻头/切削刀具的使用寿命、提高钻进的速度、并降低钻进的成本。

在图1、3、4所示研磨设备1的实施方式中，研磨机2由支撑系统4承载，支撑系统包括一臂件或杆件系统21，其可转动地支撑在一支柱22上，支柱22被附接到一开口箱24的后部23上。钻头保持装置3是由安装在开口箱24中的一个工作台25构成的。

为了减小工作人员在执行研磨过程中对钻头进行布置的工作量和移动量，用于保持钻头的装置3是一工作台25(如图4和图8所示)，该工作台优选地是在位于开口箱24两侧28、29的枢转点26、27(见图1、3、4)处安装在开口箱24中，以允许工作台25发生倾斜。钻头保持装置3(在此情况下为工作台25)上设置有一个或多个孔口30，其用于保持着一个或多个被研磨的钻头。在图示的实施方式中，工作台25具有两个孔口30。当钻头被定位在孔口30中时，钻头10的杆柄12被布置成靠着孔口30的前边缘31、32。优选地是，前边缘31、32上覆盖着橡胶。利用受一锁紧缸34控制的压力板33，可将钻头靠着前边缘31、32固定在适当位置。在压力板33上连接着一挡板35，其可随压力板33一起移动，该挡板完全遮盖住了压力板33的后部36与孔口30背部37之间的开口。挡板35保护锁紧缸34的活塞杆，并能防止在压力板33被缩回时出现夹住手指等的意外情况。可将锁紧缸34减压或使其略微地后退，以便于在不使锁紧缸34及其所连的压力板33完全收回的情况下使钻头在孔口30中进行转动(转向要被研磨的下一个球齿)。在开口箱24的两侧28、29上设置了用于操作锁紧缸34的控制件38。尽管在图示的情况下用于将钻头保持在钻头保持装置中的方法是采用压力板33和锁紧缸34，但其它形式的结构也是可行的，本发明并不仅限于图示的实施方式。

要被重新研磨的大型井下型(down-the-hole)钻头一般具有较长的杆柄，它们可与孔口30相配。为了对小型钻头执行重新研磨，设置了一底板39，其可在孔口30下方的位置滑动、或滑离该位置。工作台25上的一个旋钮41或狭缝40可控制底板38的位置。可在孔口中插置一些适配器(图中未示出)，以便于保持多种类型小尺寸的钻头。采用适配器能消除操作人员反复进行设定的时间。

为了易于布置大型钻头，图示的研磨设备(见图8、9)上设置有一个支架42，井下型钻头或类似钻头的有螺纹的钻头端和/或杆柄可搁置在该支架上。支架42可在管体43上上下滑动，管体43被连接到工作台25的前方44上，管体43与孔口30的中心对正。通过将旋钮45旋紧，可将支架42锁定在所需的高度上。可用具有一个孔口、能夹持甚至更大钻头的工作台(钻头保持器)来取代上述的工作台25。

如果要被研磨的球齿是一个测量球齿，则该球齿在钻头中的安装位置相对于钻头的前面一般成一定角度。研磨机2是为了对磨损后的球齿执行合适的重新研磨，其应当与球齿的纵向轴线对正。因而，在图示的实施方式中，为了对测量球齿执行重新研磨，工作台25要被倾斜一定角度，该角度对应于测量球齿在钻头上的安装角度。作为备选方案，研磨设备例如可具有倾斜机构或定位机构，这些措施能在不使钻头或球齿倾斜的情况下将研磨机与球齿的纵向轴线对正。

参见图6可最为清楚地看出使工作台25倾斜的装置。在开口箱24的左侧28上设置了一个弓形的狭缝46。在开口箱24的右侧29上也设置了类似的狭缝，从而可将用于倾斜工作台的装置安装在开口箱的两侧上。在开口箱24的左侧28上设置了一个线性的致动器47，且致动器杆49的端部48经狭缝46与工作台25的侧面50相连接。当致动器杆49受驱而延伸时，将使工作台25绕枢转点26、27倾斜。在该实施方式中，线性致动器47的工作是由控制系统5进行控制的。一倾斜/激光器控制卡51从位于致动器杆49上的传感器52接受输入信号，并将该数据传送给控制系统5。下文将更为详细地介绍该控制系统的工作过程。也可通过其它的装置来实现工作台25的倾斜，例如可以采用液压或气压缸、齿轮等机构，或者也可由手动来进行控制。倾斜装置可被安装在开口箱24的任一侧上，以便于能并排安装两个开口箱，同时使倾斜装置易于接近。

