Способ и устройство для динамической балансировки вращающегося тела
METHOD AND DEVICE FOR DYNAMIC BALANCING OF ROTATING BODY

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для динамической балансировки вращающегося тела типа, определенного в преамбуле независимых пунктов формулы изобретения. В частности, изобретение касается устройства и способа, подходящих для устранения динамической разбалансировки инструмента. Более конкретно, такие устройство и способ предназначены для использования с шлифовальным станком и, точнее, с шлифовальным кругом, чтобы устранить разбалансировку.
Известно, что инструменты могут иметь динамическую и/или вращательную разбалансировку.
Вращательная разбалансировка имеет место, когда инструмент несовершенно сбалансирован по отношению к его оси вращения, то есть, когда его центр массы не лежит по оси вращения.
Динамическая разбалансировка, с другой стороны, относится к разбалансировке, которая имеет место на плоскостях сечения, которые пересекают ось шлифовального круга. Может существовать некоторое число нормальных сечений, перпендикулярных оси вращения инструмента, с вращательными разбалансировками, которые компенсируют друг друга, но вызывают нежелательные моменты по осям, перпендикулярным оси вращения инструмента. Таким образом, такая разбалансировка имеет место на двух плоскостях.
Динамическая и/или вращательная разбалансировка вызывает нежелательные вибрации, когда инструмент приводят в движение вращения, и, таким образом, является причиной низкокачественной обработки и разных недостатков.
Для того, чтобы избежать этих проблем, при установке шлифовального круга на шлифовальный станок оператор балансирует такой шлифовальный круг, используя подходящие устройства и противовесы.
Несмотря на начальную балансировку, с износом шлифовального круга его центр массы стремится к изменению и смещению от оси вращения. Во время циклов машинной обработки шлифовальный круг подвергается деформации и износу, которые изменяют его геометрию, вызывая разбалансировку.
Балансировочные устройства и способы, способные оценивать вращательную разбалансировку шлифовального круга, таким образом непрерывно изменяют положение центра массы шлифовального круга, чтобы повторно сбалансировать его.
Они обычно включают две взаимно подвижные массы, подходящие для устранения произошедшей разбалансировки, датчик, подходящий для обнаружения разбалансировки шлифовального круга и устройство управления, подходящее для управления движением масс в зависимости от разбалансировки.
Описанные выше известные решения имеют некоторые важные недостатки. Первый недостаток заключается в том, что известные балансировочные устройства неспособны выполнять динамическую балансировку вращающегося тела.
Второй важный недостаток состоит в том, что известные устройства выполняют балансировку посредством очень длительного процесса, когда массы движутся по существу произвольно. После обнаружения разбалансировки процесс балансировки заключается в движении масс в некоторое положение с последующим измерением разницы в разбалансировке по отношению к предыдущему положению. Если результат не соответствует ожидаемому, а именно, если шлифовальный круг сбалансирован неточно, процесс необходимо повторять до тех пор, пока положение масс будет таким, в котором разбалансировка шлифовального круга будет устранена.
Еще один недостаток заключается в том, что с учетом времени, требующегося на выполнение балансировки, возрастает время цикла станка. Еще один недостаток состоит в том, что из-за износа шлифовального круга и необходимости поддерживать постоянную тангенциальную частоту вращения известные устройства не способы балансировать шлифовальный круг, и поэтому оператор вынужден прерывать процесс обработки, чтобы настроить станок.
Этот недостаток имеет особое значение в случае вращения шлифовальных кругов с большим осевым удлинением, таких как кругов для обработки зубчатых колес. В этом случае техническая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство и способ для динамической балансировки вращающегося тела, которые способны в значительной степени преодолеть вышеуказанные недостатки.
В пределах объема упомянутой технической задачи одна важная цель изобретения заключается в том, чтобы получить балансировочное устройство и способ, способные динамически балансировать обрабатываемую деталь.
Еще одна цель изобретения заключается в том, чтобы предложить балансировочное устройство и способ, которые способны обеспечить практически совершенную и быструю балансировку вращающегося тела. Еще одна важная цель изобретения заключается таким образом в том, чтобы предложить балансировочное устройство и способ, которые дают возможность получать высококачественные изделия. Еще одна цель изобретения заключается в том, чтобы предложить балансировочное устройство и способ, способные обеспечить идеальную статическую и динамическую балансировку шлифовального круга. Техническая задача и указанные цели достигнуты устройством и способом для балансировки вращающегося тела, заявленными в независимых пунктах прилагаемой формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах формулы.