在开口箱24的前部54设置了一防溅板53，其可沿开口箱24前边缘55每侧上的导槽(见图4和图5)上升和下降。可根据需要将防溅板53设定并保持在不同的高度上。在开口箱24的前拐角57、58处设置了灯光56，以便于对要被研磨的钻头进行照明。

在图示的实施方式中，上文提到的、用于承载并定位研磨机2的臂件或杆件系统21可枢转地支撑在位于开口箱24后部23的支柱22上。参见图10到图15，臂件系统21包括一第一臂部分59，第一臂部分59的一端60枢转地支撑在支柱22上。第一臂部分59的另一端61被枢转地连接到一第一箱部分63的背面62上。在该实施方式中，第一臂部分59对研磨机2相对于被再次研磨钻头的水平位置进行控制。在第一箱部分63的前侧64上可枢转地安装了一第二臂部分65。第二臂部分65是由一对平行的臂件66、67构成的，两臂件66、67的一端68、69可枢转地安装到第一箱部分63的前侧64上。两臂件66、67的另一端70、71可枢转地连接到一第二箱部分73的背面侧72上。第二臂部分65对研磨机2在垂直方向上的上下运动进行控制。

在第一箱部分63内(见图13)设置了用于提供压力的装置，当设备未被使用时，该装置向支撑系统的一个部分提供平衡压力，当使用设备时，其向支撑系统的这一部分提供研磨压力，其中的这一部分对研磨机2在球齿或钻头纵向轴线方向上的运动进行控制。在图示的实施方式中，用于提供平衡压力的装置是一个第一缸74，其可枢转地连接到第二臂部分65下臂件67的一端75上。下臂件67的端部75从下臂件67与第一箱部分63的连接枢转点76处延伸出。当研磨机2未被使用时，第一缸74向第二臂部分65提供一平衡压力。

本发明已确定：在研磨过程中施加相对较高的进给力，且可选地与主轴转速可变或较低转速的设计相结合，则能优化对球齿的研磨，并减少振动、噪音以及研磨时间。对于自动定心的研磨机，很高的进给力将可能会造成研磨机2用很大的作用力将球齿剥落。为了能安全地获得大的进给力，需要设置能限制进给行程的装置。对行程的限制需求可能并不限于对进给行程的限制，可对认为必要的任何方向的行程进行限制。在图示的实施方式中，在执行研磨时，可启动第一缸74底部的制动件或锁止件77，以锁定第一缸74的位置。在不进行研磨时，工作人员可使用平衡压力调整器78来调节平衡压力。为平衡压力调整器78设置了过滤器79以及所有其它的气动件。在研磨过程中，一短冲程的第二进给缸80提供了进给压力。在该实施方式中，最大冲程约为10mm。第一、第二缸74、80被设置成端对端相互对正的形式，且第二缸80与控制箱63在枢转点81处可枢转地连接起来。一旦启动研磨工作循环时，如果这种类型的组合机构被启动，则研磨机2在进给方向上的行程被限定为进给缸80相对较短的冲程。在研磨机2在研磨循环过程中将球齿剥落下来的情况下，可减小对操作人员造成伤害或损坏研磨机2的风险。为了进一步减小对设备、研磨杯、钻头的损伤，并进一步降低伤害工作人员的风险，上述缸组合体中的传感器例如将检测到进给缸达到最大行程，并立即自动关闭研磨过程。在任何能实现可控进给的方法中都可设置类似的安全系统。

也可使用能实现相同目的的其它潜在方案，这些方案包括：线性的致动器、机动的螺杆或齿轮组件、或这些机构的组合方案，潜在的情况是，其它方案还包括可选具有制动件的缸，其与合适的载荷传感器和用于根据认定的必要情况而调节载荷的装置相连，以实现受控的运动和/或定位和/或安全措施。

参见图14和图15，图中的第二箱部分73包括一旋转马达82、齿轮箱83、以及齿轮84，其用于使研磨机2产生轨道运动。研磨机2利用一对板件85连接到第二箱部分73上。每个板件85上都设置有一个弓形槽86。可利用弓形槽86调整研磨机2相对于第二箱部分73的连接角度。通过使研磨机2略微偏离垂直方向，可减少在被二次研磨的球齿上形成突起，并避免研磨杯的不均匀磨损。

在第二箱部分73的后部设置了一导管87，其被用来向研磨机2输送动力、水和/或空气，且不会在研磨机2的轨道运动中缠绕，在图示的实施方式中，该导管是铝管的形式。导管87的远端88与一柔性导管89相连接，导管89通过连接器90与研磨机2连接起来。

在第二箱部分73的侧面上设置了一个钻头保持器倾斜控制器91。为了设定工作台25的倾斜角度，操作人员可按压并保持住按钮92，并利用位于第二箱部分73另一侧的拨盘旋钮93来设定倾斜角度。可利用被研磨钻头上的测量球齿或其它球齿来确定倾斜角度。例如当按钮92被按压并保持住时，位于第二箱部分73前部的操作者输入面板94上的显示器95能可选地显示“TILT”。一第二显示器95A将显示出预定的角度或通过选择拨盘旋钮93选定的角度。一旦设定完成之后，松开按钮92，这样就为工作台25设定了倾斜角度。当对测量球齿进行研磨时，操作者为了将工作台倾斜到预设的角度而按压按钮92。操作人员按压按钮92B就可使工作台返回到水平位置(即零度的倾斜角度)。

位于第二箱部分73前面上的操作者输入面板94例如还可被用来设定球齿的尺寸、研磨时间、球齿的类型、球齿的磨损程度、侧向偏置载荷的百分比、以及进给压力。+/-按钮96被用来翻滚菜单，拨盘旋钮93被用来选择数值。控制系统可用预定的默认值编程。在面板94上还设置了启动按钮97和停止按钮98。可选地是，可使用停止按钮98来开始一个或多个下级菜单。图中所示的研磨机2采用了一种六角驱动系统，第5639273和第5727994号美国专利公开了这种类型的驱动系统。为了使该设备的操作对工作人员显得更为友好，设置了易于将研磨杯对正并连接上、且在使用后易于拆卸下的装置。对主轴制动按钮99进行按压将在很短的一段延迟时间内对研磨机2的主轴实施制动或锁定，有利于容易地连接上研磨杯，其中的延迟时间约为8秒钟。在延迟时间结束时，自动解除制动或锁定。作为备选方案，也可设置一由弹簧加载的按钮，当该按钮被按下时，其将配合到转子上的一个狭缝中，从而可阻止其转动。这样就使得操作者能将研磨杯的六角驱动部分与转子的驱动部分对正，然后再将研磨杯推进。为了在使用后拆卸下研磨杯，操作者可将杆件100压向研磨机2。杆件100产生枢转，且延伸出来的臂件顶推研磨杯，使其远离转子的驱动部分，由此便于将研磨杯从研磨机上拆卸下来。作为备选方案，也可设置一个带有动力的杆件或缸来按压研磨杯，以将其拆卸。