Характеристики и преимущества изобретения станут очевидны из последующего подробного описания его предпочтительного варианта осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - часть балансировочного устройства для вращающегося тела согласно изобретению;
Фиг. 2 - вид в сагиттальном разрезе балансировочного устройства согласно изобретению;
Фиг. 3 - балансировочная система, которая включает устройство согласно изобретению; и
Фиг. 4 - возможные измерения балансировочного устройства. На указанных фигурах чертежей балансировочное устройство для вращающегося тела обозначено ссылочным номером 1.
Устройство подходит для соединения с вращающимся телом 10, и подходит для вращения относительно оси вращения 10а, чтобы устранить по меньшей мере один тип разбалансировки. Более подробно, устройство 1 подходит для соединения как одно целое с вращающимся телом 10 и, более точно, для расположения внутри вращающегося тела 10 на его оси, чтобы поворачиваться относительно оси 10а вместе с ним. Предпочтительно, балансировочное устройство 1 подходит для использования на инструменте, более предпочтительно на шлифовальном станке и, более точно, для соединения с шлифовальным кругом, который является вращающимся телом 10, чтобы выполнять измерения и устранять его разбалансировку во время обработки.
Вращающееся тело 10 или инструмент сам является частью станка 20, включающего вращающуюся часть 21, включающую вращающееся тело 10, неподвижную часть 22 и блок управления 23, подходящий для управления работой балансировочного устройства (Фиг. 3). Балансировочное устройство 1 в основном включает вращающуюся часть 2, подходящую для соединения за одно целое с вращающимся телом 10, предпочтительно внутри, и с вращающейся частью 21, чтобы вращаться относительно оси вращения 10а, и неподвижную часть 3, подходящую для соединения с неподвижной частью 22 рядом с вращающейся частью 2 и с блоком управления 23 посредством провода. В частности, вращающаяся часть 2 и неподвижная часть 3 электрически соединены посредством беспроводного соединения, в частности индуктивного типа. Более подробно, соединение между вращающейся частью 2 и неподвижной частью 3 выполнено посредством двух обмоток 4, одна из которых соединена с вращающейся частью 2, и другая с неподвижной частью 3, и подходит для индуктивного сообщения, и более точно, сообщения с использованием изменения в магнитном поле обмотки 4 для создания в другой обмотке 4 тока, пропорционального такому изменению магнитного поля. Пример такого беспроводного соединения описан в патенте IT-A-MI5090100 (см. стр. 3, строка 23 до стр. 8, строка 10 и Фиг. 1, 3 и 4), владельцем которого является данный Заявитель.
Балансировочное устройство 1 кроме того включает средство обнаружения разбалансировки 5, подходящее для измерения вибраций, вызываемых разбалансировкой вращающегося тела 10. Упомянутое средство предпочтительно включает несколько детекторов вибрации 5а, предпочтительно два. Они, предпочтительно, отстоят друг от друга, в частности, по оси вращения 10а, и предпочтительно расположены на упомянутой неподвижной части 22. Детекторы вибрации 5а предпочтительно электрически соединены с блоком управления 23 посредством проводов и т.п.
Балансировочное устройство 1 также включает некоторое число балансировочных головок 30, предпочтительно две, подходящих для повторной балансировки вращающегося тела 10 в зависимости от разбалансировки, измеренной средством обнаружения разбалансировки 5. Эти головки 30 предпочтительно выровнены по оси вращения 10а и могут быть расположены так, чтобы вступать в контакт одна с другой, и, таким образом, находиться между собой на расстоянии, которое зависит от наружных размеров головок 30, или на некотором интервале одна от другой. В частности, в случае, когда вращающееся тело 10 имеет большую протяженность по оси вращения 10а в отношении длины диаметра, такое как, в частности, шлифовальные круги для зубчатых колес, балансировочное устройство 1 соответственно снабжено балансировочными головками 30 (Фиг. 2), размещенными внутри вращающейся части 3, соединенной за одно целое с вращающимся телом 10, предпочтительно в основаниях такого вращающегося тела 10.