在第二箱部分73中设置了一个可编程的控制卡，可选地是，该控制卡可被连接到操作者输入面板94的后部，该控制卡具有一电路板，该电路板上包括一为研磨设备的控制系统设置的中央处理器(即微处理器或微控制器)。本发明的控制系统包括一些系统和控制件，它们与微处理器或微控制器一道，对研磨设备的所有方面进行控制，这些方面包括：对各个球齿的研磨时间、研磨杯的转速、以及研磨压力。优选地是，控制系统能监控并调节一个或多个其它的工作参数，这些工作参数是从一组参数中选出的，这组参数包括：流向硬质金属嵌入件表面的冷却剂流量、流向电动机的冷却剂流量、变频器的输出频率和/或电压、侧向偏置载荷、平衡压力、钻头定位状态、钻头的功率标定值、研磨机的角度、旋转马达的转速、保持着钻头的工作台或其它支撑体的倾斜度等。微处理器或微控制器与控制系统可被用来实现其它的功能—不论是手动完成或自动完成。例如，在采用电动机的情况下，微处理器或微控制器与控制系统能监控所用的电流强度和/或温度，如果这些指标达到了预设的限度，则自动降低研磨压力以防止电机发热燃烧，或者可将电机关闭。微处理器或微控制器和控制系统还能控制研磨过程中流向球齿表面的冷却剂的流量。

当对球齿进行研磨时，研磨机的自动定心特性趋于使研磨机对准球齿上的最高点。在磨损不均匀的球齿—一般为测量球齿上，这将导致球齿被二次研磨成偏离其垂直轴线。本发明的一个方面提供了有助于将研磨机与被研磨球齿的纵向轴线对正的装置。在图10到图12所示的实施方式中，这种有助于使研磨机与球齿纵向轴线对正的装置是由一缸101构成的，该缸的一端102通过板件103连接到立柱22上，另一端104则被连接到第一臂部分59的底部105上。缸101向研磨机2提供了侧向载荷，以利于研磨机2与球齿的纵向轴线对正。侧向载荷偏压研磨机2，以便于根据需要将测量球齿的内侧或外侧研磨得多一些，因此，其趋于使研磨机2移动超过球齿的实际中心。作为备选方案，这种利于使研磨机对准被研磨球齿的纵向轴线的装置可包括一锁定系统，其用于将臂件锁定在适当位置，以防止在与球齿纵向轴线垂直的方向上产生运动，同时还允许在轴向上进行运动。除了使用缸，还可使用平衡重、线性致动器等其它装置来施加合适的侧向载荷。本发明的再一个方面是：采用延迟和强度可变的侧向偏置载荷对停留在球齿上的研磨杯有效地进行控制。这样的设计能安全地将自动定心特性增强到被认为必需的任何程度上。如上文所述的那样，柔性增强的“自动定心”原理的优点在于：其对固有的研磨杯轮廓的磨损和载荷均不严重，从而导致研磨杯在其整个工作寿命内都具有增强的性能。另外的优点包括延长了钻头的使用寿命，其原因在于：由于不必对测量球齿的对应区域执行研磨，所以不必减少钻头的外径。

为了进一步有助于在研磨过程中对钻头进行对准，在开口箱24的后面23上设置了激光线指示器106。当启动激光线指示器时，其经狭缝107发出光束，其中的狭缝与孔口30的中心轴线对正。当对一球齿执行研磨时，转动钻头以使得要被研磨的球齿位于激光线的中心，这样就确保了研磨机2与被研磨球齿的纵向轴线对正。

尽管普通的研磨设备可被对准从而钻头的纵向轴线在研磨过程中基本上处于垂直方向，但对于非常大的钻头、或者其上钻头或切削刀以成组安装的钻进设备，可使钻头水平对准或以其它合适的角度的情况下执行研磨。本发明同样适用于这样的情形。在此情形中，研磨机被承载在一臂件或杆件系统上，且研磨压力作用在水平方向或其它合适的方向上。

在本发明中，受控的进给力优选地是在0到350公斤之间，最为优选地是约为115KG，可选地是，还伴随有恒定和/或可变受控的侧向偏置载荷，这就需要研磨头的电机要比现有研磨设备中的电机具有更大的功率和转矩。优选地是，本发明采用了能在整个转速范围内产生远高于以前所用电机转矩和/或功率的电机，且其具有较为紧凑的尺寸和较轻的重量。为了进一步优化功率和/或转矩与尺寸的比值、并增加灵活性以按照认定的合适值改变电机的性能特性，本发明优选地采用了一个变频器。在图10所示的实施方式中，变频器108被安装在第一臂部分59中。变频器允许基础频率(即通常为50或60Hz)和/或电压进行高低改变，以从较为紧凑的电机发出优化的功率和转矩。采用变频器能显著改变电机尺寸与功率的比值(即较小的电机能在合适的转速范围内发出更高的平均功率)。另外，可通过改变设定的频率和/或电压来改变转速。变频器还可被用作单相或三相整流器。

直到出现紧凑型固态变频器(也被叫做高频驱动器件)为止，改变标准的50或60Hz电源的唯一方式一直是使用笨重且常常是频率固定的电子—机械装置，而且通常还采用维护强度大的电刷型技术。电机被设计成在给定的频率上产生一定的功率和转速(因而同一电机在50Hz和60Hz频率上具有不同的转速)。改变频率使得本发明能改变转速，同时，在许多情况下，可保持功率不变。通常，在增大和/或减小许多旋转马达的转速、以使其高于或低于标定频率/转速的情况下使用保持功率输出的设计。

使用变频器使得本发明能使用较为紧凑的电机，并能在整个转速范围内获得类似的功率。整个控制系统的一个功能在于监控并控制变频器108。与研磨设备的其它大部分功能一样，变频器108从位于操作者输入面板94后方的电路板(可编程控制卡模块)上的微处理器或微控制器、经输入/输出(I/O)卡109获得指令。尽管微处理器或微控制器在可编程控制卡模块上是“大脑中枢”，但I/O卡模块在整个控制系统中起到了中央通讯中心的作用，其将各个系统和模块连接到一起。在第一臂部分59上设置了通气孔110、111。设置了一个电噪声过滤器112，用于过滤掉由变频器产生的电源中的电噪声。如图12所示，在第一臂部分59的一侧设置了一个动力输入插头113、动力输出插头114、水流进口阀115、以及压缩空气进口阀116，其中的动力插头114是为一水泵(图中未示出)设置的。导管117允许电力线、水管线、以及空气管线从第一臂部分59接向第一箱部分64。从第一臂部分59引出的电力线和空气管线118、119被引向用于倾斜工作台25的控制件和用于锁止孔口30中缸34的控制件。在位于开口箱24侧面28的控制箱体的前方设置了辅助的空气和电力连接器120、121。支腿122和支脚123使得开口箱24水平。

在较高的进给压力或研磨压力上，可以看出研磨杯的低转速(优选地是2200RPM到6000RPM，而普通的研磨机则为12000RPM到22000RPM)能产生更为稳定和生产率更高的环境，在该环境条件中，研磨杯研磨表面上的研磨剂(金刚石基质)能产生作用。其结果就是：切削性能得以提高、显著提高了对切削点的恢复、以及改善了对研磨杯轮廓形状的保持。换言之，研磨剂的性能能达到其顶峰。另外，本发明已确定出：对于任何给定的进给和/或碳化物球齿的尺寸，为优化研磨性能和经济性，转速必须是可变的。看起来，较小球齿所需要的进给力要小于较大球齿所需的力。但较小球齿所需的转速却略高。如果希望在开始时具有很大的材料去除率，然后再进行精细的表面加工，则对于任何球齿，在研磨过程中，也必须要采用可变的转速和/或进给力。

某些现有的研磨设备采用了齿轮箱原理，将研磨机的轨道转动与主轴或研磨杯的转速联系起来，但这样的设计不允许对轨道转的速度和研磨头的速度分开执行控制。在研磨操作过程中，已看出过高的轨道转动速度是产生不稳定的重要来源。尽管通过采用变频器，使用齿轮箱原理的装置的转速能被增大或减小，但相对较高的轨道转动速度将导致研磨过程粗糙而不稳定，其中，例如可采用变频器控制驱动电机的输出速度。这种已有类型研磨机所采用的齿轮速比约为1∶3(即每一圈轨道转动能产生3圈输出主轴的转动)。本发明通过使研磨机的轨道转动与主轴或研磨杯的转速脱离关系，而优化了系统的稳定性，并实现了系统性能的总体优化。