Средства обнаружения разбалансировки 5, и в частности детекторы вибрации 5а, могут состоять из любого датчика, например, пьезоэлектрического датчика, подходящего для измерения разбалансировки вращающегося тела 10. Предпочтительно, каждый детектор разбалансировки 5а состоит из датчика, описанного в патенте EP-A-1645362 (абзацы [0031]-[0082], Фиг. 1 и Фиг. 5-10), владельцем которого является данный Заявитель. Балансировочная головка 30 подобна балансировочным головкам, описанным в патентах EP-A-0409050 (с колонки 3, строка 34, до колонки 5, строка 53, и Фиг. 1-3) и IT-A-MI5081953 (со стр. 3, строка 12, до стр. 8, строка 8, и Фиг. 1, 2а и 2b), владельцем обоих патентов является данный Заявитель.
Каждая головка 30 включает две балансировочные массы 31, подходящие для перемещения с целью устранения разбалансировки вращающегося тела 10, по меньшей мере один двигатель 32, подходящий для индивидуального перемещения балансировочных масс 31, и передаточный механизм 33, подходящий для передачи движения от двигателей 32 на балансировочные массы 31.
Балансировочные массы 32 разных балансировочных головок 30 таким образом отстоят одна от другой по оси вращения 10а, то есть, центры их массы на упомянутой оси не совпадают. С другой стороны, балансировочные массы 32 одной балансировочной головки 30 имеют соответственно одно и то же положение центра массы по оси вращения 10а.
В частности, каждая балансировочная головка 30 включает два двигателя 32, по одному для каждой балансировочной массы 31, которые расположены симметрично оси вращения 10а. Соответственно, двигатели 32 являются электродвигателями и, более подходяще, двигателями постоянного тока серии ВС.
Балансировочные массы 31 по существу идентичны и, предпочтительно, имеют профиль в форме дуги окружности, по существу с центром по оси вращения 10а. Они подходят для поступательного движения по окружности движения, по существу имеющей общий центр с осью вращения 10а и лежащей на плоскости, по существу перпендикулярной оси вращения 10а. Передаточный механизм 33 типа, известного как таковой определяет передаточное отношение между балансировочными массами 31 и двигателями 32, по существу составляющее от 1/8000 до 1/1500 и, предпочтительно, по существу равное 1/10000.
Предпочтительно, каждая балансировочная головка 30 включает, в дополнение к вышеуказанным компонентам, по меньшей мере один датчик положения 34, подходящий для контроля положения балансировочных масс 31, и по меньшей мере одну плату управления 35, подходящую для передачи сигналов от двигателей, а также, предпочтительно, на двигатели 32. Датчик положения 34 подходит для обнаружения абсолютного положения любой одной балансировочной массы 31 на окружности движения, чтобы позволить двигателям 32 управлять взаимным движением масс 31 по этой окружности в зависимости от их исходного положения и разбалансировки вращающегося тела 10, обнаруженной детекторами вибрации 5а. В частности, каждый датчик положения 34 включает датчик смещения 36, подходящий для проверки движения и смещения масс 31. Более подробно, датчик смещения 36 состоит из кодера, функционально соединенного с одним двигателем 32 и подходящего для обнаружения активации и соответственного числа оборотов или частей оборота и последующего движения подсоединенной балансировочной массы 31.
Датчик смещения 36, состоящий из кодера, обеспечивает высокий уровень точности с учетом упомянутого передаточного отношения между балансировочными массами 31 и двигателями 32, так что за полным оборотом двигателя следует поворот массы 31 на угол 1/10000 оборота по отношению к оси 10а, а именно приблизительно на одну тридцатую градуса.
Датчики положения 34 включают по меньшей мере один эталонный датчик 37, подходящий для определения положения масс 31 по отношению к вращающейся части 2 по меньшей мере для одного углового положения. Он, предпочтительно, состоит из магнитного элемента 37а, помещенного на каждую массу 31 и из чувствительного элемента 37b, связанного с магнитным элементом 37а.
Таким образом, благодаря наличию эталонного датчика 37 и датчика смещения 36, датчики положения подходят для определения в каждый момент времени положения каждой массы 31 по отношению к вращающейся части 2. Плата управления 35 представляет собой электронную схему. Для каждого двигателя 32 есть соответствующая одна плата 35, расположенная на одном конце такого двигателя 32. Она принимает аналоговые входные сигналы и, предпочтительно, также выходные сигналы от датчиков положения 34, предпочтительно соединенных с одним двигателем 32. В частности, плата управления 35 принимает сигналы от датчика смещения 36 и, предпочтительно, также от эталонных датчиков 37. Эта плата 35 предпочтительно подходит для преобразования принятых сигналов из аналогового в цифровой формат. Затем цифровой сигнал передается по двум электрическим проводам 35а, отходящим от вращающейся части 2. Такие же функции предпочтительно также выполняются для входных сигналов, отправляемых на двигатели.