目前，在各种球齿钻头和/或切削刀具的研磨机中采用了气冷电动机。一般来讲，对于使用高进给的本发明来说，具有足够转矩和功率的气冷电动机远大于适于被安装在任何类型关节臂上用作研磨头的电机，而不使该单元变得过分笨重。

对气冷马达的热学控制严重依赖于风扇的性能，风扇用于将空气吹过电动机以对其进行冷却。随着风扇转速的降低，其产生足够风量以带走足够热量的能力也将下降。另外，热交换的效率严重依赖于周围环境的温度。随着环境温度的升高，空气的冷却性能也会下降。

本发明提供了解决这些问题的方案—即研制一种水冷型电动机，可选的是，其所使用的冷却剂与研磨过程中研磨杯所用的冷却剂相同。由于液态的冷却剂在散热能力方面更为有效，所以水的温度不会像气冷电机中的空气那样关键。采用水冷型马达使得本发明的研磨设备能在很大的转速范围内进行研磨，而不取决于冷却马达的风扇，同时能发出很大的功率和转矩。对于在炎热地区(如沙漠等)使用气冷型马达(电动和液压马达)的情况，已发现了一些问题，具体来讲，这些问题与很高的环境温度以及与此相关的一些难题有关。水冷型马达即使不能解决所有这些问题，也能解决大部分问题。

图15到图20表示了用于研磨机2的水冷型电动机的优选实施方式。图15表示出了与第二箱部分73下方的板件85相连接的研磨机2。研磨机2被一杆件124锁定在适当位置。水冷型电动机在图中总体上由标号125指代，其具有一外壳126，其限定了一个腔室127，定子129和转子128被设置在该腔室内。在外壳126的壁板中为冷却水设置了一系列纵向通道130。端口131、132分别用于引入和排出水。位于外壳126底部134的驱动联轴器133能与主轴组件135进行连接。驱动联轴器133被插入到主轴组件135上的配合的驱动联轴器140中。主轴组件135具有一输出驱动轴136，研磨杯被连接到该驱动轴上。主轴组件135被螺栓137连接到电动机的外壳126上。利用连接器138向研磨杯的表面输送冷却水。优选地是，电动机125是三相电机，且利用与接线箱139相连接的连接器90接到电源上。一柔性的防溅杯141放置在主轴组件135的输出轴136周围。使用水冷型电动机还具有其它的优点。由于电机的外壳是密封的，所以可减少进入到外壳中的灰尘或其它污染物。另外，由于不像气冷马达那样具有一风扇，所以能非常安静地运行。

为了对上述的所有功能进行控制，优选地是，研磨设备上设置了一个控制系统，其具有一操作者输入面板94，其与一可编程电子控制卡模块直接相连，该控制卡模块例如能向I/O卡模块109等器件发出必要的指令。控制系统采用了一电路板(可编程的控制卡模块)，其位于第二箱部分73上用于进行输入的操作者输入面板94的背面，该电路板对操作者的输入进行处理。可编程的控制卡模块及其电路板与I/O卡模块109保持通讯，I/O卡模块与所有的主要系统连接，在这些主要系统中，两个区域是关键的，这两区域优选地包括变频器功能区及倾斜/激光器控制卡模块51，模块51可监控并控制工作台25的倾斜度、以及变频器108的频率输出和/或电压。这样的控制系统可被用来连续地监控所有或选定的工作参数，例如在认为必要的情况下执行监控，如果电机的电流(即安培数)升高到一设定的最大值的之上，则就连续地调节进给压力，如果电机的温度变得太高，则增大冷却剂的流量，如此等等。利用软件，受微处理器或微控制器控制的研磨操作能影响研磨机的行为特性。除了提供一些工作参数之外，该软件还能处理这些事务：受激光控制的关断操作、设备的睡眠模式、错误报告、维护提示、磨损部件/器件或模块的强制更换、或为达到最大性能而实施的访问控制，其中的强制更换被认定是实现正确工作所必需的。还可通过简单地重新编程或更换微芯片、微控制器或处理器来显著地改变研磨机的性能。操作者也可在工作现场升级程序或更换芯片(因而也改变了研磨机的性能)，这就保证了用户对研磨设备具有最大的使用率。这样的设计使得研磨设备具备了在未来进行升级的灵活性。例如，具有新的基物构成(matrix formulation)的新的研磨杯可能需要研磨设备具有不同的工作特性。通过简单地改变研磨设备所用的软件程序，就能根据需要调节行为特性以及其它的关键变量。这样就保证了使用者能从研磨设备获得定制的/优化的性能。尽管优选实施方式中已表示出了控制系统各器件的位置，但本发明并不受限于控制系统器件的这些布局和位置。

另外，可对控制面板的软件进行配置，以使得使用者例如能选定：研磨杯很长的工作寿命或很高的材料去除率是否是优选的。

优选地是，本发明还采用了一种“平稳起动”的模式，在该模式中，研磨/进给压力与研磨杯的转速是被逐渐提高的—或者是连续提高的、或者是同步提高的，由此可将自动定心特性增强到认为必需的任何程度上。如上文所述的那样，由较平稳增强的“自动定心”原理的优点在于：减轻了对研磨杯固有轮廓形状的急剧磨损和载荷，导致研磨杯在其整个工作寿命期间都具有增强的特性。

一旦研磨设备被正确地连接到电源、压缩空气源、以及供水源上之后，研磨设备就准备进行研磨。对于一组新的钻头，通过对顶面球齿执行研磨来开始工作，且钻头保持器处于下位(水平位置)，初始时的工作过程例如是下列的步骤：a)将钻头装卡到钻头保持器中，并利用钻头保持器中的锁定缸或钻头保持器合适的附件进行紧固；b)确定要被研磨的钻头上球齿的尺寸和轮廓；c)通过按压操作者输入面板上的主轴制动按钮将研磨设备的输出主轴锁定，然后在起动主轴制动件的同时，将尺寸和轮廓形状正确的研磨杯插入到研磨设备的卡盘中；d)利用调节旋钮在操作者控制面板的主菜单上输入预计的研磨时间；e)在操作者输入面板上翻滚到下一菜单，并利用调节旋钮选择球齿的尺寸和可选轮廓等参数；f)如果必要的话翻滚到其它的菜单，并在需要时利用控制旋钮在各个菜单输入其它相关的数据—例如侧向偏置载荷设定值、球齿磨损等；g)设置研磨设备，使研磨杯位于要被磨尖的球齿的上部；h)按下启动按钮，并监控研磨设备，以确保其正确地工作。

对测量球齿的研磨方式与上述的过程相同，在研磨之前要执行下列的步骤：a)通过按压并保持着钻头保持器的倾斜调节按钮，同时旋转调节旋钮来设定测量球齿的角度，直到在操作者输入面板上显示出所需的角度为止；b)松开钻头保持器的倾斜调节按钮，钻头保持器将倾斜到选定的预设角度。

在本发明的范围内，对上述操作原理的改动措施包括：增大了进给/研磨压力、降低了研磨杯的转速、采用了水冷马达、使用了变频器、施加了侧向偏置载荷、采用了平衡作用、以及定位固定，这些措施使得可以用除了垂直方向的角度外进行研磨。将上述原理的这些改动措施(即增大了进给/研磨压力、降低了研磨杯的转速、采用了水冷马达、使用了变频器、施加了侧向偏置载荷、采用了平衡作用、以及定位固定)结合起来，可基本上消除在研磨顶面球齿工作与研磨测量球齿工作之间进行切换时需要对钻头进行倾斜/枢转的问题。上述的某些原理例如还可适用于气动和/或液压传动马达的情况。另外，对于现有的气冷马达，可使用位于马达输出端与主轴驱动输入端之间的齿轮箱装置来改变主轴的转速，由此可将主轴转速减小45％或更多(可选地是主轴转速可变)。

上文表示并描述了本发明的优选实施方式以及对这些实施方式的一些改动，但本领域技术人员能清楚地认识到：本发明允许对各个机构和细节特征作进一步的改动，而并不限于图中所示的半自动研磨设备。