Кроме того, из-за того, что вращающаяся часть 2 включает два или четыре двигателя 32 и, следовательно, две или четыре платы 35, одни и те же два провода 35а предпочтительно передают сигналы с нескольких плат 35 и на эти платы и, предпочтительно, с всех плат 35, чтобы создать по существу сеть упомянутых плат 35.
Такое решение означает, что возможно использовать два электрических провода 35а, идущих от балансировочной головки 30, вместо нескольких электрических проводов, по два для каждой платы 35, таким образом, всего четыре или восемь, которые были бы необходимы в отсутствие такого новшества. Эти несколько проводов вызывали бы значительные проблемы при сборке с учетом их проводки. Плата управления 35 может быть легко выполнена специалистом в данной области техники, использующим свои обычные знания.
И наконец, балансировочное устройство 1 включает средства детектирования 6, подходящие для измерения углового положения вращающегося тела 10 по отношению к неподвижной части 22 относительно оси вращения 10а, в частности, во время выполнения обработки.
Эти средства детектирования 6 включают по меньшей мере один магнит 6а, по выбору подсоединяемый к вращающейся части 2 или к неподвижной части 3, и датчик Холла 6b или другой подобный датчик, подходящий для обнаружения упомянутого магнитного поля и по выбору расположенный перед магнитом 6а, или на неподвижной части 3, или на вращающейся части 2. В частности, средства детектирования 6 включают два магнита 6а, расположенных симметрично относительно оси вращения 10а и подсоединенных к вращающейся части 2 так, чтобы они были обращены к неподвижной части 3 и датчику Холла 6b, подсоединенному к неподвижной части 3 и обращенному к вращающейся части 2.
Работа балансировочного устройства для вращающегося тела, описанного выше как конструкция, заключается в следующем.
В частности, работа балансировочного устройства 1 определяет новый способ балансировки вращающегося тела 10.
Коротко, этот способ балансировки включает пусковую стадию, стадию измерения, на которой измеряется по меньшей мере разбалансировка вращающейся части 22, и стадию балансировки, на которой две балансировочные массы 31 перемещаются по окружности движения.
Сначала на пусковой стадии устройство 1 измеряет исходное положение балансировочных масс 31 внутри балансировочной головки 30 на окружности движения посредством датчиков 34. Более того, значение балансировочных масс 31 отправляется в блок управления 23 посредством простого процесса ввода данных, выполняемого пользователем, или другим способом. После определения исходного положения пусковая стадия заканчивается, и оператор приводит вращающееся тело 10 во вращение относительно оси вращения 10а, чтобы начать процесс обработки.
Прежде всего, время от времени активируется стадия калибровки. На этой стадии калибровки каждая балансировочная головка 30 предпочтительно активируется по отдельности в разное время, и при сочетании нескольких балансировочных головок 30 они могут быть активированы вместе. В частности, каждая балансировочная головка 30 создает разбалансировку, которая изменяет на известную величину положение балансировочных масс 31 на окружности движения, при этом датчик положения 34 определяет положение этих масс 31. Величина и положение разбалансировки измеряются таким образом непосредственно путем прямого и точного определения величины и положения балансировочных масс 31. Такое измерение предпочтительно выполняет датчик положения 34.
Одновременно с этим средство обнаружения разбалансировки 5 и, в частности, каждый детектор вибрации 5а, измеряет вибрации, вызванные упомянутой разбалансировкой, и способен выполнять точную и взаимно однозначную корреляцию между измеренными вибрациями и величиной и положением разбалансировки.
Фактически, для того, чтобы точно вычислить вибрации, вызванные положением и величиной разбалансировки, недостаточно знать такие положение и величину. Вибрации также зависят от массы, диаметра, частоты вращения и других факторов, связанных с вращающейся частью 21 станка 20. Эти параметры не всегда известны или неизвестны с требуемой степенью точности.
Поскольку такие параметры вращающейся части 21 изменяются в зависимости от износа шлифовального круга или другого инструмента, который является частью вращающейся части 21, стадию калибровки выполняют время от времени, особенно когда инструмент изношен и при любом изменении в частоте вращения. Результаты измерений предпочтительно сохранять для того, чтобы при замене инструмента не нужно было повторять стадию калибровки, так как балансировочное устройство 1 может использовать данные из базы данных, которая была создана. Более того, при известном положении разбалансировки внутри балансировочной головки 30 по отношению к вращающейся части 21 и с использованием средств детектирования 6 можно коррелировать положение разбалансировки по отношению к неподвижной части 22. Более подробно, во время стадии измерения детекторы вибрации 5а определяют разбалансировку вращающегося тела 10 в заданном угловом положении. Один пример такого измерения показан на Фиг. 4, где сила F (F1 или F2, поскольку предпочтительно применяются два детектора вибрации 5) отложена по ординате и угловое положение вращающегося тела по абсциссе. Датчик положения 34 определяет положение балансировочных масс 31 на окружности движения.
Кроме того, на стадии такой калибровки средства детектирования 6 измеряют, используя эффект Холла, угловое положение вращающейся части 2 по отношению к неподвижной части 3, а именно, угловое положение вращающейся части 21 и подсоединенного вращающегося тела 10. На Фиг. 4 приведен пример измерения углового положения вращающегося тела 10, на котором пики соответствуют перекрыванию импульсов I, отправляемых магнитами 6а на датчик Холла 6b.
Абсолютное положение, то есть положение по отношению к неподвижной части 22, таким образом точно коррелируется с величиной разбалансировки по отношению к вибрациям, считанным двумя разными детекторами вибрации 5а.
Более того, поскольку есть по меньшей мере два детектора вибрации 5а, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, и поскольку есть по меньшей мере две балансировочные головки 30, разбалансировка определяется и коррелируется с вибрациями, измеренными в осевом и окружном положениях вращающейся части и подсоединенного вращающегося тела 10.
После стадии калибровки или отдельно от нее выполняются стадия измерения разбалансировки и стадия балансировки.
На стадии измерения балансировочное устройство 1 измеряет вибрации, вызванные разбалансировкой вращающейся части 21 и подсоединенного вращающегося тела 10 с помощью средств 5 и, в частности, посредством детекторов вибрации 5а. Измеренные вибрации точно коррелируются с разбалансировкой вращающейся части 21, величина и осевое и окружное положение которой вычисляются точно, предпочтительно по отношению к неподвижной части 22, благодаря вышеописанной стадии калибровки. На стадии балансировки блок управления 23 вычисляет положение масс 31 балансировочных головок 30, необходимое для устранения измеренной разбалансировки, и управляет упомянутыми головками так, что массы 31 затем перемещаются так, чтобы устранить разбалансировку в осевом и окружном направлениях и, таким образом, устранить динамическую и/или вращательную разбалансировку вращающейся части и подсоединенного вращающегося тела 10.
Вследствие этого, балансировка и перемещение выполняются не как произвольные операции, а непосредственно из исходного положения в сбалансированное положение.
Изобретение имеет несколько важных преимуществ.
Первое важное преимущество заключается в том, что устройство 1 способно устранять динамическую разбалансировку.
Еще одно важное преимущество заключается в том, что, благодаря датчику положения 34, который определяет положение балансировочных масс 31 на окружности, балансировочное устройство 1 определяет положение масс 31 на окружности в любой момент времени и поэтому способно определить смещение масс, чтобы устранить разбалансировку вращающегося тела 10.
С устройствами и способами, известными в уровне техники, положение балансировочных масс в любой момент времени было практически неизвестным, и балансировочные массы 31 поэтому приходилось перемещать произвольно. Устройство 1, с другой стороны, определяет положение балансировочных масс 31 в любой момент времени, и поэтому может легко определить, как необходимо переместить эти массы.
Такая способность далее подкрепляется тем, что со средствами детектирования 6, устройство 1 и способ путем обнаружения углового положения вращающегося тела 10, определяют положение, которое должны занять балансировочные массы 31, чтобы устранить разбалансировку.
Еще одно преимущество заключается в том, что из-за наличия датчика положения 34 и, помимо этого, средств детектирования 6 балансировочное устройство 1 и способ устраняют разбалансировку за исключительно короткое время.
В отличие от известных устройств и способов, шлифовальный станок таким образом приобретает особенно высокие уровни КПД и точности. Еще одним важным преимуществом является то, что, благодаря пониженному передаточному отношению между двигателями 32 и массами 31, устройство 1 устанавливает положение масс 31 с высоким уровнем точности, этим обеспечивая почти полное устранение разбалансировки вращающегося тела 10.
В описанное здесь изобретение могут быть внесены модификации и изменения, но без нарушения объема идеи изобретения, который определен в формуле изобретения. Все элементы, описанные и заявленные в настоящем документе, могут быть заменены эквивалентными, и объем изобретения включает все другие детали, материалы, формы и размеры.