可以领会：上文对优选实施方式的描述仅是例示性的。本领域技术人员能明显地意识到本发明的改型形式，所以这些明显的改型形式也在本发明所要求保护的范围内，而不论这些改型是否已在文中被明确地描述过。

Claims (19)

1.一种用于对凿岩钻头硬质金属嵌入件的工作端进行研磨的研磨设备，所述研磨设备具有一研磨机、用于保持着被研磨的凿岩钻头的装置、以及一支撑系统，所述支撑系统包括用于在研磨过程中向所述研磨机提供进给压力的装置，所述研磨机适于装备有用于研磨不同尺寸和轮廓的工作端的多个不同尺寸和轮廓的研磨杯的其中一个研磨杯，并由马达驱动，从而绕其纵向轴线旋转，其特征在于，支撑系统根据连接的研磨杯的尺寸提供受控可变的进给压力，所述研磨杯以受控可变的速度旋转。

2.根据权利要求1所述的研磨设备，其特征在于：所述研磨机具有电动机。

3.根据权利要求2所述的研磨设备，其特征在于：在电动机与电源之间设置了一个变频器，以改变输出驱动轴的旋转速度。

4.根据权利要求2所述的研磨设备，其特征在于：所述电动机是水冷电机。

5.根据权利要求1所述的研磨设备，其特征在于：在所述研磨设备的支撑系统上设置旋转马达和轴承机构，用于使研磨机绕硬质金属嵌入件的纵向轴线产生轨道转动。

6.根据权利要求3所述的研磨设备，其特征在于：所述变频器是紧凑的固态变频器。

7.根据权利要求3所述的研磨设备，其特征在于：设置主轴制动器，从而使研磨杯能够与输出驱动轴对准并连接在其上。

8.根据权利要求1所述的研磨设备，其特征在于：所述研磨设备具有一自动定心研磨机，且所述支撑系统允许研磨机水平和垂直运动。

9.根据权利要求8所述的研磨设备，其特征在于：所述支撑系统包括在研磨机未被使用时提供平衡压力的装置，和当研磨机被使用时提供进给压力的装置。

10.根据权利要求9所述的研磨设备，其特征在于：所述提供平衡压力的装置和所述提供进给压力的装置适于独立地产生平衡压力和进给压力。

11.根据权利要求10所述的研磨设备，其特征在于：所述提供进给压力的装置限制研磨杯的最大运动。

12.根据权利要求11所述的研磨设备，其特征在于：所述研磨设备具有独立的短冲程缸。

13.根据权利要求10所述的研磨设备，其特征在于：所述提供进给压力的装置具有线性致动器、机动的螺杆或齿轮组件或其组合，或具有制动件的缸。

14.根据权利要求1所述的研磨设备，其特征在于：所述研磨设备还具有控制系统，所述控制系统具有一系列相互连接着的控制模块，这些控制模块包括一操作者输入面板和一可编程的控制卡模块，所述控制系统能监控和自动调节从一组工作参数中选出的一个或多个工作参数，这组工作参数包括：进给压力、输出驱动轴的转速、以及研磨时间。

15.根据权利要求14所述的研磨设备，其特征在于：所述一系列相互连接的控制模块与一多功能输入/输出卡模块相连接，该输入/输出卡模块作为所有相互连接的控制模块的中央通讯中心。

16.根据权利要求14所述的研磨设备，其特征在于：所述相互连接的控制模块具有一个可编程的微处理器或微控制器。

17.根据权利要求16所述的研磨设备，其特征在于：所述可编程的微处理器或微控制器可以替换，以便于结合到相互连接的控制模块的功能中的软件的修改。

18.根据权利要求1所述的研磨设备，其特征在于：所述研磨机具有气动或液压马达。

19.根据权利要求18所述的研磨设备，其特征在于：所述研磨设备具有控制系统，所述控制系统具有一系列相互连接着的控制模块，这些控制模块包括一操作者输入面板和一可编程的控制卡模块。

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